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    中間包干式料塌包問題原因分析以及解決措施

    發布日期: 2020-11-27 09:51:30    閱讀量(204)    作者:于九利顏浩胡玲軍等

    中間包工作層是保護中間包正常使用的基礎;連鑄中間包工作層的發展可以分為4個階段:無工作層階段、絕熱板階段、涂抹料或噴涂料階段、干式料階段。

    中間包干式工作襯與涂抹料相比,具有施工方便,熱效率高,中間包周轉快,使用壽命長,殘襯解體性好和能耗低等優點,在連鑄中間包冶金工業中得到廣泛應用。鎂質材料具有較好的抗高鐵和高堿性熔渣的侵蝕性能,具有使用壽命長、不污染鋼液的特點,已逐漸在中間包工作襯中應用,具有良好的使用效果和應用前景。但是方鎂石熱膨脹系數大,0~1500℃時為(14~15)×10-6℃-1,并隨溫度升高而增加。這對在線烘烤制度要求比較高,在烘烤制度不完善的情況下,容易發生大面積坍塌和局部剝落的現象,導致生產不能順行。導致干式料坍塌的主要原因是中溫強度低、熱態膨脹大、透氣性差。針對這一情況,本文中,著重研究了如何提高干式料在烘烤過程中的中溫強度,減小中溫烘烤膨脹,改善干式料的透氣性,以及對施工過程進行優化,最終解決了干式料塌包的問題。

    1、塌包問題分析

    1.1塌包現象

    中間包干式料工作層在烘烤及使用過程中經常出現塌包的現象,如圖1所示,圖1(a)為中間包在線上烘烤100min后,包壁溫度在800~1000℃,發現大長面工作層大面積塌料現象,無法進行正常開澆。圖1(b)為澆鋼初期塌料。

    圖1中間包干式料工作層塌包圖

    1.2塌包原因分析

    1.2.1施工原因

    在中間包干式料工作層脫模時,若操作不當發生磕碰或者脫模劑涂抹不均勻導致干式料產生裂紋,這些過程形成的缺陷會在工作層烘烤過程中形成薄弱之處,嚴重時就會導致烘烤塌包。

    烘烤后準備澆鋼的中間包工作層,通常僅在加熱面一側形成氧化脫碳層,強度很弱,背面為強度很高的碳化層。在塌包的斷片中(如下圖2所示),斷片分為三層:碳化層被夾在中間,背面一側也因氧化形成了脫碳層。分析出現兩個脫碳層的原因主要是:干式料施工性能不好,或者是新永久襯施工,在烘烤過程中與永久襯結合性能不好,打結完好后,與永久襯形成離鼓現象;現場操作施工水平欠佳,中間包周轉緊張存在熱包施工(永久襯溫度超過100℃),燒嘴布置不均勻或者烘烤時間長導致的部分位置工作襯全部硬化,這些都會導致工作襯離鼓。在線烘烤過程中形成上述所說的夾心層,進而導致塌包。

    圖2塌包斷片示意圖

    1.2.2線上烘烤制度不完善

    中間包干式料工作襯烘烤過程中,隨著中間包溫度的升高,酚醛樹脂逐漸固化,固化后的樹脂在200℃~800℃時分解,釋放出CO2,CO,CH4,H2及H2O等氣體,由圖4可以看出,在300~600℃,幾乎排出所有氣體狀成分。同時留下固定炭,即樹脂被碳化,形成碳網絡結構,這種氣體量雖沒有涂料產生的水汽量大,但如果升溫速度快導致結合劑分解過快,會造成大量氣體聚集膨脹,再加上干式料工作襯體密大,振動比較密實,嚴重時會導致工作層烘烤塌包。

    因此,選擇裂解速度比較平緩、殘碳量高的結合劑,分解的氣體盡可能的少,對降低塌包風險有一定的作用。從防爆性能方面考慮,與澆注料相同的道理,引入一些可以導通氣道的纖維,或者輕振降低干式料的體密,讓裂解產生的氣體快速排出,緩解內部應力。

    圖3酚醛樹脂加熱時放出氣體速度與溫度的關系

    1.2.3干式料中溫強度較低

    中間包干式料工作層在低溫烘烤脫模后需要吊至澆注位繼續烘烤,加熱至1100℃以上才能投入使用。中間包干式料工作層的強度特性如圖4所示,鎂砂燒結溫度高,750~1100℃時是沒有燒結的,這時干式料工作層的結合強度處于較低的階段,干式料工作層的中溫強度低是導致烘烤時塌包的重要原因。

