真空浇注用精炼渣代替发热剂的工艺探索

刘海澜　乔世章

(中国第一重型机械股份公司炼钢分厂，黑龙江161042)



真空浇注用精炼渣代替发热剂的工艺探索

刘海澜乔世章

(中国第一重型机械股份公司炼钢分厂，黑龙江161042)

在浇注真空钢锭工艺中，加入发热剂是必不可少的，通过对发热剂作用的分析，经过实际生产试验，证明了用精炼渣替代发热剂的可行性。

真空钢锭；发热剂；精炼渣

无论真空浇注还是大气浇注，在浇注完毕后，在冒口的钢液面上部都要加入发热剂和保温剂，这已成为必不可少的工艺环节。发热剂又分化出多个种类，如：高碳的、中碳的、低碳的、无碳的。发热剂经过多次改进，出现了发热和保温功能二合一的发热保温剂等。本文通过分析和生产试验，探索用精炼渣替代发热剂，简化工艺，提高质量。

1　真空浇注的工艺流程

工艺流程：精炼后的钢水→浇入中间包→浇入钢锭模→破坏真空→加入发热剂→加入保温剂。

发热剂是浇注完毕破坏真空后，通过真空盖上方的溜管加入的，一般加入量为(1.4～2)kg/t钢水。真空浇注原理见图1。

2　发热剂的作用

2.1发热剂的化学成分和理化指标

发热剂的化学成分见表1。

表1　发热剂的化学成分(质量分数，%)Table 1　Chemical composition of heat generating agent (mass fraction, %)

1—精炼包　2—精炼渣　3—精炼钢水 4—中间包　5—钢锭模　6—真空室　7—溜管图1　真空浇注原理Figure 1　Principle of vacuum pouring

发热剂的理化指标见表2。

2.2发热剂在钢锭上的加入位置

发热剂在钢锭上的加入位置见图2。

工艺规定：真空浇注结束后，在破坏真空后的50 s内，从窥视孔通过漏斗加入第一批发热剂，用量0.5 kg/t钢水；真空盖打开后，3 min内通过筛网加入第二批发热剂，用量1.0 kg/t钢水。

表2　发热剂的理化指标Table 2　Physical and chemical indicators of heat generating agent

1—保温剂　2—发热剂 3—冒口　4—钢锭模　5—钢水图2　发热剂加入位置示意图Figure 2　Sketch of adding position of heat generating agent

2.3发热剂的作用

(1)钢锭浇注结束以后，冒口中与空气接触的钢液迅速降温并马上结晶，早期形核往往以非金属质点为结晶核，因此，这些先期结晶的微小结晶体含杂质较多，并且比重比液态钢水大，会逐步向钢锭下部沉积，这就是我们常说的结晶雨。结晶雨最后堆积到钢锭底部形成沉积堆，由于沉积堆中含有较多杂质，锻造时需把沉积堆切除。

(2)钢水在凝固过程中，体积要收缩，易形成疏松和缩孔缺陷，冒口内的钢水可起到补缩的作用，减轻或避免凝固缺陷。

(3)发热剂的作用就是熔化冒口内钢水最早形成的结晶，减轻结晶雨的产生，减小沉积堆的大小，提高钢水纯净度。发热剂还有保温作用，使冒口内钢水减缓凝固，达到凝固补缩的作用，减少凝固缺陷。

2.4用精炼渣取代发热剂的操作方式

浇注完毕不加发热剂，用本炉的精炼渣替代发热剂，把精炼包中的精炼渣浇入中间包，通过中间包在真空状态下浇入冒口，破坏真空前精炼渣即覆盖在冒口内的钢液面上。

2.5用精炼渣取代发热剂的理论根据

2.5.1液态精炼渣和发热剂发热对比

(1)液态精炼渣的显热计算

假设在冒口内覆盖200 mm的液态精炼渣，液态渣的比重为3.0 t/m3，温度为1 500℃，冒口直径为D(单位：m)，那么，液态精炼渣具有的显热为8.0×105D2kJ。以下为计算过程：

①精炼渣的质量计算

冒口直径为D(单位：m)，精炼渣厚度h=200 mm=0.2 m，密度ρ=3.0 t/m3，则精炼渣的质量m渣=1/4πD2hρ=4.7×105D2g。

②精炼渣各组分的摩尔质量计算

根据一重精炼渣的分析结果(渣系为CaO-SiO2)，各组分的质量百分数分别如下：w(Al2O3)为5.62%，w(CaO)为58.8%，w(SiO2)为26.58%，w(Fe2O3)为0.52%，w(MgO)为7.18%，w(MnO2)为1.03%。因此各组分的摩尔质量分别为：n(Al2O3)=m渣·w(Al2O3)/M(Al2O3)=4.7×105D2×5.62%/102=259D2mol。

