连续铸钢用中间包衬里损伤的红外检测分析.pdf

26 卷 第 1 期 北京Vol.26 No.1 20042Journal of University of Science and Technology BeijingFeb. 2004 收稿日期 2003–04–09聂向晖 男31 岁 工程师硕士 国家 973 重大基础理论研究资助项目No.199900650 在连续铸钢过程中 中间包是位于钢包和结 晶器之间用于钢液浇注的装置其主要有减压 稳流去渣储钢分流和中间包冶金等重要作 用 它的外壳用钢板焊成 内衬由保温层 永久层 和工作层组成 某炼钢厂1方坯注机中间包采用 两层衬里其工作层材质为碱性干式振动料 永久层材质为 Al–Mg 浇注料包内钢液温度为 15301550平均包龄为 92 炉传统的做法是 根据经验对中间包实行定期的更换而实践证 明 在不同的工艺及操作水平下中间包衬里的损 伤程度是不同的 本文的主要目的是通过红外热 像检测技术 建立起中间包表面温度与衬里损伤 间的定量关系 从而实现中间包的定期大修制度 向预制性维修制度的转变 1理论分析 中间包过程散热包括钢包注流散热 中间包 蓄热 中间包壳表面散热 中间包液面对流及辐 射散热 中间包水口注流散热等 由模型计算可 知 包衬蓄热量最大 但随浇注时间的增加而渐 趋饱和上表面辐射散热量约为中包衬蓄热的 1/2 上表面对流散热量占辐射散热量的1/4 钢壳 外表面散热量最小 中间包钢液温度场的分布受多种因素的影 响 而中间包钢液的温度分布和均匀性直接影响 了中间包的散热及其包壳温度分布在浇注初 期 由于钢包钢液热分层作用 钢包中低温钢液 首先注入中间包 因而中间包钢液温度较低 在 中间包纵向底部温度低 接近上部温度高 而顶 部存在低温钢液层 在同一中间包深度上 钢液 温度没有较大差别 随时间的延长 中间包包衬 蓄热过程逐渐结束和中间包内钢液均热过程的 进行 钢液温度趋于均匀 综合分析中间包温度分布及中间包过程降 温 影响包衬温度分布的主要因素有 1中间包 热状态 2中间包包衬的保温性能 3中间包结 构及容量 4连铸拉速及浇注时间 5中间包温 度场分布 6中间包钢液热分层程度 中间包包衬侵蚀损伤的主要原因有 1高温 钢液 15301550及钢渣对包衬耐火材料的侵 蚀 2钢包钢液对中间包包底包衬的冲击损伤 3 在中间包水口附近受到的涡旋液流的冲刷损 伤 4中间包内温度急剧变化引起的包衬损伤 因而中间包损伤较快的部位主要有 渣线附 近 可通过观察及时发现包底水口附近及包底 受冲击部位 [1 2] 中间包易损部位主要集中在包底 在其使用 过程中 经内衬蓄热 钢液均热等过程 其底部达 到最高温度 此时可以认为中间包底部的传热为 一维稳态传热 在无强制通风冷却的情况下 其 表面向周围环境散失的热量 Q 由对流散热Q 连续铸钢用中间包衬里损伤的红外检测分析 聂向晖 1,2 李晓刚 1 杨体绍 2 李 明 1 谭 依 2 1 北京科技大学腐蚀与防护中心 北京市腐蚀 磨蚀与表面技术开放实验室 北京 100083 2 安阳钢铁集团公司 安阳 455004 摘要利用一维稳态传热模型 计算中间包底面温度 建立了底面温度与中间包衬里损伤 程度间的对应关系 发现中间包底面温度随着衬里损伤程度增加而增加 红外热像检测表明 中间包底面温度随着包龄的增加而增加红外热像技术可以有效地对中间包衬里损伤进行 检测 利用所建立的理论关系式 可以实现对中间包红外热像的定量分析 关键词中间包红外热像一维稳态传热损伤 分类号TF777; TN219 46 20041 和辐射散热Q两部分组成 可按下面方法计算 QQ Qm mtt01 式中, m 为对流散热系数,m 为辐射散 热系数,t 为表面温度 t 为环境温度 对流传热系数m 与包壁的方位有关有如 下关系 [3] 垂直包壁m 1.5 tt 1/4 2 包 炉 顶m 2 tt0 1/4 3 包底m 1.1 tt0 1/4 4 辐射传热系数m与包壁外表面的黑度 和 温度有如下关系 m4.88 273.15t 100 4 273.15t0 100 4 / tt05 在一维稳态时可以得到下面的关系 t1t / s1/1s2/2 m mtt06 式中,t1为中间包内温度 s1为工作层厚度 m s 2为 永久层厚度 m 1为工作层导热系数2为永久层 导热系数 这里 取在各种工艺下中间包内平均温度t1 