（冶金工程专业论文）钢包碱性保温覆盖剂的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 钢包碱性保温覆盖剂的研究 摘要 保温覆盖剂主要用于二次精炼过程中的钢水保温，对于减少钢水在运输和浇 注过程中的温降，防止钢水二次氧化，吸收钢中夹杂等具有重要意义。 本文研究了保温覆盖剂使用原料种类和组成配比对保温覆盖剂导热系数的影 响；利用计算机模拟讨论了影响鞍钢1 8 0 吨钢包钢水温降的因素；通过工业试验 考察了研究开发的碱性保温覆盖剂在工业生产中的实际应用效果。得到的结论如 下： ( 1 ) 实验室研究结果表明，随着石灰加入量的增加，钢水保温覆盖剂的导热 系数增加，保温效果变差。膨胀珍珠岩的保温效果优于硅藻土和膨胀蛭石。综合 考虑冶炼工艺要求和原料价格等方面的因素，确定工业试验采用石灰一硅藻土系钢 水保温覆盖剂。石灰和硅藻土的质量比为3 1 。 ( 2 ) 计算机模拟研究结果表明，当保温覆盖剂的导热系数较大时，钢水温降 随时间变化的幅度较大。而当导热系数较小时，钢水温降随时间变化的幅度较小。 在使用导热系数较大的保温覆盖剂时，随着钢水在钢包内滞留时间的延长，钢水 温降明显增加。保温覆盖剂的容重对钢水温降的影响不明显。从钢水保温的观点 来看，应选择导热系数低的保温覆盖剂，并尽量缩短钢水在钢包内的滞留时间。 特别是当使用导热系数较高的保温覆盖剂时，缩短钢水在钢包内的滞留时间是减 少钢水温降的重要手段。在保温覆盖剂的容重和导热系数相同的条件下，钢水温 降随着保温覆盖剂的加入量的增加而减小。当保温覆盖剂的导热系数小于0 1 w i n k 时，保温覆盖剂加入量对钢水温降的影响明显。从钢水的实际保温要求来说，保 温覆盖剂的加入量需大于2 0 0 k g 。转炉渣带入量对钢水温降没有明显的影响。 ( 3 ) 工业试验结果表明，本研究开发的碱性保温覆盖剂的c a o 和m g o 含量 高于鞍钢目前正在使用的一般保温覆盖剂，其导热系数小于鞍钢目前正在使用的 一般保温覆盖剂的导热系数，保温效果良好。 关键词：钢包；保温覆盖剂；导热系数；碱性；容重 东北大学硕士学位论文 s t u d yo n t h eb a s i cc o v e r i n gf l u xo f h e a tp r e s e r v a t i o no f l a d l e a b s t r a c t t h ec o v e r i n gf l u xo fh e a tp r e s e r v a t i o ni sm a i n l yu s e df o rh e a tp r e s e r v a t i o no fm o l t e n m e t a li nt h es e c o n dr e f i n i n g ，i ti si m p o r t a n tf o rd e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e - l o w e r , p r e v e n t i n g t h eo x i d a t i o no f m o l t e nm e t a la n da b s o r b i n gt h ei n c l u s i o n i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so f r a wm a t e r i a l su s i n gf o rc o v e r i n gf l u xo f h e a tp r e s e r v a t i o na n d i t sc o m p o s i t i o nh a v eb e e ns t u d i e d ，t h ef a c t o r so fi n f l u e n c i n gt h et e m p e r a t u r e l o w e ro f18 0 t l a d l eo fa ns h a hs t e e ld i s c u s s e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h eu s i n gr e s u l to f t h ed e v e l o p e d b a s i ct e m p e r a t u r e - l o w e ri ni n d u s t r yi n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h el a b o r a t o r yr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ea m o u n to fl i m e ，t h e c o e f f i c i e n to f h e a t - c o n d u c t i v i t yo f t h ec o v e r i n gf l u xo fh e a tp r e s e r v a t i o nd e c r e a s e da n dt h e f u n c t i o no fh e a tp r e s e r v