寶鋼鋼錠用發(fā)熱板性能優(yōu)化研究

張建春

1.前言

為了減少鋼錠頭部縮孔和疏松，提高鋼錠頭部質(zhì)量，在鋼錠澆注結(jié)束后，一般采用向鋼錠冒口部位加入保溫劑、發(fā)熱劑或發(fā)熱板等材料，來減少縮孔和疏松的程度。保溫劑的作用是阻止鋼水與空氣的直接接觸，減少鋼錠冒口向空氣的散熱，發(fā)熱劑或發(fā)熱板的作用主要是通過自身含有的發(fā)熱物質(zhì)的燃燒發(fā)熱，向鋼錠頭部的鋼水補(bǔ)充熱量，同時(shí)發(fā)熱板燃燒后形成的膨脹狀態(tài)減少了鋼錠頭部鋼水向空氣的傳熱，減輕鋼錠頭部的熱損失，控制鋼錠頭部最后凝固的效果[1-5]。隨著新鋼種的開發(fā)和新錠型的增加，對(duì)鋼錠頭部凝固效果提出了新的要求，發(fā)熱板發(fā)熱性能是否滿足新的要求需要開展研究。本文對(duì)寶鋼煉鋼廠使用的三種常規(guī)發(fā)熱板的化學(xué)、物理和發(fā)熱性能進(jìn)行了測(cè)試，分別對(duì)化學(xué)成分、發(fā)熱量、燃燒溫度和保溫時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果和新鋼種對(duì)鋼錠頭部質(zhì)量的具體要求提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，最后對(duì)改進(jìn)優(yōu)化后的發(fā)熱板進(jìn)行了性能測(cè)試驗(yàn)證和工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)優(yōu)化后的發(fā)熱板保溫性能良好，滿足了新鋼種和新錠型開發(fā)的要求。

2.化學(xué)成分檢測(cè)

由于發(fā)熱板屬于混合物，因此采用X射線熒光光譜儀（WDXRF）與化學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)三種常規(guī)發(fā)熱板的主要成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從分析結(jié)果可以看出，三種發(fā)熱板的主要發(fā)熱元素是鋁與碳，但不同類型的發(fā)熱板中鋁與碳的含量明顯不同，其中A型發(fā)熱板的發(fā)熱元素鋁和碳含量最低，B型發(fā)熱板鋁含量最高，主要利用鋁元素發(fā)熱，C型發(fā)熱板碳含量最高，主要利用碳元素發(fā)熱。

3.發(fā)熱量及熱重測(cè)試

采用DSC綜合熱分析儀測(cè)試發(fā)熱板單位質(zhì)量發(fā)熱量及質(zhì)量變化情況，測(cè)試氣氛為空氣，升溫速度20℃/min，DSC綜合熱分析儀技術(shù)參數(shù)見表2，分析結(jié)果見圖1，a1/b1/c1分別是A/B/C型發(fā)熱板的熱流曲線，a2/b2/c2分別是A/B/C型發(fā)熱板的失重曲線。從熱流曲線圖可以看出，三種發(fā)熱板都有多個(gè)發(fā)熱峰，是由不同發(fā)熱物質(zhì)在不同溫度下發(fā)熱量的差異引起的，A型發(fā)熱板熱流密度峰值最低，在400℃左右達(dá)到最大值，B型發(fā)熱板熱流密度峰值最高，在500℃左右達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)B型發(fā)熱板的發(fā)熱元素碳和鋁的含量也較高。從失重曲線看，三種發(fā)熱板的失重趨勢(shì)類似，差異不大。

表1 三種類型發(fā)熱板主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 DSC分析儀技術(shù)參數(shù)

4.燃燒溫度測(cè)試

發(fā)熱板燃燒后到達(dá)的最高溫度也是發(fā)熱性能的重要指標(biāo)，三種發(fā)熱板燃燒后的溫度隨著時(shí)間變化的曲線見圖2。A型發(fā)熱板燃燒后的最高溫度最低，且后期溫度下降比較明顯，B型發(fā)熱板的極限溫度最高，且一直保持在較高的溫度，C型發(fā)熱板略差于B型。

圖1 熱流曲線及失重曲線

圖2 燃燒溫度曲線

5.燃燒發(fā)熱后保溫性能測(cè)試

由于碳的作用，發(fā)熱板燃燒后發(fā)生膨脹，氣孔率增加，達(dá)到保溫的效果。圖3是發(fā)熱板與空氣接觸面的溫度隨著燃燒及燃燒后時(shí)間的變化曲線，溫度越高，則其保溫性能越好。從圖中可以看出，B型和C型發(fā)熱板的保溫性能明顯優(yōu)于A型，能較長(zhǎng)時(shí)間保持在1000℃以上，與B型、C型發(fā)熱板的碳含量較高有明顯的相關(guān)性。

