真空澆注用精煉渣代替發(fā)熱劑的工藝探索

劉海瀾　喬世章

(中國第一重型機(jī)械股份公司煉鋼分廠，黑龍江161042)

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真空澆注用精煉渣代替發(fā)熱劑的工藝探索

劉海瀾喬世章

(中國第一重型機(jī)械股份公司煉鋼分廠，黑龍江161042)

在澆注真空鋼錠工藝中，加入發(fā)熱劑是必不可少的，通過對(duì)發(fā)熱劑作用的分析，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，證明了用精煉渣替代發(fā)熱劑的可行性。

真空鋼錠；發(fā)熱劑；精煉渣

無論真空澆注還是大氣澆注，在澆注完畢后，在冒口的鋼液面上部都要加入發(fā)熱劑和保溫劑，這已成為必不可少的工藝環(huán)節(jié)。發(fā)熱劑又分化出多個(gè)種類，如：高碳的、中碳的、低碳的、無碳的。發(fā)熱劑經(jīng)過多次改進(jìn)，出現(xiàn)了發(fā)熱和保溫功能二合一的發(fā)熱保溫劑等。本文通過分析和生產(chǎn)試驗(yàn)，探索用精煉渣替代發(fā)熱劑，簡化工藝，提高質(zhì)量。

1　真空澆注的工藝流程

工藝流程：精煉后的鋼水→澆入中間包→澆入鋼錠?！茐恼婵铡尤氚l(fā)熱劑→加入保溫劑。

發(fā)熱劑是澆注完畢破壞真空后，通過真空蓋上方的溜管加入的，一般加入量為(1.4～2)kg/t鋼水。真空澆注原理見圖1。

2　發(fā)熱劑的作用

2.1發(fā)熱劑的化學(xué)成分和理化指標(biāo)

發(fā)熱劑的化學(xué)成分見表1。

表1　發(fā)熱劑的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition of heat generating agent (mass fraction, %)

1—精煉包　2—精煉渣　3—精煉鋼水 4—中間包　5—鋼錠?！?—真空室　7—溜管圖1　真空澆注原理Figure 1　Principle of vacuum pouring

發(fā)熱劑的理化指標(biāo)見表2。

2.2發(fā)熱劑在鋼錠上的加入位置

發(fā)熱劑在鋼錠上的加入位置見圖2。

工藝規(guī)定：真空澆注結(jié)束后，在破壞真空后的50 s內(nèi)，從窺視孔通過漏斗加入第一批發(fā)熱劑，用量0.5 kg/t鋼水；真空蓋打開后，3 min內(nèi)通過篩網(wǎng)加入第二批發(fā)熱劑，用量1.0 kg/t鋼水。

表2　發(fā)熱劑的理化指標(biāo)Table 2　Physical and chemical indicators of heat generating agent

1—保溫劑　2—發(fā)熱劑 3—冒口　4—鋼錠?！?—鋼水圖2　發(fā)熱劑加入位置示意圖Figure 2　Sketch of adding position of heat generating agent

2.3發(fā)熱劑的作用

(1)鋼錠澆注結(jié)束以后，冒口中與空氣接觸的鋼液迅速降溫并馬上結(jié)晶，早期形核往往以非金屬質(zhì)點(diǎn)為結(jié)晶核，因此，這些先期結(jié)晶的微小結(jié)晶體含雜質(zhì)較多，并且比重比液態(tài)鋼水大，會(huì)逐步向鋼錠下部沉積，這就是我們常說的結(jié)晶雨。結(jié)晶雨最后堆積到鋼錠底部形成沉積堆，由于沉積堆中含有較多雜質(zhì)，鍛造時(shí)需把沉積堆切除。

(2)鋼水在凝固過程中，體積要收縮，易形成疏松和縮孔缺陷，冒口內(nèi)的鋼水可起到補(bǔ)縮的作用，減輕或避免凝固缺陷。

(3)發(fā)熱劑的作用就是熔化冒口內(nèi)鋼水最早形成的結(jié)晶，減輕結(jié)晶雨的產(chǎn)生，減小沉積堆的大小，提高鋼水純凈度。發(fā)熱劑還有保溫作用，使冒口內(nèi)鋼水減緩凝固，達(dá)到凝固補(bǔ)縮的作用，減少凝固缺陷。

2.4用精煉渣取代發(fā)熱劑的操作方式

澆注完畢不加發(fā)熱劑，用本爐的精煉渣替代發(fā)熱劑，把精煉包中的精煉渣澆入中間包，通過中間包在真空狀態(tài)下澆入冒口，破壞真空前精煉渣即覆蓋在冒口內(nèi)的鋼液面上。

2.5用精煉渣取代發(fā)熱劑的理論根據(jù)

