（冶金工程专业论文）薄层钢包长寿、高效保温技术开发及应用.pdf

中文摘要 摘要 钢包在炼钢工序的生产过程中是不可缺少的设备，其使用寿命的长短，保温性能的 好坏，直接影响到炼钢工艺的顺行，产品的质量及产量。 2 0 0 6 年，重钢由于新1 3 5 0 m 3 高炉投入生产，迫使炼钢厂产钢量达到3 3 0 万吨规模。 在生产场地狭小，钢包数量不能增加的情况下，需要完成如此规模的产量十分困难。根 据测算，要完成3 3 0 万吨年的生产规模，必须提高转炉出钢量达到8 0 - j = 2 吨。经计算，当永 久层减薄3 0 毫米，在保证钢包的自由空间为6 0 0 毫米条件下，能够满足出钢量达到8 0 - j = 2 吨的要求。同时进一步的提高钢包包龄，加快钢包周转，对完成3 3 0 万吨年的生产规模 也是必须的。由于减薄永久层，钢包的保温性能势必降低，该课题针对重钢3 3 0 万吨 年的生产规模的要求，开展了在减薄钢包永久层厚度条件下、提高钢包耐材寿命，实现 薄钢包的高效保温性能研究工作。 该课题通过研究钢包砌筑方式、钢包砖材质、精炼工艺及精炼渣系，首先实现了减 薄钢包的长寿命要求，钢包包龄由以前的6 5 7 0 次提高到了1 2 0 次以上，比重钢传统 钢包包龄提高了约8 0 0 , 6 。经过滑板机构的改造，钢包准备时间降低了5 6 分钟，钢包 周转速度加快，钢包在线准备时间由以前的1 2 分钟以上缩短到1 0 分钟以下，保证了3 3 0 万吨年的生产规模的实现。 通过钢包传热分析模拟计算，提出钢包的热损失主要是通过包壁，而影响包壁热损 失的主要因素是绝热层的材质和厚度，钢包工作层、永久层导热系数偏高，材质性能对 热损失的影响不如绝热层大。覆盖剂对降低渣层的热损失有着重要作用，但其比例仅为 钢包总热损失的4 4 1 。 通过对不同类型钢包绝热层、永久层保温性能、耐压强度，以及覆盖剂保温性能实 验室及生产现场应用实验研究，得出了采用2 0 m m 河北硬质纤维板+ 9 0 m m 3 # 混合永久层 + 1 群复合颗粒覆盖剂，不仅达到了减薄前钢水转运过程中的温降特征，而且保温效果还 优于原厚壁钢包，钢水在出钢及a f 站或l f 炉出站温度现行制度上降低了5 1 2 。 对钢包烘烤过程温度的变化进行研究，得出了不同种类钢包，包括换永久层的全修 钢包，不换永久层的全修钢包，换渣线的挖修钢包的烘烤制度，保证了钢水转运过程中， 温度变化的稳定性。综合上述研究结果的应用，连铸中间包钢水温度合格率上升到了 8 7 以上。 关键词：钢包，寿命、保温 英文摘要 a b s l r a c t l a d l ei si n d i s p e n s a b l ed u r i n gt h ep r o c e s so fs t e e l m a k i n g , a n dw h o s el i f e s p a na n d t h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t yh a v ea l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo ns t e e l m a k i n gp r o c e s sa n dp r o d u c t q u a l i t y i n2 0 0 6 ，t h en e wb l a s tf l l m a c e1 3 5 0 m o f c h o n g s t e e lw i l l sp u ti n t ol 1 s e , w h i c hr e s u l t si n t h ey i e i do fs t e e li n c r e a s i n gu pt o3 3 0m i l l i o nt o n sp e ry e a r u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e p r o d u c t i o np l a c ea n da m o u n to fl a d l e sk i i ol i m i t e d , i ti sd i f f i c u l tt oc o i l l i ot r u e b a s e do i l i n v e s t i g a t i o n , i no r d e r t or e a l i z et h es e a l e ，t h ey i e l do f o x y g e nc o n v e r t o rm u s ta t t a i na b o u t8 0 t o n s w h e np e r m a n e n tl a y e rd e c r e a s e s3 0 m m , t h e r ei sa6 0 0 m ml i e es p a c ei nl a d l e , a n dt h e a i mo f8 0t o n sp r o d u c t i o nc 觚c o m ei z u e a tt h es a l t l l