合理有效地降低钢包钢水温降是炼钢工艺的重要环节,现阶段仍有多家钢铁企业的钢包存在着散热过大、钢水温降严重的问题。简单地提高钢水初始温度往往会导致钢中气体和夹杂物的含量升高、炉衬侵蚀加快,炉龄降低、钢铁原料烧损增加、合金利用率降低等一系列问题。合理的钢水温度控制可以有效提高铸坯质量和合金收得率,降低冶炼成本。

有研究者曾指出:出钢过程中87%的热损失由钢包耐火材料的蓄热能力决定,钢包包口辐射和对流散热约占10%。改善钢包保温层材质可有效降低包壁热传导散热,添加覆盖剂和钢包加盖可有效降低包口热辐射散热。小钢包因钢水容量小,蓄热能力差,热损失现象尤为突出,因此,提高小钢包的保温性能对钢企节能环保工作具有十分重要的意义。

敬业钢铁有限公司一炼钢厂(以下简称“一炼钢厂”)80t转炉出钢后存在钢包散热快的问题,分别在32#、45#、55#80t钢包上采用纳米绝热板保温层、添加覆盖剂、钢包全程加盖等保温技术生产试验。在此基础上,在32#80t钢包上应用以上3种钢包保温技术,探究其综合保温效果。

纳米绝热板对钢水温度的影响

1.1 纳米绝热板的优势

钢包钢水的保温效果受到保温层的影响较大,因此,对保温层的性能提出了严苟的要求:不易被挤压变形、线收缩率小、导热率低、热容量低、热震稳定性好、耐压强度高、韧性好,应用在钢包壁上,钢水中热量损失减少。目前,绝热保温层材料多设计成多孔疏松的结构,其主要原因是考虑了热传导和对流的因素。钢包中使用的绝热保温层材质多为纳米绝热板。该种材料由铝箔、纤维砂、纤维布与低导热系数的材料复合压制而成,其中的纳米气凝胶导热系数很低,阻止气体对流传热,充分利用纳米材料的热反射性能,将热量反射回热源,不仅达到了绝热保温的效果,同时还使热量的利用更加充分,钢包外表面温度显著降低,维持良好的钢包内衬温度,并且有利于降低钢包壳钢板的热应力,延长包体寿命,改善钢包周围的工作环境。

1.2 纳米绝热板的技术指标

纳米绝热板的技术指标如表1所示。

表1 纳米绝热板的技术指标

1.3 应用效果

本次生产试验选用一炼钢厂32#80t钢包。为提高纳米绝热板的使用寿命,铺设纳米绝热板时应尽量去除钢壳内衬上的氧化铁皮,采用高温结合剂粘连。统计第1炉至第15炉转炉出钢10min后,使用纳米绝热板钢包包壳不同位置的温度情况,并与未粘贴纳米绝热板时的包壳温度作对比,出钢温度控制在1660±5℃。温度变化曲线如图1所示。

图1纳米绝热板使用前后钢包壳不同位置的温度变化趋势

由图1可以看出,与纳米绝热板保温技术使用前相比,纳米绝热板保温技术使用后,钢包包壳温度明显降低,平均降低26℃左右;新包投入使用最初的几炉包壳温度较低,随着试验炉数的增加,包壳吸热达到饱和,包壳温度呈先上升后平缓趋势。

覆盖剂对钢水温度的影响

2.1 覆盖剂性能要求

在转炉出钢过程中向钢包中投放覆盖剂,对钢包钢水起保温、防止二次氧化、吸附夹杂等作用。传统覆盖剂常采用碳化稻壳,结合工业生产经验,发现碳化稻壳虽然能起到一定的保温功能,但由于其铺展性能较差,致使覆盖剂在钢液表面呈块状堆叠，部分钢液直接暴露于空气中，热损失较大。同时碳化稻壳作为发热剂，其发热值较低，在连铸浇注后期，由于温度降低，使得浇注无法顺行。碳化稻壳在生产及使用过程中污染严重，工作环境恶劣，有悖于国家提倡的节能减排、绿色环保生产的政策方针。

一炼钢厂使用的覆盖剂主要成分为SiO2-Al2O3-CaO-MgO。为使覆盖剂具有良好的铺展性、发热值以及适宜的成渣性能，通常添加一定量的辅料。覆盖剂的主要性能如下：

