寶鋼鋼錠用發熱板性能優化研究

張建春

1.前言

為了減少鋼錠頭部縮孔和疏松，提高鋼錠頭部質量，在鋼錠澆注結束后，一般采用向鋼錠冒口部位加入保溫劑、發熱劑或發熱板等材料，來減少縮孔和疏松的程度。保溫劑的作用是阻止鋼水與空氣的直接接觸，減少鋼錠冒口向空氣的散熱，發熱劑或發熱板的作用主要是通過自身含有的發熱物質的燃燒發熱，向鋼錠頭部的鋼水補充熱量，同時發熱板燃燒后形成的膨脹狀態減少了鋼錠頭部鋼水向空氣的傳熱，減輕鋼錠頭部的熱損失，控制鋼錠頭部最后凝固的效果[1-5]。隨著新鋼種的開發和新錠型的增加，對鋼錠頭部凝固效果提出了新的要求，發熱板發熱性能是否滿足新的要求需要開展研究。本文對寶鋼煉鋼廠使用的三種常規發熱板的化學、物理和發熱性能進行了測試，分別對化學成分、發熱量、燃燒溫度和保溫時間等性能參數進行了分析，并根據測試結果和新鋼種對鋼錠頭部質量的具體要求提出了改進優化方案，最后對改進優化后的發熱板進行了性能測試驗證和工業化生產試驗驗證。驗證結果表明，改進優化后的發熱板保溫性能良好，滿足了新鋼種和新錠型開發的要求。

2.化學成分檢測

由于發熱板屬于混合物，因此采用X射線熒光光譜儀（WDXRF）與化學分析相結合的方法，對三種常規發熱板的主要成分進行分析，結果見表1。從分析結果可以看出，三種發熱板的主要發熱元素是鋁與碳，但不同類型的發熱板中鋁與碳的含量明顯不同，其中A型發熱板的發熱元素鋁和碳含量最低，B型發熱板鋁含量最高，主要利用鋁元素發熱，C型發熱板碳含量最高，主要利用碳元素發熱。

3.發熱量及熱重測試

采用DSC綜合熱分析儀測試發熱板單位質量發熱量及質量變化情況，測試氣氛為空氣，升溫速度20℃/min，DSC綜合熱分析儀技術參數見表2，分析結果見圖1，a1/b1/c1分別是A/B/C型發熱板的熱流曲線，a2/b2/c2分別是A/B/C型發熱板的失重曲線。從熱流曲線圖可以看出，三種發熱板都有多個發熱峰，是由不同發熱物質在不同溫度下發熱量的差異引起的，A型發熱板熱流密度峰值最低，在400℃左右達到最大值，B型發熱板熱流密度峰值最高，在500℃左右達到最大值，對應B型發熱板的發熱元素碳和鋁的含量也較高。從失重曲線看，三種發熱板的失重趨勢類似，差異不大。

表1 三種類型發熱板主要化學成分分析結果 %

表2 DSC分析儀技術參數

4.燃燒溫度測試

發熱板燃燒后到達的最高溫度也是發熱性能的重要指標，三種發熱板燃燒后的溫度隨著時間變化的曲線見圖2。A型發熱板燃燒后的最高溫度最低，且后期溫度下降比較明顯，B型發熱板的極限溫度最高，且一直保持在較高的溫度，C型發熱板略差于B型。

圖1 熱流曲線及失重曲線

圖2 燃燒溫度曲線

5.燃燒發熱后保溫性能測試

由于碳的作用，發熱板燃燒后發生膨脹，氣孔率增加，達到保溫的效果。圖3是發熱板與空氣接觸面的溫度隨著燃燒及燃燒后時間的變化曲線，溫度越高，則其保溫性能越好。從圖中可以看出，B型和C型發熱板的保溫性能明顯優于A型，能較長時間保持在1000℃以上，與B型、C型發熱板的碳含量較高有明顯的相關性。

6.成分優化后性能測試

圖3 燃燒后保溫溫度曲線

從以上三種發熱板性能測試結果可以得出，鋁含量的提高對發熱板的熱流密度和燃燒溫度都有明顯的作用，一定的碳含量對燃燒后的保溫性能有比較明顯的改進作用。根據新鋼種和新錠型的開發需求，發熱板的發熱量和最高燃燒溫度需進一步提高。根據以上測試分析結果，對發熱板的組成成分進行了優化，因B型發熱板的性能較好。因此，決定在B型的基礎上進行優化，主要優化方向是提高鋁含量，同時適當增加碳含量，其組成成分見表3。優化后的發熱板再次進行性能測試，見圖4、圖5、圖6。

表3 化學成分 %

圖4 優化后發熱板熱分析曲線

圖5 優化后發熱板燃燒溫度曲線

由圖4可知，成分優化后的發熱板的熱流密度相對更均勻，300℃左右時出現第一個熱流密度高峰，500℃左右時熱流密度達到最大值，600℃-800℃區間的熱流密度保持相對穩定，950℃左右時出現最后一個放熱高峰。對比B型發熱板，優化后的發熱板放熱反應比原B型發熱板更持久，發熱量更大。

由圖5可知，優化后的發熱板升溫速度比較快，燃燒最高溫度近1800℃，基本全程保持在1700℃以上。

從圖6可知，優化后的發熱板保溫性能較好，發熱板冷面溫度全程保持在1000℃以上。綜合熱流密度、最高燃燒溫度、保溫性能等指標來看，優化后的發熱板組成成分設計比較合理，既充分發揮了鋁元素的發熱功能，也充分利用了碳元素燃燒后膨脹形成氣孔的保溫功能，優化后的發熱板性能達到設計目標。

7.工業生產應用和驗證

圖6 優化后發熱板保溫曲線

選擇常用的BV30和RV92兩種錠型進行工業試驗驗證，2支鋼錠試驗優化后發熱板，另2支錠用原B型發熱板進行對比。為了保證基礎條件相同，要求在同一個中注管、同一個底盤上位置相對的鋼錠上試驗。澆注鋼種為模具鋼，澆注溫度、澆注速度、補注時間等工藝參數保持不變，實際澆注溫度為1572℃，澆注速度4.3噸/分鐘，補注時間4.5分鐘。優化后的發熱板燃燒時間比原B型延長了約5分鐘。通過上述性能指標測試和工業試驗結果驗證，優化后的發熱板達到了設計要求，滿足新鋼種開發和質量提升的需求。

8.結論

（1）對原來使用的三種類型發熱板的主要性能進行了測試，比較了三種發熱板的成分和性能差異。

（2）根據發熱板中鋁含量和碳含量對發熱性能和保溫性能的作用，設計了新型發熱板。

（3）對新型發熱板的發熱性能、保溫性能進行了再次測試，驗證了設計目標。

（4）通過工業試驗，鋼坯低倍質量有明顯提升，新型發熱板滿足了新鋼種開發和質量提升的需求。