a t i o nb e c a m ed o w n t h ee f f e c to ft h eh e a tp r e s e r v a t i o no f e x p a n d e d p e a r l i t ei sg o o d t h a nd i a t o m i t ea n de x p a n d e dv e r m i c u l i t e a c c o r d i n gt os o m ef a c t o r ss u c ha s t h er e q u i r e m e n to fs m e l t i n go p e r a t i o na n dr a wm a t e r i a l sp r i c e ，t h ec o v e t i n gf l u xo fh e a t p r e s e r v a t i o no fl i m e - d i a t o m i t ec o u l db ec o n s i d e r e dt ob eg o o d f o rt h ei n d u s t r i a lt e s ta n dt h e r a t i 0o f l i r a e d i a t o m i t ei s3 1 ( 2 ) t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ec o e f f i c i e n to fh e a t c o n d u c t i v i t yw a sh i g h , t h er a t eo ft e m p e r a t u r e - l o w e ro fm o l t e nm e t a lw a sl a r g e ；w h e nt h e c o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t yw a sl o w , t h er a t eo f t e m p e r a t u r e l o w e ro f m o l t e nm e t a lw a s s m a l l w h e n u s i n g t h e c o v e t i n g f l u xo fh e a t p r e s e r v a t i o n w i t h h i g h c o e f f i c i e n to f h e a t - c o n d u c t i v i t y , w j t l lt h ei n c r e a s i n g o ft h e r e m a i n i n g t i m eo fm o l t e nm e t a li n l a d l e , t e m p e r a t u r e - l o w e ro fm o l t e nm e t a li n c r e a s e do b v i o u s l y t h ee f f e c to f b u l kd e n s i t yo ft h e c o v e r i n gf l u xo f h e a tp r e s e r v a t i o nw a sn o tm u c ho b v i o u s l y i nv i e wo fh e a tp r e s e r v a t i o n , t h e h e a t - c o n d u c t i v i t yo fc o v e r i n gf l u xs h o u l db el o w e ra n d t h er e m a i n i n gt i m eo fm o l t e ns t e e li n l a d l es h o u l dd e c r e a s et ot h el o w e s tl e v e l i ti sa ni m p o r t a n tt od e c r e a s i n gt h er e m a i n i n gt i m e e s p e c i a l l yw h e nu s i n gt h em a t e r i a l sw i t hh i g hh e a t c o n d u c t i v i t y t h et e m p e r a t u r e - l o w e ro f m o l t e nm e t a ld e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n ga m o u n to f c o v e t i n gf l u xw h e n t h eb u l kd e n s i t y a n dt h eh e a t - c o n d u c t i v i t yk e p ts t e a d y t h ea m o u n to fa d d e df l u xi n f l u e n c e dt h et e m p e r a t u r e o fm o l t e nm e t a lo b v i o u s l yw