    圖4中間包干式料工作襯的強度特性示意圖

    1.2.4干式料熱態線膨脹較大

    受熱脹冷縮因素的影響,加上鎂砂本身熱膨脹性的影響,干式料在線烘烤到1100℃時產生的膨脹,應力集中釋放會產生離鼓,在薄弱處形成裂縫,導致開澆后鉆鋼或塌包。

    2、烘烤塌包解決措施

    2.1優化施工,減少離鼓

    (1)施工前用測溫槍測量永久襯溫度,在永久襯溫度低于100℃時開始施工(酚醛樹脂軟化點103~106℃);

    (2)低溫烘烤時在干式料變色厚度達到總厚度的1/3時即可關火,避免烘烤時間過長導致工作層離鼓;

    (3)脫模時用天車將胎膜吊起防至指定位置,脫模時注意用力均勻,不得將干式料襯體破壞產生裂紋。

    2.2優化干式料方案,加強中溫強度

    采用91燒結鎂砂(粒度為5~3、3~1mm)為骨料,1~0mm和200目細粉采用電熔鎂砂,酚醛樹脂為結合劑,固定骨料中鎂砂和結合劑總量不變,分別加入不同的促燒劑,配方代碼分別標記為A1、A2、A3、A4、A5。將干式料制成160mm×40mm×40mm的樣塊,測定樣塊在1100℃保溫3h燒后強度,以評定試樣的中溫強度和燒結性能。

    表1不同促燒劑時干式料的中溫強度

    黏土是由多種礦物混合而成,沒有固定的熔點,而是在一定的溫度范圍內逐漸軟化。當黏土在加熱煅燒的過程中,達到一定溫度(800~900℃)后,繼續升高溫度時,黏土中低共熔物質開始融化,液相出現并逐漸增加,填充在固體顆粒之間,由于液相表面張力的作用,使得未熔顆粒進一步靠攏,引起體積急劇的收縮。

    由上表可以看出,通過添加硼酸、玻璃粉,干式料的中溫強度明顯提高,主要是因為其熔點偏低,其促進了材料的中溫燒結。

    在脆性的干式料中引入有機纖維,纖維高溫下熔融,產生微氣孔,利于樹脂分解的氣體排出,增強襯體的透氣性。但是纖維加入量不宜過多,否則對抗渣性能不利。

    2.3調整干式料配方,減少熱態線膨脹

    按照表2中方案,采用酚醛樹脂為結合劑,添加一定量的促燒劑,將干式料制成φ20mm×100mm的圓柱樣塊,測量樣塊從室溫加熱到1500℃過程中的熱態線膨脹曲線,如圖5所示。

    表2干式料熱態線膨脹曲線試驗方案


    圖5干式料熱態線膨脹曲線圖

    從圖5中可以看出,在500℃以下范圍內,3個樣塊線膨脹率差別不大,此溫度下以酚醛樹脂分解為主。超過800℃時,4個樣塊的線膨脹率差異開始變得明顯,其中采用電熔鎂砂為原料的試樣A8最大,采用91重燒鎂砂為骨料的試樣A6次之,試樣A7最小。說明高溫下電熔鎂砂較重燒鎂砂線膨脹大,重燒鎂砂中氣孔、雜質較多,高溫下能夠吸收部分膨脹,而電熔鎂砂晶粒較大,雜質少,氣孔小,高溫下直接結合,線膨脹較大。7#采用黏土、硼酸、有機纖維復合促燒劑的試樣線膨脹明顯降低。

    2.4永久襯傾斜度和烘烤制度

    根據酚醛樹脂的分解特性及干式料中溫強度低的特點,適當延長烘烤時低溫烘烤的時間,快速越過中溫烘烤階段,盡快使干式料工作層達到燒結狀態,降低大火快速烘烤。

    針對傾斜度較小的中間包殼,特別是工作層厚度較薄、包殼較深、窄且長的中間包,在設計永久襯胎膜和工作層胎膜時要考慮適當加大傾斜度,那么干式料發生坍塌的概率會大大降低。

    針對新永久襯表面光滑不易干式料附著,考慮將其表面處理成麻面,也有利于降低干式料坍塌風險。

    3、結語

    中間包干式料工作層在設計、施工、使用不當的情況下會發生烘烤及澆鋼過程塌包的現象,經過現場大量的實踐探索以及實驗數據,證明在規范干式料工作層施工、調整干式料配方、優化烘烤曲線、增加工作層傾斜度等方面開展工作可以解決中間包工作層塌包的情況

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