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耐火材料行業知識

保溫中間包內襯材料的配置及優化技術

在以連鑄為中心的煉鋼生產組織中,為控制鋼水溫度,首先是盡可能減少鋼水過程溫降,降低出鋼溫度;其次是盡可能穩定煉鋼操作,提高出鋼溫度的命中率,避免高溫出鋼;第三是加強生產調度和鋼包周轉等物流管理。澆鑄溫度過高,中間包耐火材料侵蝕嚴重,容易造成鋼流控制失控,產生澆鑄事故,而且鑄坯易產生裂紋、中心偏析、疏松等缺陷,還會加劇鋼水的二次氧化;而澆鑄溫度過低,則易使鋼水凍結而中斷澆鑄,或使鋼水黏度增大,導致夾雜物上浮困難,鑄坯表面品質差,而且造成中間包內殘鋼量增多,金屬收得率降低。通常將中間包內鋼水溫度波動控制在5℃以內?梢,中間包鋼水保溫技術不僅僅是節能,還關系到鋼水及其產品的質量問題和生產安全問題。
目前,寶鋼股份1930CCM連鑄機中間包是磚砌型中間包,其耐火材料結構是采用75mm厚黏土磚作為永久襯,采用145mm厚的黏土磚、燒成莫來石磚、鋁鋯預制磚作為預備工作襯(包底、熔池大部采用黏土磚,渣線采用燒成莫來石磚和鋁鋯預制磚,包底沖擊區及水口座磚易沖刷部位采用燒成莫來石磚)。目前,中間包內襯的隔熱保溫效果不明顯。對于煉鋼中間包來說,采用隔熱保溫技術不僅能減緩中間包殼體變形,更重要的是減少了鋼水溫降,對降低轉爐出鋼溫度、提高鋼材品質、延長包殼壽命以及減少鋼水溫度過低而造成的斷澆事故,均有很大的好處。因此,對寶鋼中間包進行隔熱保溫技術研究顯得尤為重要。
由于鋼水在中間包中的熱量損失主要有三種形式:中間包上部表面散熱、包內襯蓄熱、通過內襯向包外殼傳導散熱,因此,擬通過優化寶鋼中間包內襯保溫配置研究,獲得減少中間包澆鑄過程中的溫降和溫度波動的中間包內襯耐火材料配置技術,以實現中間包安全、穩定、長壽、節能運行。
保溫中間包內襯材料的配置
寶鋼保溫中間包采用納米微孔隔熱板隔熱層、輕質保溫磚以及低水泥半輕質莫來石澆注料整體澆注。
1.1保溫材料的性能研究
1.1.1納米微孔隔熱板
納米微孔隔熱板(簡稱“納米板”)是一種基于納米微孔原理研制而成的新型隔熱材料,主要是采用超細SiO?和熱輻射吸收材料等經特殊工藝壓制而成的多孔板狀物,它具有超低的熱導率(比靜止空氣的還低)。目前在寶鋼保溫中間包上試用的納米板WDS最高使用溫度可達1100℃,在800℃下的熱導率為0.043W·(m·K)-?,其組成(w)為:SiO?50%,ZrSiO?45%,其他5%;體積密度為(430±10)kg·m-?。對使用前的新板進行檢測發現,其在500℃下的熱導率為0.027W·(m·K)-1,于1100℃保溫5h的燒后線變化率為-1.75%。觀察在中間包上經1000℃使用5h后的納米板發現,無明顯燒結或收縮現象,用后板保持良好狀態(見圖1);而且其500℃時的熱導率為0.028W·(m·K)-1,保溫性能幾乎沒有變化?梢,該納米板在1000℃的高溫下可以使用。
1.1.2輕質保溫磚———漂珠磚
為了保護納米板,還選用了一種輕質保溫磚———漂珠磚來隔熱,用于永久層和納米板之間。對現場擬選用的2種漂珠磚進行了性能對比分析,具體見表1。綜合評價為:1#漂珠磚在1250℃保溫2h燒后的收縮很大,出現了過度燒結現象,因磚“瓷化”而造成強度高;2#漂珠磚在1250℃保溫2h燒后的收縮率符合國標中小于2%的要求,而且耐高溫性能較好。因此,現場應用中以采用2#漂珠磚為宜。
1.2整體澆注料的性能研究
寶鋼現用中間包永久襯采用磚砌施工,為了實施中間包保溫技術,擬用澆注料整體澆注成永久襯來取代磚砌的黏土磚與莫來石磚等。中間包永久襯澆注料的使用過程為:連鑄前在其表面施工工作層涂料→中間包烘烤升溫→連鑄澆鋼時受到鋼水的高溫和靜壓力作用→連澆結束→中間包冷卻→涂料解體→表面再施工涂料,如此反復。由于永久襯澆注料的使用壽命要求較長(一般在600爐以上),且要防止涂料解體、翻包時永久層澆注料松動,因此對其抗熱震性、強度(尤其是高溫燒后強度)、體積穩定性都提出了較高的要求。此外,由于中間包涂料的氣孔率較高,渣往往會穿過涂料層滲透到永久襯中,因此還要確保永久襯具有較好的抗渣性。為使永久襯澆注料兼具以上性能要求,可采取如表2所示的措施。
