（冶金工程专业论文）安钢小方坯连铸中间包长寿及无塞棒控流保护浇注工艺研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 安钢小方坯连铸中间包长寿及无塞棒控流保护浇注工艺研究 摘要 随着炼钢连铸新技术的不断应用，降低炼钢连铸成本，提高生产率势在必行。成功 开发新型中间包工作层材料，多角度应用耐火材料综合砌筑技术，为提高中间包连浇炉 数，提高连铸机的作业率，实现高效连铸提供了条件。 本研究在分析安钢小方坯连铸中间包工作层现状、国内外中间包工作层材料发展和 应用的基础上，选择并设计了中间包工作层材料，并开发了一种新型连铸浇注工艺 小方坯无塞棒控流保护浇注工艺，实现了碱性干式振动料中间包+ 定径水口快换技术+ 保护浇注工艺的成功结合。 中间包内衬采用碱性干式振动料，并在渣线料的配料中，用电熔镁砂取代部分烧 结镁砂，提高了碱性干式振动料的抗渣性能。设计了多功能中间包包衬胎具，采用复合 烧成型冲击板，增强了中间包冲击区包底的抗钢水冲击能力，延长了中间包综合使用寿 命。结合安钢生产实际情况设计了液压推动式快速更换定径水口装置，有效地降低了生 产事故，为稳定生产、维护设备提供了有力的保障。 采用新型中间包设计后，中间包平均使用寿命由原来的1 3 炉提高到1 0 0 炉以上， 中间包使用时间由原来的平均6 5 小时提高到3 9 小时以上，该指标达到了国内先进水平。 在此基础上，成功开发了以1 2 0 r a m 1 2 0 r a m 小方坯无塞棒控流保护浇注新工艺为 核心的多项自有新技术，加快了铸机生产节奏，提高了铸坯质量，成功生产了2 7 s i m n 、 4 5 # 等品种钢，并在安钢二炼2 撑连铸机上得到了成熟应用。 采用小方坯无塞棒控流保护浇注新工艺，减少了中间包事故和浇注过程不良品，铸 机作业率提高7 9 3 ，系统钢水温度降低1 0 2 0 c ，铸机平均拉速提高到3 5 m m i n 的高 效水平，铸机台时产量提高15 3 8 t h ，具备了炉机匹配的基本条件。中间包平均使用寿 命由原来的1 5 炉提高到1 6 9 炉，最高达到2 3 6 炉，中间包浇注时间突破7 2 小时，中间 包钢水消耗和耐火材料消耗分别降低到1 0 0 0 8 5 k g t 钢和1 6 k g t 钢，该指标达到了国内 领先水平，年创赢接经济效益在1 0 0 0 万元以上。 关键词：小方坯连铸；中间包；长寿技术；保护浇注 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yf o rl o n gl i f eo f t u n d i s ha n dn o n - s t o p p e rs t e e l s t r e a mp r o t e c t i o no fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n gi na n y a n gi r o n & s t e e lg r o u pc o l t d a b s t r a c t f o l l o w i n gt h en e wt e c h n i q u ea p p l i c a t i o no fs t e c h n a k i n ga n dc o n t i n u o u sc a s t i n g ，i tm u s t d e c r e a s et h ec o s to fs t e c l m a k i n ga n dc o n t i n u o u sc a s t i n ga n di n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y 1 1 1 e d e v e l o p m e n to fn e wt u n d i s hw o r k i n gl i n i n gm a t e r i a ls u c c e s s f u l l ya n dt h ea p p l i c a t i o no f c o m p o u n dm a s o n r yt e c h n i q u eo f r e f r a c t o r yc a ni m p r o v et h et u n d i s hc o n t i n u o u sc a s t i n gh e a t s a n dt h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c yo fc o n t i n u o u sc a s t e r , w h i c hs u p p l y i n gt h ec o n d i t i o no fh i 【g h e f f i c i e n c yc o n t i n u o u sc a s t i n g b a s e do nt h ea n a l y z i n go fc u r r e n ts t a t eo ft h eb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s