h e nt h eh e a t c o n d u c t i v i t yl e s st h a n0 1 w m k t h ea m o u n to f a d d e df l u xs h o u l db em o r et h a n2 0 0 k gi np r a c t i c a lo p e r a t i o n t h es l a gb r o u g h tf r o mc o n v e r t e r l nt h el a d l eh a sn o to b v i o u si n f l u e n c e0 1 1t h e t e m p e r a t u r e - l o w e r o f m o l t e nm e t a l t n 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 3 ) t h e r e s u r so f c o m m e r c i a lt e s ts h o w e dt h a tt h ec o n t e n to f m g o a n dc a oo fb a s i c c o v e r i n gf l u xo fh e a t p r e s e r v a t i o nd e v e l o p e di nt h i ss t u d yw e r eh i g h e rt h a nt h ef l u xw h i c h u s i n gi na ns h a ns t e e lc o r p o r a t i o na n di t sh e a t c o n d u c t i v i t yl o w e rt h a nt h a tf l u xt h eh e a t p r e s e r v a t i o no f t h ed e v e l o p e df l u xi se x c e l l e n t k e yw o r d s ：l a d l e ；c o v e r i n gf l u xo f h e a tp r e s e r v a t i o n ；h e a t c o n d u c t i v i t y ；b a s i c i t y ；b u l kd e n s i t y 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，不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，也不 包括本人为获得其它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感谢。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 钢水保温覆盖剂的作用 钢水保温覆盖剂用于二次精炼过程中覆盖钢包钢液表面，主要作用是钢水保 温，避免钢水在运输和浇注过程中温降过大和钢液表面结冷钢。随着钢铁生产技 术的不断提高以及钢铁冶炼向高纯净超低碳钢发展的趋势，对钢水保温覆盖剂的 要求越来越高。从单一的绝热保温型向防止钢水二次氧化，吸附钢水上浮夹杂物， 不与钢水反应避免钢水污染，防止钢水回硫，不侵蚀碱性包衬等多功能复合型的 方向发展。 1 1 2 钢水保温覆盖剂的种类 钢水保温覆盖剂主要有以下四种类型： ( 1 ) 酸性保温覆盖剂：典型的酸性保温覆盖剂是碳化稻壳，其具有优良的保 温绝热性能，且成本低廉。但碳化稻壳不利于吸附钢水中上浮的夹杂物，并容易 导致钢水增碳，同时还污染环境。 ( 2 ) 中性保温覆盖剂：典型的中性傈温覆盖剂刖2 0 3 s i 0 2 基含碳或低碳覆盖 剂，其最大特点是成本低廉和钢水增碳少。 ( 3 ) 碱性保温覆盖剂：该类保温覆盖剂是以m g o 或白云石为基的材料，分为 含碳类与低碳类两种。该类保温覆盖剂一般熔点较低，单独使用时容易结壳，但 能很好地吸附钢水中上浮的夹杂物。 ( 4 ) 双层保温覆盖剂：双层保温覆盖剂具有双层结构，底层一般为碱性渣， 使用时形成液渣层以吸附夹杂，顶层一般为碳化稻壳，以强化保温。 1 1 3 钢水保温覆盖剂存在的主要问题 7 0 年代以来，钢水保温覆盖剂大都采用碳化稻壳，虽然其容重小，导热系数 东北大学硕士学位论文第一章绪论 低，保温效果较好。但其容易使钢水增碳，粉尘大，污染环境，贮存和运输也不 方便。 为了适应生产需要，各炼钢厂相继研究开发出了替代碳化稻壳的钢水保温覆 盖剂。并且取得了一定的成效。但还仍然存在着很多问题，主要集中在以下几个 方面。 ( 1 ) 保温覆盖剂的碱度较低，酸性和中性产品占了很大的比例，在精炼过程 中钢水的净化效果不明显； ( 2 ) 保温覆盖剂对钢包，特别是对渣线部位的侵蚀严重，降低了钢包的使用 寿命； ( 3 ) 保温覆盖剂的碳含量较高，由于浓度梯度的作用增加了从覆盖剂向钢水 中渗碳的趋势，使有些钢水的碳含量很难达到冶炼指标： ( 4 ) 现有的关于保温覆盖剂的研究结果基本上是建立在经验基础上的，缺少 足够的理论分析，现代化分析手段的计算机模拟没有在钢水保温覆盖剂的传热过 程中得到充分的认识和应用。 