ot i m e , i no r d e rt o a c c o m p l i s ht h e p r o d u c t i o ns c a l eo f3 3 0m i l l i o nt o n sp e ry e a r , i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h el i f e - s p a na n dt h e t u m o v a r a t eo fl a d l ef l l r t h e l b e c a m et h et h i c k n e s so fp e r m a n e n tl a y e rr e d u c e s ，t h et h e r m a l i n s u l a t i o np r o p e r t ym a yd e c r e a s e t h e r e f o r e , a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o d u c t i o n s c a l eo f 3 3 0 m i l l i o nt o n s ，f o c u so f t h i ss t u d yi sh o wt oi m p l e m e n th i g he f f i c i e n ta n di m p r o v e t h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t yo f l a d l ew h e nw h o s et h i c k n e s so f p e r m a n e n tl a y e ri sr e d u c e d b ys t u d y i n go i lt h ec o n s t r u c t i o nw a ya n dm a t e r i a lo fb r i c ko fl a d l e ，r e f i n i n gt e c h n i q u e a n ds l a gs y s t e m , t h er e q u i r e m e n to fp r o l o n g i n gt h el i f eo ft h el a d l e 谢t ht h i nl a y e rw a s r e a l i z e df i r s t l y t h el i f e - s p a no fl a d l eh a si n c r e a s e df r o m6 5 7 0t i m e st om o l et h a n1 2 0 t i l n e t ；, w h i c hh a se n h a n c e da b o u t8 0 t h a ni r a d i t i o n a ll a d l eo fc h o n g s t e d t h r o u g h i m p r o v i n gs l i d em e c h a n i s m , t h ep r e p a r e dt i m eo fl a d l eh a sd e c r e a s e d5 6 m i n u t e s ，t h e t u i l l o v c rr a wo fl a d l ei n c r e a s e d ，a n dt h ep r e p a r e dt i m eo i ll i n ef r o mm o l et h a n1 2m i n u t e st o l e s st h a n1 0m i n u t e s t h u st h ep r o d u c t i o ns c a l eo f 3 3 0m i l l i o nt o n sp e ry e a ri sr e a l i z e d t h r o u g ht h e r m a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fl a d l e , t h ei d e at h a tt h eh e a ti s r e d u c e dv i al a d l ew a l li sp r o p o s e d w h e r e a st h em a t e r i a la n dt h i c k n e s so f i n s u l a t i n gl a y e ra r e t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gh e a t - l o s s b e c a u s et h ec o n d u c t i o nc o e f f i c i e n to fw o r kl a y e ra n d p e r m a n e n tl a y e ra 糟h i g h , m a t e r i a lp r o p