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钢包脱气处理工艺中耐材的优化分析

在钢厂生产中,钢包承受周期性温度变化,通过脱气处理工艺中(真空脱气工艺无加热钢水能力)必须提高钢水温度,以避免真空脱气中温降造成钢水冻结,同时也要保持连铸所需要的钢水温度。钢包包壳受到负荷的机械应力影响和长时间高温作用导致蠕动损坏,为了避免钢包损坏和延长钢包钢壳的寿命,重要的一点是钢包钢壳温度不能超设计的最大温度。在本文的研究中,采用数学模型调查在各种条件下耐火材料的构建对钢包温度的影响,优化耐材布置来保证钢包包壳温度始终处于在设计许可的范围内。

钢厂生产中,钢包是用来储存、运输和浇铸钢水的容器,在精炼期间钢包成为一个冶金反应器,钢包的精炼包括了钢水合金化、均匀成分和均匀温度、脱硫、非金属夹杂物去除和变性处理,钢包精炼和真空脱气称为钢水的二次精炼。连铸生产中保持连浇,需要一定数量的钢包来进行周转。连铸结束后,钢包中的钢水和渣子排空,钢包内部的耐材温度立刻开始下降,在下一炉接钢水之前使用烘烤器提升耐材温度。工艺过程中的停顿、工艺路线的不同、钢水温度、耐材类型和厚度都将影响钢包耐材温度场状态,周期性的热冲击和变化的负载能够影响钢包钢结构壳的应力状态,这些条件最终导致钢包外壳的蠕动变形损坏,缩短了钢包使用寿命,因此,为了有效安全的钢包服役条件,需要对钢包耐火材料进行优化设计,使得耐材具有高的热阻和缓冲机械应力,能够耐钢水侵蚀。

SSAB集团在美国的lava和Alabama两个钢厂都有真空罐脱气装置(VTDs),可以对钢水进行真空脱气处理,连铸之前的真空脱气,能够将相当部分的氢和氮去除。在脱气阶段,按照工艺要求需要将H和N控制在什么样的范围,以此来确定LF炉升温达到多少的过热度,以保证进入真空装置所需要的钢水温度,真空处理后要保证连铸所需的钢水温度,美国SSAB钢厂的罐式真空装置是没有升温能力的。

在2011年观察到有些钢包在渣线附近出现鼓肚,初步的调查表明真空后钢包渣线附近的温度达到1000华氏度(538℃)(译注:实在太高了),为了避免蠕变损坏和延长钢包寿命,重要的是在使用过程中钢包包壳温度不能超过设定的最大值。钢包壳的温度受到耐材构造(耐材类型和厚度)、钢包烘烤过程、钢包的寿命、钢水温度和钢水浸泡时间等因素的影响。在这些因素中,耐材构造自然属性最为重要,在目前研究中,使用数学模型来调查各种钢包精炼处理过程中耐材砌筑对钢包壳温度的影响,结合钢厂试验,优化耐材砌筑,在SSAB集团进行优化使用,来保证钢包壳温度始终处于设计的温度范围内。

钢包条件

在2011年,SSAB集团150吨(短吨,136公吨)钢包渣线砖厚度7英寸厚(178mm),材料是镁碳砖,渣线砖下部是6英寸(152mm)铝镁碳砖,渣线砖与铝镁碳砖之间过渡区域是6英寸厚树脂粘结的镁碳砖,安全永久衬是3.5英寸厚(89mm)的高铝砖和0.25英寸厚(6.35mm)的绝缘层,包壳钢板厚度为0.125英寸(28.5mm)。包底是10英寸厚(254mm)的浇铸料和8英寸(203mm)永久衬,详见图1所示。

图1 钢包耐材砌筑示意图

在生产过程中,一般需要6个钢包周转,使用近60炉后钢包渣线砖需要更新(即一个钢包周期),钢包中整个工作衬砖更换是在2~3个周期之后进行。每个钢包受到的热变化是由钢包在精炼期间对钢水处理程度而变化着的。钢水处理主要分为三大类:

(1)非脱气钢:在精炼之后钢包直接吊到连铸平台上;

(2)浅脱气:在浇铸前在真空泵作用下真空度达到133Pa即可;

(3)深脱气:在133Pa以下的真空度下保持较长的时间,目的减少钢水中H含量和N含量3。

不同时期钢包所处工作地耐材温度变化见表1,明显看出来,对于脱气钢,钢包中钢水温度很高,恶化了钢包耐材和钢包壳温度场。

钢包经过深真空处理后,在这个连铸过程中使用红外测温,钢包钢壳表面温度超过537℃,对比非脱气钢包只有427℃。由于钢包外壳温度超出了设计温度,增加了蠕变损坏的倾向。