1 2 文献综述 1 2 1 钢水保温覆盖剂的发展 钢水保温覆盖剂最初的使用目的非常单纯，就是为了保温，以防止钢水在运 输和浇注过程中温度下降过大。但随着人们对钢材质量要求的提高，钢水保温覆 盖剂的功能趋于多样化和功能化。具体包括：保温，防止大气对钢水的二次氧化， 吸附钢水中上浮的夹杂物。同时，还要求保温覆盖剂本身不能与钢水或者钢水中 的元素反应使钢水产生污染。 本溪钢铁公司炼钢厂最早使用碳化稻壳作为保温覆盖剂。但是碳化稻壳铺展 性差，同时在使用过程中容易燃烧，即碳化稻壳在加入到钢包后，常常出现堆积 状态，不能迅速地铺开覆盖钢液表面。这种现象常常导致钢水表面的局部裸露在 空气中，使碳化稻壳的保温作用得不到很好的发挥。由于碳化稻壳的燃烧，浇注 3 0 m i n 后，钢水表面的碳化稻壳覆盖层已基本发红，碳化稻壳的保温作用明显下降。 针对上述情况，本溪钢铁公司从1 9 9 9 年开始开发新的钢包覆盖剂，以替代碳化稻 壳。新开发的钢水保温覆盖剂通过添加一定的膨胀蛭石和膨胀石墨，来提高覆盖 剂的铺展性。利用膨胀蛭石和膨胀石墨都具有较高膨胀能力的特点，使覆盖剂在 投入钢包后能够迅速地铺展开，进而达到快速有效地覆盖住钢水表面的目的。另 2 查! ! 查兰堡圭兰垡堕苎塑二童堕笙 外，添加膨胀蛭石和膨胀石墨后，还可以在钢水表面的渣层中形成一个隔离层， 可有效地降低钢水的散热量，提高覆盖剂的保温作用。添加适量的铝粉，焦碳粉 或煤粉作为发热剂，可以提高覆盖剂的发热量。利用发热剂的化学反应所产生的 热量来弥补钢包内钢水的热损失。改进覆盖剂的成渣特性，控制适宜的成渣速度 和成渣温度，由f e 2 0 3 含量来调整覆盖剂的反应时间。两种比较典型的钢包保温覆 盖剂的化学成分如表1 1 所示。将新开发的钢包保温覆盖剂与碳化稻壳的使用效果 进行了比较，其结果如表1 2 所示。同时，还考察了钢包保温覆盖剂加入量与钢水 温降速率之间的关系，其结果如表1 3 所示。钢包保温覆盖剂对钢水成分的影响如 表1 4 所示。 由表可见，开发的新型钢包保温覆盖剂的碱度为0 7 左右，碳含量在1 2 2 5 间，钢水增碳量在o 0 2 左右。碱度大于碳化稻壳，碳含量和钢水增碳量均小于碳 化稻壳。使用结果表明，铺展性优于碳化稻壳，覆盖剂表面出现发红现象为开始 浇铸后6 0 r a i n 左右，温降速度比碳化稻壳降低了0 4 0 r a i n ，保温效果明显优于碳 化稻壳。另外，钢包内残渣挂壁现象明显改善，年创经济效益达1 0 0 万元【1 1 1 2 1 。 表1 1 钢包保温覆盖剂化学成分( m a s s ) t a b l e1 l c o m p o s i t i o n so f c o v e f i n g f l u xo f l a d l e ( m a s s ) 表1 2 钢包保温覆盖剂的保温效果 t a b l e1 2e f f e c t so f c o v e r i n gf l u xo f l a d l eo n t e m p e r a t u r ec h a n g e so f m o l t e n m e t a l 项目 炉数平均出钢糊哪包平均蹴，篙茹茹篙 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 钢包保温覆盖剂加入量与降温速率的关系 t a b l e1 3r e l a t i o n sb e t w e e nt h ea m o u n t o f c o v e f i n gf l u xa d d i t i o na n d t h ed e c r e a s i n g r a t eo f m o k e nm e t a l t e m p e r a t u r e 表1 4 钢包保温覆盖剂对钢水成分的影u n ( m a s s 1 t a b l e1 4i n f l u e n c eo f c o v e r i n g f l u xo fl a d l eo nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h e m o l t e nm e t a l ( m a s s ) 包头钢铁公司炼钢厂开发的连铸中间包保温覆盖剂的化学成分如表1 5 所示。 该保温覆盖剂在钢包四机四流圆坯2 0 盹连铸中间包使用。使用结果表明，其铺展 均匀，形成三层结构，渣表面不结壳。浇铸过程中中间包内的钢水温度变化如曲 线如图1 1 所示。可见，钢水的平均温降速度较小，保温性能好。钢水污染程度较 轻【3 】。 表15 连铸中间包保温覆盖剂的化学成分( m a s s 1 t a b l e1 5c h e m i c a l c o m p o s i t i o no f c o v e r i n g f l u xo f t u n d i s h ( m a s s ) 注：r = ( c a o + m g o ) s i 0 2 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 p 蜊 哺 51 63 75 58 21 0 21 3 41 5 6 1 8 22 1 92 5 32 9 83 1 93 3 3 时间( r a i n ) 图1 1 碱性覆盖剂中间包钢水温度时间曲线 f i g 1 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h em o l t e nm e t a lt e m p e r a t u r eo f t u n d i s h u s i n gc o v e t i n g f l u xa n dt i m e 武汉钢铁公司钢炼钢厂开发了微碳碱性保温覆盖剂，以适应超低碳钢水冶炼 和钢水硫、磷含量的要求。