e r t yh a sl e s si n f l u e n c eo i lh e a t l o s st h a nt h e r m a l i n s u l a t i n gl a y e r t h ec o v e r i n ga g e n tp l a y s 衄i m p o r t a n tr o l ei nd e c r e a s i n gh e a t - l o s so fs l a g l a y e r , b u tt h er a t i oi so n l y4 4 1 o f t o t a lh e a t - l o s so f l a d l e b yi n v e s t i g a t i n gt h et h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t yo fi n s u l a t i o nl a y e ra n dp e r m a n e n tl a y e r , c o m p r e s s i v es t t e n g t h , t h et h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t yo fc o v e r i n ga g e n ta n di n d u s t r i a lt r i a l s ， t h es y s t 即ao f2 0 m mh e b e ih a r df i b r e b o a r da n d9 0 r a m3 撑m i x e dp e r m a n e n tl a y e ra n dl 撑 c o m p l e xg r a i nc o v e r i n ga g e n tw 蠲a d o p t c c l , w h i c hh a sn o to n l ya l l e v i a t e dt e m p e r a t u r e m 重庆大学硕：卜学t 奇论文 r e d u c t i o ni nm o l t e ns t e e lt r a n s p o r tb e f o r eb e c o m i n gt h i n ，b u ta l s ot h e r m a li n s u l a t i n ge f f e c t b e e nb e t t e rt h a no r i g i n a ll a d l ew i t ht h i c kw a l l ，a n dt h et e m p e r a t u r ea tt a p p i n g , a rs t a t i o no r o u t l a d l ef u r n a c ed e c r e a s c d5 b yi n v e s t i g a t i n gt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r eo fb a k i n gp r o c e s so fl a d l e ，t h eb e t t e r s y s t e mo ft h ec o m p l e t e l yr e p a i r e dl a d l ew i t hc h a n g i n gp e r m a n e n tl a y e r , c o m p l e t e l yr e p a i r e d l a d l ew i t h o u tc h a n g i n gp e r m a n e n tl a y e ra n dt h ed i gr e p a i rl a d l ew a so b t a i n e dt oa n s u l et h e t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f m o l t e ns t e e li nt r a n s p o r t b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no f r e s e a r c hr e s u l t s a b o v e , t h eq u a l i f i e dr a t eo f t e m p e r a t u r eo f t u n d i s hh a si n e r e a s a dm o r et h a n8 7 k e y w o r d s ：l a d l e , l i f e - s p a n ，t h e r m a li n s u l a t i o n 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 确牌 签字日期：印1 年蜩z 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重废太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 俑塘揖 l 导师签名隽彳 签字日期：刎年峥月加日签字日期：鼬1 年午月工d 日 2 薄层钢包长寿命研究 1 绪论 1 1 钢铁工业发展对单体技术的要求 第二次世界大战以来世界钢产量持续增长，世界钢铁工业七十年代前主要以规模发 展为特征，数量增长占主导地位。