連鑄中間包保溫材料的研究與應(yīng)用

肖 強(qiáng)，高翠萍，劉訓(xùn)賓

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271126）

鋼鐵冶金及加工等高溫工業(yè)是我國能源消費(fèi)的大戶，也是節(jié)能減排的潛力大戶?！丁笆濉惫?jié)能減排綜合工作方案》對電力、鋼鐵等行業(yè)的節(jié)能減排工作提出了明確的任務(wù)和要求。在以連鑄為中心的煉鋼生產(chǎn)組織中，為控制鋼水溫度，要求可能減少鋼水過程溫降以降低出鋼溫度，澆注溫度過高，中間包耐材侵蝕嚴(yán)重，容易造成鋼流控制失控，產(chǎn)生澆注事故，鑄坯易產(chǎn)生裂紋、中心偏析、疏松等缺陷，也會(huì)加劇鋼水的二次氧化。對于中間包來說，采用隔熱保溫技術(shù)，不僅減緩殼體變形，更重要的是減少了鋼水溫降。中間包實(shí)行保溫技術(shù)，對降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、提高鋼材質(zhì)量、延長包殼壽命、減少鋼水溫度過低而造成斷澆事故均有很大好處。因此對中間包進(jìn)行采用隔熱保溫技術(shù)研究尤為重要，進(jìn)行煉鋼耐材保溫技術(shù)及降低出鋼溫度的研究符合鋼廠的各方面生產(chǎn)需求。

1 保溫材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展方向

目前，國內(nèi)外連鑄常用中間包耐火材料結(jié)構(gòu)是采用高鋁質(zhì)澆注料作為永久襯，干式料作為工作襯，高鋁澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)是5.0 W/mk，干式料的導(dǎo)熱系數(shù)是3.0 W/mk，隔熱保溫效果不明顯，導(dǎo)致中間包包殼溫度在澆注后期上升到300度左右。為了提高中間包保溫效果，國內(nèi)外企業(yè)研究了納米板、石棉、鎂橄欖石等保溫材料在中間包中保溫模擬實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際試用，但均沒達(dá)到預(yù)期效果。原因在于這些材料在加熱至600℃以后，石棉纖維的結(jié)構(gòu)水析出，纖維結(jié)構(gòu)破壞、變脆，揉搓后易變?yōu)榉勰?，不適合用作中間包保溫材料。而目前市場上流行的納米板多數(shù)是硅質(zhì)氣凝膠產(chǎn)物，加熱到630℃以后即產(chǎn)生粉化問題，隔熱層的整體性破壞甚至塌陷，影響中間包襯的整體穩(wěn)定性，產(chǎn)生漏鋼風(fēng)險(xiǎn)。加拿大等國在推行鎂橄欖石質(zhì)中間包保溫包，但其體積密度的輕量化不足，隔熱保溫效果還不夠理想。上述產(chǎn)品和新技術(shù)均無法很好地滿足中間包的使用要求。因此，研發(fā)耐高溫性能好、高溫提及穩(wěn)定性好、高溫隔熱保溫性能好的中間包保溫材料，是中間包隔熱保溫技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

2 保溫材料的傳熱研究

2.1 保溫材料的傳熱方式

保溫材料目的就是增大熱阻，降低熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞速率，降低熱量損失速度，從而提高熱效率。同一物體或不同物體之間存在溫度差就會(huì)出現(xiàn)傳熱現(xiàn)象。傳熱有熱傳導(dǎo)、熱對流傳熱和熱輻射三種基本方式。

熱傳導(dǎo)宏觀上是在同一物體內(nèi)或相互接觸的物體，熱量從高溫區(qū)域傳遞給低溫區(qū)域。從微觀角度看，導(dǎo)熱是物質(zhì)的分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象。

2.2 保溫材料的存在結(jié)構(gòu)