从常用的原料石灰、石灰石、白云石、轻烧白云石、 菱镁石、苦菱土、轻烧镁粉、膨胀珍珠岩以及硅藻土当中，以经济和制备简单的 观点出发，基于微碳碱性钢水保温覆盖剂性能的要求，参考其它类型钢水保温覆 盖剂的配置与应用经验，选择轻烧镁粉和膨胀珍珠岩作为微碳碱性钢水保温覆盖 剂的主要原材料，以白云石粉和石灰石粉为添加料，设计了多个配方并开发了相 应的生产制备工艺。开发的保温覆盖剂的实验室测量结果如表1 6 所示。生产了5 吨微碳碱性钢水保温覆盖剂，在武钢第三炼钢厂3 0 0 吨钢包进行工业性试验，试 验结果如表1 7 所示。试验结果表明，该覆盖剂铺展性较好，加入时灰尘与钢渣飞 溅较少，未发现钢包结盖现象，保温效果良好，钢水平均温降速度为0 2 8 。c m i n ， 对钢水碳含量的影响较小【4 】。 表1 6 微碳碱性钢水保温覆盖剂理化性能 t a b l e1 6c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so f b a s i cc o v e r i n gf l u x w i t h l o wc a r b o nc o n t e n t 舛 弱 记 n 东北太学硕士学位论文第一章绪论 表1 ，7 微碳碱水保温覆盖剂工业性实验结果 t a b l el7i n d u s t r i a le x p e r i m e m a lr e s u l to f b a s i cc o v e r i n gf l u xw i t hl o wc a r b o nc o n t e n t 朱立光等采用单向加热炉的方法研究了几种常用保温覆盏剂的保温效果。实 验方法为：加热单向电炉，并当电炉的功率基本平稳时打开炉盖迅速投入并扒平 料面。然后将单向加热炉底部温度维持在8 0 0 ，由输入功率与保温时间的关系曲 线，来评价覆盖剂的保温性能。实验原料为碳化稻壳、碳黑、电厂灰、磷片石墨、 水渣面、水渣粒、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、珍珠岩原矿以及绝热板等。从开始吸 热到热传递达到平衡的这一段时间内，功率迅速降低。具体的实验结果为：蛭 石时输入功率可在2 m i n 时平稳。膨胀珍珠岩6 r a i n ，碳化稻壳、碳黑以及电厂灰为 t o m i n ，水渣粒和珍珠岩原矿为3 0 r n i n ，其他单一材料一般在2 0 r a i n 左右。由上述 的实验结果可以看出，膨胀蛭石和膨胀珍珠岩保温性能较好，碳化稻壳和碳黑的 保温性能居中，而水渣粒和珍珠岩原矿的保温性能最差。在一定的保温时间内， 使用珍珠岩原矿时电炉功率下降的最多，碳化稻壳下降最小。即，珍珠岩原矿的 保温性能最差，碳化稻壳最好。平衡功率如图1 2 所示。 可见，使用碳化稻壳时电炉达到平稳所需的功率最低，即，覆盖荆的保温效 果最好。碳黑的保温效果和碳化稻壳相当，其他材料保温效果排列次序为电厂灰， 磷片石墨、水渣面、蛭石、膨胀珍珠岩、水渣料、珍珠岩原矿和绝热板。在基料 中分别添加石墨、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石( 每种添加料单独使用，其百分含量分 别取5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ) ，其平衡功率如图1 3 、图1 4 和表1 8 所示。 6 东北大学硕士学位论文第章绪论 9 0 0 7 5 0 暑6 0 0 4 5 0 3 0 0 c 1c 2c 3c 4c 5c 6c 7c 8c 9f 1 0 材料种类 c 1 碳化稻壳c 2 碳黑c 3 电厂灰c 4 - 磷片石墨c 5 水渣面 c 6 一蛭石c 7 - 膨胀珍珠岩c 8 水渣粒c 9 - 未膨胀珍珠岩c i o - 绝热板 图12 使用各材质时的平衡功率 f i g 1 2e q u i l i b r i u mp o w e ro f u s i n g v a r i o u sm a t e r i a l s 4 1 0 4 0 0 3 9 0 s 山 3 8 0 3 7 0 3 6 0 o1 01 52 0 石墨含量( ) 图1 , 3 石墨含量与平衡功率间关系 f i g 1 3 r e l a t i o nb e t w e e nt h eg r a p h i t ec o n t e n ta n d e q u i l i b r i u mp o w e r 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 v 山 5 4 0 5 2 0 5 0 0 4 8 0 4 6 0 4 4 0 51 01 52 02 5 膨胀珍珠岩含量( ) 图1 4 膨胀珍珠岩含量与平衡功率关系 f 追，1 4 r e l a t i o nb e t w e e n e x p a n d e dp e a r l i t ec o n t e n t a n d e q u i l i b r i u mp o w e r 表1 8 不同材料的平衡功率 t a b l e1 8 e q u i l i b r i u mp o w e r o f d i f f e r e n tm a t e r i a l s 由上述实验结果可见，在基料中加入石墨，覆盖剂的保温性能明显提高。