铸造用钢包新型绝热保温材料的应用研究

2016-07-25贾长江宋德晶孙宝金凌云浩齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司热工艺部黑龙江齐齐哈尔161002

铸造设备与工艺 2016年1期

贾长江，宋德晶，孙宝金，凌云浩（齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司热工艺部，黑龙江齐齐哈尔 161002）

铸造用钢包新型绝热保温材料的应用研究

贾长江，宋德晶，孙宝金，凌云浩
（齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司热工艺部，黑龙江齐齐哈尔 161002）

摘要：介绍了铸钢件生产用钢包新型绝热保温材料的工艺研究和生产实践。绝热层使用复合反射绝热板。保温层应用轻质高强浇注料，明显提高了钢包的绝热保温性能，为铸钢件低过热度浇注创造了条件，减少了铸件裂纹、呛空、缩松、浇不足等缺陷。降低了钢包外壳温度，改善工作环境，提高装备本质安全度，钢包保温层使用寿命达到500次以上。

关键词：绝热保温；热导率；石棉；复合反射绝热板；保温层

铁路铸钢件的生产采用塞杆式浇注，10 t和钢水最多浇20箱以上，水口开关次数多，浇注时间长，浇注过程中钢水温降较大，容易造成铸件裂纹、呛空、缩松、浇不足等缺陷。提高钢包的保温性能，对铸钢件进行低过热度浇注，不仅可以提高铸钢件质量，还能降低电弧炉的出钢温度，降低电耗，提高耐火材料的使用寿命，降低生产成本。传统钢包的绝热保温材料寿命低、成本高、保温效果差、造成环境污染、工人劳动强度大等缺点。为了提高铸钢件质量，降低生产成本，降低环境污染，减轻工人劳动强度，新型绝热保温材料的应用是非常重要的工艺措施。

目前我公司钢包绝热层使用的是5mm或10mm厚石棉板，用耐火泥浆粘贴。绝热效果差，对职工健康危害较大。石棉纤维是一种肉眼几乎看不见的细小纤维，使用过程中这些细小的纤维释放到空气中，能悬浮几周、甚至几个月，持续地造成空气污染，容易吸入人体。长期在石棉纤维污染的环境中工作会引起石棉肺、肺癌、胃肠癌等疾病。石棉已被国际癌症研究中心认定为一级致癌物，为国际医学界公认的有害物质。目前已有40多个国家禁止使用各类石棉的制品，包括石棉板。

我公司钢包保温层使用的是黏土砖，用耐火泥浆粘贴，保温效果差，使用寿命低，成本高。砌筑工艺烦琐、劳动强度大、存在砖缝、容易渗钢、抗钢水侵蚀能力差。钢包保温层砖缝容易渗钢，使用寿命较短。在拆包、翻包时，保温层砖一部分被倒出。

1　绝热工艺设计

1.1绝热层材料的选择

传统钢包的绝热材料主要是石棉板、高铝纤维绝热板、绝热毡等，绝热效果差，污染环境。随着纳米材料及技术的迅速发展，具有高温强度高、导热率低、热容量低、热稳定性强的复合反射绝热板研制成功。能同时隔绝热传导、热对流、热辐射，是一种绝热性能良好，安全环保的绝热材料。

复合反射绝热板孔隙均匀，气体分子能够均匀地储存在微小颗粒孔隙之间，保温效果明显。具有导热率低、反射率高的特点，高效地阻断了气体分子的热运动，其导热系数比传统的有机或无机绝热材料都低，甚至比静止的空气还要小。复合反射绝热板的结构如图1.

图1　复合反射绝热板结构示意图

1.2绝热原理

复合反射绝热板的先进配方和生产工艺，使材料同时具有阻止气体分子热运动，降低热传导，阻隔热辐射的作用，绝热性能比传统绝热材料提高3～4倍。

1）阻止对流

气体热量的传递主要是靠对流实现的，高温侧较高速度的分子向低温侧的较低速度的分子碰撞，逐级进行热输送。由于纳米孔硅微粉孔隙微细，其孔隙直径小于气体分子的平均自由程，气体分子能够均匀地储存在微小颗粒孔隙之间，气体难于产生流动，高效地阻断了气体分子的热运动。

2）降低热传导

纳米孔硅微粉在传导热量时，其颗粒断面及颗粒之间的接触面积较小，导热系数自然也就比传统绝热材料要小得多。纳米孔硅微粉的导热系数为0.016W/m·k～0.024 W/m·k，是导热系数极低的超级绝热材料。对于厚度只有6 μm～10 μm的铝箔，导热系数为0.038 W/m·k～0.042 W/m·k，是非常好的绝热材料。

3）阻隔热辐射

复合反射绝热板由纳米SiO2和铝箔组成，多层铝箔起到反射热辐射作用，反射率达87%以上，从而使复合反射绝热板的保温效果达到最佳。

1.3施工工艺

石棉板强度低，弯曲变形能力差，在粘贴时容易断裂，与钢壳不能很好地贴合。施工中所散发出细小纤维粉尘在大气中悬浮，持续地造成污染，危害职工身心健康。

复合反射绝热板可以弯曲变形，便于施工，与弧形钢壳贴合紧密、牢固。厚度根据工艺要求定购，或将若干层复合反射绝热板叠加粘合。由于有铝箔包裹，施工时无污染，对人体和环境完全无害。产品符合欧洲最新的产品环保认证。绝热层施工如图2.