表1 不同阶段钢包耐材温度,℉

2.1 钢包外壳材料试验

鼓出来的钢包外壳见图2a,从鼓肚部位和新补上的钢板上取样做金相分析,来确定钢包壳使用过程中损坏状况。使用高温拉伸试验机测量,拉伸温度分别为22℃、427℃、538℃、649℃、760℃,如图3所示其屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)。随着温度增加而显著降低,特别是温度在538℃以上。对比新的钢板和鼓肚钢板试样,看到其差别是明显的,当包壳承受的应力超过屈服极限,裂断危险就有可能发生。另外,对材料进行了机械性能测试、金相分析,抛光腐蚀试样(2%硝酸),用扫描电镜检验,图2b中的金相照片证明在晶粒边界出现孔洞,这就指出了鼓肚材料正受到蠕变损坏的攻击4,为了避免蠕变损坏和延长钢包使用寿命,钢包钢壳温度不能超过设定温度5。
 

图2 a钢包包壳检查,b钢包鼓肚取样金相检验看到沿着晶界出现微孔洞

2.2 钢包耐材检验

钢包耐材检验主要有两点:

(1)渣线砖厚度由于钢渣界面的侵蚀明显减少,如图4所示,在渣线砖多于一半以上的位置上镁碳砖厚度减少;

(2)在钢包耐材寿命到期后钢包钢板壁与永久衬之间没有看到隔热层。

为了提供解决钢包壁鼓肚问题的方案,提供了探索改进耐材抗热性能的可能性,也要修改耐材的构建方法。

图3 钢包材料不同温度条件下拉力试验

图4 钢包耐材厚度检验

耐材砌筑优化

图5 模型设计:a钢包几何形状,b钢包耐材表面温度演变

3.1 方法

开始阶段,用3D模拟钢渣界面区域各种耐材设计方案和钢包钢板温度,模型包括了钢包几何尺寸、耐材特性和使用过程,用lowa钢厂的渣线砖作为基础进行构建,如图5a所示。所有在工作衬(渣线,过渡层,钢包下部镁碳砖和底部耐材),永久衬、绝缘层和钢包壳所有的分区都进行了模拟。主要集中在耐材的砌筑上,其它的钢包辅助结构,如耳轴和滑板都不考虑,在钢包服役期温度变化分配到钢包耐材内衬上(热区),基本考虑如下:

  • 钢包内的空气和钢水介质忽略

  • 不同的温度边界和热损在不同的钢包处理阶段给予指定到热区,如钢包烘烤、出钢、精炼和真空脱气处理。作为时间函数的热面温度在典型深脱气工艺下见图5b,为了模拟钢包周期性操作模式,每种情况采用10炉钢进行模拟。

  • 大多数耐材特性,如导热率和比热是随温度变化而改变,模拟自动给予处理,用在模型耐材特性由供应商提供或者从文献资料中找到,列在表2中。为了保证精度,有些耐材特性由外面的实验室来确认。

以柱面坐标表达的传热方程见公式1,模型使用商用软件解析,对软件也进行了改进。

这里r,φ,z=柱面坐标T=温度,℃t=时间,秒R,Cp,ρ=导热系数(w/m.℃),比热(J/kg.℃),材料密度(kg/m³)S=从热源得到或损失单位体积热,w/m³

3.2 对原来耐材砌筑的评估

将原来的耐材砌筑模式进入模型来验证,如图5a所示,为了反映真实的现场侵蚀,渣线砖有一定磨损,使用临时短暂方式模拟10次深脱气情况,模型计算指出钢包壳温度最高区域就在渣线砖的地方,其钢包壳表面温度在525℃~560℃范围内,见图6所示温度场和热成像仪图片。对比钢包其他部位,其温度相对的低。原因是这里使用的是低导热耐材。经过校验后,模型用来评估其它类型钢包耐材的砌筑方式。

图6 钢包包壳温度分布:a模型预报的温度场,b红外热成像仪影像

3.3 耐材优化

采用低的导热材料是最有效降低钢包温度方法,建立在开始的研究,提出来三种类型的绝热层:(1)0.5英寸厚度(12.7mm)固态绝热I材料;(2)0.4英寸厚(10.16mm)绝热II材料;(3)0.275英寸厚度(7mm)绝热III材料,这种材料是袋装粉末形式,见图7所示。第三种材料具有最好钢包绝缘效果,其它的各种材料的特性见表2。钢包内不同的绝缘材料控制着钢包壁表面温度,这由模型计算模拟和现场测试都说明这点。

