鑄造用鋼包新型絕熱保溫材料的應(yīng)用研究

賈長(zhǎng)江，宋德晶，孫寶金，凌云浩（齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司熱工藝部，黑龍江齊齊哈爾 161002）

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鑄造用鋼包新型絕熱保溫材料的應(yīng)用研究

賈長(zhǎng)江，宋德晶，孫寶金，凌云浩
（齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司熱工藝部，黑龍江齊齊哈爾 161002）

摘要：介紹了鑄鋼件生產(chǎn)用鋼包新型絕熱保溫材料的工藝研究和生產(chǎn)實(shí)踐。絕熱層使用復(fù)合反射絕熱板。保溫層應(yīng)用輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料，明顯提高了鋼包的絕熱保溫性能，為鑄鋼件低過熱度澆注創(chuàng)造了條件，減少了鑄件裂紋、嗆空、縮松、澆不足等缺陷。降低了鋼包外殼溫度，改善工作環(huán)境，提高裝備本質(zhì)安全度，鋼包保溫層使用壽命達(dá)到500次以上。

關(guān)鍵詞：絕熱保溫；熱導(dǎo)率；石棉；復(fù)合反射絕熱板；保溫層

鐵路鑄鋼件的生產(chǎn)采用塞桿式澆注，10 t和鋼水最多澆20箱以上，水口開關(guān)次數(shù)多，澆注時(shí)間長(zhǎng)，澆注過程中鋼水溫降較大，容易造成鑄件裂紋、嗆空、縮松、澆不足等缺陷。提高鋼包的保溫性能，對(duì)鑄鋼件進(jìn)行低過熱度澆注，不僅可以提高鑄鋼件質(zhì)量，還能降低電弧爐的出鋼溫度，降低電耗，提高耐火材料的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)鋼包的絕熱保溫材料壽命低、成本高、保溫效果差、造成環(huán)境污染、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。為了提高鑄鋼件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，降低環(huán)境污染，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，新型絕熱保溫材料的應(yīng)用是非常重要的工藝措施。

目前我公司鋼包絕熱層使用的是5mm或10mm厚石棉板，用耐火泥漿粘貼。絕熱效果差，對(duì)職工健康危害較大。石棉纖維是一種肉眼幾乎看不見的細(xì)小纖維，使用過程中這些細(xì)小的纖維釋放到空氣中，能懸浮幾周、甚至幾個(gè)月，持續(xù)地造成空氣污染，容易吸入人體。長(zhǎng)期在石棉纖維污染的環(huán)境中工作會(huì)引起石棉肺、肺癌、胃腸癌等疾病。石棉已被國(guó)際癌癥研究中心認(rèn)定為一級(jí)致癌物，為國(guó)際醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的有害物質(zhì)。目前已有40多個(gè)國(guó)家禁止使用各類石棉的制品，包括石棉板。

我公司鋼包保溫層使用的是黏土磚，用耐火泥漿粘貼，保溫效果差，使用壽命低，成本高。砌筑工藝煩瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、存在磚縫、容易滲鋼、抗鋼水侵蝕能力差。鋼包保溫層磚縫容易滲鋼，使用壽命較短。在拆包、翻包時(shí)，保溫層磚一部分被倒出。

1　絕熱工藝設(shè)計(jì)

1.1絕熱層材料的選擇

傳統(tǒng)鋼包的絕熱材料主要是石棉板、高鋁纖維絕熱板、絕熱氈等，絕熱效果差，污染環(huán)境。隨著納米材料及技術(shù)的迅速發(fā)展，具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率低、熱容量低、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的復(fù)合反射絕熱板研制成功。能同時(shí)隔絕熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，是一種絕熱性能良好，安全環(huán)保的絕熱材料。

復(fù)合反射絕熱板孔隙均勻，氣體分子能夠均勻地儲(chǔ)存在微小顆粒孔隙之間，保溫效果明顯。具有導(dǎo)熱率低、反射率高的特點(diǎn)，高效地阻斷了氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)的有機(jī)或無機(jī)絕熱材料都低，甚至比靜止的空氣還要小。復(fù)合反射絕熱板的結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1　復(fù)合反射絕熱板結(jié)構(gòu)示意圖

1.2絕熱原理

復(fù)合反射絕熱板的先進(jìn)配方和生產(chǎn)工藝，使材料同時(shí)具有阻止氣體分子熱運(yùn)動(dòng)，降低熱傳導(dǎo)，阻隔熱輻射的作用，絕熱性能比傳統(tǒng)絕熱材料提高3～4倍。

1）阻止對(duì)流

氣體熱量的傳遞主要是靠對(duì)流實(shí)現(xiàn)的，高溫側(cè)較高速度的分子向低溫側(cè)的較低速度的分子碰撞，逐級(jí)進(jìn)行熱輸送。由于納米孔硅微粉孔隙微細(xì)，其孔隙直徑小于氣體分子的平均自由程，氣體分子能夠均勻地儲(chǔ)存在微小顆?？紫吨g，氣體難于產(chǎn)生流動(dòng)，高效地阻斷了氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)。