6.成分優(yōu)化后性能測(cè)試

圖3 燃燒后保溫溫度曲線

從以上三種發(fā)熱板性能測(cè)試結(jié)果可以得出，鋁含量的提高對(duì)發(fā)熱板的熱流密度和燃燒溫度都有明顯的作用，一定的碳含量對(duì)燃燒后的保溫性能有比較明顯的改進(jìn)作用。根據(jù)新鋼種和新錠型的開發(fā)需求，發(fā)熱板的發(fā)熱量和最高燃燒溫度需進(jìn)一步提高。根據(jù)以上測(cè)試分析結(jié)果，對(duì)發(fā)熱板的組成成分進(jìn)行了優(yōu)化，因B型發(fā)熱板的性能較好。因此，決定在B型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化方向是提高鋁含量，同時(shí)適當(dāng)增加碳含量，其組成成分見表3。優(yōu)化后的發(fā)熱板再次進(jìn)行性能測(cè)試，見圖4、圖5、圖6。

表3 化學(xué)成分 %

圖4 優(yōu)化后發(fā)熱板熱分析曲線

圖5 優(yōu)化后發(fā)熱板燃燒溫度曲線

由圖4可知，成分優(yōu)化后的發(fā)熱板的熱流密度相對(duì)更均勻，300℃左右時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)熱流密度高峰，500℃左右時(shí)熱流密度達(dá)到最大值，600℃-800℃區(qū)間的熱流密度保持相對(duì)穩(wěn)定，950℃左右時(shí)出現(xiàn)最后一個(gè)放熱高峰。對(duì)比B型發(fā)熱板，優(yōu)化后的發(fā)熱板放熱反應(yīng)比原B型發(fā)熱板更持久，發(fā)熱量更大。

由圖5可知，優(yōu)化后的發(fā)熱板升溫速度比較快，燃燒最高溫度近1800℃，基本全程保持在1700℃以上。

從圖6可知，優(yōu)化后的發(fā)熱板保溫性能較好，發(fā)熱板冷面溫度全程保持在1000℃以上。綜合熱流密度、最高燃燒溫度、保溫性能等指標(biāo)來看，優(yōu)化后的發(fā)熱板組成成分設(shè)計(jì)比較合理，既充分發(fā)揮了鋁元素的發(fā)熱功能，也充分利用了碳元素燃燒后膨脹形成氣孔的保溫功能，優(yōu)化后的發(fā)熱板性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

7.工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用和驗(yàn)證

圖6 優(yōu)化后發(fā)熱板保溫曲線

選擇常用的BV30和RV92兩種錠型進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，2支鋼錠試驗(yàn)優(yōu)化后發(fā)熱板，另2支錠用原B型發(fā)熱板進(jìn)行對(duì)比。為了保證基礎(chǔ)條件相同，要求在同一個(gè)中注管、同一個(gè)底盤上位置相對(duì)的鋼錠上試驗(yàn)。澆注鋼種為模具鋼，澆注溫度、澆注速度、補(bǔ)注時(shí)間等工藝參數(shù)保持不變，實(shí)際澆注溫度為1572℃，澆注速度4.3噸/分鐘，補(bǔ)注時(shí)間4.5分鐘。優(yōu)化后的發(fā)熱板燃燒時(shí)間比原B型延長(zhǎng)了約5分鐘。通過上述性能指標(biāo)測(cè)試和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，優(yōu)化后的發(fā)熱板達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足新鋼種開發(fā)和質(zhì)量提升的需求。

8.結(jié)論

（1）對(duì)原來使用的三種類型發(fā)熱板的主要性能進(jìn)行了測(cè)試，比較了三種發(fā)熱板的成分和性能差異。

（2）根據(jù)發(fā)熱板中鋁含量和碳含量對(duì)發(fā)熱性能和保溫性能的作用，設(shè)計(jì)了新型發(fā)熱板。

（3）對(duì)新型發(fā)熱板的發(fā)熱性能、保溫性能進(jìn)行了再次測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（4）通過工業(yè)試驗(yàn)，鋼坯低倍質(zhì)量有明顯提升，新型發(fā)熱板滿足了新鋼種開發(fā)和質(zhì)量提升的需求。