图7 试验三种绝热材料表面特征:a绝热材料I,b绝热材料II,c绝热材料III

表2 钢包耐材和钢壳特性

现场试验之前,所有的绝热层都使用数学模型计算模拟,采用绝热I、II和II材料在三个不同的钢包上,为钢包I,钢包II和钢包III,10炉钢经历真空脱气处理。如图8所示,钢包I和钢包II中,当使用浅脱气后,钢包表面温度从343℃升到399℃,如果用深真空工艺,钢包壁温度从360℃升到471℃。对比钢包III包壁温度,浅真空时从249℃升到293℃;深真空状态下从227℃升到399℃,模型计算结果表明使用合适的绝热材料是可以降低包壁温度的,改变耐材砌筑不能对钢包容量发生明显地改变,模型也会计算在不同的耐材砌筑条件下钢包容量10。设钢包自由空间40英寸(1016mm),原耐材设计砌筑是147吨钢水,改进后为146吨,钢包容量几乎没有变化。

图8 钢包渣线处包壳外壁温度:a浅真空处理,b深真空处理

图9 钢包壳外壁温度测量

绝热材料I、II和III安装在不同的钢包上,钢包工艺条件取决于生产安排,每个钢包在服役期间得到完整的记录参数,使用高精度测温仪测量所有的包壁温度,钢包壁上的氧化铁皮和渣子用砂轮机打除,测量表明各个钢包的表面温度各不相同。钢包I经过浅真空脱气处理后最低钢包壁温度是404℃,经过深真空脱气后为477℃,钢包I温度测量与模型预报非常吻合。

对于钢包II,经过浅真空处理后包壁温度为890℉(477℃),与模型相吻合,然而,经过深真空后包壁温度上升到100℉(38℃),高于模型预报温度。对于钢包III,在经过浅真空和深真空后包壁温度分别为770℉(410℃)和1020℉(549℃)。这些温度与模型预报相差了200℉(93℃),如图10所示,测量钢包III包壁温度接近于原来未使用绝热材料的钢包温度,明显地,绝热材料III并不像预期那样有效。

图10 包壁预报温度和测量温度对比

所有的绝热材料在服役期后进行仔细检查,使用了三个周期(180炉),绝热材料I仍然完好(如图11所示);然而材料II和III没有发现。结合温度预报和实测,显示出绝热材料在服役期间有恶化性能的倾向,作为一个标准材料,任何的绝热性能恶化都引起包壁温度的上升,因此,选择绝热材料非常重要,除了导热率,还要考虑其性能和机械性能的稳定性。钢包绝热层要有一个合适强度来承受周期性负荷和耐材传递过来的热膨胀,按照试验,绝热I材料是三个中最好的一个,具有绝热性能和机械性能稳定性良好的组合。

图11 绝热层检查:a服役后,b服役前,c绝热材料I服役后

使用绝热材料I,进行了一些测量工作,可见减少了包壳的温度,这些测量工作包括了稍微增加绝热板的厚度、更新渣线砖材料、优化钢包耐火材料,脱气之前,钢包包壳的平均温度从832℉(444℃)降低到650℉(343℃),浅真空脱气状态,包壁温度从904℉(484℃)降低到692℉(367℃);深真空脱气之后,包壁温度从1097℉(592℃)降低到836℉(447℃),见图12。可见各种状态下使用绝热材料I后包壁温度下降了200℉(93℃)。在lowa和Alabama两个钢厂都有相似的结论,这种优化耐材的砌筑方式已经在Alabama钢厂使用。另外,耐材优化后,在SSAB集团其它的改进见下面所述:

  • 将钢包耐材从ASTMA516—70更换成A204-B,耐高温性能更好一些

  • 安装立式钢包烘烤器,以减少钢包等待期间的温度降。

  • 有规律地监控包壳温度

  • 经常使用激光测量技术检查钢包耐材衬状况

  • 使用钢厂二级计算机自主研发的软件跟踪钢包耐材寿命。

图12 钢包包壁温度跟踪

a真空处理前。B浅真空处理后,c深真空处理后

结 论

数学模拟和工业现场试验的结合,调查钢包耐材在各种精炼工艺下的真实情况和砌筑方式,使用低导热和优良机械性能材料来优化耐材,在真空脱气状态下,钢水温度高,通过优化耐材设计来避免耐材过重的侵蚀。另外,改变包壳钢板材质,连续监控包壁温度,这些措施有助于排除包壁鼓肚缺陷。

来源:炼钢技术

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