1540包衬材料的导热系数 工作层为碱性干 式振动料10.204永久层为Al–Mg浇 注料1.71环境温度为车间内平均 温度t030 Al–Mg 浇注料厚度s20.075认为 导热系数不随温度变化而变化 针对工作层厚度 0.1 0.09 0.08 0.070.02 0.01m 几种情况对其 底面温度进行计算 以确定底面温度与衬里工作 层损伤程度间的定量关系 计算结果见图 1 2中间包红外热像检测结果 为了评估对其中间包衬里的损伤情况 对 1 方坯注机部分中间包进行了红外检测 其检测条 件如下 仪器采用的是日本TVS2000 型红外热像 仪 量程为402000测试精度为 0.05环 境温度为 25中间包外壳发射率为 0.81 检测 结果如图 2 73中间包在检测时包龄为 62 炉图中 a 点 369.95, b点312.4, c 点322.97, d 点330.01, e 点 224.3f 点 214.9a 点衬里损伤程度介于 78cm之间 d点衬里损伤程度介于67cm之间 c点衬里损伤程度约6cm e,f点衬里基本无损伤 图 3 为 42中间包在检测时包龄为 78 炉 在 图中 a 点 401.41b 点 298.92c 点 289.6 d 点 298.92e 点 246.12 f 点 305.13 g 点 326.87h 点 246.12i 点 283.39a 点衬里损 伤程度介于89cm之间 g点衬里损伤程度6cm f点衬里损伤程度小于 6cm b,c,d,i点衬里损伤程 度 4cm 图 4 为 85中间包在检测时包龄为 41 炉 图 中 a 点 346.54b 点 348.37c 点 302.61 d 点 275.15e点 187.29f点 172.64a,b点衬里损 伤程度约 7cm c 点衬里损伤程度 5cm d 点衬里 损伤程度 4cm e, f, g 点衬里基本无损伤 012345678910 损伤程度/cm 图 1 中间包包底温度与工作层损伤程度 Fig.1 Relationship between the temperature of the bottom surface of a tundish and the damage degree of tundish lin- ing 0 100 200 300 400 500 600 底面温度/ 图 2 73中间包包底红外热图 Fig.2 Infrared image of the bottom surface of 73tundish 图 3 42中间包包底红外热图 Fig.3 Infrared image of the bottom surface of 42tundish Vol.26 No.1聂向晖等连续铸钢用中间包衬里损伤的红外检测分析47 3分析与讨论 在钢包中间包的使用过程中随着其工作 层材料衬里的损伤 包衬的平均温度随着损伤的 进行而升高 在包衬材料与熔融金属或钢渣接触 的条件下 熔融金属与熔渣将沿耐火材料的气孔 通道浸入工作层 并与工作层的组分发生反应产 生化学侵蚀作用 在钢液 钢渣 包衬耐火材料的 组成和性能一定的条件下 熔渣侵入工作层的深 度 取决于包衬内的温度梯度 显然 包衬内的温 度梯度越大 熔渣侵入工作层的深度越浅 这是 因为熔渣侵入工作层后 其温度迅速降低到凝固 点之下 从而使熔渣的渗透停止 由此不难想到 在包衬工作层与熔渣直接接触的条件下 随着衬 里材料损伤的不断进行 包衬内的温度梯度将变 小 导致熔渣侵入工作层的深部 使反应变质层 增厚 在温度发生波动时 包衬工作层发生崩落 掉片 加速包衬的损伤 这种现象对于高耐火性 能的碱性内衬尤为普遍 红外热像检验可以发现 随着中间包炉龄的 增加 其底面最大温度也在不断地增加 对中间 包的检验结果汇总 利用红外热像分析 可以得 到中间包包龄与最大底面温度与衬里材料损伤 程度间的对应关系 见图 5 由此可以看出 中间包的工作层损伤程度及 其底面温度都随包龄的增加而增加且在 260370间近似呈线形关系 钢包和中间包的红外热像检测是在一维稳 态传热的基础理论上进行分析与运算的 在这里 对其传热模型进行了简化 并且利用了一些经验 公式与经验数据 在前面的论述中也注意到一些 个别点的温度甚至低于钢包和中间包底部衬里 完好状态时的 375和 223 且在实践工作之中 发现衬里损伤程度与计算的结果有一定的偏差 