同理计算得：

n(CaO)=4935D2mol

n(SiO2)=2103D2mol

n(Fe2O3)=34D2mol

n(MgO)=843.6D2mol

n(MnO2)=55.6D2mol

③计算各组分的恒压摩尔热

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

同理计算得：

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

前几天电视上播了一件事。一个七十岁的老太太卖房，合同也签了，人家买房的也给了两万块定金。没有过几天，看到房子还可以卖个更好的价钱，老太太就反悔了，说不卖就不卖了，而且违约金一分钱也不给。人家买房的拿她没办法，来请电视台出面调解。面对媒体，老太太竟还是理直气壮，就一句话，要命有一条，要违约金一分钱没有。电视上播这条消息时，主持人也看不下去，说这个老太太倚老卖老。我说句玩笑话，若是碰到刘大人，这个老太太大概就知道怕了，你不是七十岁吗，就打你七十大板。

因此ΔH精炼渣=ΔHAl2O3(s)+ΔHCaO(s)+ΔHSiO2(s)+ΔHFe2O3(s)+ΔHMgO(s)+ΔHMnO2(s)=-8.0×105D2kJ

即冒口直径为D(单位：m)放入200mm厚精炼渣具有的显热为-8.0×105D2kJ。

(2)发热剂的发热量计算

按1.5kg/t钢水的发热剂加入量计算，发热剂的发热就是通过铝的氧化放热所得，根据发热剂的含铝量15%，冒口发热剂燃烧后厚度为200mm，计算发热剂的发热量为4.745×104D2kJ。以下为计算过程：

①发热剂的密度ρ=1.8×106g/m3，按1.5kg/t钢水加入时，其燃烧前在冒口的厚度h约为25mm，因此发热剂的加入量m发=1/4πρhD2=π/4×1.8×106×25×10-3D2=3.53×104D2g，其中D为冒口直径(单位：m)。

发热剂中Al含量按15%考虑，则Al的摩尔质量为n(Al)=m发×15%/M(Al)=3.53×104D2×15%/27=200D2mol

根据铝-氧反应得知，当n(Al2O3,s)=200D2mol时，其在温度为1 773K时的反应焓为：

综上计算可以看出，从发热量比较，液态精炼渣具有的显热远大于发热剂燃烧后放出的热量，液态渣完全可以达到发热剂的发热效果。

2.5.2液态渣的保温效果

液态渣对钢水有很好的保温效果，这也是钢渣在炼钢过程中的主要作用之一。另外，渣子上方再加碳化稻壳保温，综合保温效果是没问题的。

2.5.3液态渣对结晶雨的影响

原工艺在浇注完毕破坏真空时，钢水液面是裸露的，破坏真空时液面表层由于没有保护，会形成结晶，进而形成结晶雨。若用精炼渣取代发热剂，钢水浇注完毕精炼渣随即进入冒口，覆盖在液面上，形成保温层，隔绝了钢液与空气的接触，在破坏真空时液面表层就不会形成结晶雨。因此，液态渣取代发热剂对减轻结晶雨是大有好处的。

2.5.4液态渣对吸附夹杂的影响

精炼渣本身就是精炼钢水时造的高碱度低氧化铁还原渣，是精炼钢水时必不可少的，对钢水中的非金属夹杂有很好的吸附作用，在这一点上，用精炼渣取代发热剂对净化钢液更有优势。

3　生产试验方法和结果

3.1锭型和钢种的选择

锭型从33t到120t，钢种主要有30Cr2Ni4MoV、YB-70、60CrNiMo、30Cr2Ni2Mo、42CrMo等，基本上涵盖了公司的常规产品。

3.2试验工艺

(1)在精炼包钢水浇注完毕后，不关闭水口，把部分精炼渣浇入中间包内，当中间包钢水浇注完毕后，把中间包内的精炼渣再浇入冒口内，破坏真空后，再加入1kg/t钢水的碳化稻壳保温剂。

(2)冒口内精炼渣的浇入量应控制在200mm～250mm。根据不同锭型冒口大小和中间包直径，来确定精炼包往中间包的精炼渣浇入量。

3.3试验结果

试验结果见表3。

表3　试验结果Table 3　Tested results

3.4试验结果讨论

3.4.1冒口收缩情况

在浇注的20支钢锭中，冒口收缩平缓，保温效果良好。

3.4.2钢锭内部质量情况

共浇注20支钢锭，产品锻件30个，检测合格率达到100%，质量明显提高。

3.4.3对成本的影响

发热剂的价格一般在8 000元/t左右，精炼渣取代发热剂是废旧利用，不需要投入。以一重炼钢分厂2015年钢水产量16万t、加入发热剂按1.5kg/t钢水计算，全年可节约发热剂240t，合计190多万元。长期来看，可节省大量采购成本。

4　结论

(1)通过理论计算及实际生产试验均证明，真空浇注用精炼渣代替发热剂完全可行。而且液态精炼渣取代发热剂对减轻结晶雨、吸附钢水中非金属夹杂更有优势。

(2)精炼渣取代发热剂是废旧利用，零投入，可降低炼钢成本。

(3)发热剂燃烧后释放的大量浓烟不易处理，严重污染生产现场环境。取消发热剂用液态精炼渣代替，没有烟尘，更加环保。

(4)精炼渣取代发热剂，减少了一个操作环节，缩短了工艺流程，既减轻了劳动强度，又提高了生产效率。

编辑杜青泉

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