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连铸中间包包盖几种设计方向研讨

连铸中间包包盖的功能,一是阻断中间包内钢水与外界的热交换和空气对流,起到保温、保护中包内钢水不被二次氧化、保护浇钢机构、改善操作环境等作用。由于中间包盖的工作环境非常恶劣,以及各厂家设计制造水平和使用水平的不同,连铸中间包盖的使用寿命较短并且差别很大,从几个浇次到三十几个浇次不等,吨坯消耗为0.4~2.25元。

本文中主要概述了连铸中间包盖的发展演变历程,分析了中间包盖的工作条件和损坏机制,介绍了当前钢框架浇注耐火材料复合中间包盖的一般结构、设计原则、钢框架结构及用材、包盖厚度、包盖分块、 耐火浇注料、包盖制作、新技术等。

1 中间包盖的发展演变历程

(全铸铁中包盖、全铸钢中包盖)→(铸铁复合耐火材料中包盖、铸钢复合耐火材料中包盖、钢筋笼复合耐火材料中包盖)→(钢框架浇注耐火材料复合型中包盖)

20 世纪七八十年代,各炼钢厂的连铸中间包盖几乎都是全铸铁中间包盖和全铸钢中间包盖。

由于全铸铁中间包盖和全铸钢中间包盖工艺性能差,易变形,寿命低,造价高,各厂家积极探索由铸铁、铸钢与耐火材料相复合的中间包盖。但是,由于这两种中间包盖的工艺性能和使用寿命难以有较大提高且造价难以降低而逐渐被淘汰。国内有厂家试用过钢筋笼浇注耐火材料中间包盖。这种中间包盖制作方便,造价低,但其致命弱点是整体强度低,经常吊运易碰坏,寿命也不高,现在也不见有使用者了。

钢框架浇注耐火材料复合型中间包盖是在以上中间包盖不尽人意的情况下开发的,其工艺性能及寿命基本上能满足连铸工艺的需要,并且制作方便,价格较低,现己被各钢厂广泛采用。 据统计,国内外 62 个厂家的 79 条连铸生产线中,目前没有使用铸铁复合耐火材料中间包盖和钢筋笼复合耐火材料中间包盖的,使用铸钢复合耐火材料中间包盖的只有4 条(占5%) ,而使用钢框架浇注耐火材料复合型中间包盖的则有75 条(占95%) 。进入21世纪,中间包的冶金功能被进一步强化,高工艺性、长寿命、更经济的中间包盖亦倍受关注。

2 中间包盖的工作环境及损坏机制

2 . 1 中间包盖的工作环境

中间包盖的工作环境非常恶劣,主要表现为:

(1) 反复吊上吊下,经常受机械振动和碰撞; 此外,吊运时工作面受拉力,而背面受挤压力。

(2) 反复经受环境温度的剧烈变化( 80 ℃ → 1000 ℃→1500 ℃→80 ℃) 。

(3) 中包烘烤时,中间包盖的工作面、孔、接缝要经受高温火焰的炽烤和高温气流的冲刷; 浇钢时,中间包盖工作面要承受1 500 ℃的高温热辐射,其表面温度可达1400℃,其背面温度也可达350~500℃,并且孔和接缝也均受到高温气流的作用。

(4) 工作面受钢渣的侵蚀,注入流孔常常粘钢,粘渣,难以清理。

2 . 2 中间包盖的损坏机制

2 . 2 . 1 全铸钢中间包盖和全铸铁中间包盖的损坏机制

由于在高温热辐射状态下工作时受热极不均匀,全铸钢中间包盖易产生较大的热应力; 在反复多次的急冷急热作用下,铸钢反复产生相变,全铸钢中间包盖易产生较大的相变应力。在热应力和相变应力的作用下,全铸钢中间包盖易产生严重的变形和翘曲,失去其保温、密封的功能,且影响塞棒的上下运动,最后不得不停用下线。此外,全铸钢中间包盖的表面氧 化及粘钢也是导致其损坏下线的原因。

全铸铁中间包盖(包括高硅耐热球墨铸铁包盖) 脆性太大,往往仅使用一个浇次就因产生裂纹而下线。

2.2.2 钢框架浇注耐火材料复合结构型中间包盖

损坏机制

钢框架浇注耐火材料复合结构型中间包盖的损坏形式主要有:

(1) 钢框架氧化烧蚀和翘曲变形,并且二者相伴出现。这是包盖损坏的最主要形式;

(2) 耐火浇注料出现裂纹、掉块、脱落、剥落;

(3) 注入流孔粘钢粘渣不易清理导致损坏。

在中间包盖烘烤和浇钢操作过程中,中间包盖由于变形而与中间包接触不良,塞棒孔、注入流孔、烧嘴孔等部位也会冒火串气,高温火焰和废气直接烧蚀包盖钢框架表面。同时, 1500℃以上高温钢水的热辐射使包盖工作面的温度迅升至1400℃以上,造成钢框架氧化熔蚀。中间包盖钢框架的氧化烧蚀是个不断渐进的过程: 氧化铁皮层不断剥落,氧化烧蚀不断 向钢框架内部发展,直至完全损坏。

钢框架发生变形翘曲的主要原因是:

(1) 热应力、相变应力和吊装时的拉力,特别是在中间包刚下线时温度很高、钢框架强度大大降低的情况下,钢框架极易受力变形翘曲;