图2　绝热层施工图

2　保温层工艺设计

2.1保温层材料的选择

黏土砖砌筑钢包保温层，工艺繁琐、维护频繁、砖缝易渗钢、寿命低、成本高。不定型耐火材料的技术日趋成熟，轻质高强浇注料具有体积密度低、热导率低、耐压强度高等特点，被广泛应用。

浇注料的骨料采用漂珠、高铝质多孔熟料和氧化铝空心球复合骨料，使浇注料具有体积密度低、热导率低、保温性能好、耐火度高、耐压强度大等性能。黏土熟料粉和工业氧化铝粉作为粉料，使浇注料中Al203质量分数达到45%～50%.纯铝酸钙水泥作为黏结剂，保证不降低Al203质量分数的前题下，使浇注成型后具有较高的强度。加入适量的电熔镁砂维持制品的体积稳定性，减少使用中的开裂和剥落现象，增强耐急冷急热性，使保温层的使用寿命得到提高。轻质高强浇注料的性能指标见表1.

表1　轻质高强浇注料的性能指标

2.2保温层厚度的设计

钢包要求工作层厚度180 mm，最小使用厚度60 mm，使用寿命不低于25次。综合考虑钢包保温性能及工作层使用寿命，确定包壁保温层厚度为80 mm，包底保温层厚度140 mm.

2.3胎模的制作

根据设计的保温层尺寸及包壳的尺寸来设计保温层胎模。为了便于浇注料振捣打实，使浇注料充满整个保温层和利于脱模，将胎模做成上下两层的分体结构。其锥度与包壳相同，下层模具外径比包壳内壁直径小190 mm（绝热层10 mm～20 mm），上层模具外径比包壳内壁直径小180 mm（绝热层10 mm～20 mm）.胎模钢板的焊接应光滑平整，其内部设有支撑板防止胎模变形，支撑板上焊接吊钩，便于吊运。

2.4保温层的浇注施工

轻质高强浇注料整体打结工艺，其工艺过程分阶段进行：每批浇注料在搅拌机内要充分搅拌，加水量控制在10%～15%.①将包壁打结下层模具外壁均匀涂一层脱模剂后将其放入包内并固定好，模具与绝热层间隙均匀，然后把搅拌好的浇注料注入模具与绝热层的间隙内，注意不能使绝热材料剥落或卷进浇注料中，再用振动棒将浇注料振动均匀、密实；下层打结完成，将上层模具放入，依次打结。②自然干燥24 h～48 h，模具脱出，安装好座砖和透气砖模具，再用搅拌均匀的浇注料打结包底保温层。③自然干燥12 h～24 h，模具脱出，再自然养护72 h以上，最后进行烘烤。保温层施工见图3.

图3　保温层施工图

2.5保温层的烘烤

浇注完的保温层含水量较大，需经烘烤排出浇注料中的水分，增加保温层的强度。为防止升温速度过快导致保温层炸裂，严格按工艺规定的升温速度和保温时间进行烘烤。总烘烤时间不得少于15 h.烘烤按图4所示的烘烤曲线进行。

图4　钢包保温层烘烤曲线

3　试验应用及效果分析

3.1试验应用

同时在6#、8#包进行试验，包底和包壁铺两层10 mm厚复合反射绝热板。包底、包壁保温层用轻质高强浇注料整体打结，包底打结厚度140 mm，包壁打结厚度80 mm.严格按烘烤工艺烘烤后砌筑工作层。同时在1#、2#包重新按传统工艺砌筑绝热层、保温层和工作层，将试验钢包同普通钢包对比使用。

为了检验新型材料的保温性能，试验过程制定了严格的测温步骤。检测钢包出钢前和浇注结束后包壳外表面温度，检验材料导热性能。通过检测钢水浇注开始温度和浇注中期钢水温度，检验浇注过程温降速度，验证材料保温性能。

3.2效果分析

3.2.1钢包温度对比

试验钢包与普通钢包出钢前和浇注结束后包壳外表面温度见表2.厂房内温度为8℃.

表2　试验钢包与普通钢包包壳温度测试结果

从表2可以看出，试验钢包在浇注结束后包壳外表面的温度比普通钢包低20℃左右。说明在正常生产条件下，钢包的传热速度与绝热保温材料有直接关系，新型绝热保温材料的应用大幅度减少了钢包热传导速度，降低包壳外表面的温度，减少热量散失，减小钢水在铸钢件浇注过程中的温降。

3.2.2钢水温度对比

试验包与普通包浇注过程中钢水温度降低情况见表3.厂房内温度为8℃.

表3　试验钢包与普通钢包钢水温降测试结果

根据表3数据计算得知普通钢包和试验钢包的平均降温速度分别为1.7℃/min和0.7℃/min.降温速度大幅降低，10 t钢水整个浇注时间按20 min计算，浇注过程可以减少降温20℃左右。浇注过程中钢水温度的温降由原来的平均35℃降低到15℃，减少了因钢水温度波动大造成的铸件质量下降，减少了铸件裂纹、呛空、缩松、浇不足等缺陷。对钢水过热度控制范围要求较窄的铸钢件，改善效果更为明显。新型绝热保温材料的应用为低过热度浇注创造了条件，铸件内部质量得到了明显提高。

3.2.3试验钢包与普通钢包绝热、保温层的使用寿命

普通钢包绝热、保温层的使用寿命与工作层同步，平均25次左右。新型绝热保温材料的应用使钢包绝热、保温层使用寿命达到500次以上，减轻了工人的劳动强度，降低了生产成本。