覆 盖剂的保温能力随着石墨添加景的增加而提高。从覆盖剂的保温性能来说，石墨 和碳黑的合适添加量在2 0 左右，膨胀珍珠岩的添加量在1 5 左右，而蛭石对覆 盖剂保温性能的影响并没有呈有出很有规律的趋势。根据实验结果进一步优选出 四种实验方案，如表18 所示。图1 5 示出了根据表1 8 的实验方案所测定的实验 8 查! ! 查堂堕主兰堡垒壅 墅二兰堕堕 四种实验方案，如表1 8 所示。图1 5 示出了根据表1 8 的实验方案所测定的实验 结果。 5 1 0 5 0 0 ，_ 、 邑4 9 0 自 4 8 0 4 7 0 方案1方案2方案3方案4 图1 6 采用不同实验方案时的平衡功率 f i g 1 6e q u i l i b r i u mp o w e r s & d i f f e r e n te x p e r i m e n t 由图1 6 的实验结果可见，在基料中配加2 5 的石墨和和1 0 的膨胀珍珠岩时， 覆盖剂的保温性能最好 5 1 。 朱立光等还建立了钢水覆盖剂传热及熔融结构的数学模型，假定钢水覆盖剂 具有粉状层、烧结层和熔融层的三层稳定传热结构，计算出了覆盖剂融化温度等 因素对钢水覆盖剂保温性能的影响。计算结果表明：随着覆盖剂熔化温度的升高， 粉状层和烧结层的总厚度增加，熔融层变薄，覆盖剂的保温性能提高；随着覆盖 剂总厚度的增加，粉状层和烧结层的厚度增加较快，熔融层厚度增加相对较慢， 覆盖剂的保温性能提高；随着粉状层导热系数的增加，粉状层变薄，烧结层变厚， 熔融层厚度增加较小。在覆盖剂的使用过程中，还应综合考虑各种工艺因素，来 控制烧结层的厚度【6 】。 丰文祥等以c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 三元系相图为理论基础，研究开发了以硅灰石为 主要原料的中间包保温覆盖剂。但由于其c a o s i 0 2 l ，在使用过程中极易与镁质 涂料中的m g o 反应生成钙镁橄榄石( c a o m g o s i 0 2 ) ，渗透到镁质中间包的包 衬中，引起烧结导致中间包解体困难。而使用m g o a 1 2 0 3 - s i 0 2 系覆盖剂，则可以 减轻对镁质喷涂料的破坏作用，提高了镁质涂料的使用效果和自动翻包率【”。还开 9 查j ! 查堂婴主兰竺丝奎兰二兰丝笙 发了提高钢水纯净度的高钙覆盖剂，其c a o 5 5 、c a o s i 0 2 45 。在首钢第二 炼钢厂小方坯连铸中间包和鞍钢第三炼钢厂大板坯连铸中间包上进行了现场试 验。试验钢种为普碳钢、低碳铝镇静钢，试验结果如图1 6 和图1 7 所示。由图可 见，通过使用高钙保温覆盖剂，可以使钢水的全氧量降低8 9 ，全氮含量降低 83 嘣8 l 【9 1 。 岬 2 v 口唰 缸 酥 剞 岬 2 v 衄圃1 缸 腻 剞 4567 平均 浇钢炉次( 次) 图1 6 中间包保温覆盖剂对钢水全氧含量的影响 f i g 1 6 e f f e c to f t u n d i s hf l u xo nt o t a lo x y g e nc o n t e n to f m o l t e nm e t a l 4567 平均 浇钢炉次( 次) 图1 7 中间包保温覆盖荆对钢水全氮含量的影响 f i g 1 7 e f f e c to f t u n d i s hf l u xo nt o t a ln i t r o g e nc o n t e n to f m o l t e nm e t a l 1 0 加如加如加m 0 如加m o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 v l u d l o w 等认为高m g o 质( c a o 4 0 ，m 9 0 2 5 2 6 ) 的碱性覆盖剂对钢水 清洁度的使用效果比酸性和中性覆盖剂要好。生产高洁净低碳钢时，使用高碱度 连铸中间包覆盖剂( 渣中c a o s i 0 2 = 6 ) ，钢中氧含量明显低于低碱度覆盖剂，钢水 脱硫和防止大气吸入的效果也优于酸性渣。美国阿姆科钢铁公司的研究结果表明： 单独使用高碱度渣( r j l o5 ) 时，渣中2 0 3 平均仅增加1 5 ，钢中总氧为2 4 4 x l o 。4 ；使用双层渣时( 顶层为碳化稻壳，底层为r = 1 0 ，5 的高碱性渣) ，渣中a 1 2 0 3 平均增加8 7 ，钢中总氧为1 6 4 1 0 。4 。国外钢铁厂家使用的连铸中间包保温覆 盖剂的碱度均大于4 ，明显高于我国连铸中间包保温覆盖剂的碱度【i 。 1 2 2 碱性钢水保温覆盖剂的常用原料 如前所述，钢水覆盖剂中多为酸性和中性，且含有一定量的碳，但保温效果 较好。