真空澆注用精煉渣代替發熱劑的工藝探索

劉海瀾　喬世章

(中國第一重型機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熱劑的工藝探索

劉海瀾喬世章

(中國第一重型機械股份公司煉鋼分廠，黑龍江161042)

在澆注真空鋼錠工藝中，加入發熱劑是必不可少的，通過對發熱劑作用的分析，經過實際生產試驗，證明了用精煉渣替代發熱劑的可行性。

真空鋼錠；發熱劑；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熱劑和保溫劑，這已成為必不可少的工藝環節。發熱劑又分化出多個種類，如：高碳的、中碳的、低碳的、無碳的。發熱劑經過多次改進，出現了發熱和保溫功能二合一的發熱保溫劑等。本文通過分析和生產試驗，探索用精煉渣替代發熱劑，簡化工藝，提高質量。

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→澆入鋼錠模→破壞真空→加入發熱劑→加入保溫劑。

發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　發熱劑的作用

2.1發熱劑的化學成分和理化指標

發熱劑的化學成分見表1。

表1　發熱劑的化學成分(質量分數，%)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—鋼錠模　6—真空室　7—溜管圖1　真空澆注原理Figure 1　Principle of vacuum pouring

發熱劑的理化指標見表2。

2.2發熱劑在鋼錠上的加入位置

發熱劑在鋼錠上的加入位置見圖2。

工藝規定：真空澆注結束后，在破壞真空后的50 s內，從窺視孔通過漏斗加入第一批發熱劑，用量0.5 kg/t鋼水；真空蓋打開后，3 min內通過篩網加入第二批發熱劑，用量1.0 kg/t鋼水。

表2　發熱劑的理化指標Table 2　Physical and chemical indicators of heat generating agent

1—保溫劑　2—發熱劑 3—冒口　4—鋼錠模　5—鋼水圖2　發熱劑加入位置示意圖Figure 2　Sketch of adding position of heat generating agent

2.3發熱劑的作用

(1)鋼錠澆注結束以后，冒口中與空氣接觸的鋼液迅速降溫并馬上結晶，早期形核往往以非金屬質點為結晶核，因此，這些先期結晶的微小結晶體含雜質較多，并且比重比液態鋼水大，會逐步向鋼錠下部沉積，這就是我們常說的結晶雨。結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，鍛造時需把沉積堆切除。

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

(3)發熱劑的作用就是熔化冒口內鋼水最早形成的結晶，減輕結晶雨的產生，減小沉積堆的大小，提高鋼水純凈度。發熱劑還有保溫作用，使冒口內鋼水減緩凝固，達到凝固補縮的作用，減少凝固缺陷。

2.4用精煉渣取代發熱劑的操作方式

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

2.5用精煉渣取代發熱劑的理論根據

2.5.1液態精煉渣和發熱劑發熱對比

(1)液態精煉渣的顯熱計算

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

①精煉渣的質量計算

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，則精煉渣的質量m渣=1/4πD2hρ=4.7×105D2g。

②精煉渣各組分的摩爾質量計算

根據一重精煉渣的分析結果(渣系為CaO-SiO2)，各組分的質量百分數分別如下：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量分別為：n(Al2O3)=m渣·w(Al2O3)/M(Al2O3)=4.7×105D2×5.62%/102=259D2mol。

同理計算得：

n(CaO)=4935D2mol

n(SiO2)=2103D2mol

n(Fe2O3)=34D2mol

n(MgO)=843.6D2mol

n(MnO2)=55.6D2mol

③計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更好的價錢，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，來請電視臺出面調解。面對媒體，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，主持人也看不下去，說這個老太太倚老賣老。我說句玩笑話，若是碰到劉大人，這個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)發熱劑的發熱量計算

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

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

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

根據鋁-氧反應得知，當n(Al2O3,s)=200D2mol時，其在溫度為1 773K時的反應焓為：

綜上計算可以看出，從發熱量比較，液態精煉渣具有的顯熱遠大于發熱劑燃燒后放出的熱量，液態渣完全可以達到發熱劑的發熱效果。

2.5.2液態渣的保溫效果

液態渣對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液態渣對結晶雨的影響

原工藝在澆注完畢破壞真空時，鋼水液面是裸露的，破壞真空時液面表層由于沒有保護，會形成結晶，進而形成結晶雨。若用精煉渣取代發熱劑，鋼水澆注完畢精煉渣隨即進入冒口，覆蓋在液面上，形成保溫層，隔絕了鋼液與空氣的接觸，在破壞真空時液面表層就不會形成結晶雨。因此，液態渣取代發熱劑對減輕結晶雨是大有好處的。

2.5.4液態渣對吸附夾雜的影響

精煉渣本身就是精煉鋼水時造的高堿度低氧化鐵還原渣，是精煉鋼水時必不可少的，對鋼水中的非金屬夾雜有很好的吸附作用，在這一點上，用精煉渣取代發熱劑對凈化鋼液更有優勢。

3　生產試驗方法和結果

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產品。

3.2試驗工藝

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

(2)冒口內精煉渣的澆入量應控制在200mm～250mm。根據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試驗結果

試驗結果見表3。

表3　試驗結果Table 3　Tested results

3.4試驗結果討論

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鋼錠內部質量情況

共澆注20支鋼錠，產品鍛件30個，檢測合格率達到100%，質量明顯提高。

3.4.3對成本的影響

發熱劑的價格一般在8 000元/t左右，精煉渣取代發熱劑是廢舊利用，不需要投入。以一重煉鋼分廠2015年鋼水產量16萬t、加入發熱劑按1.5kg/t鋼水計算，全年可節約發熱劑240t，合計190多萬元。長期來看，可節省大量采購成本。

4　結論

(1)通過理論計算及實際生產試驗均證明，真空澆注用精煉渣代替發熱劑完全可行。而且液態精煉渣取代發熱劑對減輕結晶雨、吸附鋼水中非金屬夾雜更有優勢。

(2)精煉渣取代發熱劑是廢舊利用，零投入，可降低煉鋼成本。

(3)發熱劑燃燒后釋放的大量濃煙不易處理，嚴重污染生產現場環境。取消發熱劑用液態精煉渣代替，沒有煙塵，更加環保。

(4)精煉渣取代發熱劑，減少了一個操作環節，縮短了工藝流程，既減輕了勞動強度，又提高了生產效率。

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