这主要是由以下原因引起的 1测量角度的影响 对于中间包这样的扩展 源来说它的发射功率不仅与源的面积有关还 与观测的方向及所取的立体角的值有关 并非均 匀分布但对于有些扩展源假定其辐射度与方 向无关为一常数单位立体角的辐射功率与源 的表观面积成正比即漫辐射源或朗伯体而大 多数绝缘材料相对表面法线方向的观察角在 60以内导电体的观察角在 50以内 在工程计 算中都可以近似地看作是朗伯体 2 表面发射率的影响 在测量与计算中 认 为中间包钢壳的发射率 0.81而实际物体的发 射率 与它的表面性质 温度 波长及观测条件等 因素有关并非一个定值而是在一定的范围内 波动的 3 导热系数的影响 不同的材料 导热系数 不同即使是同一种材料导热系数的值还与物 质的结构 密度 成分 温度和湿度有关 由于影 响导热系数的因素很多 因而各种物质的导热系 数一般都用实验测定 在前面的分析与计算中是 图 4 85中间包包底红外热图 Fig.4 Infrared image of the bottom surface of 85tundish 050100050100 包龄/炉包龄/炉 图 5 中间包包龄与底面最大温度 工作层损伤间的关系 Fig.5 Relationship between the tundish age, the maximum temperature of the bottom surfase, and the damage degree of tundish lining 0 100 200 300 400 500 底面温度/ 工作层损伤程度/cm 0 2 4 6 8 10 48 20041 根据内衬无损伤时的表面温度及内部温度 计算 出它在这种工作条件下的导热系数 并认为衬里 损伤后温度变化对导热系数无影响 且认为每一 个中间包内衬的导热系数都是一致的 4附加热阻的影响 对于中间包来说 认为 其工作层与永久层间结合是紧密的 两层间并没 有附加热阻存在 其导热热阻仅仅包括工作层和 永久层两部分 此外 测量及外部条件 特别是温 度 风速等对其检测结果都有一定的影响 因而 利用红外热像对其衬里损伤进行评估时 也应类 似其他无损检测方法 引入当量尺寸的概念 对 于两个不同深度的损伤 在相同的条件下 如果 它们引起的表面温度变化是一致的 就认为它们 的损伤程度是一样的 即当量尺寸一样 因而 这 里所计算的损伤程度 与实际损伤的几何尺寸是 有一定的差异的 4结论 1利用一维稳态传热模型 建立了中间包底 面温度与其衬里损伤程度间的定量关系 结果表 明中间包底面温度随着衬里损伤程度增加而 增加 2 红外热像检测及分析发现中间包的底面 最大温度随着包龄的增加而增加 因而可以利用 红外热像检测技术实现对中间包衬里损伤程度 的在线检测与评估 3通过对中间包的红外热像检测 为由中间 包的定期大修制度向预制性维修转变提供了理 论依据和数据积累 参 考 文 献 1王雅贞张岩刘术国. 新编连续铸钢工艺及设备 [M]. 北京 冶金工业出版社 1999 2李顶宜, 王志道. 钢罐不同罐衬结构的热工特性研 究[J]. 冶金能源 1987 61 176 3孙鸿宾殷晓静杨晶. 辐射换热[M]. 北京冶金工 业出版社 1996 4李晓刚 付冬梅. 红外热像检测技术在石化工业中 的应用[J]. 激光与红外 2000 305 265 5关荣华 曹春梅. 工业设备内部缺陷的红外诊断研 究[J]. 激光与红外 2001 314 228 Infrared Detection and analysis on the Lining Damage of a Continuous Casting Tundish NIE Xianghui1,2LI Xiaogang1YANG Tishao2LI Ming1TAN Yi2 1 Corrosion and ProtectionCenter of University of Science and TechnologyBeijing, The Key Lab of Corrosion, Erosion and Surface Technology of Beijing, Beijing 100083, China 2 Anyang Iron infrared image; one-dimensional steady-state heat transfer; damage