2.5.1液態(tài)精煉渣和發(fā)熱劑發(fā)熱對(duì)比

(1)液態(tài)精煉渣的顯熱計(jì)算

假設(shè)在冒口內(nèi)覆蓋200 mm的液態(tài)精煉渣，液態(tài)渣的比重為3.0 t/m3，溫度為1 500℃，冒口直徑為D(單位：m)，那么，液態(tài)精煉渣具有的顯熱為8.0×105D2kJ。以下為計(jì)算過程：

①精煉渣的質(zhì)量計(jì)算

冒口直徑為D(單位：m)，精煉渣厚度h=200 mm=0.2 m，密度ρ=3.0 t/m3，則精煉渣的質(zhì)量m渣=1/4πD2hρ=4.7×105D2g。

②精煉渣各組分的摩爾質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)一重精煉渣的分析結(jié)果(渣系為CaO-SiO2)，各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別如下：w(Al2O3)為5.62%，w(CaO)為58.8%，w(SiO2)為26.58%，w(Fe2O3)為0.52%，w(MgO)為7.18%，w(MnO2)為1.03%。因此各組分的摩爾質(zhì)量分別為：n(Al2O3)=m渣·w(Al2O3)/M(Al2O3)=4.7×105D2×5.62%/102=259D2mol。

同理計(jì)算得：

n(CaO)=4935D2mol

n(SiO2)=2103D2mol

n(Fe2O3)=34D2mol

n(MgO)=843.6D2mol

n(MnO2)=55.6D2mol

③計(jì)算各組分的恒壓摩爾熱

Al2O3(s)的C(p,m)=35.02+0.2033T/K

CaO(s)的Cp,m=49.62+4.52×10-3T/K-6.95×105(T/K)-2

SiO2(s)的Cp,m=58.91+0.01004T/K

Fe2O3(s)的Cp,m=98.28+0.07782T/K-14.85×105(T/K)-2

MgO(s)的Cp,m=48.98+3.14×10-3T/K-11.44×105(T/K)-2

MnO2(s)的Cp,m=69.45+0.0102T/K+16.23×105(T/K)-2

同理計(jì)算得：

ΔHCaO(s)=-4.0×105D2kJ

ΔHSiO2(s)=-2.2×105D2kJ

ΔHFe2O3(s)=-9.1×103D2kJ

ΔHMgO(s)=-6.8×104D2kJ

ΔHMnO2(s)=-6.8×103D2kJ

前幾天電視上播了一件事。一個(gè)七十歲的老太太賣房，合同也簽了，人家買房的也給了兩萬塊定金。沒有過幾天，看到房子還可以賣個(gè)更好的價(jià)錢，老太太就反悔了，說不賣就不賣了，而且違約金一分錢也不給。人家買房的拿她沒辦法，來請(qǐng)電視臺(tái)出面調(diào)解。面對(duì)媒體，老太太竟還是理直氣壯，就一句話，要命有一條，要違約金一分錢沒有。電視上播這條消息時(shí)，主持人也看不下去，說這個(gè)老太太倚老賣老。我說句玩笑話，若是碰到劉大人，這個(gè)老太太大概就知道怕了，你不是七十歲嗎，就打你七十大板。

因此ΔH精煉渣=ΔHAl2O3(s)+ΔHCaO(s)+ΔHSiO2(s)+ΔHFe2O3(s)+ΔHMgO(s)+ΔHMnO2(s)=-8.0×105D2kJ

即冒口直徑為D(單位：m)放入200mm厚精煉渣具有的顯熱為-8.0×105D2kJ。

(2)發(fā)熱劑的發(fā)熱量計(jì)算

按1.5kg/t鋼水的發(fā)熱劑加入量計(jì)算，發(fā)熱劑的發(fā)熱就是通過鋁的氧化放熱所得，根據(jù)發(fā)熱劑的含鋁量15%，冒口發(fā)熱劑燃燒后厚度為200mm，計(jì)算發(fā)熱劑的發(fā)熱量為4.745×104D2kJ。以下為計(jì)算過程：

①發(fā)熱劑的密度ρ=1.8×106g/m3，按1.5kg/t鋼水加入時(shí)，其燃燒前在冒口的厚度h約為25mm，因此發(fā)熱劑的加入量m發(fā)=1/4πρhD2=π/4×1.8×106×25×10-3D2=3.53×104D2g，其中D為冒口直徑(單位：m)。

發(fā)熱劑中Al含量按15%考慮，則Al的摩爾質(zhì)量為n(Al)=m發(fā)×15%/M(Al)=3.53×104D2×15%/27=200D2mol

根據(jù)鋁-氧反應(yīng)得知，當(dāng)n(Al2O3,s)=200D2mol時(shí)，其在溫度為1 773K時(shí)的反應(yīng)焓為：