而高碱度低碳钢水覆盖剂虽然钢水增碳少，有利于脱硫和脱磷，但保温效 果较差，钢水温降大，熔渣容易结壳，影响r h 或l f 炉的正常操作。低碳碱性钢 水覆盖剂要求其在低碳的条件下具有良好的保温性能，研究开发具有较大的难度。 常用的碱性原料有石灰、石灰石、白云石、轻烧白云石、菱镁矿、苦菱土、轻烧 镁粉等，常用的保温原材料有膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅藻土、漂珠等，其理化 性能指标如表1 9 1 ”j 表1 9 碱性保温材料理化性能 t a b l e1 9 p r o p e r t i e so f b a s i c h e a tp r e s e r v a t i o nm a t e r i a l s 珍珠岩是酸性岩浆喷出的玻璃质熔岩，膨胀珍珠岩是将珍珠岩破碎、预热( 脱 水) 、焙烧( 高温瞬间作用) ，使体积急剧膨胀所制得的一种颗粒状轻质多功能的 材料。其具有容重小，绝热性能好，适应温度范围广，化学性能稳定，吸湿性能 东北大学硕士学位论文第一章绪论 小及防火、无毒、无味、呈中性、吸音等性能，广泛地应用于建筑、化工、石油、 电力、国防、运输和农业部门。我国珍珠岩储量丰富，分布在辽宁、吉林、黑龙 江、河北、河南等地。 蛭石是由黑云母、金云母等层状硅酸盐矿物热液蚀变或黑云母风化而成。呈 片状或鳞状。蛭石被烧时，由于双层间的水分变成蒸汽时产生了压力而使双层分 开，形成体积膨胀变成蚂蝗形弯曲长柱状。灼烧后的蛭石即为膨胀蛭石，其容重 小，导热系数小，为良好的隔热材料。分布在河南、内蒙、山东、河北等地。 硅藻土主要由古代硅藻及一部分放射虫类的硅质遗体等组成，是一种生物成 因的硅质沉积岩，在此岩石中可见到硅藻、海绵骨针及放射虫等残骸。在显微镜 下观察，可见硅藻壳的大小在5 4 0 0 u m 之间，每个硅藻壳内，包含有大量极细的 微孔，因此，硅藻土有很好的绝热性能。工业上常用硅藻土作保温材料、过滤材 料、填充材料、研磨材料、水玻璃原料及催化剂载体等。它们分布于吉林、云南、 山东、四川、浙江等地。 漂珠是从火力发电厂的粉煤中分选出来的薄壁中空微小珠体。粉煤灰空心微 珠中，比重小于1 能漂浮于水面的称漂珠。它作为种节能耐火原料，8 0 年代在 我国兴起并得到迅速发展。其具有导热系数小、保温隔热性能高、耐火度高、耐 压强度大等性能，主要利用它生产轻质隔热耐火砖。相对于其它碱性钢水保温覆 盖剂。漂珠的保温性能稍差，而且它的耐火度高，价格高，货源紧张，所以一般 不采用漂珠作为钢水保温覆盖剂的原料。 碱性原料中以石灰c a o 含量为最高，其次为石灰石，轻烧白云石和白云石。 轻烧镁粉、菱镁石、苦菱土等原料主要成分为m g o 。碱性渣中起到去除钢中s 、p ， 净化钢水作用的主要成分为c a o 。石灰中c a o 含量为8 6 9 2 ，以单质c a o 形式 存在。石灰石中c a o 含量为5 2 - 5 6 ，以c a c 0 3 形式存在。白云石中c a o 含量为 2 9 - - - 3 2 0 o ，以c a c 0 3 和m g c 0 3 形式存在。轻烧白云石为将白云石原料在约1 0 0 0 煅烧，主要成分为c a o 和m g o ，c a o 含量为4 0 6 0 。虽然石灰的c a o 含量高， 但易于水化，湿法造球时加入的粘结剂为水溶液，因此，不能使用石灰进行湿法 造球。用轻烧白云石或高钙水泥熟料来增加覆盖剂中c a o 的含量，由于高钙硅灰 或高钙水泥的碱度在1 左右，覆盖剂中总碱度则小于1 。去除钢水s 、p 能力差。 也有用轻烧镁粉中m g o 来代替c a o 。由于m g o 的水化程度轻于c a o ，虽然较好 地解决了湿法造球问题，但m g o 去除钢水s 、p 能力远低于c a o ，覆盖剂净化钢 水的问题没有得到解决【4 j 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本研究的主要内容和特点 1 3 1 主要研究内容 针对目前钢水保温覆盖剂在实际生产和使用过程中存在的问题，本研究开发了 低碳碱性保温覆盖剂，并通过传热的数学模型对其进行了优化。将研究结果在工 业生产中应用，并验证其使用效果。主要的研究内容如下： ( 1 1 通过减少钢水保温覆盖剂的碳含量，降低钢水和保温覆盖剂之间碳的浓 度梯度，减小保温覆盖剂向钢水中的渗碳量。通过增加碱度的方法，提高保温覆 盖剂吸附钢水夹杂物的能力。 ( 2 ) 通过建立钢水保温覆盖剂传热的数学模型j 分析影响钢水保温覆盖剂保 温效果的因素，为开发和优化优质低碳碱性保温覆盖剂提供理论依据。 r 3 ) 通过工业试验，验证开发的低碳碱性保温覆盖剂的实际使用效果。 1 3 2 本研究的特点 与以往的研究工作相比，本研究课题的有以下特点： ( 1 ) 利用导热系数测定仪，通过实验室研究，考察了碱性保温覆盖剂使用原 料种类和加入量对保温覆盖剂导热系数的影响。 ( 2 ) 利用数学模型，模拟了钢包覆盖剂的传热过程，设计出了易于操作的人 机对话方式的计算机程序，并分析了各种因素对于钢水温降的影响。 ( 3 1 通过工业性试验，考察了本研究开发的保温覆盖剂在工业生产中的实际 使用效果。 东北大学硕士学位论文第二章钢水保温覆盖剂实验室研究 第二章保温覆盖剂的实验室研究 2 1 实验 2 1 1 实验原料和设各 实验所用原料为石灰，硅藻土，膨胀蛭石以及膨胀珍珠岩。