七十年代以后的世界石油危机促进了钢铁工艺新技术 的不断涌现，各主要产钢国开始转向以结构优化为主的发展模式。也就是说国际钢铁工 业由资源密集、劳动密集和追求规模宏大为特征的发展阶段开始转向以知识密集、技术 密集和结构优化为特征的发展阶段。 1 9 9 6 年我国钢产量过亿吨超过日本并成为世界第一产钢大国后，钢铁工业扩张规 模的速度越来越快，钢产量年增长速度由7 左右直线上升至现在的2 0 以上，日产水 平从1 9 9 6 年的2 7 7 万吨提高到2 0 0 3 年的6 8 3 万吨。我国钢产量从1 9 9 6 年突破l 亿吨 以后，到2 0 0 6 年已连续1 0 年居世界各产钢国的第一位，今年仍将保持世界首位。2 0 0 6 年世界粗钢产量前1 0 位的产量合计达到3 1 6 亿吨，平均产量达到3 1 6 0 万吨。而中国 前l o 位钢铁企业粗钢产量合计仅有1 3 8 亿吨，平均粗钢产量为1 3 8 4 万吨。 随着钢铁工业技术的不断发展，冶金过程单体技术的日趋成熟，进一步提高生产水 平，降低成本，增强竞争力，必然对炼钢连铸生产过程中的钢水温度控制水平提出了 更苛刻的要求，钢水温度必须控铝4 在一个较窄的范围内，方能适应高效连铸生产的要求， 因此在现代连铸生产中，稳定钢水温度条件是稳定连铸生产的保证，合适的钢水过热度 是获得优质铸坯的重要条件，而钢水温度的全程有效控制是保证生产节奏通畅有序的关 键。因而提高从转炉出钢到炉外精炼以及到连铸回转台的全流程钢包内钢水温度控制操 作水平，做好连铸前铜水温度条件的准备是体现上述技术思想的重要方面。 在现代炼钢连铸生产中，钢水温度的有效控制是保证生产节奏通畅有序的关键之 一，鼠此有必要了解影响钢水温度的各种因素，同时钢包内钢水温度控制的优劣是炼钢 厂生产过程中一个重要的经济技术指标。自八十年代以来，国内外钢铁界为了进一步降 低钢的生产成本，提高钢的质量，经过多年的研究与实践，大力发展了炼钢用钢水的处 理技术，使钢水的精炼处理技术日趋完善，r h ，l f , c a s 等精炼处理工艺应运而生：同时， 精炼处理不但延长了钢水的运输时间，增加了钢水处理操作工序，而且也大大地增加了 钢水的温降，钢水温度的降低将直接影响到连铸和其他工序的顺利进行。因此，研究钢 包内钢水在运输过程中的温降规律，实现钢包内钢水温度在线预报，对钢铁企业意义重 大，且具有明显的经济效益【l 】。 由于钢水温度对连铸、节能等方面的重要性和潜在的巨大经济效益，国内外钢铁界 对钢水运输过程温度变化进行了长期深入的研究。特别是八十年代以来，钢水精炼处理 工艺日趋复杂，处理时间延长，钢水在精炼处理过程中的热损失已明显影响到生产工艺 重庆大学硕士学位论文 和生产计划，钢水在周转过程中的温降问题更加引起人们高度重视。 钢铁工业在其一百多年的发展中，从来没有像今天这样由f 曰新月异的技术创新和 激烈的市场竞争，而处于动荡和变革之中。传统的钢铁生产概念和经营、管理思维i f 在 面临由于二技术创新而带来的严峻挑战。炼钢生产是在高温f 进行的，对钢水的温度条件 要求很高，尤其是全连铸生产对温度的要求更为严格。合格的钢水温度既是保证炼钢 二次精炼连铸生产顺行的前提，又是获得良好铸坯质量的基础，因此必须把钢水温度 控制在合理的范围内，这不仅要求各工序的钢水温度控制要相对稳定，而且要求钢水温 度在各工序之间的温度变化稳定。随着钢铁制造流程整体水平的不断提高，这里所指的 合格钢水温度不再仅仅局限于钢厂某一工序，而是包括钢包运输过程钢水温度损失、二 次精炼钢水温度调整或补偿、中间包钢水温度的稳定或调整等多方面的内容“4 1 。 炼钢二次精炼连铸生产过程钢水温度控制的核心是钢包和中间包内钢水温度 及其过热度的稳定，因此寻找稳定控制钢包和中间包内钢水温度的有效途径和保证炼 钢二次精炼连铸生产过程温度因素的合理和高效就显得尤为重要。连铸技术的不断 发展，尤其是全连铸的实现、高效连铸技术的广泛应用，使人们逐渐认识到钢厂温度控 制应走过程整体优化之路，通过了解过程各工序温度调控功能以及钢包、中间包周转过 程热状态，制定出钢包和中间包内合理的钢水目标温度，将其控制在较窄的范围内，进 而降低出钢温度，实现炼钢二次精炼连铸过程钢水温度的优化 5 1 。 近年来，钢包加热技术和设备得到不断发展，这些技术的开发、应用对在线补偿钢 水热损失、控制钢水温度起到了重要作用。这对于了解钢包的传热规律、热损失原因和 构成比例，建立炼钢二次精炼连铸过程钢水温度模型，进而实现钢水温度的在线控 制提供了前提”) 。对于炼钢二次精炼连铸，产流程，制定出一套科学的温度控制制 度始终是冶金工作者致力研究的课题。该过程钢水温度的调控不仅要重视各工序自身的 控制，而且必须对工序间的钢包热周转进行仔细地研究，最终形成一个完整的温度控制 体系。