肖 強，高翠萍，劉訓賓

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271126）

鋼鐵冶金及加工等高溫工業(yè)是我國能源消費的大戶，也是節(jié)能減排的潛力大戶?！丁笆濉惫?jié)能減排綜合工作方案》對電力、鋼鐵等行業(yè)的節(jié)能減排工作提出了明確的任務(wù)和要求。在以連鑄為中心的煉鋼生產(chǎn)組織中，為控制鋼水溫度，要求可能減少鋼水過程溫降以降低出鋼溫度，澆注溫度過高，中間包耐材侵蝕嚴重，容易造成鋼流控制失控，產(chǎn)生澆注事故，鑄坯易產(chǎn)生裂紋、中心偏析、疏松等缺陷，也會加劇鋼水的二次氧化。對于中間包來說，采用隔熱保溫技術(shù)，不僅減緩殼體變形，更重要的是減少了鋼水溫降。中間包實行保溫技術(shù)，對降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、提高鋼材質(zhì)量、延長包殼壽命、減少鋼水溫度過低而造成斷澆事故均有很大好處。因此對中間包進行采用隔熱保溫技術(shù)研究尤為重要，進行煉鋼耐材保溫技術(shù)及降低出鋼溫度的研究符合鋼廠的各方面生產(chǎn)需求。

1 保溫材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展方向

目前，國內(nèi)外連鑄常用中間包耐火材料結(jié)構(gòu)是采用高鋁質(zhì)澆注料作為永久襯，干式料作為工作襯，高鋁澆注料的導熱系數(shù)是5.0 W/mk，干式料的導熱系數(shù)是3.0 W/mk，隔熱保溫效果不明顯，導致中間包包殼溫度在澆注后期上升到300度左右。為了提高中間包保溫效果，國內(nèi)外企業(yè)研究了納米板、石棉、鎂橄欖石等保溫材料在中間包中保溫模擬實驗及生產(chǎn)實際試用，但均沒達到預期效果。原因在于這些材料在加熱至600℃以后，石棉纖維的結(jié)構(gòu)水析出，纖維結(jié)構(gòu)破壞、變脆，揉搓后易變?yōu)榉勰?，不適合用作中間包保溫材料。而目前市場上流行的納米板多數(shù)是硅質(zhì)氣凝膠產(chǎn)物，加熱到630℃以后即產(chǎn)生粉化問題，隔熱層的整體性破壞甚至塌陷，影響中間包襯的整體穩(wěn)定性，產(chǎn)生漏鋼風險。加拿大等國在推行鎂橄欖石質(zhì)中間包保溫包，但其體積密度的輕量化不足，隔熱保溫效果還不夠理想。上述產(chǎn)品和新技術(shù)均無法很好地滿足中間包的使用要求。因此，研發(fā)耐高溫性能好、高溫提及穩(wěn)定性好、高溫隔熱保溫性能好的中間包保溫材料，是中間包隔熱保溫技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

2 保溫材料的傳熱研究

2.1 保溫材料的傳熱方式

保溫材料目的就是增大熱阻，降低熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞速率，降低熱量損失速度，從而提高熱效率。同一物體或不同物體之間存在溫度差就會出現(xiàn)傳熱現(xiàn)象。傳熱有熱傳導、熱對流傳熱和熱輻射三種基本方式。

熱傳導宏觀上是在同一物體內(nèi)或相互接觸的物體，熱量從高溫區(qū)域傳遞給低溫區(qū)域。從微觀角度看，導熱是物質(zhì)的分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象。

2.2 保溫材料的存在結(jié)構(gòu)