綜上計(jì)算可以看出，從發(fā)熱量比較，液態(tài)精煉渣具有的顯熱遠(yuǎn)大于發(fā)熱劑燃燒后放出的熱量，液態(tài)渣完全可以達(dá)到發(fā)熱劑的發(fā)熱效果。

2.5.2液態(tài)渣的保溫效果

液態(tài)渣對(duì)鋼水有很好的保溫效果，這也是鋼渣在煉鋼過程中的主要作用之一。另外，渣子上方再加碳化稻殼保溫，綜合保溫效果是沒問題的。

2.5.3液態(tài)渣對(duì)結(jié)晶雨的影響

原工藝在澆注完畢破壞真空時(shí)，鋼水液面是裸露的，破壞真空時(shí)液面表層由于沒有保護(hù)，會(huì)形成結(jié)晶，進(jìn)而形成結(jié)晶雨。若用精煉渣取代發(fā)熱劑，鋼水澆注完畢精煉渣隨即進(jìn)入冒口，覆蓋在液面上，形成保溫層，隔絕了鋼液與空氣的接觸，在破壞真空時(shí)液面表層就不會(huì)形成結(jié)晶雨。因此，液態(tài)渣取代發(fā)熱劑對(duì)減輕結(jié)晶雨是大有好處的。

2.5.4液態(tài)渣對(duì)吸附夾雜的影響

精煉渣本身就是精煉鋼水時(shí)造的高堿度低氧化鐵還原渣，是精煉鋼水時(shí)必不可少的，對(duì)鋼水中的非金屬夾雜有很好的吸附作用，在這一點(diǎn)上，用精煉渣取代發(fā)熱劑對(duì)凈化鋼液更有優(yōu)勢(shì)。

3　生產(chǎn)試驗(yàn)方法和結(jié)果

3.1錠型和鋼種的選擇

錠型從33t到120t，鋼種主要有30Cr2Ni4MoV、YB-70、60CrNiMo、30Cr2Ni2Mo、42CrMo等，基本上涵蓋了公司的常規(guī)產(chǎn)品。

3.2試驗(yàn)工藝

(1)在精煉包鋼水澆注完畢后，不關(guān)閉水口，把部分精煉渣澆入中間包內(nèi)，當(dāng)中間包鋼水澆注完畢后，把中間包內(nèi)的精煉渣再澆入冒口內(nèi)，破壞真空后，再加入1kg/t鋼水的碳化稻殼保溫劑。

(2)冒口內(nèi)精煉渣的澆入量應(yīng)控制在200mm～250mm。根據(jù)不同錠型冒口大小和中間包直徑，來確定精煉包往中間包的精煉渣澆入量。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　試驗(yàn)結(jié)果Table 3　Tested results

3.4試驗(yàn)結(jié)果討論

3.4.1冒口收縮情況

在澆注的20支鋼錠中，冒口收縮平緩，保溫效果良好。

3.4.2鋼錠內(nèi)部質(zhì)量情況

共澆注20支鋼錠，產(chǎn)品鍛件30個(gè)，檢測(cè)合格率達(dá)到100%，質(zhì)量明顯提高。

3.4.3對(duì)成本的影響

發(fā)熱劑的價(jià)格一般在8 000元/t左右，精煉渣取代發(fā)熱劑是廢舊利用，不需要投入。以一重?zé)掍摲謴S2015年鋼水產(chǎn)量16萬t、加入發(fā)熱劑按1.5kg/t鋼水計(jì)算，全年可節(jié)約發(fā)熱劑240t，合計(jì)190多萬元。長期來看，可節(jié)省大量采購成本。

4　結(jié)論

(1)通過理論計(jì)算及實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)均證明，真空澆注用精煉渣代替發(fā)熱劑完全可行。而且液態(tài)精煉渣取代發(fā)熱劑對(duì)減輕結(jié)晶雨、吸附鋼水中非金屬夾雜更有優(yōu)勢(shì)。

(2)精煉渣取代發(fā)熱劑是廢舊利用，零投入，可降低煉鋼成本。

(3)發(fā)熱劑燃燒后釋放的大量濃煙不易處理，嚴(yán)重污染生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。取消發(fā)熱劑用液態(tài)精煉渣代替，沒有煙塵，更加環(huán)保。

(4)精煉渣取代發(fā)熱劑，減少了一個(gè)操作環(huán)節(jié)，縮短了工藝流程，既減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了生產(chǎn)效率。

編輯杜青泉

Process Research on Substitution of Heat Generating Agent by Refining Slag for Vacuum Pouring

Liu Hailan, Qiao Shizhang

Adding the heat generating agent during the ingot vacuum pouring process is essential. By analyzing the effect of heat generating agent, the feasibility of substitution of heat generating agent by refining slag has been proved through the actual production and testing.

vacuum ingot; heat generating agent; refining slag

B

2016—04—21

TF775+.4