(1)铺展性。常添加一定含量的膨胀蛭石和膨胀石墨改善覆盖剂的铺展性能，其在高温环境下体积能够膨胀几十倍甚至上百倍，该特性可使投入的覆盖剂迅速充满整个钢渣界面，并在渣、液面形成一道隔离层，能够显著减少钢包热量的散失。

(2)发热值。提高覆盖剂发热值的途径是在其中加入一定量的发热剂，发热剂的热量来源主要是覆盖剂液态层与钢液界面接触时发生的物理化学反应，焦炭粉和煤粉由于其价格低廉，热值较高，多用作发热剂来提升覆盖剂的发热值。

(3)成渣性能。成渣性能主要体现在成渣速度。覆盖剂投入钢水中，将会形成粉末层、熔融层和液态层。其中，粉末层的作用是扩散并覆盖在钢水的表面，起到良好的保温功效。随着浇注的进行，熔融层向液态层、粉末层向熔融层逐渐过渡，覆盖剂表面完全呈红热状态需要一定的时间，这为钢液的保温提供充足的时间保障。然而，成渣速度过快，钢包表面覆盖剂短时间呈红热状态，起不到良好的保温功效，使得浇注后期无法进行。而成渣速度主要取决于覆盖剂的熔点，熔点过高，覆盖剂成渣后的颗粒度较大，不能很好地覆盖在钢水表面，保温效果以及对非金属夹杂物的吸附作用减弱;熔点过低，覆盖剂短时间内融化，不利于钢液的保温。适当添加一定量的Fe2O3，降低CaO-SiO2-Al2O3渣系的熔点，控制熔点在1350℃左右，进而促进成渣，同时氧化铁作为常用的弱氧化剂，反应较慢，可有效控制发热剂的反应速度，延长反应时间，提高钢包浇注后期的保温效果。

2.2 应用效果

本次生产试验选用一炼钢厂45#80t钢包，分别记录使用碳化稻壳覆盖剂、SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂钢包钢水温降情况，出钢温度控制在1660±5℃，覆盖剂按照1kg/t的加入量，出钢10min后测温，各试验炉15炉。其中SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂成分如表2所示，温度测量结果如表3所示。

表2 SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂的化学成分

表3 使用不同覆盖剂时钢包内钢水的温度变化

由表3可以看出，使用SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂的钢水温降比碳化稻壳少6℃，前者钢包保温效果更好。碳化稻壳在浇注末期已基本发红，而SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂由于具有良好的发热值和铺展效果，在浇注过程中覆盖剂中熔融层向液态层、粉末层向熔融层逐渐过渡，钢水在整个过程中能够保持较低的温降，从而保证浇注的顺利进行。

钢包全程加盖技术对钢水温度的影响

3.1 钢包全程加盖技术的优势

钢包全程加盖技术是一种清洁高效的保温技术，可减少添加覆盖剂时带来的扬尘污染，改善工人的作业环境，操作简便，保温效率高，可有效减少转炉冶炼过程中的吹氧量、合金加入量以及提高炉衬使用寿命，能够显著提高能源综合利用率，提高浇注过程中的稳定性，大大减少钢包表面与空包耐材的辐射散热及对流散热，实现清洁生产，达到节能减排、降本增效的目的[7-10]。

3.2 钢包全程加盖技术方案

钢包全程加盖工艺设计路线：转炉出钢→钢包加盖→行车起吊钢包→铸轧→倒渣→热修→钢包座放转炉钢包车→加引流砂→钢包揭盖→转炉出钢。

(1)转炉工位加揭盖：对于第一次添加钢包盖，需依靠车间行车借助专用吊具将钢包盖吊运到钢包上，转炉出钢前通过包盖上的预留孔添加引流砂，带盖钢包在向转炉方向行进到达反向插齿机构下方，包盖上的挂钩自动挂到插齿上，钢包车前进过程中包盖被插齿挂住脱离钢包，空的钢包运行到转炉下接钢水。出钢完毕，钢包车返回经过反向插齿机构时，包盖上的铰链自动搭接到钢包的铰链座上带动包盖从插齿机构上退下并最终盖到钢包上。

