納米復合反射絕熱板在120 t鋼包上的應用

寧 超

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

鋼鐵生產是利用鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，按一定比例使用轉爐進行吹煉的過程，待鋼水溫度和成分達到目標值范圍時出鋼。在出鋼過程中，向鋼包中加入脫氧劑和鐵合金進行脫氧、合金化，最后連鑄出坯。其整個流程都是高溫冶金過程，對鋼水溫度的有效控制是保證生產順利進行和鑄坯質量的關鍵因素之一，鋼包是煉鋼工序生產過程中不可缺少的設備，其主要作用是承接鋼水。隨著科技發展，鋼水精煉處理技術日趨完善，鋼包不再是一個簡單的運輸容器，但精煉處理延長了鋼水的運輸時間，大幅增加了鋼水的溫降，這就要求鋼包使用更現代的耐火材料及保溫措施來減少這些熱量損失，進而降低成本。

1 納米復合反射絕熱板概述

1.1 納米微孔絕熱材料

納米微孔絕熱材料是微納米級硅粉的空心顆粒經數層金屬箔復合而形成的一種高性能、高品質的高溫絕熱材料。其隔熱性能比傳統纖維類的保溫材料要好3～4倍，是迄今為止隔熱性能較好的隔熱材料之一。納米微孔絕熱材料的厚薄，導熱系數低，應用在一些限制絕熱材料厚度和重量的高溫設備上。

1.2 納米復合反射絕熱板材料

納米復合反射絕熱板是采用納米級硅粉與金屬鋁箔、纖維布、纖維紗多層復合而成高強度粘彈性的微孔絕熱材料，其表面為金屬鋁箔，底面為纖維布。

1.3 納米復合反射絕熱板工作原理

對于絕熱材料而言，熱運動主要有3個途徑：

熱傳導：主要由絕熱材料中的固體部分（顆粒斷面）來完成；熱對流：主要由絕熱材料中的空氣腔來完成；熱輻射：具有射線屏蔽和高反射率的金屬夾層來完成。

納米絕熱材料采用納米級多孔微粉顆粒和具有熱屏蔽功能的金屬箔材料，結合多種無機添加物和高效粘結劑，經特殊工藝制備而成。其絕熱原理如下：

（1）熱傳導方面：多孔微粉顆粒的斷面積和顆粒間的接觸面積非常小，其熱傳導性較低。

（2）熱對流方面：微孔顆粒間結構致密，空隙內空氣極難流動，不容易發生熱對流運動。

（3）熱輻射方面：具有射線屏蔽和高反射功能的多層金屬箔可以有效隔斷和反射熱輻射。

1.4 納米復合反射絕熱板規格

鋼包用納米微孔絕熱板：厚度（8±0.5）mm。

2 120 t鋼包的結構及傳熱概述

鋼包運輸過程中熱量散失主要為：鋼包上口大量熱氣流散熱；鋼水接觸的包壁和包底的熱傳導散熱。

部分熱氣流通過耐火磚磚縫、耐火泥內部的大孔隙向包殼傳輸熱量，現有的實驗和理論研究表明，當孔隙直徑小于氣體分子平均自由程時，所有氣體分子失去布朗運動能力，孔隙內氣體分子處于靜止狀態。由于納米復合反射絕熱板采用微納米級材料，其孔隙直徑（40 nm）小于氣體分子的平均自由程（50 nm）。因此，幾乎不存在氣體分子間碰撞引起的熱傳遞現象，難以產生氣體對流傳熱[1]。