前人的研究成果为本课题的研究工作提供了宝贵的借鉴作用，尽管关于钢水温降 方面的研究近年来取得了很大进展，但仍然有很多课题有待迸一步的研究和深化，其主 要表现在以下几个方面： 尽管前人对钢包钢水周转过程温降问题进行了大量研究工作，并对周转过程中 部分工序建立了数学模型，但模型精度有待进一步提高。 在我国炼钢厂，作为炼钢生产调度管理的重要依据之一的钢水温度，从整体面 占，基本上凭的是经验且钢水温度波动较大，这对确定回转台浇注初始温度产生了盲目 性。 目前，国内外对钢水温降的研究大部分是离线的，目的是为了分析影响钢水温 度变化的因素及其具体影响方式，寻求减少钢水在周转过程温降的措旖”。 2 2 薄层钢包长寿命研究 1 2 钢包在连铸精炼过程中的重要性 钢包作为炼钢工序和浇注工序之间的中介容器，其在生产周转过程中的热状态，特 别是出钢前的热状态，直接影响着出钢和盛钢过程钢水的温度变化。而钢水温度的变化 对于炉外精炼过程和浇注过程也将产生很大影响，因而会对最终产品的质量造成影响。 影响钢包热状态的因素有：钢水温度、钢包的内衬材质、使用次数、热循环过程加 不加盖以及热循环中各工序环节的耗时等。这些因素在热循环过程中是变化的。模铸改 为连铸后，加上炉外精炼技术的应用，钢包不再仅仅是运输和浇注钢水的容器，同时也 是炉外精炼的精炼炉，这就势必延长钢水在钢包内的滞留时间，增加钢包周转过程中的 操作环节，加大了这些因素的变化。钢包吊运环节较多也较复杂，这一问题显得更为突 出。所以，很有必要针对实际情况，进行钢包热循环过程热行为的研究，摸清各因素对 钢包热状态的影响，从而确定这些因素对钢水温度变化的影响，为加强钢包在生产周转 过程中的管理和调度，确保连铸过程中钢水温度的变化适应炉后精炼过程和浇注过程的 工艺需要 i g - 2 4 。 1 3 钢包技术的现状和发展趋势 1 3 1 钢包耐火材料的发展 钢包在炼钢工序的生产过程中是不可缺少的设备，其使用寿命的长短不仅关系到耐 火材料消耗的大小，而且直接影响到钢水浇注的正常进行，所以各国都在努力研究开发 各种新型耐火材料，提高钢包的使用寿命，降低耐火材料的单耗。目前，钢包技术的研 究和发展主要集中在炉外精炼和钢包用耐火材料上。 炉外精炼技术是随着连铸技术的普及和不断的发展，为了进一步保证钢水质量稳 定，提高钢的质量，强化冶金反应过程，提高钢的清洁度，控制夹杂物形态而产生并不 断发展的。目前，炉外精炼的方法已有3 0 多种，它们己经成为提高钢水质量的关键手 段，即炼钢炉外精炼连铸生产过程中的关键环节。 由于各种精炼方法对钢水的处理目的和操作条件不同，因而要求使用不同性能的耐 火材料与之相适应，以提高各精炼装置的使用寿命。所以，在很大程度上，钢包用耐火 材料技术的发展也是随着炉外精炼的发展而发展的。普通炼钢钢包用耐火材料大致可分 为四种类型。 第一种材质为粘土砖、普通高铝砖系列。这种耐火材料适用于钢材外观和内在质量 要求不高，钢水浇注方式为模铸，因而钢水温度不高的工艺过程。这样材质的耐火材料 决定了钢包使用寿命非常低，一般只有1 0 2 0 次，耐火材料消耗很高。 第二种材质是为克服粘土砖、普通高铝砖使用寿命短等问题而开发的以普通铝镁质 浇注料为代表的不定型耐火材料。镁质材料的引入，大大提高了钢包内衬的使用寿命， 钢包使用次数提高到4 0 次以上，维护得好，可提高到7 0 次以上。这种材料也只能适用 3 重庆大学硕士学位论文 于钢水温度不高，未采用炉外精炼时的模铸生产工艺过程。为适应钢包精炼的需要，对 于有钢包精炼的工艺流程，则采用镁铬质耐火材料作为钢包的内衬。 第三种材质，是随着钢水浇注方式由模注改为连铸后，并且各种炉后精炼措施的广 泛采用，大大延长了钢包盛钢时间和钢水温度损失，相应地大大提高了出钢温度，钢包 采用了以镁碳质( 铝镁碳质) 砖为代表的更能抗高温钢水和熔渣浸蚀剥落的耐火材料。这 种材料用f 连铸钢包，使用寿命一般能达到7 0 次以上。 第四种材质，是为适应超低碳钢、洁静钢冶炼技术的发展而开发的以高( 纯) 铝( 或钢 玉) 一尖晶石浇注料为代表的碱性不定型耐火材料，来代替镁碳质耐火材料。这种材料 有以下作用：消除包衬材料中的c 和s i ，减少对钢液的“污染”进而“净化钥液；降低了 导热系数，能减少钢液温降、实现低温出钢低温浇铸，进一步提高了钢包寿命，减少了 耐材消耗和钢包数量，降低生产成本，提高产量。 目前我国的小型钢包一般采用粘土砖内衬，使用寿命为1 0 2 0 次，耐火材料单耗 为1 0 2 0 k g t ，中型钢包采用高铝砖和镁铝质浇注料内衬，使用寿命一般为2 0 4 0 次； 大型钢包采用优质高铝砖、铝镁不烧砖，铝镁碳砖、铝尖晶石碳砖等，使用寿命已达 8 0 次以上。例如上海宝山钢铁公司3 0 0 t 连铸钢包使用铝镁碳砖，使用寿命一般为8 0 次，最高为1 2 0 次；使用铝尖晶石碳砖，使用寿命达到1 5 0 次嘲。 近十多年来，国外大型钢包己由使用耐火砖逐步改为用浇注料等不定型耐火材料， 相继开发使用了铝质、铝尖晶石质、镁铝质、铝镁质、镁碳质、镁错质、镁钙质、镁钙 铝质公豁主料取得了良好效果。例如，日本钢管公司福山厂第三炼钢车间3 2 0 t 钢包侧 壁使用铝尖晶石质浇注料，使用寿命达到2 7 6 次 2 9 1 。