hw o r k i n g l i n i n gi na n y a n gi r o n & s t e e lg r o u pc o l t da n dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h e t u n d i s hw o r k i n gl i n i n gm a t e r i a la l lo v e rt h ew o r l d ，t h et u n d i s hw o r k i n gl i n i n gm a t e r i a lw a s c h o s e na n dd e s i g n e d a n dt h en e wn o n s t o p p e rs t e e ls f f c a mp r o t e c t i o no fb i l l e tc o n t i n u o u s c a s t i n gt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e d , w h i c hr e a l i z e dt h ec o m b i n i n go ft u n d i s hb a s i cd r y v i b r a t o r ym a t e r i a l ，s i z i n gn o z z l ec h a n g i n gr a p i d l ya n ds t e e ls 订e a mp r o t e c t i o nc o n t i n u o u s c a s t i n gt e c h n o l o g y t h eb a s i cd r yv i b r a t o r ym a t e r i a lw a su s e da st h et u n d i s hi n n e rl i n i n g , a n df u s e d m a g n e s i t ei n s t e a do fp a r t l ym a g n e s i t ec l i n k e rd u r i n gt h em i x t u r eo fs l a gl i n em a t e r i a l ，w h i c h i m p r o v e dt h ea n t i s l a gp r o p e r t yo fb a s i cd r yv i b r a t o r ym a t e r i a l t h em u l t i p l et u n d i s hl i n i n g p o s i t i o n e rw a sd e s i g n e da n dc o m p o u n db u r n ts t r i k ep l a t ew a sa d o p t e d ，w h i c hi m p r o v e ds h o c k r e s i s t a n c eo f s t e e li nt h es h o c kz o n eo f t u n d i s hh e e la n dl e n g t h e n e dt h ec o m p l e xs e r v i c el i f eo f t u n d i s h c o m b i n i n gw i t ht h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o no f a n y a n gi r o n s t e e lg r o u pc o l t d t h eh y d r a u l i cs i z i n gn o z z l ec h a n g i n gr a p i d l yd e v i c ew a sd e s i g n e d ，w h i c hd e c r e a s e dt h e p r o d u c t i o na c c i d e n ta n dp r o t e c t e dt h es t a b i l i z a t i o np r o d u c t i o na n dt h em a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t u s i n gt h en e wt u n d i s hd e s i g n ，t h ea v e r a g es e r v i c el i f eo f t u n d i s hw a si n c r e a s e df r o m1 3 h c a t st oo v e r10 0h e a t s ，a n dt h ea v e r a g es e r v i c et i m ew a si n e r e a s e df r o m6 5h o u r st oo v e r3 9 h o u r s ，w h i c hr e a c h e dt h ea d v a n c e dl e