2）降低熱傳導(dǎo)

納米孔硅微粉在傳導(dǎo)熱量時(shí)，其顆粒斷面及顆粒之間的接觸面積較小，導(dǎo)熱系數(shù)自然也就比傳統(tǒng)絕熱材料要小得多。納米孔硅微粉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.016W/m·k～0.024 W/m·k，是導(dǎo)熱系數(shù)極低的超級(jí)絕熱材料。對(duì)于厚度只有6 μm～10 μm的鋁箔，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/m·k～0.042 W/m·k，是非常好的絕熱材料。

3）阻隔熱輻射

復(fù)合反射絕熱板由納米SiO2和鋁箔組成，多層鋁箔起到反射熱輻射作用，反射率達(dá)87%以上，從而使復(fù)合反射絕熱板的保溫效果達(dá)到最佳。

1.3施工工藝

石棉板強(qiáng)度低，彎曲變形能力差，在粘貼時(shí)容易斷裂，與鋼殼不能很好地貼合。施工中所散發(fā)出細(xì)小纖維粉塵在大氣中懸浮，持續(xù)地造成污染，危害職工身心健康。

復(fù)合反射絕熱板可以彎曲變形，便于施工，與弧形鋼殼貼合緊密、牢固。厚度根據(jù)工藝要求定購(gòu)，或?qū)⑷舾蓪訌?fù)合反射絕熱板疊加粘合。由于有鋁箔包裹，施工時(shí)無污染，對(duì)人體和環(huán)境完全無害。產(chǎn)品符合歐洲最新的產(chǎn)品環(huán)保認(rèn)證。絕熱層施工如圖2.

圖2　 絕熱層施工圖

2　保溫層工藝設(shè)計(jì)

2.1保溫層材料的選擇

黏土磚砌筑鋼包保溫層，工藝繁瑣、維護(hù)頻繁、磚縫易滲鋼、壽命低、成本高。不定型耐火材料的技術(shù)日趨成熟，輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料具有體積密度低、熱導(dǎo)率低、耐壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

澆注料的骨料采用漂珠、高鋁質(zhì)多孔熟料和氧化鋁空心球復(fù)合骨料，使?jié)沧⒘暇哂畜w積密度低、熱導(dǎo)率低、保溫性能好、耐火度高、耐壓強(qiáng)度大等性能。黏土熟料粉和工業(yè)氧化鋁粉作為粉料，使?jié)沧⒘现蠥l203質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到45%～50%.純鋁酸鈣水泥作為黏結(jié)劑，保證不降低Al203質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前題下，使?jié)沧⒊尚秃缶哂休^高的強(qiáng)度。加入適量的電熔鎂砂維持制品的體積穩(wěn)定性，減少使用中的開裂和剝落現(xiàn)象，增強(qiáng)耐急冷急熱性，使保溫層的使用壽命得到提高。輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料的性能指標(biāo)見表1.

表1　輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料的性能指標(biāo)

2.2保溫層厚度的設(shè)計(jì)

鋼包要求工作層厚度180 mm，最小使用厚度60 mm，使用壽命不低于25次。綜合考慮鋼包保溫性能及工作層使用壽命，確定包壁保溫層厚度為80 mm，包底保溫層厚度140 mm.

2.3胎模的制作

根據(jù)設(shè)計(jì)的保溫層尺寸及包殼的尺寸來設(shè)計(jì)保溫層胎模。為了便于澆注料振搗打?qū)崳節(jié)沧⒘铣錆M整個(gè)保溫層和利于脫模，將胎模做成上下兩層的分體結(jié)構(gòu)。其錐度與包殼相同，下層模具外徑比包殼內(nèi)壁直徑小190 mm（絕熱層10 mm～20 mm），上層模具外徑比包殼內(nèi)壁直徑小180 mm（絕熱層10 mm～20 mm）.胎模鋼板的焊接應(yīng)光滑平整，其內(nèi)部設(shè)有支撐板防止胎模變形，支撐板上焊接吊鉤，便于吊運(yùn)。

2.4保溫層的澆注施工

輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料整體打結(jié)工藝，其工藝過程分階段進(jìn)行：每批澆注料在攪拌機(jī)內(nèi)要充分?jǐn)嚢?，加水量控制?0%～15%.①將包壁打結(jié)下層模具外壁均勻涂一層脫模劑后將其放入包內(nèi)并固定好，模具與絕熱層間隙均勻，然后把攪拌好的澆注料注入模具與絕熱層的間隙內(nèi)，注意不能使絕熱材料剝落或卷進(jìn)澆注料中，再用振動(dòng)棒將澆注料振動(dòng)均勻、密實(shí)；下層打結(jié)完成，將上層模具放入，依次打結(jié)。②自然干燥24 h～48 h，模具脫出，安裝好座磚和透氣磚模具，再用攪拌均勻的澆注料打結(jié)包底保溫層。③自然干燥12 h～24 h，模具脫出，再自然養(yǎng)護(hù)72 h以上，最后進(jìn)行烘烤。保溫層施工見圖3.

