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大型连铸机中间包包盖工艺技术的开发与应用

摘 要

通过大型连铸机中间包包盖的损毁机理分析,设计改进包盖结构及材质,开发与应用包盖预制件、免烘烤莫莱石质浇注料、包盖密封技术等技术集成与创新 ,形成了具有自主知识产权的中间包包盖工艺技术 ,使中间包包盖使用寿命达到 30~40 个浇次。

正 文

 随着大型化、高效化、无氧化全保护连铸技术的发展,传统的大型中间包包盖工艺设计、结构及内衬材料已不能满足生产和铸坯质量控制要求。包盖内衬使用寿命低 ,不仅影响了周转使用,增加了成本费用,而且因包盖内衬掉料、堵塞中间包上水口,导致开浇下流的事故时有发生。莱钢在大型连铸机中间包包盖的结构、 材质、 内衬材料及使用维护技术方面进行了技术研究和开发,大幅提高了中间包包盖寿命。项目中的关键技术已申请国家专利 4 件 ,其中 “一种用于板坯中间包的预制件及其制备方法”、 “一种防止开浇下流的板坯中间包及其制备方法” 2件取得发明专利申请号,“一种防止开浇下流的板坯中间包” 已授权实用新型专利。 莱钢银山型钢公司炼钢厂于 2004 年 7 月建成投产,目前共有 1 台异型坯连铸机和 3 台板坯连铸机。

1 中间包包盖的损毁机理分析

1)     包盖设计缺陷。大型连铸机中间包的设计容量较大 ,一般在35t以上 ,配套的包盖长度一般为6000 mm 以上 ,宽度为3000 mm 以上。传统的包盖设计采用整体式结构,钢板焊接而成,其内衬设计较薄,一般为 120~150 mm ,内衬隔热性能差。在高温下包盖钢壳易发生变形 ,尽而引发内衬浇注料局部掉料 ,掉料后又加剧包盖钢壳的变形 ,恶性循环 ,导致包盖内衬浇注料逐步脱落。

2)     包盖上的安装孔部位掉料。中间包包盖上有烘烤烧嘴插入孔、连续测温孔,板坯连铸机中间包包盖上还有塞棒安装孔等,传统的安装孔部位由钢板制作的围板,易高温变形、熔损 ,从而引发该部位的浇注料局部掉料,掉料后又加剧包盖钢壳的变形,恶性循环,导致包盖内衬浇注料逐步脱落,这是导致中间包包盖使用寿命低的重要原因。同时,掉料易堵塞中间包上水口,造成中间包开浇下流、塞棒控流失控等操作事故。

3)     包盖内衬浇注料热稳定性差。传统的包盖内衬,采用高铝质浇注料整体浇注而成。近年来 ,随着中间包干式工作衬的推广应用 ,因烘烤占用中间包修砌间的烘烤位 ,多数厂家的中间包包盖内衬浇注料不经烘烤就投入使用,养生强度低 ,又经频次较高的急冷急热作用 ,导致裂纹、脱料。

4)     中间包密封效果差。传统的中间包包盖放置到中间包上,包盖与中间包包沿四周、包盖上的安装孔、浇注口等部位没有密封。烘烤时,煤气火焰四处泄露,外漏火焰烧损包盖 ,加剧包盖钢壳的变形。同时烘烤热量不能充分利用,使中间包烘烤时间长,且烘烤不均匀,易造成中间包烘烤温度低导致的开浇冻眼、中间包包衬踏料等操作事故。

5)     中间包内衬表面粘渣。因中间包溢流口清理不好,液面控制过高,中间包液面渣子粘附在内衬浇注料上,引发浇注料脱落。

连铸机主要工艺参数如表1所示

表1板坯连铸机的主要技术参数

2 主要技术改进措施

2. 1 中间包包盖的设计改进

1) 中间包包盖分体设计改造。一般对一个铸流的中间包包盖一分为二,对两个铸流及以上的中间包包盖一分为三。分体改造后,有利于减轻高温变形。通常有铸流口的分体设计包盖损坏相对较快,每次只更换原包盖的1/ 2或1/ 3即可,也有利于降低成本费用。

2) 改进包盖材质及内衬厚度。材质由钢板改为耐热铸钢,内衬厚度由120~150 mm 加厚到180~200 mm。

2. 2 安装孔用预制件的开发

为解决中间包包盖上安装孔部位易损毁的技术难题 ,开发应用安装孔用预制件。

1)     预制件结构与工艺设计

预制件的结构示意图如图1所示。

图1中间包包盖预制件结构示意图

纵剖面结构为T型,横剖面形状为圆形或椭圆形。根据中间包包盖安装塞棒、烘烤器烧嘴的开孔大小分别设计两个结构相同、大小不同的预制件,分别为塞棒安装孔预制件和烘烤器烧嘴插入孔预制件。

2)     预制件的研制生产

预制件,选用钢纤维增强莫莱石浇注料整体浇注而成。以烧结莫莱石为主原料,配加部分蓝晶石,添加硅微粉、钢纤维、铝酸钙水泥等减水剂、防爆剂、结合剂。将物料按工艺配比称量后,加入混料机内干混 2~3 min ,加物料总质量5 %~7 %的水,湿混4~6 min ,将混合好的浇注料放入胎模内,均匀布料,用振动棒振动成型,无大的气泡冒出时,预制件的生坯完成;在 15~25 ℃环境温度下养护2天,于0~ 450 ℃烘烤 64~72 h。