v e li nc h i n a b a s e dt h ea b o v ec o n d i t i o n , m a n ya u t o n o m o u st e c h n i q u e sw e r ed e v e l o p e da r o u n dt h e c o r eo f1 2 0m m 1 2 0i n n ln o n - s t o p p e rs t e e ls t r e a n lp r o t e c t i o no f b i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n i q u e ，w h i c hi m p r o v e dt h ep r o d u c t i o nr h y t h mo fc o n t i n u o u sc a s t e ra n dt h eb i l l e t sq u a l i t y a f t e ra p p l i e di nn o 2c o n t i n u o u sc a s t e ro fn o 2s t e e l m a k i n gf a c t o r yi na n y a n gi r o n & - i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lg r o u pc o 【t ds u c c e s s f u l l y , t h e2 7 s i m na n d4 5s t e e l e t e c o u l db ep r o d u c e d t h en e wt e c h n i q u eo f1 1 0 1 1 一s t o p p e rs t e e ls t r e a mp r o t e c t i o no fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g d e c r e a s e dt h et u n d i s ha c c i d e n ta n dd e f e c t i v ep r o d u c td u r i n gc a s t i n g , p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f c o n t i n u o u $ c a s t e ri m p r o v e d7 9 3 ，s t e e lt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d1 0t o2 0d e g r e ec e n t i g r a d e ， w h i c hc o u l dm a t c ht h ec o n v e r t e ra n dc o n t i n u o u sc a s t e r t h ea v e r a g es e r v e rl i f eo ft u n d i s h i n c r e a s e df r o m1 5h e a t st o1 6 9h e a t s ( m a xw a s2 3 6b e a t s ) ，c a s t i n gt i m er e a c h e dt o7 2h o u r s ， c o n s u m p t i o no fs t e e la n dr e f r a c t o r yd e c r e a s e dt o1 0 0 0 8 5k i l o g r a r ap e rt o ns t e e la n d1 6 k i l o g r a mp e rt o ns t e e l 。w h i c hr e a c h e da d v a n c e d1 e v e li nc h i n aa n dt h ee c o n o m i ce 街c i e n c y e x c e e d e d1 0m i l l i o ny u a nr i v l bp e ry e a r k e yw o r d s ：b i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t u n d i s h , l o n gl i f et e c h n i q u e ，s t e e ls t r e a n lp r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做储娩礁蟹 日 期： 2 - ，。2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中间包冶金技术的发展 连续铸钢( 简称连铸) 是六十年代发展起来的一种新型铸钢技术，它能省掉初渣工 序，从钢水到铸成钢坯，金属收得率提高1 2 一1 5 ，降低生产成本约1 0 ，节约基建 投资3 0 - - 4 0 旧j 。 由于连铸具有金属收得率高，能源消耗低、铸坯质量好、机械化和自动化程度高等 优点，自上世纪八十年代以来，世界各国都竞相大力发展连铸技术，连铸比逐年增加。 