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利用用后熔融石英水口制作组合式中间包包盖

摘 要: 通过对莱钢连铸中间包包盖使用过程中存在问题的分析,并结合用后废弃的熔融石英水口的特性,提出了利用弹簧预夹紧支撑机构直接将用后石英水口的圆柱管组合成中间包包盖的设计方案。通过实际应用发现,利用用后石英水口直接制作的组合式中间包包盖,解决了包盖耐火材料与钢结构之间因膨胀系数不同导致的易脱落、烧损问题,且包盖的检修、更换、制作更加方便,不仅实现了中间包包盖的长寿命和低成本化,而且开创了用后石英水口的二次循环利用新途径。

前 言:目前,国内外连铸中间包使用的包盖均为钢结构加耐火材料的结构形式,其主要失效形式有: 整体变形大,耐火材料脱落,钢结构烧损等。莱钢炼钢厂连铸中间包包盖使用钢板焊接的支撑钢壳,下方焊接锚钩并打结耐火材料的结构。使用初期,包盖保温效果较好,但仅使用1 个月就完全变形、烧损,无法再使用了。分析发现,整体焊接的钢结构随温度剧烈变化产生较大变形,钢结构与耐火材料膨胀系数的差异导致耐火材料与钢结构无法长时间紧密接触,耐火材料易开裂而剥离、脱落,造成钢结构被烧损,最终导致包盖完全失效。可见,耐火材料的抗热震性差是中间包包盖损坏的主要原因。 考虑到莱钢炼钢厂连铸中使用的浸入式熔融石英水口用后难以处理,而且熔融石英材料的抗热震性极好,因此设想采用用后废弃的石英水口制作中间包包盖。经过多次试验和改进设计,最终利用弹簧预夹紧支撑机构直接将用后石英水口的圆柱管组装在一 起,制成了一种抗热震性高,变形、适应性强,使用寿命长,制作、维修方便的新型组合式中间包包盖。

1 用后石英水口二次利用的研究与测试

曾经尝试过将用后废弃的熔融石英水口破碎后替代原有耐火骨料捣打成中间包包盖,还尝试过将其破碎后重新制作烧结石英砖,再砌筑成中间包包盖。 但这两种方案的使用效果及经济性均不明显。考虑到浸入式石英水口用后废弃时主要是其下部浸入到保护渣中的部分侵蚀严重,而中间的圆柱管仍保持完好,而且仍具有较高强度,因此设计直接将用后石英水口的圆柱管简单修整后,再利用弹簧预夹紧机构将其组合成中间包包盖。

试验时,首先采取截取一段使用过的熔融石英水口,将其固定在原有中间包堵流孔中,然后再截取三段石英圆柱管,用拉杆及弹簧将其夹紧,放置并固定在中间包包盖上进行局部试验,并对其烘烤、侵蚀情况及其抗热震性进行跟踪观察。经过多次与中间包包盖一同反复使用发现:包盖中的圆柱形石英水口仍能保持完好形状,而且强度较高,无剥落,具有良好的 抗热震性,特别是可以与中间包中的钢水保持很近的距离,甚至与钢水接触也不失效。可见,设计合适的结构,利用用后石英水口直接制作中间包包盖是完全可行的。

2 直接利用用后石英水口制作组合式 包盖的方案设计与优化

在上述试验基础上,制定了一套直接利用石英水口制作中间包包盖的方案。具体制作工艺如下: 先收集储存一定数量的用后石英水口,对其上端锥形部位和下端侵蚀严重部位进行切割并简单修整,形成规整的石英圆柱管,作为制作包盖的耐火材料备用; 然后根据包盖形状要求,将修整后的石英水口圆柱管纵向组合成不同长度的圆柱管,再将不同长度的石英圆柱管横向排列成中间包包盖形状。为了进一步提高包盖的保温效果,可在密排而成的石英圆柱管上方增加一层保温棉或涂抹一层薄薄的耐火泥。

虽然制定了利用用后水口制作组合式中间包包盖制作工艺方案,但对熔融石英水口与支撑钢结构的膨胀特性差别还需要进行进一步的研究分析,并针对中间包包盖具体结构中的烘烤口、堵流孔( 或塞棒孔) 进行详细设计。因此需要对组合式中间包包盖的具体结构开展创新设计,进一步优化、完善用后熔融石英水口直接制作组合式中间包包盖的生产制作工艺。

2.1 包盖整体结构优化设计

直接利用用后石英水口制作组合式中间包包盖的关键是采取科学合理的结构设计。中间包包盖具体结构中烘烤口、堵流孔(或塞棒孔) 以及石英与支撑钢的膨胀特性差别是结构设计中必须考虑克服的难题。具体整体结构设计方案是: 设计专门的弹簧夹紧机构,通过弹簧预紧力使每个石英圆柱管之间保持轴向紧密接触,形成中间包包盖组合因子; 再将组合成 不同长度的包盖组合因子并列排成中间包包盖形状,并在一侧增加夹紧机构,使得全部石英圆柱管之间保持横向紧密接触。针对烘烤口、堵流孔( 或塞棒孔) 以及石英与支撑钢的膨胀特性差别将烘烤口、堵流孔 (或塞棒孔) 设计成不与支撑框架固定的结构,而是可以随温度变化微量移动的滑动结构; 将支撑框架设计成可拆解的结构,考虑到包盖温度变化大,采取弹簧夹紧的方法将包盖组合因子组合成包盖形状,使包盖组合因子在框架支撑结构中随温度变化可以微量移动,自由收缩膨胀,不因温度变化产生较大的内应力,只需选择合适的弹簧预压紧力保持固定石英圆柱管的相对位置,以保持包盖形状,达到进一步提高包盖使用寿命的目的。整体结构方案设计如图1 所示。