日本川崎钢铁公司千叶厂第三炼钢 车间2 5 5 t 钢包和水岛厂第二炼钢车间钢包使用铝尖晶石质浇注料，使用寿命达到2 9 4 次和3 0 0 次以上口o l 。新日本钢铁公司君津厂第二炼钢车间3 1 5 t 钢包以前使用铝尖晶浇 注料，使用寿命为1 4 0 。1 6 0 次，现在使用铝镁质浇注料，使用寿命为1 8 0 2 0 0 次f 3 3 1 。 美国伯利恒钢铁公司雀点钢厂3 0 0 t 钢包采用高铝砖内衬时，平均使用寿命为8 0 次以上； a 1 2 0 3 为9 0 的浇注料内衬时，使用寿命为1 0 1 次【3 q 。 为适应冶炼洁净钢技术的需要，近年来我国冶金工作者针对我国钢厂的实际情况， 经过联合攻关，研制出适用于大钢包用的高铝一尖晶石质及铝镁质浇注料( 人工合成材 料为主原料，与前述的普通铝镁浇注不同) 和适用于中小钢包用的高铝- 尖晶石质浇注料 ( 以铝矶土和天然镁砂为主原料) 。消化吸收了宝钢引进的刚玉尖晶石浇注料和铝镁浇注 料，创造性地开发出独具中国特色的微孔结构的刚玉尖晶石和高纯铝镁浇注料，使宝 钢3 0 0 t 钢平均包龄达2 5 0 次，是原来铝镁碳砖寿命的2 倍以上。 纵观国内外，采用不定型浇注料作为钢包的内衬已成为目前的发展趋势。这不仅是 适应冶炼洁净钢的需要，同时也是适应各种钢包精炼深处理钢水，提高钢包内衬寿命的 需要【m 9 】。 4 2 薄层钢包长寿命研究 1 3 2 钢包热行为研究技术的发展和应用概况 对钢包传热问题的研究，根据研究的出发点不同，大致可分为两种类型。一种类型 是纯粹研究钢包内衬的温度场，以及钢包在循环过程中各种因素对温度场的影响。这类 研究一般不再研究钢水的温度场，假定钢水温度是均匀分布的。另一类种类型的目的是 研究钢水的温度场和流场及其变化，即钢水的热分层现象，而钢包的传热则成为钢水传 热的边界条件之一，同样要研究钢包的温度场及其变化规律。 国内外冶金工作者对钢包周转过程中的热状态作了大量的研究工作。其研究内容主 要是针对各种钢包的实际情况( 包型、包衬材质、及生产周转过程中的各环节的运行情 况) 建立钢包传热数学模型，用数值计算方法模拟钢包周转过程的温度场及其变化情况。 对于数学模型中大量的未知参数，则通过实际测定数据对模型进行修正而得。 钢包热状态模拟技术经历了一个发展、完善的过程。国外，早期分别由s z e k c l y 和 l e e 。s z e k d y 和e v a n s 进行的工作，主要研究钢水表面的热损失。后来，m o r r o w 和r u s s e l l 建立了一种包壁和包底均为一维的模型，用于研究钢包在各个操作阶段的散热损失【2 9 】。 t o m a z i n 建立了一种二维非稳态传热和传质模型，用来研究钢水的热分层现象，但假设 通过包壁的热流是恒定的。后来，a u s t i n 又建立了一种完全二维非稳态传热模型，用来 计算钢包的温度分布1 3 5 1 。该模型考虑了钢包在干燥、烘烤阶段的操作、盛钢阶段是否加 盖操作、渣层厚度、钢渣性质、包衬耐火材料类型和包衬浸蚀程度等因素。模型采用柱 坐标二维非稳态传导方程离散化模拟钢包的热循环过程，可计算包壁的温度分布和钢水 热损失。ys k o o 等人、l l e g b u s i 和s z e k c l y , h l i n k a 和m i l l e r 研究了钢包热状态对钢包温 度和钢水温度分层的影响，对钢包中钢水的分层现象作了精确的描述，并提出了减弱分 层现象的措施p “。 国内鞍山热能研究院在鞍钢1 1 0 t 钢包上进行过熟模拟，主要针对各层包衬的材质组 合分别进行模拟计算。卢翔宇等人、韩海鹰等人分别建立了流动场、温度场数学模型， 对钢包热行为和钢液的温度场和流场进行了模拟，分析了钢液温度的变化情况。 从实际应用情况来看，第一种方法，即纯粹只研究钢包热状态的方法，一般用来预 报钢包的热状态和钢包温度的变化；第二种方法，因为研究了钢液的温度场，一般可用 来对钢水温度的控制。 1 3 3 钢包热循环过程热行为的研究方法 钢包热循环过程热行为的研究主要集中在钢包内衬的温度场及钢液内部的温度场 及流场上。从研究方法上讲有实测法、物理模拟法、数学模拟法和综合研究法。 实测法是借助于各种实验手段来实际测量钢包及钢液在不同循环时问的温度，从而 得到两者的温度随循环时间的变化关系。物理模拟方法则是根据相似原理，用其它易于 做实验且易于测定的物理量来模拟温度场或流场。 数学模拟是离线研究方法，通过建立一定工艺条件下的传热数学模型，求解后得到 莺庆大学硕士学位论文 钢包内部的温度分布、钢液内部的温度分布及流场分布。 综合研究方法是对钢包及钢水传热的边界条件进行实际测量，或进行实验室模拟测 试，或结合对某些边界条件通过对生产数据的统计分析，拟合出经验或半经验关系式， 从而用计算机进行传热计算的一种方法。 目前应用最广的是实测法、数学模拟法以及两者结合的综合研究法，物理模拟法有 很大的局限性而用得很少【l “。 1 4 课题来源、研究意义及主要内容 1 4 1 课题来源及研究意义 2 0 0 5 年，重钢炼钢厂有4 座8 0 吨转炉，3 座多功能吹氩站，2 座8 0 吨l f 炉。