n - - 十世纪末各钢铁工业强国的连铸生产量以接近饱和，连铸比已达9 5 以上f 4 _ 7 】。 大力发展连铸，也是中国、独联体以及某些东欧国家发展钢铁工业的重点。我国自 8 0 年代连铸生产开始高速发展，2 0 0 0 年连铸比达到8 5 7 ，2 0 0 1 年达到9 0 以上。 中间包是钢包和结晶器之间用于钢水过渡的装置，中间包承受连铸钢包流入的钢水 起“承上启下”作用。中间包作为连铸过程的中间容器，已由原来的简单容器转变为具 有冶金功能的反应器。它的这种功能也变得越来越强，不仅用作钢液的储存器和分配器， 而且具有防止钢水二次氧化、减少钢液内部夹杂，改变夹杂物形态的功能 g - l o 】。 过去，为了促使中间包中夹杂物的去除，采用的技术主要是防止钢液再污染技术， 换包时尽量减少钢包渣的卷入，钢包到中间包的浇注采用长水口，防止钢液与包衬耐火 材料的反应，中间包加盖技术等。二十世纪七、八十年代，出现了在中间包中安装堰坝 和过滤器等方法，以此来改变钢水在中间包的流动形态，增大钢水在其内的平均停留时 间，从而达到净化钢水的目的 1 1 - 1 8 】。 随着对钢质量的要求越来越严格，当今国内外在中间包上又有所改进或开发了一些 新技术 1 9 - 2 5 ，如采用加热设备 2 s - 3 0 】、合金微调技术3 ”、旋转管阀和离心流动中间包的应 用等。 1 2 中间包耐火材料 1 2 1 中间包类型及内衬结构 按浇注钢种冶炼方式和是否需烘烤等条件，中间包大体分以下几种类型。 ( 1 ) 高温中间包，为某特定的冶金过程所设置，采用镁砖内衬预热至1 5 0 0 c 左 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 右： ( 2 ) 热中间包，是常见的中间包，采用烧成砖、不烧砖或浇注料做内衬，浇注前 预热至8 0 0 - 一11 0 0 c ： ( 3 ) 冷中间包，采用绝热板作包衬，在浇注前不经预热即可使用。 中间包内衬组成大体包括以下几部分，如图1 1 所示。 1 包壳；2 - 永久层：3 工作层：4 包底；5 包盖： 6 塞棒：7 - 袖砖：8 - 塞头：9 座砖；l o 水口砖 图1 1 中间包用耐火材料组成图 f i g 1 1r e f r a c t o r yc o m p o s i t i o no f t u n d i s h 1 ) 保温层( 1 0 - - 3 0 r a m ) ，该层紧挨着中间包钢壳，通常砌石棉板、保温砖或轻质浇注 料。效果最好的为隔热纤维板，厚约1 2 m m ，热导率低，也易砌筑。 2 ) 永久层( 1 0 0 - 2 0 0 m m ) ，该层与保温层接触，其材料一般为粘土砖。整体永久衬最 为普遍，浇注料一般为高铝质。 3 ) 工作层( 2 0 5 0 m m ) ，该层与钢水接触，是关键部位。该内衬材料有半硅质、蜡石 质、粘土砖、高铝砖、碱性砖( 如镁质砖等) 、锆英石等。也有采用绝热板( 硅质绝热 板、镁质绝热板、镁橄榄石质绝热板) 或用涂料( 镁质、镁铬质及镁钙质涂料) 等作为 工作层。 4 ) 座砖，镶嵌于中间包底，安装中间包水口用，其材料通常为高铝质。 5 ) 包底，其材质基本与工作层相当，中间包包底工作层受钢水冲击部位最易损坏， 要求抗侵蚀、耐磨损，一般用高铝砖或致密高铝砖和铝铬砖，也用特制大块的高强度焦 油镁砖。钢水冲击部位可以采用锆英石增强。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 6 ) 包盖，包盖覆盖在中间包上，可起保温和防止钢水飞溅等作用，其材质通常采 用粘土质或高铝质耐火浇注料做包盖。 7 ) 挡渣墙( 堰) ，该墙砌于中间包内，可以是单墙，也可以是双墙。挡渣墙的材质 通常是高铝砖，也可以制成预制块，其目的是用来挡渣。为提高钢水的清洁度，在挡渣 墙上还可以设置钢水过滤器。 1 2 2 中间包耐火材料的应用与发展 由于中间包的容量和承受的钢水温度均与钢包有一定的差别，所用耐火材料也不尽 相同，要求中间包材质具备以下条件3 4 。3 6 】：( 1 ) 耐钢水和熔渣的侵蚀，使用寿命长：( 2 ) 具有怠好的抗热震性，与钢水接触时不炸裂：( 3 ) 具有较低的热传导率和微小的热膨胀 性，使中间包衬有一定的保温性和良好的接体性；( 4 ) 在浇注过程中钢水污染小，确保 钢水质量：( 5 ) 内衬材质的形状和结构要便于砌包和拆卸。 在浇钢过程中，特别是钢水再加热与气体搅拌等新技术的应用成功，中间包渣线等 关键部位的耐火材料侵蚀更加严重。基于减轻耐火材料的损毁和降低钢中非金属夹杂 物，以适应冶炼“纯净钢”的需要，中间包选用碱性耐火材料已成为发展的重点，其根 本原因是在连铸过程中，钢水与钢包衬、中间包衬、塞棒、水口等耐火材料接触时间最 长，相互产生的影响大。例如，机械侵蚀，高温钢水使耐火材料因软化而被冲蚀到钢水 中，来不及排除而形成外来夹杂物；溶解在钢水中的元素( 如铝) 与耐火材料中氧化物 发生还原反应生成氧化物，并与其它夹杂物结合形成复合夹杂物。 