图1 用后石英水口制作组合式中间包包盖结构图

2.2 包盖组合因子的设计

经过上述研究分析可以看出,组合式石英圆柱管是制作新型组合式中间包包盖的关键。中间包包盖不仅要耐高温,而且要求具有优良的抗热震性能,能抵抗温度频繁地大范围波动而不开裂、不剥落。针对这一特点,将组合式石英圆柱管设计成由不锈钢钢管与不锈钢螺栓焊接成的拉杆、紧固螺母、预紧弹簧、垫圈、用后石英水口、尾部挡板组成的结构。其结构如图2所示。通过调整组成石英圆柱管夹紧机构的弹簧,使其具有适宜的自夹紧力,既确保中间包包盖中的每个用后石英水口紧密接触,又具有能缓解、控制石英圆柱管因温度变化产生的热应力的空间。而且消除了拉杆、石英圆柱管因热膨胀系数不一致而在使用过程中产生的间隙,使组合式石英圆柱管不至于在高温下弯曲,能保持一定的刚度,延长组合式石英圆 柱管的使用寿命。

图2 用后石英水口制作组合式石英圆柱管结构图

2.3 包盖支撑结构的设计

为了将组合成不同长度的石英圆柱管按照中间包框架结构排列成中间包包盖形状,需要设计能适应中间包包盖要求的支撑框架,要求它既能支撑组合石英圆柱管,又能保证温度变化产生的变形小,且能重复使用。基于上述要求,结合以往包盖变形的特点,将包盖由原来的钢板焊接成整体壳状结构设计成由螺栓连接且可拆解的槽钢框架结构,不仅保证了组合 包盖不因各部件局部变形而导致整体变形,而且方便了组合式包盖的制作、维护、维修。所设计的组合式中间包包盖框架结构如图3 所示。

图3 用后石英水口制作组合式中间包包盖支撑框架设计图 

针对烧嘴孔、塞棒堵流孔,设计出一种可相对滑动的方孔结构,使其可与包盖支撑槽钢框架保持相对滑动;但环境温度发生较大变化时,不至于产生应力挤碎处在方孔位置的石英圆柱管,增强了包盖支撑结构的适应性。

上述中间包包盖制作工艺方案及具体结构设计,不仅有效避免了整体包盖耐火材料在使用过程中易产生裂纹、剥落,最终导致钢结构无耐火材料保护而烧损的问题,彻底改变了目前连铸中间包包盖使用寿命短,更换频繁的现状;同时也可减少因包盖料频繁脱 落导致钢水夹杂物增多的概率,进一步提高铸坯质量; 也使得中间包包盖的制作、维护、更换都十分方便。

3 利用用后石英水口制作的组合式包盖的应用效果分析

利用1#连铸机的两套中间包(一备一用) 进行应用对比试验,其中一套中间包使用原有中间包包盖,另一套使用利用用后石英水口制作的组合式中间包包盖。通过对比试验得出: 利用用后水口制作的组合式中间包包盖在使用过程中变形小,密封严,寿命长达 6 个月,且钢结构框架以及拉杆可以重复使用。

在1#连铸机成功应用实施的基础上,可以在其他连铸机上再推广实施,以进一步降低生产成本。在推广应用时要结合具体使用条件进行结构完善,设计时需考虑连铸中间包对包盖的不同要求,以求整体效果最优化;在使用过程中要密切关注用后石英圆柱管,如有损坏要及时更换,以免拉杆烧坏而影响循环使用。为了进一步提高包盖的保温效果,可在密排而成的石英圆柱管上方增加一层保温棉或涂抹一层薄薄的耐火材料,使用效果更佳。

利用用后石英水口制作中间包包盖,不但使生产过程中的废料资源得到循环利用,而且对中间包包盖结构的优化(即: 其支撑钢结构与耐火材料之间不再固定粘接在一起) ,极大地提高了中间包包盖的抗热震性。这项技术彻底改变了连铸机中间包包盖使用寿命短,更换频繁的状况。其实际应用效果主要体现在以下两点:

 (1) 中间包包盖使用寿命得到大幅提高,中间包整体寿命由1 个月提高到6 个月,框架结构的使用寿命可达10 个月

(2) 使废弃的用后熔融石英水口得到再利用,达到废物循环利用、清洁生产的目的,节省了生产成本,创造了良好的经济效益和社会效益。

4 结语

通过对利用用后石英水口制作新型组合式中间包包盖技术的研究与应用,创新地设计了直接利用用后石英水口加工制作中间包包盖的工艺及弹簧预紧支撑结构,解决了耐火材料耐高温与支撑钢结构变形的矛盾,实现中间包包盖的长寿命、低成本,形成组合式中间包包盖生产制作工艺,使包盖的检修、更换、制作更加方便。不仅巧妙地解决了连铸中间包包盖寿 命低的难题,同时开创了用后石英水口的二次循环利用的新途径,具有更加广泛的应用条件和推广前景。其中,基于研究过程中开发设计的组合式中间包包盖技术申请的“组合型高温液态金属容器包包盖”获得中国国家专利局实用新型专利授权; 基于用后石英水口直接制作中间包包盖的生产制作工艺形成的“利用用后石英水口制作中间包包盖新工艺及实施装置”正在申请国家发明专利。