实验所用设 备为图2l 所示的导热系数测量仪，由加热炉、均热板以及量热器等部分构 成。其测量原理是根据傅立叶一维平板稳态导热原理和沸腾换热原理进行 的。即，热流通过试样后被量热器内的水所吸收，然后通过测定凝结水量求 出被测物质的导热系数。 1 加热炉；2 发热元件：3 均热板( s i c 质带有埋设热电偶的刻槽) ；4 热电偶；5 试样： 6 量热器；7 辅助加热器；8 中心量热室：l o 保温室：1 1 量热室阀门；1 2 回收冷凝 管：1 3 保温室阀门；1 4 接水冷凝管( 1 ) ：1 5 接水冷凝管( 2 ) ；1 6 水位窗：1 7 冷却水 流向；1 8 烧杯。 图21 导热系数测定仪 f i g 2 1 m e a s u r ei n s t r u m e n to fh e a tc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n t 东北大学硕士学位论文第二章钢水保温覆盖剂实验室研究 2 1 2 实验过程 将实验原料按表2l 所示的比例均匀混合，然后制成直径1 0 0 m m ，高 1 5 m m 的试样。实验共设计了3 组9 次试验。其中，a 组为石灰硅藻土系， 石灰硅藻土的比值分别为7 5 2 5 ，5 0 5 0 和2 5 7 5 ；b 组为石灰膨胀珍珠岩 系，c 组为石灰膨胀蛭石系。b 组的石灰与膨胀珍珠岩以及c 组的石灰与 膨胀蛭石的比例与石灰硅藻土系相同。 各试样的测量过程为：首先将试样放入导热系数测量仪内，然后将测量 仪加热升温至1 0 0 0 ，测量试样在该温度下的导热系数，并根据测量结果 优化保温覆盖剂的配比。 表2 1 保温覆盖剂的化学组成( m a s s ) t a b l e2 1 c o m p o s i t i o n o f c o v e r i n gf l u x ( m a s s ) 2 2 实验结果与分析 2 2 1 实验结果 图2 2 示出了对表2 1 所示各试样导热系数的测定结果。三组碱性保温 覆盖剂的导热系数均随着石灰加入量的减少而降低，即，在保证保温覆盖剂 1 5 查i ! 盔兰堡主兰竺笙塞堑三兰塑查堡堡垦苎型壅墼皇堕堑 的冶金效果的基础上，降低石灰的加入量是提高覆盖剂保温效果的重要手段 之一。另外，在石灰加入量一定的条件下，加入膨胀珍珠岩时的导热系数要 小于加入量时硅藻土和膨胀蛭石时的导热系数。说明c 组，即，石灰一膨胀 珍珠岩系覆盖剂具有更好的保温效果。 o4 0 3 j d 籁0 2 垛 壤 曲 o1 0 a 1a 2a 3b 1b 2b 3c 1c 2c 3 试样 图2 2 试样的导热系数 f i g 2 2 c o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t yo f s a m p l e s 2 2 2 实验结果分析 由图2 2 所示的实验结果可知，随着石灰添加量的增加，试样的导热系 数增大。即，提高保温覆盖剂的碱度会降低保温覆盖剂的保温效果。这是由 于在几种实验用原料当中，石灰的容重较大，而且其导热系数要明显高于硅 藻土，膨胀珍珠岩和膨胀蛭石的导热系数。在具有保温性能的材料当中，膨 胀珍珠岩的保温效果要好于硅藻土和膨胀蛭石。这是由于膨胀珍珠岩是经过 加热处理而得到的。微观组织结构疏松，增加了保温覆盖剂中封闭气孔的数 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章钢水保温覆盖剂实验室研究 量。另外，由于膨胀珍珠岩的容重较小，在保温覆盖剂的加入量一定时，其 在钢水表面上形成的覆盖层较厚，提高了覆盖剂的保温效果。硅藻土和膨胀 蛭石的保温效果虽然比膨胀珍珠岩差一些，但实际上与膨胀珍珠岩相比较差 别不是很大。鞍钢目前正在使用的钢包保温覆盖剂的化学成分如表2 2 所示， 它的导热系数为o3 2 ( w i n k ) ( 在1 0 0 0 时) 。与其相比，上述几个实验配 方均优于现有的钢水保温覆盖剂。 表2 2 鞍钢现用覆盖剂化学成分( m a s s ) t a b l e2 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc o v e r i n gf l u xu s e di na ns h a hs t e e l c o r p o r a t i o n ( m a s s ) 从保温覆盖剂的生产角度来看，常用的干法造球工艺以硅藻土最容易成 球，膨胀蛭石次之，而膨胀珍珠岩较差。从经济方面考虑，硅藻土的价格最 低，膨胀蛭石和膨胀珍珠岩都高于硅藻土，而且它们供货都比较紧张。与石 灰的价格比较，硅藻土，膨胀蛭石和膨胀珍珠岩三种保温原料的价格均高于 石灰。 根据上述的实验结果，并综合考虑冶炼工艺要求和原料价格等方面的原 因，确定工业试验采用a 组的石灰硅藻土系钢水保温覆盖剂。石灰与硅藻 士的质量比为3 1 ，即采用a 1 为工业试验用保温覆盖剂。 2 3 本章结论 通过对钢水保温覆盖剂的实验室研究，可以得到以下结论： ( 1 ) 随着石灰添加量的增加，钢水保温覆盖剂的导热系数增加，保温效 果变差。 f 2 ) 在所使用的3 种保温原料当中，膨胀珍珠岩的保温效果优于硅藻土 和膨胀蛭