含铝的钢水与中间包耐火材料中的s i 0 2 发生反应： 4 a 1 + 3 ( s 1 0 2 ) = 3 s i + 2 ( a 1 2 0 3 ) ( 1 1 ) 生成的a 1 2 0 3 与卷入钢水中炉渣质点结合成c a o a 1 2 0 3 类夹杂物残留于钢中，同时 钢中铝含量有所降低，而硅含量有所增加( o 0 1 o 0 3 ) ，所以钢包、中间包衬一般不 用酸性材质，而用高铝质( 8 5 a 1 2 0 3 ) 材料。 中间包内衬一般由隔热层( 轻质砖或隔热材料) 、永久层( 砖或浇注料) 和工作衬 ( 涂料或绝热板) 组成。七十年代中期，永久衬仍主要用粘土砖砌筑，八十年代初期， 开始用不同材质的不定型材料作永久衬。工作衬则多用厚度为3 0 5 0 m m 的涂抹料或喷 涂料，为了节能采用绝热板。部分国家连铸中间包用不同耐火材料的百分率，见表1 1 。 中间包耐火材料的整体结构设计，必须考虑中间包的功能。为了晟佳浇注，中间包 应能容纳连铸机所需的钢水，既不影响拉速又能保证包内必须的最低液面高度，在允许 - 3 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的一定温度范围内，直到浇注完毕也不影响钢水的纯洁度，因此要求中间包应采用合适 的结构和材质阢3 引。 表1 1 连铸中间包用耐火材料( 质量百分含量。) t a b l e1 1r e f r a c t o r y o f t u n d i s hi nc c ( m a s s ) 理想的中间包衬是在保证钢水质量的基础上，又能降低成本。这些包衬的材质包括： 浇注料、喷涂料、绝热板等。较新的砌包方法是：于式振动浇注、机器人喷涂、绝热板 自动施工。 1 2 1 1 浇注料 中间包永久衬一般由耐火砖砌筑而成。在使用过程中，由于砖缝的存在导致砖体脱 落而损坏，严重影响到中间包的使用寿命。随着中间包浇注料、涂料的成功应用，其永 久层已改为整体浇注料，使用寿命得以大幅度提高。 中间包永久衬采用浇注料应具有如下性能：抵抗中间包系统中产生的热应力；永久 线变化为正值，这样冷却时产生的裂纹在高温下可以愈合即具有裂纹自愈合性；所制永 久衬能保持光滑的表面，有利于工作层剥离；抗侵蚀性强，能抵抗钢液和熔渣的侵蚀。 中间包浇注料用材质有以下几种： ( 1 ) 中间包用铝硅质浇注料。该料损毁的主要原因是由于渣浸透引起的结构脱落 和热剥落。通过改变原料的a 1 2 0 3 s i 0 2 比例，降低其热膨胀率，以提高结合强度和塑性 性能。 ( 2 ) 中间包永久衬用自流浇注料。法国拉法吉耐火材料公n t ”】，以往用红柱石低 水泥注料，由于某些部位几何形状不利于施工成型，经常要进行局部修理。改用自流浇 注料后即可自动流入，亦避免了噪声。即使局部修理，亦无需用风镐在表面开凿“进料 通道”。 ( 3 ) 连铸中间包永久村d 5 7 浇注料。上钢五厂引进意大利d a n i e c a s t 公司的方 4 东北大学硕士学位论文蔓二字笪鲎 坯连铸机。随机引进热调试全套耐火材料，其中中间包永久衬用引进s i r m a c a s ta 2 耐火浇注料i “。九十年代我国开发研制d 5 7 浇注料洲，以高铝矾土为主材质，适当添加 膨胀剂等外加剂，经过使用，寿命超过a 2 浇注料的2 4 倍。近年来，d 5 7 浇注料在我国 多家钢厂的中间包永久衬和加热炉高温部位使用，也取得了好的使用效果。浇注料性能 见表1 2 。 表1 2 浇注料性能 t a b l e1 2p r o p e r t i e so f c a s t i n g m a t e r i a l s 牌号 d 5 7 a 2备注 体积密度g c m - 3 2 4 92 3 2 线变化率 o 0 1- o 0 51i o c ，2 4 h 烘干 耐压强度m l p a 3 9 0 2 5 3 体积密度g c m 。2 4 7 2 2 4 线变化率 - o 0 3- 0 1 8 1 4 0 0 c ，5 h 烧成 耐压强度i v p a 6 3 85 5 2 1 2 1 2 喷涂料 中间包的工作层过去一般用绝热板砌筑，旌工劳动强度大，砌筑灵活性差，且绝热 板多属酸性材料，在使用过程中易被钢水侵蚀形成夹杂物而污染钢水。为了提高中间包 的使用寿命，降低耐火材料的消耗，便于清除内衬上的残渣和残钢，中间包工作衬多采 用喷涂材料。中间包工作衬要求隔热性能好，化学成分要满足各钢种的冶金浇注条件， 如防止增碳、增氢和夹杂物的形成。为此对中间包工作衬涂料的性能要求如下：具有良 好的喷涂施工性能；密度低，隔热性能好且经济；具有良好的耐侵蚀性；可连续长时问 操作；抗钢流冲击性能好；易于拆除；烘烤时不开裂不剥落。 不定型的喷涂料容易进行机械化施工，因此省力是很大的优势，尤其是喷补施工。 中间包涂料普遍采用磷酸或磷酸盐作结合剂，使用效果较好。也有在涂料中加入一定量 的纤维，使热应力小于1 m p a ( 1 0 k g c m z ) 以t ，使用时不脱落、不炸裂、不凹胀。现已开 发出镁质、镁铬质、镁钙质、高铝质和橄榄石质等涂料，而且国内外都在致力于发展涂 料。 中间包衬采用镁质或镁铬质耐火涂抹料和喷涂料作保护层后，使砖衬寿命也显著提 高，普遍寿命达到5 0 次。经过维修后，寿命为9 0 - - 1 0 0 次，最高达到2 0 0 多炉。