l f 炉精炼比为5 0 左右，5 台方、板坯连铸机，连铸比1 0 0 。钢包数量3 6 个，钢包准备 时间1 2 1 5 分钟，进l f 炉钢包的自由空间保证在4 0 0 毫米时的出钢量为7 8 士2 吨，钢 包包龄6 5 7 0 次，全年钢产量2 5 0 万吨。 2 0 0 6 年，由于新1 3 5 0 m 3 高炉投入生产，迫使炼钢厂产钢量达到3 3 0 万吨规模，在 生产场地狭小，钢包数量不能增加的情况下，需要完成如此规模的产量十分困难。根据 测算要完成3 3 0 万吨年的生产规模，必须提高转炉出钢量达到8 0 - - a = 2 吨，兼顾进l f 钢包的 合理自由空间应确保在5 0 0 毫米以上，因此必须对传统钢包进行扩容，钢包扩容的措施有 两个方面：第一减薄永久层( 减薄工作层会对钢包寿命产生较大影响且有严重的生产安全 隐患) ，其二是加高钢包。在2 0 0 0 年建l f 精炼炉时钢包已经加高了2 0 0 毫米，现场测量已 经无法再次加高，故钢包扩容只能依靠永久层减薄来实现。 经计算，永久层减薄3 0 毫米后，出钢量在8 2 吨时，钢包的自由空间为6 0 0 毫米，能够满 足钢包扩容的要求，并且要完成3 3 0 万吨的产量，钢包包龄必须由以前的6 5 7 0 次提 高到1 2 0 次以上，钢包周转速度要加快，钢包在线准备时间必须由以前的1 2 分钟以上 缩短到1 0 分钟以下。 由于减薄永久层，钢包的保温性能势必降低，由此提出了针对重钢3 3 0 万吨年的生 产规模的实现，开展减薄钢包永久层厚度、提高钢包耐材寿命，实现薄钢包的高效保温 性能研究工作。 1 4 2 主要研究内容 针对课题研究背景，面对莺钢钢包扩容问题，提出如下研究内容： 1 ) 薄层钢包长寿命技术研究 2 ) 钢包保温性能研究 3 ) 钢包砌筑技术研究 4 ) 钢包烘烤制度研究 5 ) 经济效益和社会效益分析 6 2 薄层钢包长寿命研究 2 薄层钢包长寿命研究 由前所述，重钢在生产场地狭小，钢包数量不能增加的情况下，要完成3 3 0 万吨， 年的生产规模，不仅须对钢包进行扩容，同时还须进一步的提高钢包包龄，加快钢包周 转来实现。该课题首先对减薄钢包的长寿命技术进行了研究，以保证3 3 0 万吨，年的生产 规模的实现。 2 1 传统钢包的材质及砌筑基本情况 2 0 0 5 年以前，重钢炼钢厂钢包选用的耐材及砌筑工艺见图2 1 ，各层耐材的厚度为： 钢壳2 0 m m ，保温层2 0 m m ，永久层1 2 0 r a m ，工作层1 5 0 r a m 。使用耐材的理化指标分别 见表2 1 ，表2 2 ，表2 3 和表2 4 。传统钢包的砌筑方式：捣打包底后在钢壳上粘贴隔热 板，然后利用永久层捣打胎模进行永久层浇注料的浇注，浇注后自然养护2 4 小时，脱模烘 烤1 8 小时，再进行工作层砖的砌筑。采用上述的耐材及砌筑工艺，主要存在几方面不足： 钢包容积有限，不能满足8 0 - j = 2 吨出钢量及l f 精炼自由空间的要求，传统钢包 在自由空间为4 0 0 毫米时。只能盛钢水量7 8 吨。 图2 1 传统钢包耐材结构图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f f n e - r e s i s t a n tm a t e r i a li nt r a d i t i o n a ll a d l e 传统的钢包保温效果不理想 传统钢包正常周转时，钢壳平均温度为2 7 1 ，处于一较高水平，1 2 0 毫米厚的永久 层不同轮次的钢壳温度见表2 5 。 表2 1 尖晶石砖的基本参数 ! ! 坚! ：! 些! ! 竺望监p ! 竺! 坚! ! 璺型! 坐竖生 项目 厚度m g o c a 1 2 0 3显气孔率 体积密度常温耐压强度 o 4 m p a 荷重 衄 g c m 3 m p a 软化温度， 指标 1 5 0 三8 0 6 060 4 0 1 6 0 0 7 重庆大学硕士学位论文 表2 3 保温层硬质纤维板的基本参数 1 a b l e 2 3t h ee l e m e n t a r yp a r a m e t e ro f h a r df i b r eb o a r do f i n s u l a t i n gl a y e r 项目厚度a 1 2 0 3 + s i 0 2f e 2 0 3体密线变化率 m m k g m 8 0 0 6 h 指标 2 0 1 9 6 1 1 5_ 8 0 三2 7 5 4 0 2 0 兰_ o ，l 表2 5 传统钢包不同永久层轮次的钢壳温度 ! ! ! ! ! ：i 些塑坚塑塑! ! i 生! ! ! ! ! ! 垫尘壁塑! 巴翌! ! 罂! ! ! 芑苎垫咝! ! ! ! ! ! 型! 保温层材质永久层轮次 钢壳温度， 备注：钢壳温度是在钢包准各位测量耳轴附近的温度 2 2 钢包永久层减薄和砌筑工艺 根据测算，要完成3 3 0 万吨年的生产规模，必须提高转炉出钢量达到8 0 a ：2 吨，兼顾进 l f 钢包的合理自由空间应确保在5 0 0 毫米以上，因此必须对传统钢包进行扩容，钢包扩容 的措施有两个方面：第一减薄永久层( 减薄工作层会对钢包寿命产生较大影响且有严重的 生产安全隐患1 ，其二是加高钢包。