中间包干式料塌包分析与解决措施

摘 要：通过规范施工、完善烘烤制度和永久衬及工作层胎模设计等方式,提高干式料中温强度,减小干式料热态线膨胀,可以有效解决中间包干式料烘烤及浇钢过程中的塌包问题。中间包工作层是保护中间包正常使用的基础;连铸中间包工作层的发展可以分为4个阶段：无工作层阶段、绝热板阶段、涂抹料或喷涂料阶段、干式料阶段。中间包干式工作衬与涂抹料相比，具有施工方便，热效率高，中间包周转快，使用寿命长，残衬解体性好和能耗低等优点，在连铸中间包冶金工业中得到广泛应用[1,2,3,4]。镁质材料具有较好的抗高铁和高碱性熔渣的侵蚀性能，具有使用寿命长、不污染钢液的特点，已逐渐在中间包工作衬中应用，具有良好的使用效果和应用前景。但是方镁石热膨胀系数大，0～1 500℃时为(14～15)×10-6℃-1，并随温度升高而增加。这对在线烘烤制度要求比较高，在烘烤制度不完善的情况下，容易发生大面积坍塌和局部剥落的现象，导致生产不能顺行。导致干式料坍塌的主要原因是中温强度低、热态膨胀大、透气性差。针对这一情况，本文中，着重研究了如何提高干式料在烘烤过程中的中温强度，减小中温烘烤膨胀，改善干式料的透气性，以及对施工过程进行优化，最终解决了干式料塌包的问题。

1 塌包问题分析

1.1 塌包现象

中间包干式料工作层在烘烤及使用过程中经常出现塌包的现象，如图1所示，图1(a)为中间包在线上烘烤100 min后，包壁温度在800～1 000℃，发现大长面工作层大面积塌料现象，无法进行正常开浇。图1(b)为浇钢初期塌料。

图1 中间包干式料工作层塌包图

1.2 塌包原因分析

1.2.1 施工原因

在中间包干式料工作层脱模时，若操作不当发生磕碰或者脱模剂涂抹不均匀导致干式料产生裂纹，这些过程形成的缺陷会在工作层烘烤过程中形成薄弱之处，严重时就会导致烘烤塌包。烘烤后准备浇钢的中间包工作层，通常仅在加热面一侧形成氧化脱碳层，强度很弱，背面为强度很高的碳化层。在塌包的断片中(如下图2所示)，断片分为三层：碳化层被夹在中间，背面一侧也因氧化形成了脱碳层[5]。分析出现两个脱碳层的原因主要是：干式料施工性能不好，或者是新永久衬施工，在烘烤过程中与永久衬结合性能不好，打结完好后，与永久衬形成离鼓现象;现场操作施工水平欠佳，中间包周转紧张存在热包施工(永久衬温度超过100℃)，烧嘴布置不均匀或者烘烤时间长导致的部分位置工作衬全部硬化，这些都会导致工作衬离鼓。在线烘烤过程中形成上述所说的夹心层，进而导致塌包。

图2 塌包断片示意图

1.2.2 线上烘烤制度不完善

中间包干式料工作衬烘烤过程中，随着中间包温度的升高，酚醛树脂逐渐固化，固化后的树脂在200℃～800℃时分解，释放出CO2,CO,CH4,H2及H2O等气体，由图4可以看出，在300～600℃，几乎排出所有气体状成分。同时留下固定炭，即树脂被碳化，形成碳网络结构，这种气体量虽没有涂料产生的水汽量大，但如果升温速度快导致结合剂分解过快，会造成大量气体聚集膨胀，再加上干式料工作衬体密大，振动比较密实，严重时会导致工作层烘烤塌包。因此，选择裂解速度比较平缓、残碳量高的结合剂，分解的气体尽可能的少，对降低塌包风险有一定的作用。从防爆性能方面考虑，与浇注料相同的道理，引入一些可以导通气道的纤维，或者轻振降低干式料的体密，让裂解产生的气体快速排出，缓解内部应力。

图3 酚醛树脂加热时放出气体速度与温度的关系[6]

1.2.3 干式料中温强度较低

中间包干式料工作层在低温烘烤脱模后需要吊至浇注位继续烘烤，加热至1 100℃以上才能投入使用。中间包干式料工作层的强度特性如图4所示，镁砂烧结温度高，750～1 100℃时是没有烧结的，这时干式料工作层的结合强度处于较低的阶段，干式料工作层的中温强度低是导致烘烤时塌包的重要原因。