新日本 5 东北犬学硕士学位论文 第一章绪论 钢铁公司八幡厂第三炼钢车间，中间包工作衬用镁质涂料，使用寿命达2 1 0 次，镁质涂 料性能见表1 3 。 表1 3 镁质涂料性能 t a b l e1 3p r o p 硎e so f m a g n e s i am a t e r i a l s 项目a ( 涂料)b ( 轻质料) 化学组成肼 1 1 0 c 干燥 1 5 6 5 烧成 2 6 0 2 6 5 ( 1 5 0 0 ( 2 ) 1 7 2 1 6 7 ( 1 5 0 0 ) 新日铁大分钢厂6 0 t 中间包使用隔热镁质喷涂料，该料作业性以及在渣线处使用的 耐侵蚀性和用后的解体性均取得好效果【4 3 】。近年来，日本开发了多孔喷涂料，该涂料兼 具有冷、热中间包的优点，降低成本，同时避免预热，节约了能源。使用多孔隔热喷涂 料与绝热板一样无需烤包。进行多炉连铸时，可在前一炉浇注的余热尚存的情况下喷涂， 喷涂层应充分干燥和绝熟板一样实现冷态开浇。在开浇阶段，涂料的热工性能实际与碱 性绝热板保持同等水平，随着温度逐渐升高而均匀，其耐侵蚀性能也与致密料类同。 我国的中间包采用镁质涂料也取得了良好效果。采用添加起泡荆和加入细颗粒等措 施开发的低体积密度的镁质涂料，该涂料具有以下优点：减少用量；提高隔热性，降低 热导率，降低热损失；减轻施工体浇注料的热负荷，提高其耐用性；旌工体与涂料的界 面温度降低，提高抗折性；耐炸裂性好，可快速干燥。宝钢二期工程连铸大型中间包( 6 0 t ) 国产内衬涂料，涂层厚度为2 0 3 0 m m ，采用热态施工法，施工温度为5 0 1 0 0 c ，并采 用快速干燥预热，烘烤时间为9 0 分钟，温度达1 2 0 0 。c 左右。涂料具有良好的耐蚀性、 抗渣性，减少了钢液中非金属夹杂物 棚。 m g o - c a o 质涂料中，c a o 含量较高且能吸附钢水的夹杂物和有害元素：同时游离 c a o 在使用过程中与涂料中s i 0 2 反应生成c a o s i 0 2 。c a o s i 0 2 在高温下为a 型，温度 降低是转变为中间稳定相和低温型a c c a o - s i 0 2 和c a o s i 0 2 ，伴随有1 2 的体积膨胀。 - 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 故中间包使用完毕，在冷却过程中，涂层自身结构破坏，从而改善了解体性能。从使用 后涂料的x 射线衍射分析可见，在变质层中的主晶相有m g o a 1 2 0 3 相存在。说明涂料 具有吸附a 1 2 0 3 的作用，且在渐变层中还有a 1 2 0 3 和涂料中c a o 反应生成的m c a o n a l 2 0 3 出现，进一步说明涂料具有吸附a 1 2 0 3 的作用，这对提高钢的洁净度起了重要作用。 我国的m g o c a o 质涂料以烧结镁砂m s 9 5 为主原料，加入适量钙质材料和硅微粉 及复合外加剂。该涂料涂抹性好，烘烤时不爆裂，抗熔渣及钢水侵蚀，解体性好。宝钢 中间包工作条件：大包钢水经k t p c a s 炉外精炼新工艺处理，立弯式两流大型板坯连 铸机；中间包公称容量6 0 t ，钢水温度1 5 4 0 1 5 9 0 c 。在中间包两上挡渣堰之间使用 m g o c a o 试验涂料，浇钢后返回，观察涂层熔损、解体情况良好。涂料理化性能见表 1 4 。 表1 4 涂料理化性能 t a b l e1 4p h y s i c o c h c m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f m a t e r i a l s 1 2 1 3 绝热板 中间包内衬用隔热板即绝热板镶砌，代替耐火砖，也称“冷中间包”，使用前不必 烘烤。对绝熟板的要求如下：( 1 ) 耐钢水和熔渣的侵蚀性要好。( 2 ) 热导率要低，具有较 好的隔热性能。( 3 ) 绝热板的收缩率要小，保证绝热板在使用时板与板之间的严密性，防 止钢水渗入。( 4 ) 绝热板的含水量要低，以免在进入钢水后发生爆裂和钢水沸腾。( 5 ) 绝 一， 东北大学硕士学位论文箜二章绪论 热板应具有一定的强度和韧性，以免在运输装卸和安装过程中破损。 中间包绝热板主要由壁板、端板、底板、盖板和冲击板组成。其板型由中间包形状 决定，板厚一般为3 5 - - 4 0 m m ，冲击板厚度大于5 0 m m 。使用绝热板具有以下优点： ( 1 ) 中间包可不预热烘烤，实现冷包开浇，可节省烘包燃料约9 0 ； ( 2 ) 绝热板内村拆、砌方便，节约人工约7 0 0 o ； ( 3 ) 保温性好，可降低初钢温度5 一1 0 ，中间包不易结冷钢，提高钢水收得率 0 5 1 o ： ( 4 ) 中间包永久层几乎不再修理，可延长使用寿命，降低耐火材料消耗每吨钢5 k g ； ( 5 ) 改善劳动条件，减轻劳动强度，中间包绝热板修砌简单，冷却后绝热板粉化， 易使残钢和内衬分离，清理十分方便。 绝热板是轻质不烧耐火材料，由调料、纤维和胶结剂组成。绝热板填料可用膨胀珍 珠岩、石英砂、自云石、石灰石和粘土等。绝热板的制备方法如下。 ( 1 ) 半干法；加入纸浆废液约1 7 ，其余工序与制造耐火砖相同。 ( 2 ) 湿法( 真空吸滤法) ：选用纸浆液或酚醛树脂作结合剂，制备纤维浆配料时， 把填料与结合剂混合均匀，再与纤维浆混匀制成料浆，然后按规定数量加入真空吸滤箱 中，抽真空2 3 分钟。为防止干燥制品吸水，可用水玻璃溶液浸渍、石蜡处理或用聚乙 烯薄膜包裹。该法生产的绝热板，气孔垂赢于绝热板面，浇钢时不发生沸腾现象。绝热 板制作工艺流程如图1 2 所示。 图1 2 绝热板制作工艺流程图 f i g 1 2p r o c e s sc h a r to f m a k i n gh e a ti n s u l a t i n gs h i e l d 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，绝热板有硅质、镁质、镁橄榄石质等，分别适用于不同的钢种。 ( 1 ) 硅质绝热板 钢水内夹杂物含量与中间包衬材质有关，绝热板中间包与耐火砖中间包相比，铸坯 中大于5 0 岬夹杂物含量明显减少。硅质绝热板由石英砂、无机和有机纤维原料及酚醛 树脂等结合剂制成。硅质绝热板主要成分为s i 0 2 ，适用于浇注普碳钢、碳结构钢和普通 低合金钢等。在首钢二炼钢八流小方坯连铸机批量使用约2 5 0 0 t ，据一季度统计，该产 品使用寿命长达6 h 以上【4 5 】。 ( 2 ) 镁质绝热板 绝热板作为中间包内衬，在使用过程中，因钢液、熔渣各成分渗入板的表面，并在 板面未形成致密层之前仍继续往内渗透。逐渐导致板表面的化学成分向渣中扩散、溶解， 生成液相及低熔点相被钢液冲刷脱落。当绝热板工作面一旦形成致密层，渗透受到阻碍， 侵蚀速率减少。 镁质绝热板适用于浇注特殊钢及部分高质钢种，与中间包衬所用材质相当，对钢水 的污染比硅质板小。镁质绝热板在鞍钢三炼钢容量为5 5 t 的大型中间包，使用，保证水 口开浇率达到1 0 0 ，满足了铝镇静钢、低合金钢、碳素结构钢等优质钢种的需要。 ( 3 ) 镁橄榄石绝热板 纯天然镁橄榄石( 结晶属斜方晶系，熔点为1 8 9 0 c ) ，高铝质橄榄石不需煅烧可使 用，并具有高的抗蠕变和热导率低等特性。因此，以m g o s i 0 2 系中的焦硅酸镁、蛇纹 石以及水镁石等为原料制备绝热板引起重视，并逐步加以扩大利用。 绝热板主要性能指标是热导率的大小，以此衡量绝热板的保温和隔热性能。此外， 浇钢时不开裂、不沸腾，以及拆除时能否呈块状脱落也是重要指标。镁质橄榄石绝热板 在武钢、重庆特钢、长城钢厂、山西钢厂等使用效果表明，其具有良好的冶金效果【舶，4 7 1 。 挡渣板( 堰) 在吸附钢水中有害杂质的同时，还改交了钢水在中间包中的流态，使 钢水在中间包内产生回流，钢水中的各种夹杂物得以上浮，达到钢水与夹杂物的有效分 离。为了更好地去除钢水中的各种夹杂物，还可在中间包内安装钢水过滤器。c a o 达到 9 9 的陶瓷过滤器，可有效地去除钢水中各种硅酸盐夹杂和细小的a 1 2 0 3 等氧化物夹杂， 使钢的质量显著提高。 中间包使用上下挡渣板( 堰) 的目的是促进夹杂物上浮，但如果夹杂物上浮到钢渣 界面时没有液渣吸附a 1 2 0 3 ，则a 1 2 0 3 会聚集成不稳定的团块，受到钢水的搅动，会重 新进入钢水中，这样就影响了中间包加上下挡渣堰的效果。宝钢从1 9 9 6 年开始试验中 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 间包碱性覆盖剂，1 9 9 7 年取代了碳化稻壳，在环保和冶金效果上发挥了较好作用4 ”。 ( 4 ) 连铸中间包用冲击板 通常情况下，中间包永久衬为超细粉结合的高铝质浇注料，工作衬为硅质绝热板或 镁质喷涂料。当采用硅质绝热板时，钢水冲击部位采用两层绝热板，连浇率为3 c h t d 。 随着冶金技术的发展，这种绝热板已不能满足连铸的要求，后来改用耐用性好、对钢水 无不良影响的镁质喷涂料，冲击部位采用废镁碳砖和滑板，上面再抹一薄层涂料，总厚 度为1 5 0 m m 左右，连浇率为5 - - 6 c h t d ，但由于废滑板和镁碳砖易漂浮，且耐钢水冲刷 性能差，造成了涂层浪费( 可使用8 h ) 和永久衬蚀损 4 9 j 。为了提高中间包各种耐火材 料综合使用寿命，降低消耗，增加连浇率，使永久衬少受或免受冲刷，建议采用冲击板。 目前，我国正在大力发展高效连铸技术，中间包冶金技术正曰益受到冶金工作者的 重视。中间包耐火材料技术是中间包冶金技术的重要组成部分，是功能耐火材料在连铸 生产上的重要体现。中间包内衬多使用碱性和高铝质包衬，采用一系列措施( 预热、喷 补、涂层、加顶盖、清除腐蚀性渣等) 使包衬寿命高达1 0 0 次左右，耐火材料单耗每吨 钢1 5 “0 k g 。 为了生产高质量的铸坯，提高铸坯的纯净度，在工艺上采取了多种技术措施，其中 包括铁水预处理工艺技术、顶底复吹工艺技术及各种炉外精炼工艺技术。随着对高纯净 钢要求的增长，精炼后的钢水的纯净度大幅度提高。但在后续的运送过程中，钢水仍可 能被污染。中间包即是一个可能造成钢水氧化的污染源，而中间包内衬用耐火材料是钢 水再氧化的重要源头。因此，正确选用耐火材料，对防止钢水再氧化、提高纯净度，具 有重要的意义。 