在2 0 0 0 年建l f 精炼炉时钢包已经加高了2 0 0 毫米， 现场测量已经无法再次加高，故钢包扩容只能依靠永久层减薄来实现。 经计算，永久层减薄3 0 毫米后，出钢量在8 2 吨时，钢包的自由空间为6 0 0 毫米，能 够满足钢包扩容的要求。 永久层减薄3 0 毫米后以前的胎模无法使用，若使用增大6 0 毫米直径的胎模浇注永久 层，会导致永久层太薄而无法脱模。通过考察后采用边砌筑工作层边捣打永久层的方式： 先捣打包底，在钢壳上粘贴好隔热板，再平砌工作层，并均匀预留出永久层间隙，每砌 8 2 薄层钢包长寿命研究 筑3 5 层工作层，在工作层与隔热板之间浇注相应的永久层，依次砌筑至钢包顶部。 由于永久层的减薄，永久层砌筑方式的改变，由此减薄后钢包的寿命、保温效果、 钢包运行成本等是该项目必须要研究的问题。 钢包的永久层的作用主要是起到保护钢包外壳的作用，同时也兼顾一定的保温作 用。因此减薄后对其材质的抗压、抗折强度要求更为严格。由此研究首先对对永久层材 质进行了下述改进： 永久层浇注料的临界颗粒由原来的5 毫米增加至1 0 1 2 毫米； 永久层浇注料的基质采用更高档次的高纯原材料； 调整永久层浇注料的结合剂，使其中温条件下有足够的强度。 改进后永久层浇注料的理化指标见表2 6 。 表2 6 改进后永久层浇注料的理化指标 m l b l e 2 6t h ep h y s i c o c h e m i c a li n d e xo f i m p r o v e dc a s t i n gm a t e r i a lo f p e r m a n e n tl a y e r 项目 a 1 2 0 3 m g o耐压强度 抗折强度线变化率体积密度 ( 1 3 0 0 3 ”， ( 1 3 0 0 3 1 1 ) ，( 1 3 0 0 x 3 h ) ，( 1 3 0 0 c 3 h ) ， m p am p a g c m 3 指标 7 5 7 048三90 5兰2 8 5 永久层材质经改进后其浇注性能、强度均优于原永久层，且使用寿命达到1 0 0 0 炉， 比以前永久层使用寿命提高4 4 0 炉。 2 3 钢包包身砖的改进 2 0 0 4 2 0 0 5 年钢包包身砖使用尖晶石砖，其使用寿命不高，一般为6 5 7 0 炉左右， 需要对其砖型和材质进行优化。 2 3 1 包身砖砖型的优化 由于永久层减薄3 0 毫米，因此必须对包身砖的弧度进行改进，并且为防止冲击区侵蚀 速度快影响钢包寿命，把衬3 0 砖的厚度增加了3 0 毫米。 2 3 2 包身砖材质的优化 包身砖材质主要试验了以下两种： 无碳预制块包身砖 2 0 0 5 年上半年包身试验无碳预制块砖，其理化指标见表2 7 ，无碳包身砖的试验使 用效果见表2 8 。从表2 8 可以看出，无碳包身砖平均使用寿命较尖晶石砖提高3 6 6 炉， 提高幅度较大，但其挖修时剥落较明显，裂纹较多，有漏钢危险，且使用寿命未达到要 求，钢包周转仍然困难，2 0 0 5 年下半年未再使用。 9 重庆大学硕士学位论文 表2 7 无碳预制块砖的理化指标 t a b l e 2 7t h ep h y s i c o c h e m i c a li n d e xo f p r e f a bb r i c kw i t h o u tc a r b o n 项目a 1 2 0 3 + m g o 体密线变化率 抗折强度耐斥强度 ( 1 6 0 0 x 3 h ) 。 ( 1 6 0 0 x 3 h ) ，( 1 6 0 0 x 3 h ) ， g e r a 3 m p am p a 指标 8 5三2 8 5s 1 2 0 0 1 6 0 表2 8 无碳包身砖的试验使用效果 ! 堂! ! ：! 生! ! ! 堕! ! ! 塑丛! i 生! 坐丝! ：唑翌虫! 塑壹! ! ! 型! ! 无碳包身砖平均使用寿命，炉尖品石砖平均使j ；| 寿命，炉提岛寿命，炉 1 0 1 66 53 6 6 复合刚玉碳砖 钢包包衬应具有高的抗高温、抗侵蚀、抗冲刷、抗剥落的性能，致密刚玉耐侵蚀性 能极好，大结晶电熔镁砂的高温性能优良，熔点高达2 8 0 0 ，9 8 高纯大磷片石墨能提 高产品高温抗折温度、耐蚀性能、抗剥落性能。 复合刚玉碳砖多采用致密刚玉，大结晶电熔镁砂、9 8 高纯大磷片石墨为主要原料 配加活性洳a 1 2 0 3 微粉和多种添加剂，与树脂结合而成的定型制品，其理化指标见表2 9 ， 2 0 0 5 年下半年复合钢玉碳砖的试验使用效果见表2 1 0 。 表2 9 复合刚玉碳砖的理化指标 ! ! ! ! ! ：；：! 些p ! 罂i 1 2 1 1 竺i 型垫! 竖! ! 婴竺! 竺翌虫磐! 竺堕! 鲤坐 项目 a 1 2 0 3 m g o c 显气孔率体密咖m 3耐压强度 m p a 指标 兰5 52 7i 五：三4三3 0三7 0 表2 1 0 复合钢玉碳砖的试验使用效果 序号钢包号使用炉数，炉其中进l f 炉数，炉使崩残厚，m 备注 从表2 1 0 清晰看出，复合钢玉碳砖平均使用1 3 0 6 炉，比