保溫材料一般使用導(dǎo)熱系數(shù)小材料作為隔熱介質(zhì)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比固體材料低得多，但是由于空氣具有對流性質(zhì)，以及紅外輻射的透明性，使空氣無法單獨(dú)作為隔熱材料。因此，需要設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)來最大限度的限制空氣的對流性和透紅外輻射性能。這種結(jié)構(gòu)需要采用一些固體來幫助實(shí)現(xiàn)。但是，幾乎所有的固體的導(dǎo)熱系數(shù)都比靜止的空氣大，所以設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該盡可能少的使用固體材料。使用固體來限制空氣的對流，形成結(jié)構(gòu)中有氣、固兩相，結(jié)構(gòu)中氣、固兩相以三種形式存在，即氣相連續(xù)型結(jié)構(gòu)、固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)、固相和氣相都為連續(xù)型結(jié)構(gòu)。圖1為三種形式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 保溫材料組織結(jié)構(gòu)

氣相連續(xù)型結(jié)構(gòu)的隔熱材料顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中開口氣孔占優(yōu)勢，氣孔相互連通，成為氣相連續(xù)結(jié)構(gòu)。耐火粉粒填充的隔熱耐火層就屬于這種結(jié)構(gòu)類型。

2.3 保溫材料的熱傳遞過程

固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)在保溫材料中使用最多，且熱傳遞結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，故主要介紹固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)保溫材料熱傳遞過程。固相連續(xù)型保溫材料是通過固相和氣相來傳熱。固相傳熱以熱傳導(dǎo)為主，氣相傳熱三種傳熱方式都存在，傳熱過程比較復(fù)雜。

3 中間包的保溫工藝研究

傳統(tǒng)的中間包耐火材料是兩層結(jié)構(gòu)，即永久層（材質(zhì)是高鋁澆注料）140mm，工作層（材質(zhì)是干式料）80mm。

改造后的中間包耐火材料如圖2所示.

圖2 改造后的中間包耐火材料結(jié)構(gòu)示意圖。

通過圖2來看，改造后的耐火材料由兩層結(jié)構(gòu)改為三層結(jié)構(gòu)，即保溫層（材質(zhì)為納米板），永久層（材質(zhì)改為輕質(zhì)澆注料）130mm，工作層（材質(zhì)是干式料）80mm。在永久層和鋼板之間加了一個(gè)納米保溫層。而且將永久層的材質(zhì)由高鋁澆注料改為輕質(zhì)澆注料，高鋁澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)為5.0 W/mk，而輕質(zhì)澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.25 W/mk，納米保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/mk。

本項(xiàng)目所采用的納米反輻射絕熱板理化指標(biāo)見表1，圖3為納米反輻射絕熱板實(shí)物圖。

表1 納米反輻射絕熱板理化指標(biāo)

圖3 納米反輻射絕熱板實(shí)物圖

4 工業(yè)應(yīng)用效果

2021年5月，改造后的保溫中間包在山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠四號連鑄機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下。

使用保溫中間包后，中間包澆周期12小時(shí)，在澆注末期，未使用保溫工藝的中間包，包殼表面溫度300°～320°，使用保溫工藝的中間包，包殼表面溫度160°～180°，溫度降低120°～140°，保溫效果明顯，隨保溫效果帶來的是中間包溫度的提升，根據(jù)對整個(gè)澆次的中間包溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用保溫工藝的中間包，中間包平均溫度同比提高2°。

5 結(jié)論

（1）中間包耐火材料和納米反輻射絕熱板配置結(jié)構(gòu)合理，在中間包外殼和永久層之間安裝納米反輻射絕熱板，其材質(zhì)、形狀、尺寸、安裝方式合理，使用壽命與中間包永久層同步。

（2）中間包永久層使用輕質(zhì)保溫料，保溫效果良好，為納米反輻射絕熱板提供了良好的工作環(huán)境。

（3）使用保溫中間包后，包殼溫度下降120°～140°，中間包保溫效果非常明顯。

（4）使用保溫工藝的中間包，可以降低鋼包的上鋼溫度。

保溫中間包的應(yīng)用對鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排，鋼水及產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全均有顯著的促進(jìn)作用。