(2)连铸：带盖钢包由行车吊运至大包回转台上进行浇注。

(3)钢包带盖倒钢渣及钢包修理的操作：由于铰链的独特结构，倒渣时即使钢包倾翻到任一角度，包盖都始终挂在钢包上。但由于包盖的重量，钢包倾转角度控制在150°以内，以避免钢包翻转过大无法回转的情况。由于带盖钢包的温度较高且均匀，钢渣的流动性较好，可顺利将钢渣倾倒干净。当钢包需要维修(换滑动水口及烧透气砖)，并不需要取下包盖时，通过天车将钢包倾翻90°后置于修包位，按原有的操作即可。由于包盖的保护，操作者可避免红热钢包的辐射热与飞溅物，同样在包底方向，操作者进行的更换滑动水口等原工艺操作可正常进行。

(4)事故状态下紧急取盖的处置：在事故状态下，包括设备故障或人为操作失误引起的包盖未正确加扣在钢包上，可立即使用钢包盖专用吊具进行取盖，以避免影响生产。专用吊具使用行车副钩挂取，其重心设计确保包盖被吊起后呈水平状态，可在3~5min内完成一次钢包加盖或取盖工作。

3.3 应用效果

本次生产试验在一炼钢厂55#80t钢包上应用了全程加盖技术。在转炉出钢侧平台加新钢结构平台安装反向插齿加揭盖装置，连续试验15炉，出钢温度控制在1660±5℃，记录转炉出钢10min后温降情况，并与未加盖数据进行对比，试验结果如表4所示。

表4 钢包加盖与未加盖温度对比

由表4可知，与未加盖钢包相比，加盖后的钢水温降平均低14℃。一炼钢厂经过数次生产试验发现：钢包全程加盖技术的实施使钢水传输过程中的温降变化较小，钢包在浇铸结束至再次受钢时间间隔约30min，包衬温度≥950℃，比未加盖钢包包衬温度高出30~50℃。采用全程加盖技术转炉出钢温度可降低15~20℃，上钢温度降低10~15℃，有效减少了钢水等待过程中的温降，可大大降低工序成本及工序能耗。4联合应用效果一炼钢厂选用32#80t纳米绝热板钢包，使用SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂，并应用钢包全程加盖技术试验其在转炉出钢10min后钢包钢水的保温效果。出钢温度控制在1660±5℃，试验炉数为15炉，并与普通80t钢包添加碳化稻壳覆盖剂时的温降作对比，结果如表5所示。

表5 联合应用钢包保温技术温降数据对比

由表5看出，与碳化稻壳普通钢包相比，应用联合保温技术的钢包内的钢水温降平均少23℃，保温效果良好。钢包保温效果的提升可适当降低转炉出钢温度，经过一定时间的现场联合应用生产试验后发现：出钢温度每降低1℃，铁水与废钢间的混合比减少0.054%，金属收得率增加0.02%;出钢温度降低，提高了转炉的耐材寿命，钢包耐材的保温减少了急冷急热导致的耐材剥落，平均使用寿命延长10%以上;转炉平均吹氧时间能够减少1min，从而减少了烟气排放，按2.5Nm3/℃吨钢计算，年产400万t的钢厂降低出钢温度10℃可减少1×108Nm3废气排放。

结 语

敬业钢铁有限公司一炼钢厂在80t小钢包上采用不同的钢包保温技术进行钢包钢水出钢10min后保温情况的对比试验，得到如下结论：

(1)纳米绝热板的钢包包壳较普通钢包包壳温度降低约26℃。

(2)添加SiO2-Al2O3-CaO覆盖剂的钢水温降比添加碳化稻壳覆盖剂时少6℃。

(3)钢包全程加盖比未加盖时钢水温降少14℃。

(4)联合应用保温技术的钢包内钢水温降比使用碳化稻壳覆盖剂的普通钢包少23℃。联合应用钢包保温技术取得了满意的试验效果，转炉出钢温度可降低15~20℃，解决了敬业小钢包钢水温降大的问题，吨钢节省成本约1元，年创收约400万元。

作者：徐海强、王胜、郭士萌、常立山、窦为学

(敬业钢铁有限公司 一炼钢事业部)

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