圖3　保溫層施工圖

2.5保溫層的烘烤

澆注完的保溫層含水量較大，需經(jīng)烘烤排出澆注料中的水分，增加保溫層的強(qiáng)度。為防止升溫速度過快導(dǎo)致保溫層炸裂，嚴(yán)格按工藝規(guī)定的升溫速度和保溫時(shí)間進(jìn)行烘烤?？偤婵緯r(shí)間不得少于15 h.烘烤按圖4所示的烘烤曲線進(jìn)行。

圖4　鋼包保溫層烘烤曲線

3　試驗(yàn)應(yīng)用及效果分析

3.1試驗(yàn)應(yīng)用

同時(shí)在6#、8#包進(jìn)行試驗(yàn)，包底和包壁鋪兩層10 mm厚復(fù)合反射絕熱板。包底、包壁保溫層用輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料整體打結(jié)，包底打結(jié)厚度140 mm，包壁打結(jié)厚度80 mm.嚴(yán)格按烘烤工藝烘烤后砌筑工作層。同時(shí)在1#、2#包重新按傳統(tǒng)工藝砌筑絕熱層、保溫層和工作層，將試驗(yàn)鋼包同普通鋼包對(duì)比使用。

為了檢驗(yàn)新型材料的保溫性能，試驗(yàn)過程制定了嚴(yán)格的測(cè)溫步驟。檢測(cè)鋼包出鋼前和澆注結(jié)束后包殼外表面溫度，檢驗(yàn)材料導(dǎo)熱性能。通過檢測(cè)鋼水澆注開始溫度和澆注中期鋼水溫度，檢驗(yàn)澆注過程溫降速度，驗(yàn)證材料保溫性能。

3.2效果分析

3.2.1鋼包溫度對(duì)比

試驗(yàn)鋼包與普通鋼包出鋼前和澆注結(jié)束后包殼外表面溫度見表2.廠房?jī)?nèi)溫度為8℃.

表2　試驗(yàn)鋼包與普通鋼包包殼溫度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，試驗(yàn)鋼包在澆注結(jié)束后包殼外表面的溫度比普通鋼包低20℃左右。說明在正常生產(chǎn)條件下，鋼包的傳熱速度與絕熱保溫材料有直接關(guān)系，新型絕熱保溫材料的應(yīng)用大幅度減少了鋼包熱傳導(dǎo)速度，降低包殼外表面的溫度，減少熱量散失，減小鋼水在鑄鋼件澆注過程中的溫降。

3.2.2鋼水溫度對(duì)比

試驗(yàn)包與普通包澆注過程中鋼水溫度降低情況見表3.廠房?jī)?nèi)溫度為8℃.

表3　試驗(yàn)鋼包與普通鋼包鋼水溫降測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得知普通鋼包和試驗(yàn)鋼包的平均降溫速度分別為1.7℃/min和0.7℃/min.降溫速度大幅降低，10 t鋼水整個(gè)澆注時(shí)間按20 min計(jì)算，澆注過程可以減少降溫20℃左右。澆注過程中鋼水溫度的溫降由原來的平均35℃降低到15℃，減少了因鋼水溫度波動(dòng)大造成的鑄件質(zhì)量下降，減少了鑄件裂紋、嗆空、縮松、澆不足等缺陷。對(duì)鋼水過熱度控制范圍要求較窄的鑄鋼件，改善效果更為明顯。新型絕熱保溫材料的應(yīng)用為低過熱度澆注創(chuàng)造了條件，鑄件內(nèi)部質(zhì)量得到了明顯提高。

3.2.3試驗(yàn)鋼包與普通鋼包絕熱、保溫層的使用壽命

普通鋼包絕熱、保溫層的使用壽命與工作層同步，平均25次左右。新型絕熱保溫材料的應(yīng)用使鋼包絕熱、保溫層使用壽命達(dá)到500次以上，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本。

4　結(jié)語

1）復(fù)合反射絕熱板的應(yīng)用，施工過程安全環(huán)保，杜絕了石棉板在使用中對(duì)職工健康的危害。

2）保溫層的整體澆注成型，無縫隙，杜絕鉆鋼、漏鋼現(xiàn)象的發(fā)生，提高了裝備的本質(zhì)安全度。

3）明顯提高了鋼水包的絕熱保溫性能，澆注過程中溫降速度減少了約1℃／min.為低過熱度澆注創(chuàng)造了條件，減少了鑄件裂紋、嗆空、縮松、澆不足等缺陷。

4）可以降低出鋼溫度和澆注溫度，降低電耗，鋼包保溫層使用壽命達(dá)到500次以上。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TG260

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6694（2016）01-0042-03

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.013

收稿日期：2015-10-14

作者簡(jiǎn)介：賈長(zhǎng)江（1974-），男，高級(jí)工程師，主要從事煉鋼技術(shù)工作。