连铸中间包保温材料的研究与应用

肖 强，高翠萍，刘训宾

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司技术中心，山东 莱芜 271126）

钢铁冶金及加工等高温工业是我国能源消费的大户，也是节能减排的潜力大户。《“十三五”节能减排综合工作方案》对电力、钢铁等行业的节能减排工作提出了明确的任务和要求。在以连铸为中心的炼钢生产组织中，为控制钢水温度，要求可能减少钢水过程温降以降低出钢温度，浇注温度过高，中间包耐材侵蚀严重，容易造成钢流控制失控，产生浇注事故，铸坯易产生裂纹、中心偏析、疏松等缺陷，也会加剧钢水的二次氧化。对于中间包来说，采用隔热保温技术，不仅减缓壳体变形，更重要的是减少了钢水温降。中间包实行保温技术，对降低转炉出钢温度、提高钢材质量、延长包壳寿命、减少钢水温度过低而造成断浇事故均有很大好处。因此对中间包进行采用隔热保温技术研究尤为重要，进行炼钢耐材保温技术及降低出钢温度的研究符合钢厂的各方面生产需求。

1 保温材料国内外研究现状分析及发展方向

目前，国内外连铸常用中间包耐火材料结构是采用高铝质浇注料作为永久衬，干式料作为工作衬，高铝浇注料的导热系数是5.0 W/mk，干式料的导热系数是3.0 W/mk，隔热保温效果不明显，导致中间包包壳温度在浇注后期上升到300度左右。为了提高中间包保温效果，国内外企业研究了纳米板、石棉、镁橄榄石等保温材料在中间包中保温模拟实验及生产实际试用，但均没达到预期效果。原因在于这些材料在加热至600℃以后，石棉纤维的结构水析出，纤维结构破坏、变脆，揉搓后易变为粉末，不适合用作中间包保温材料。而目前市场上流行的纳米板多数是硅质气凝胶产物，加热到630℃以后即产生粉化问题，隔热层的整体性破坏甚至塌陷，影响中间包衬的整体稳定性，产生漏钢风险。加拿大等国在推行镁橄榄石质中间包保温包，但其体积密度的轻量化不足，隔热保温效果还不够理想。上述产品和新技术均无法很好地满足中间包的使用要求。因此，研发耐高温性能好、高温提及稳定性好、高温隔热保温性能好的中间包保温材料，是中间包隔热保温技术研究的重要内容。

2 保温材料的传热研究

2.1 保温材料的传热方式

保温材料目的就是增大热阻，降低热量从高温区向低温区传递速率，降低热量损失速度，从而提高热效率。同一物体或不同物体之间存在温度差就会出现传热现象。传热有热传导、热对流传热和热辐射三种基本方式。

热传导宏观上是在同一物体内或相互接触的物体，热量从高温区域传递给低温区域。从微观角度看，导热是物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热传递现象。

2.2 保温材料的存在结构

保温材料一般使用导热系数小材料作为隔热介质，空气的导热系数比固体材料低得多，但是由于空气具有对流性质，以及红外辐射的透明性，使空气无法单独作为隔热材料。因此，需要设计出一种结构来最大限度的限制空气的对流性和透红外辐射性能。这种结构需要采用一些固体来帮助实现。但是，几乎所有的固体的导热系数都比静止的空气大，所以设计这种结构时应该尽可能少的使用固体材料。使用固体来限制空气的对流，形成结构中有气、固两相，结构中气、固两相以三种形式存在，即气相连续型结构、固相连续型结构、固相和气相都为连续型结构。图1为三种形式的结构示意图。

图1 保温材料组织结构

气相连续型结构的隔热材料显微结构特点是结构中开口气孔占优势，气孔相互连通，成为气相连续结构。耐火粉粒填充的隔热耐火层就属于这种结构类型。

2.3 保温材料的热传递过程

固相连续型结构在保温材料中使用最多，且热传递结构最复杂，故主要介绍固相连续型结构保温材料热传递过程。固相连续型保温材料是通过固相和气相来传热。固相传热以热传导为主，气相传热三种传热方式都存在，传热过程比较复杂。

3 中间包的保温工艺研究

传统的中间包耐火材料是两层结构，即永久层（材质是高铝浇注料）140mm，工作层（材质是干式料）80mm。

改造后的中间包耐火材料如图2所示.

图2 改造后的中间包耐火材料结构示意图。

通过图2来看，改造后的耐火材料由两层结构改为三层结构，即保温层（材质为纳米板），永久层（材质改为轻质浇注料）130mm，工作层（材质是干式料）80mm。在永久层和钢板之间加了一个纳米保温层。而且将永久层的材质由高铝浇注料改为轻质浇注料，高铝浇注料的导热系数为5.0 W/mk，而轻质浇注料的导热系数为0.25 W/mk，纳米保温层的导热系数为0.025 W/mk。

本项目所采用的纳米反辐射绝热板理化指标见表1，图3为纳米反辐射绝热板实物图。

表1 纳米反辐射绝热板理化指标

图3 纳米反辐射绝热板实物图

4 工业应用效果

2021年5月，改造后的保温中间包在山钢股份莱芜分公司炼钢厂四号连铸机上进行试验，结果如下。

使用保温中间包后，中间包浇周期12小时，在浇注末期，未使用保温工艺的中间包，包壳表面温度300°～320°，使用保温工艺的中间包，包壳表面温度160°～180°，温度降低120°～140°，保温效果明显，随保温效果带来的是中间包温度的提升，根据对整个浇次的中间包温度进行统计，使用保温工艺的中间包，中间包平均温度同比提高2°。

5 结论

（1）中间包耐火材料和纳米反辐射绝热板配置结构合理，在中间包外壳和永久层之间安装纳米反辐射绝热板，其材质、形状、尺寸、安装方式合理，使用寿命与中间包永久层同步。

（2）中间包永久层使用轻质保温料，保温效果良好，为纳米反辐射绝热板提供了良好的工作环境。

（3）使用保温中间包后，包壳温度下降120°～140°，中间包保温效果非常明显。

（4）使用保温工艺的中间包，可以降低钢包的上钢温度。

保温中间包的应用对钢铁企业的节能减排，钢水及产品质量、生产安全均有显著的促进作用。