保溫材料一般使用導熱系數(shù)小材料作為隔熱介質(zhì)，空氣的導熱系數(shù)比固體材料低得多，但是由于空氣具有對流性質(zhì)，以及紅外輻射的透明性，使空氣無法單獨作為隔熱材料。因此，需要設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)來最大限度的限制空氣的對流性和透紅外輻射性能。這種結(jié)構(gòu)需要采用一些固體來幫助實現(xiàn)。但是，幾乎所有的固體的導熱系數(shù)都比靜止的空氣大，所以設(shè)計這種結(jié)構(gòu)時應(yīng)該盡可能少的使用固體材料。使用固體來限制空氣的對流，形成結(jié)構(gòu)中有氣、固兩相，結(jié)構(gòu)中氣、固兩相以三種形式存在，即氣相連續(xù)型結(jié)構(gòu)、固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)、固相和氣相都為連續(xù)型結(jié)構(gòu)。圖1為三種形式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 保溫材料組織結(jié)構(gòu)

氣相連續(xù)型結(jié)構(gòu)的隔熱材料顯微結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)中開口氣孔占優(yōu)勢，氣孔相互連通，成為氣相連續(xù)結(jié)構(gòu)。耐火粉粒填充的隔熱耐火層就屬于這種結(jié)構(gòu)類型。

2.3 保溫材料的熱傳遞過程

固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)在保溫材料中使用最多，且熱傳遞結(jié)構(gòu)最復雜，故主要介紹固相連續(xù)型結(jié)構(gòu)保溫材料熱傳遞過程。固相連續(xù)型保溫材料是通過固相和氣相來傳熱。固相傳熱以熱傳導為主，氣相傳熱三種傳熱方式都存在，傳熱過程比較復雜。

3 中間包的保溫工藝研究

傳統(tǒng)的中間包耐火材料是兩層結(jié)構(gòu)，即永久層（材質(zhì)是高鋁澆注料）140mm，工作層（材質(zhì)是干式料）80mm。

改造后的中間包耐火材料如圖2所示.

圖2 改造后的中間包耐火材料結(jié)構(gòu)示意圖。

通過圖2來看，改造后的耐火材料由兩層結(jié)構(gòu)改為三層結(jié)構(gòu)，即保溫層（材質(zhì)為納米板），永久層（材質(zhì)改為輕質(zhì)澆注料）130mm，工作層（材質(zhì)是干式料）80mm。在永久層和鋼板之間加了一個納米保溫層。而且將永久層的材質(zhì)由高鋁澆注料改為輕質(zhì)澆注料，高鋁澆注料的導熱系數(shù)為5.0 W/mk，而輕質(zhì)澆注料的導熱系數(shù)為0.25 W/mk，納米保溫層的導熱系數(shù)為0.025 W/mk。

本項目所采用的納米反輻射絕熱板理化指標見表1，圖3為納米反輻射絕熱板實物圖。

表1 納米反輻射絕熱板理化指標

圖3 納米反輻射絕熱板實物圖

4 工業(yè)應(yīng)用效果

2021年5月，改造后的保溫中間包在山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠四號連鑄機上進行試驗，結(jié)果如下。

使用保溫中間包后，中間包澆周期12小時，在澆注末期，未使用保溫工藝的中間包，包殼表面溫度300°～320°，使用保溫工藝的中間包，包殼表面溫度160°～180°，溫度降低120°～140°，保溫效果明顯，隨保溫效果帶來的是中間包溫度的提升，根據(jù)對整個澆次的中間包溫度進行統(tǒng)計，使用保溫工藝的中間包，中間包平均溫度同比提高2°。

5 結(jié)論

（1）中間包耐火材料和納米反輻射絕熱板配置結(jié)構(gòu)合理，在中間包外殼和永久層之間安裝納米反輻射絕熱板，其材質(zhì)、形狀、尺寸、安裝方式合理，使用壽命與中間包永久層同步。

（2）中間包永久層使用輕質(zhì)保溫料，保溫效果良好，為納米反輻射絕熱板提供了良好的工作環(huán)境。

（3）使用保溫中間包后，包殼溫度下降120°～140°，中間包保溫效果非常明顯。

（4）使用保溫工藝的中間包，可以降低鋼包的上鋼溫度。

保溫中間包的應(yīng)用對鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排，鋼水及產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全均有顯著的促進作用。