图4 中间包干式料工作衬的强度特性示意图[1]

1.2.4 干式料热态线膨胀较大

受热胀冷缩因素的影响，加上镁砂本身热膨胀性的影响，干式料在线烘烤到1 100℃时产生的膨胀，应力集中释放会产生离鼓，在薄弱处形成裂缝，导致开浇后钻钢或塌包。

2 烘烤塌包解决措施2.1 优化施工，减少离鼓

(1)施工前用测温枪测量永久衬温度，在永久衬温度低于100℃时开始施工(酚醛树脂软化点103～106℃);(2)低温烘烤时在干式料变色厚度达到总厚度的1/3时即可关火，避免烘烤时间过长导致工作层离鼓;(3)脱模时用天车将胎膜吊起防至指定位置，脱模时注意用力均匀，不得将干式料衬体破坏产生裂纹。

2.2 优化干式料方案，加强中温强度

采用91烧结镁砂(粒度为5～3、3～1 mm)为骨料，1～0 mm和200目细粉采用电熔镁砂，酚醛树脂为结合剂，固定骨料中镁砂和结合剂总量不变，分别加入不同的促烧剂，配方代码分别标记为A1、A2、A3、A4、A5。将干式料制成160 mm×40 mm×40 mm的样块，测定样块在1 100℃保温3 h烧后强度，以评定试样的中温强度和烧结性能。

表1 不同促烧剂时干式料的中温强度

黏土是由多种矿物混合而成，没有固定的熔点，而是在一定的温度范围内逐渐软化。当黏土在加热煅烧的过程中，达到一定温度(800～900℃)后，继续升高温度时，黏土中低共熔物质开始融化，液相出现并逐渐增加，填充在固体颗粒之间，由于液相表面张力的作用，使得未熔颗粒进一步靠拢，引起体积急剧的收缩。由上表可以看出，通过添加硼酸、玻璃粉，干式料的中温强度明显提高，主要是因为其熔点偏低，其促进了材料的中温烧结。在脆性的干式料中引入有机纤维，纤维高温下熔融，产生微气孔，利于树脂分解的气体排出，增强衬体的透气性。但是纤维加入量不宜过多，否则对抗渣性能不利。

2.3 调整干式料配方，减少热态线膨胀

按照表2中方案，采用酚醛树脂为结合剂，添加一定量的促烧剂，将干式料制成φ20 mm×100 mm的圆柱样块，测量样块从室温加热到1 500℃过程中的热态线膨胀曲线，如图5所示。

表2 干式料热态线膨胀曲线试验方案

图5 干式料热态线膨胀曲线图

从图5中可以看出，在500℃以下范围内，3个样块线膨胀率差别不大，此温度下以酚醛树脂分解为主。超过800℃时，4个样块的线膨胀率差异开始变得明显，其中采用电熔镁砂为原料的试样A8最大，采用91重烧镁砂为骨料的试样A6次之，试样A7最小。说明高温下电熔镁砂较重烧镁砂线膨胀大，重烧镁砂中气孔、杂质较多，高温下能够吸收部分膨胀，而电熔镁砂晶粒较大，杂质少，气孔小，高温下直接结合，线膨胀较大。7#采用黏土、硼酸、有机纤维复合促烧剂的试样线膨胀明显降低。

2.4 永久衬倾斜度和烘烤制度

根据酚醛树脂的分解特性及干式料中温强度低的特点，适当延长烘烤时低温烘烤的时间，快速越过中温烘烤阶段，尽快使干式料工作层达到烧结状态，降低大火快速烘烤。针对倾斜度较小的中间包壳，特别是工作层厚度较薄、包壳较深、窄且长的中间包，在设计永久衬胎膜和工作层胎膜时要考虑适当加大倾斜度，那么干式料发生坍塌的概率会大大降低。针对新永久衬表面光滑不易干式料附着，考虑将其表面处理成麻面，也有利于降低干式料坍塌风险。

3 结语中间包干式料工作层在设计、施工、使用不当的情况下会发生烘烤及浇钢过程塌包的现象，经过现场大量的实践探索以及实验数据，证明在规范干式料工作层施工、调整干式料配方、优化烘烤曲线、增加工作层倾斜度等方面开展工作可以解决中间包工作层塌包的情况。