3)     预制件的安装

在安装前,先去掉原中间包包盖安装塞棒及烘烤器的开孔部位的围板,然后重新开孔,开孔外径要大于预制件下部外径约20 mm ,且小于预制件上台阶外径约30 mm ,使预制件安装既有一定的配合间隙,又保证预制件的上台挂住包壳开口的外沿部位有一定厚度。先安装预制件后,再浇注包盖内衬浇注料。

2. 3 免烘烤莫莱石质包盖内衬浇注料的研发

以烧结莫莱石为主原料,配加部分红柱石,添加硅微粉、金属铝粉、耐火钢纤维等外加剂配制而成。研制机理 :

1) 利用常温下金属铝粉与水的水化放热作用添加铝粉的莫莱石质浇注料,与水(6 %~7 %) 混合后发生放热反应 ,生成氢氧化铝凝胶并逸出氢气,其反应式如下:

2Al + 6H2O → 2Al (OH) 3 + 3H2 ↑  (1)

当反应中有氢氧根同时存在时,将会生成复合离子,使产物具有可溶性并加速反应:

2Al (OH) 3 + OH -→ [Al(OH) 4 ]   (2)

该浇注料成型后4 h 左右,铝粉与水开始反应,在5~6 h 反应剧烈,放热较多,可使料温达到70 ℃左右。同时,产生大量氢气逸出,使料的脱水加快。又由于氢气的逸出,使浇注料内部形成均匀的微小开口气孔,有利于浇注料中的水分排出。该浇注料养生强度高,可实现快速在线烘烤而较少发生爆裂现象。

2) 利用低温条件下配料中的Al2 O3 和 SiO2 的自反应、自烧结和自膨胀的作用机理制造而成

反应式:3Al2 O3 + 2SiO2 = 3Al2 O3 · 2SiO2 (二次莫莱石)   (3)

在反应过程中形成物料烧结 ,生成的二次莫莱石发生体积膨胀。

红柱石 ,在1500 ℃之前均呈膨胀状态,1500 ℃的线膨胀率为0.7 %~213 %。它在1350 ℃时开始分解 ,至1400 ℃左右不可逆转化为莫莱石 ,也伴有一定的体积膨胀。

研制的免烘烤莫莱石质浇注料 ,理化性能指标如表2所示。

表2镁尖晶石喷补料的理化指标

具有免烘烤、抗热振稳定性好、使用寿命高等优良特性,满足了中间包包盖内衬的急冷急热的使用性能要求。

2 . 4 中间包包盖安装的密封技术

1) 在中间包包盖与包沿之间、包盖与包盖之间,先用甩丝毯将缝隙塞住,再用耐火涂抹料涂抹10~20 mm。在包盖上的安装孔部位 ,采用盖板或甩丝毯密封。

2) 如图1所示,在煤气烧嘴上,设计一个挡火罩,可防止火焰外漏。挡火罩外壳由钢板焊接而成,其内衬设计设计厚度为200 mm ,采用锆纤维模块,如图2所示。

图2中间包包盖预制件结构示意图

其中平铺陶纤毯,采用普通型纤维毯(LYGX-112) ,折叠模块选用高纯型折叠模块(L YGX-389) ,主要性能指标见表2。

表2陶纤维模块主要理化指标

2 . 5 操作与维护技术改进

1)中间包烘烤制度优化。一是确定合理的煤气燃烧配风量,二是确定合理的中间包烘烤时间和烘烤温度。生产实践证明,中间包镁质干式料工作衬小火烘烤 0.5 h ,大火烘烤3.0~3.5 h ,中间包烘烤温度达到900~1100 ℃,即可保证正常开浇。煤气燃烧配风量大、烘烤时间长、烘烤温度高,都会加剧包盖的氧化、熔损,甚至造成中间包工作衬塌料事故。

2)用后热包盖自然冷却制度。中间包浇注完毕后,热吊卸包盖,易发生变形,必须经过一定时间的自然冷却。一般冬季大于8 h ,夏季大于16 h ,春、秋两季为8~12 h。

3)中间包溢流口清理制度。若溢流口不畅通,尤其在放渣操作时,中间包液面控制过高,中间包内的渣子粘附于包盖内衬的耐火材料,导致掉料问题, 因此中间包修砌前,要对溢流口进行清理。为便于清理溢流口,每次修砌中间包工作时,可在溢流口表面涂抹一层镁质涂抹料。

3 应用效果

2007年4~8 月,该技术先后在莱钢银山型钢公司炼钢厂3 号、2 号板坯连铸机和1号大H型钢异型坯连铸机中间包包盖上应用,2008年5~10 月,在莱钢大方坯、矩形坯和新建 4号宽厚板连铸机中间包包盖上推广应用。

1) 中间包包盖使用寿命大幅提高。由改进前的使用6~8 个浇次提高到改进后的30~40 个浇次,大幅降低了包盖耐火材料和包盖壳费用。

2) 中间包包盖预制件的应用 ,解决了板坯连铸机中间包因塞棒孔部位掉料导致的中间包上熔渣进入中间包上水口、导致的中间包开浇下流问题。

3) 中间包包盖密封技术,可减轻中间包内钢水的二次氧化,同时可缩短中间包烘烤时间 0.5 h 以上,由此降低了烘包煤气消耗。

4 结语

莱钢针对大型连铸机中间包工艺设计上的缺陷和维护使用中的问题,进行了系统的研究与技术开发,通过设计改进包盖的结构及材质,开发应用包盖预制件、莫莱石质包盖内衬浇注料、中间包包盖密封技术等,大幅提高了大型连铸机中间包包盖的使用寿命,取得了良好效果。项目中的多项技术在莱钢板坯、异型坯、大方坯、矩形坯等大型连铸机上推广应用,具有较好的应用前景和推广价值。