资料( 5 0 壤明，z r 0 2 、c a o 、m ：g o 、m g o g _ a _ 1 2 0 3 与2 c a o 嚣i 0 2 材质都是较理想的中间 包衬材料，它们产生的氧化物( 如a 1 2 0 3 等) 夹杂少，不会造成钢液被耐火材料再氧化。 例如用c a o 材料作中间包衬，c a o 易与a 1 2 0 3 反应形成液态铝酸钙，在钢液中上浮并被 除去，而且c a o 还有很好的脱硫效果。在连铸方面，为了促进夹杂物的上浮，采用了 大容量中间包、上下挡渣堰结构、垂直结晶器等技术，浇注中采取了密封浇注技术。 日本中间包一般采用蜡石砖和粘土砖作内衬，受钢水冲击部位，包底用锆英石砖和 锆铝砖砌筑。浇铸不锈钢时，通常采用铬英石作中间包内衬，其使用寿命，因砖的品种、 内衬厚度、钢种和浇注时间等条件不同而异。 美国中间包通常采用粘土砖，烧成或不烧高铝砖和碱性砖作内衬。3 5 t 中间包砖砌 内衬时，砖衬使用情况大体为：单炉连烧时，因频繁间歇操作和清渣的影响，虽经修补 1 0 东北大学硕士学位论文蔓章 绪论 每吨钢单耗为2 6 8 - - - 3 o k g ；多炉长时间连浇时，中间包不经修补每吨钢单耗为 1 7 8 2 6 8 k g ：多炉短时间连浇，中间包可进行修补，单耗为每吨钢0 8 9 - - - 1 2 5 k g 。 我国连铸用中间包的永久衬，多使用粘土砖，工作衬使用硅质、镁质、镁橄榄石绝 热板和镁质、高铝质涂料。目前，该镁质、高钙质涂料日益得到发展。 最近几年，为了满足市场对高质量产品的需求和进一步提高连铸效率，强化中间包 在连铸生产工艺中的作用，提出了一些新的方法并采取了一系列措施，以强化和扩大中 间包的冶金功能，从而使中间包由一种简单的钢液过滤器变成一种重要的钢液精炼设 备。宝钢已全面实施了中间包碱性耐火材料综合技术，特别是一些重点高附加值品种钢 的生产，如i f 钢、汽车0 5 板、d i 材、x 系列管线钢等，均在作业标准中规定使用中间 包碱性耐火材料综合技术，促进了夹杂物进一步聚集、上浮，提高了铜液的纯净度，使 铸坯的总氧量下降2 26 ；同时铸坯中夹杂物的数量、尺寸均显著降低，夹杂物指数由 原来的1 22 4 下降到76 9 ，降低了3 7 2 。对于 5 0 1 m a 的夹杂物，去除率约为8 0 ；对 于微观夹杂物，去除率为1 0 0 一8 0 ；剩余夹杂物的尺寸均 l o p m ，并且弥散分布嗍。 随着炼钢系统的改造和连铸生产不锈钢技术的不断发展，也对连铸用耐火材料的品 种和质量，提出了新的更高的要求。因此，以中间包精炼技术为核心，开展耐火材料综 合技术研究，发挥中间包用碱性耐火材料综合技术的效果，为钢铁企业实现更经济的产 能提供了技术支撑，也对确保产品质量的稳定，将产生重大的经济效益和广泛的社会效 益。 1 3 安钢中间包耐火材料的发展现状 安钢中间包包衬结构主要为永久层、隔热层、工作层三层结构： ( 1 ) 永久层。安钢永久层多使用低水泥浇注料浇注成型。该浇注料永久层耐高温、 抗炉渣和钢水浸蚀性能、抗急冷急热性能良好，施工后表面光滑。永久层厚度为 9 0 1 l o m m 。 ( 2 ) 工作层。安钢中间包工作层均使用硅质绝热板。工作层厚度为4 0 5 5 m m 。 ( 3 ) 隔热层。由于安钢中间包工作层使用硅质绝热板，工作层本身的隔热性能良 好。因此，安钢为节约资源，促进耐火材料的废物再利用，隔热层材料由原设计的石英 砂颗粒更改为将废耐火砖、使用后的钢包残衬浇注料破碎制成的8 - 1 5 r a m 颗粒。隔热层 厚度为6 0 8 0 m m 。 第二炼钢厂小方坯1 拌、3 群连铸机中间包使用硅质绝热板做工作层。其包衬结构如图 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 所示。工作层采用硅质绝热板，永久层使用水玻璃结合铝镁浇注料。为了改善中间 包的保温性能，在工作层和永久层之间填充6 0 8 0 m m 由废钢包浇注料破碎而成的砂粒， 砂粒粒径范围为8 1 5 m m 。 图1 3 中间包结构示意图 f i g 1 3d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t u n d i s hs t r u c t u r e 在浇钢过程中，由于硅质绝热板表面与熔渣接触后，熔渣渗透进绝热板表面的开口 气孔内，与绝热板的填料发生物理化学反应，生成多种低熔点物相组成的液相，该液相 在钢水流动冲刷下，成为钢水中非金属夹杂物。随后钢水与熔渣又与新裸露的绝热板表 面作用，产生新的界面，形成新一轮熔蚀与冲刷。有关文献显示，硅质绝热板的受浸蚀 速率经验关系式表示如下： y = o 0 4 4 e 0 ”7 1 ”1 ) ( 1 2 ) 式中y 硅质绝热板受浸蚀速率，m m m i n ； 弘中间包钢水温度，( 以平均温度计算) ，； 卜中间包浇注时间，m i n 。 安铜中间包的平均使用寿命仅为1 3 炉( 平均拉钢时间为6 5 小时) ，生产技术指标 低于国内同类型企业。 1 4 课题的提出及研究内容 1 4 1 安钢炼钢系统简介 安阳钢铁股份公司是1 9 5 8 年建厂的国有老企业，目前年生产钢5 0 0 万吨以上。炼 钢系统主要在第一炼轧厂、第二炼轧厂和第二炼钢厂。第一炼轧厂主要设备包括1 0 0 t 电炉一台、1 0 0