3 實驗方案

3.1 120 t鋼包絕熱層安裝方案

（1）清理包殼內壁，將拆包時殘留在內壁鐵殼上的打結料殘留物去除。盡量將包殼內壁的塵土掃凈，以保證第一層絕熱板能緊貼在包壁上。

（2）在安裝前必須打透氣孔，務必保證透氣孔通暢。

（3）在包殼內壁上涂膠厚度要均勻，安裝時每塊板與板之間的縫隙要盡可能的小，包底留足夠的余地給水口和座磚。

（4）絕熱板從包壁底部開始粘貼，一直粘貼到渣線上方。

（5）絕熱板粘貼合格后進行永久層打結，永久層必須高于絕熱板層100 mm，以保證把絕熱板層封閉在永久層打結料中。

3.2 鋼包上線使用

（1）隔熱層施工完成，進行包壁永久層施工，永久層澆注過程必須連續進行，不得中途間斷作業。

（2）包壁永久層澆注料澆注后，養護時間必須大于24h，方能進行脫模。脫模后檢查永久層澆注質量，若有掉塊、孔洞等缺陷必須用澆注料進行修補，若包壁永久層含水量過高，繼續風干。風干后進行烘烤，優化原有烤包制度，提高烘烤效果，新絕熱板+新打結永久層要求不同烘烤階段的烘烤時間累計不小于72 h。

（3）鋼包上線安排在白天。

（4）在鋼包外殼上標注測量點位（在鋼包上線裝機構時，用耐熱油筆標注）。

3.3 數據采集

檢驗方式：采用紅外測溫槍測量。

檢驗部位：鋼包一側熔池上部、中部、下部標記一點（見圖 1）。

圖1 鋼包上中下3個測溫點位置

測定時間：出鋼后吊走前、精煉給電5 min、連鑄機澆鋼10 min和30 min、鋼包熱修時。

4 數據分析和效果對比

從2017年9月16日開始對鋼包加隔熱層試驗包進行包壁測溫跟蹤，對比實驗鋼包數據如下：34號、35號鋼包使用隔熱材料，36號鋼包系正在使用的正常包，作為對比鋼包。

4.1 鋼包包壁測溫數據對比

隔熱層鋼包與正常鋼包測溫情況統計見表1。

表1 隔熱層鋼包與正常鋼包測溫情況統計

從表1可以看出，使用隔熱測的試驗包比正常包包壁溫度低，34號鋼包平均上點溫度相比正常在用鋼包降低31.3℃，35號鋼包平均上點溫度相比正常在用鋼包降低33.0℃，；34號鋼包平均中點溫度相比正常在用鋼包降低30.6℃，35號鋼包平均中點溫度相比正常在用鋼包降低32.3℃；34號鋼包平均下點溫度相比正常在用鋼包降低28.2℃，35號鋼包平均下點溫度相比正常在用鋼包降低28.2℃。

前中后期3個階段，前期鋼包下線后主要對渣線進行小修，中期鋼包下線后主要對渣線工作層進行更換。從3個階段來看，上部鋼包工作層由于全部更換，侵蝕不大，下部鋼包工作層不進行更換，侵蝕較為嚴重，鋼包隔熱層起到的作用更大，由于鋼包底部積渣嚴重，測溫不準，故所得數據不準，不同鋼包間的數據并未明顯顯示出差異。

4.2 鋼包包壁溫降數據對比

表2數據為鋼包從精煉到澆注期間溫降，可以看出，隨著鋼包周轉，包役增加，鋼包隔熱材料的保溫效果相比原來明顯有所下降。

5 經濟效益分析

表2 不同時期使用鋼包隔熱層降低鋼包包壁溫度數據對比

鋼包絕熱層的使用壽命平均為1年，納米材料絕熱板絕熱層噸鋼成本1.2元，使用新型鋼包不同鋼種的精煉電耗降低 2.25 kWh／t，合計降低成本 255.94 萬元。

6 結論

新型鋼包散熱慢，保溫效果增強，減少了精煉給電時間，中包澆鑄時中包溫降減少，降低了連鑄上臺溫度，同時降低了電耗，保溫性能優良，連鑄澆鑄過程中平均溫降減少，中間包鋼水溫度波動降低，為連鑄的穩定生產創造了條件。經測算，鋼包外壁溫度平均降低了46.4℃，減少了包殼熱應力，有利于提高包殼強度和抗蠕變性能、降低工作環境溫度。