中間包永久襯澆注料必須具備的性能和措施
為了確保中間包永久襯的抗熱震性,澆注料的Al?O?含量要適當控制。采用Al?O?含量為50%~65%(w)的較好,其物相主要是莫來石,具有良好的抗熱震性。采用超低水泥結合技術,水泥含量低,高溫下形成的CaO-Al?O?-SiO?低熔點物相很少。對于正在實施的中間包保溫項目,除了在鋼殼處設置隔熱層之外,還應采用半輕質澆注料做永久襯,并控制適當的強度,不要過分追求較低的熱導率。表3列出了分別在16#和6#中間包上試用的半輕質永久襯澆注料的實測性能指標。
中間包保溫的實施和效果
2.1中間包耐火材料配置結構設計
為降低中間包熱量損失,增加一層隔熱襯,隔熱襯采用5mm厚的納米板隔熱保溫層和30mm厚的輕質磚;永久襯采用半輕質莫來石澆注料,包壁厚度為185mm,包底澆注區厚度為185mm,沖擊區部位厚度為330mm;工作層涂料厚度為40mm,渣線及局部沖刷區域45~50mm。
2.2中間包熱平衡時理論計算
通過中間包熱平衡時模擬計算各界面溫度,以評估中間包各種材料的使用安全性。模擬計算時設定的邊界條件為:鋼板厚度30mm,納米板厚度5mm,輕質磚厚度30mm,永久襯澆注料厚度185mm,工作層涂料厚度40mm;工作層涂料與鋼水界面溫度1550℃。達到平衡時各界面溫度模擬計算結果為:涂料與澆注料的界面溫度為1430℃,澆注料與輕質磚的為956℃,輕質磚與隔熱板的為737℃,隔熱板與鋼殼的為202℃。模擬計算結果表明,各種材料均在安全使用范圍內,但相比原用黏土磚的中間包,工作層涂料與永久襯澆注料的界面溫度有所提高。
對現用的磚砌型中間包(以下簡稱“磚砌包”)耐火材料結構和上述試驗中間包(以下簡稱“試驗包”)的耐火材料結構均進行了熱平衡后傳熱模擬計算,結果如表5所示?梢钥闯,原磚砌包達到熱態平衡時的鋼殼溫度為298.2℃,通過中間包鋼殼的熱量損失為6749.8W·m-?;試驗包達到熱態時的鋼殼溫度為201.6℃,通過中間包鋼殼的熱量損失為3237.5W·m-?。此計算結果是在達到熱態平衡時模擬的結果,雖然中間包在使用中往往不能達到熱態平衡,但可以說明一種趨勢,即:在中間包趨向熱平衡的狀態時,各層材料均在安全使用范圍內,同時與原磚砌包采用的耐火材料相比具有一定的保溫效果和較少的熱量損失。
2.3連鑄過程中間包保溫效果評估
對砌有隔熱襯和澆注料永久襯的6#試驗包和現用磚砌包在連鑄過程中進行了全程的鋼殼溫度監測。采用非接觸式紅外測溫儀對對象包監測的相同部位的3個測溫點同時進行了溫度測量并記錄,從表6的監測溫度記錄來看,隨著中間包使用爐齡的增加,無論是磚砌包還是有隔熱襯的包,鋼殼溫度均升高,熱量損失增加;試驗包與磚砌中間包相比,同一澆次澆鑄后期的鋼殼溫度要低得多,具有明顯的保溫隔熱效果,熱量損失減少,節能效果明顯。按目前澆鑄6爐計,與磚砌包相比,優化配置后的保溫中間包鋼殼溫度從第1爐的降低17℃到第6爐的降低83℃,說明隨著連澆爐數增多,鋼殼降溫更加明顯。
又對上述兩種中間包的鋼水溫降情況進行了對比,結果如表7所示(X與σ分別是鋼水溫降的均值與標準偏差)。與現用磚砌包相比,試驗包的保溫效果良好,可以明顯延緩連鑄過程中包內鋼水溫度的降低。
通過優化寶鋼中間包內襯保溫配置研究,將普通的磚砌型中間包改為采用納米微孔隔熱板、輕質保溫磚以及低水泥結合半輕質莫來石澆注料的中間包。按澆鑄6爐計,優化配置后的保溫中間包鋼殼溫度從第1爐的降低17℃到第6爐的降低83℃,隨著連澆爐數增多,包殼降溫更加明顯;鋼水溫降的標準偏差σ降低10.39%,波動幅度明顯收窄,有利于提高連鑄澆鋼過程中鋼水溫度的穩定性,提高鑄坯品質。


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