(2) 设计不合理,钢框架、筋板用料太薄,或中包盖太薄太长都会使钢框架极易变形翘曲;

(3) 中间包盖太长、太宽或较薄;

(4) 耐火浇注料掉块、脱落、剥落会加速钢框架的变形翘曲。

钢框架的氧化烧蚀和变形翘曲二者相互影响,相互促进: 钢框架的氧化烧蚀加剧了中包烘烤与浇钢时包盖温度的不均匀性,热应力增大,也削弱了钢框架承载能力,吊上吊下时钢框架更容易发生变形翘曲; 钢框架变形翘曲破坏了包盖的密封性,加剧了高温火焰、气流对钢框架的氧化烧蚀,加速钢框架的变形翘曲。

3 钢框架浇注耐火材料复合中间包盖的设计制造

3.1 目前复合中间包盖的一般结构

根据对国内外62个厂家的79条连铸生产线用钢框架浇注耐火材料复合结构型中间包盖的统计分析,其钢框架结构、孔结构以及块与块对接结构的形式多样,图 1 是其中两种比较典型的结构。中间包盖厚度为 76~212 mm,其中厚度在180 mm 以上的占60.5%。中间包盖钢框架大多用普通钢板制作,使用型钢的仅占10% 左右; 使用钢板的厚度一般为 10~60 mm,20~60 mm 的约占78%。中间包盖既有整体的,又有分成2或3块的,其中整体的约占31.5%。

图1目前钢框架浇注耐火材料复合中间包盖的典型结构

3.2 设计原则

现代中间包盖的设计目标是集功能性、长寿性和经济性于一体。所谓功能性是指中间包盖应具有隔热保温,保护中间包内钢水不被二次氧化,保护浇钢机构,改善操作坏境等功能。长寿命是设计者永远追求的目标,但应在保证中间包盖良好功能性的前提下追求其长寿命,使其寿命达到25 个浇次以上或更高。经济性即其吨坯消耗。近年来,受世界经济下行的影 响,钢铁工业压产、降价,各钢厂成本压力极大,降低中间包盖吨坯消耗也是设计者的重要目标之一。

3.3 钢框架结构及用材设计

中间包盖钢框架设计应追求高强度、缓变形、含固浇注料。应首推图 1( a) 所示的结构,该设计的特点是:

(1) 仅有纵横框架,不设整块顶板;

(2) 纵横筋板在框架内顶满,在中间靠上部布置;

(3) 各孔及块与块对接处采用钢筋笼设计,既能含固浇注料,也不易过早变形翅曲;

(4) 布置两层纵横钢筋网,网筋接点焊一钩状竖筋。 图1( b) 所示的弧形加强筋的设计用于中间包盖易变形翘曲的地方比较适合。

中间包盖钢框架用 20~40 mm 的普通钢板较为适宜。因为在中间包盖的工作条件下,再厚再高档的钢材都会发生氧化烧蚀和变形翅曲,对提高中间包盖寿命与事无补。

3.4 包盖厚度设计

在中间包与钢包间距离许可的情况下,中间包盖厚度以200mm左右为宜。太薄易变形翘曲,过厚也没有必要。

3.5 中间包盖分块设计

整体中间包盖一般比较长,反复吊上吊下极易过早变形翘曲,特别是多流中间包盖注入流口处强度较低,一两个浇次下来即发生变形翘曲; 再者,中间包盖不同部位的损坏速度不同,若合理分块,可仅对损坏部位进行更换,以较低的消耗延长中间包盖的总体寿命。

3.6 中间包盖耐火浇注料设计

中间包盖钢框架含固耐火浇注料,耐火浇注料保护钢框架,二者相辅相成组成一个整体。耐火浇注料应具有良好的抗热震性、抗钢渣侵蚀性、抗高温冲刷性、保温性和高温强度。

3.7 中间包盖的制造

使用过程中,中间包盖的钢框架极易开焊。钢框架一旦开焊,就很快发生钢框架变形翘曲和耐火材料脱落。因此,钢框架焊结是第一位的,要求各件打坡口连续焊结,焊缝角高不低8 mm; 另外,固料网筋和锚固钩也必须焊结牢固。

钢框架制作必须平、正,无变形扭曲。

钢框架制作完毕后应做退火处理或放置一段时间,以消除其残存的结构应力。

浇注耐火材料时应采取有效措施,消除包盖钢结构和耐火浇注料热膨胀系数不一致的负面影响。

3.8 中间包盖新技术

中间包盖新技术主要包括中间包盖吹氩气技术和中间包盖的密封技术。

中间包盖吹氩气能增强中间包盖的保护功能,是通过在中间包盖中设置吹氩管道来实现吹氩功能。 中间包盖的密封技术是在包沿与包盖接触处及块与块对接处垫挟约 40 mm 厚的硅酸铝耐火纤维毡,并在中间包盖各孔处采用予制密封件,以增强中间包盖的密封隔热功能,改善因窜气对包盖的冲刷损坏。

4 结语

(1) 中间包盖属非标产品,设计上无标准可循。 尽管设计者有共同的设计理念和目标,但由于中包形状、大小不同,工作环境不同,设计者考虑和处理问题的侧重点不同,以及制作水平的差异,中间包盖的使用效果无疑会有伯仲。

(2) 铸钢复合耐火材料中间包盖由于造价高,使用效果一般,被淘汰是必然的。钢框架浇注耐火材料复合型中间包盖是今后发展的必然趋势。