一、研究的背景与问题

中间包是连铸生产的重要设备，中间包内的钢液温度直接影响连铸过程的顺利进行，是保证连铸坯质量的重要保障。在中间包内，钢液的温度是保证铸坯质量的重要工艺参数。包内钢水温度过高会导致铸坯鼓肚、中心偏析等多种缺陷的发生，浇注温度过高会使坯壳过薄而引发漏钢事故；温度过低会使钢液粘度大，夹杂物上浮困难，还可能导致水口结瘤、浇铸中断等问题。此外，中间包钢水温度控制对浇注速度、二冷水量的调节起着重要作用，是稳定连铸工艺控制和提高产品质量的重要保障。

目前，由于连铸中间包耐火材料材质的局限，会使中间包保温效果大打折扣，导致钢液温降过大。为了确保浇注过程的顺行，不得不提高转炉（或精炼炉）出钢温度，过高的出钢温度为连铸工序的顺行带来了诸多弊端。中间包钢液温度横向梯度大(~10℃)，铸坯性能不稳定。中间包外壳温度较高,造成浇注平台环境温度较高，对称量压头等电气元件也产生了影响。冶金炉出钢温度是影响冶金炉工序各项技术经济指标的关键环节，冶金炉出钢温度过高时会造成如下影响：

1、大幅度增加钢中氧含量，降低合金收得率。随着冶金炉终点温度的提高，钢的氧含量会大幅度增加，带来冶金炉脱氧剂的用量增加，合金的收得率降低。

2、降低冶金炉炉龄。过高出钢温度会直接侵蚀冶金炉炉衬，增加了冶金炉耐材消耗，降低了冶金炉炉龄。

3、对钢产品的实物质量不利，一方面增加了脱氧产物，使钢水中夹杂物增加，另一方面，由于对耐材的侵蚀加剧，会流入钢中，形成夹杂。

4、成本增加。据报道冶金炉平均出钢温度每增加1℃，成本上升约1元/吨钢。

为减少中间包温降，传统做法是对中间包进行加热补偿，目前国内主要加热方法为感应加热。该方法具有设备投资高、运行成本大、维修量大和环境影响大等缺点。也有通过增加纳米保温板改善保温效果，使用初期效果较好，但纳米板只能用一次，成本高，易吸水，后期粉化，传热效果大大降低。

武汉科技大学研究人员采用的中间包真空-防热辐射协同保温技术克服了传统加热技术和保温方法的缺点，提供了一种简单可靠、节能环保的中间包温控技术。

二、解决问题的思路与技术方案

真空绝热方法具有优良的保温性能，已经在航空航天、低温超导等领域得到了广泛的应用。高发射率红外辐射材料作为一种新型防热材料具备优良的辐射散热性能，可把材料表面积聚的热量通过热辐射的形式散发出去，目前广泛应用于工业窑炉内壁中。

鉴于目前的中间包保温方法存在保温效果不理想或投资成本高等诸多不足，创新性地提出中间包真空-防热辐射协同保温方法（图1、图2），即通过在中间包壳体上实施具有防热辐射功能的真空层（通过特殊制备方法可保留中间包外壳透气孔），以降低包体热损失，减小钢液温降并提高其温度均匀性，提高包体寿命。结果表明真空中间包保温方法可使中间包包壁温度降低100~200℃，出钢温度降低3~8℃，保温效果良好。

图1 真空-防热辐射保温中间包结构示意图

图2 真空-防热辐射保温中间包包壁示意图

通过搭建了热模拟平台进行了大量实验和数值仿真研究，针对真空-防热辐射协同保温连铸中间包的传热机制、抗热震性能等做了大量研究工作。

1、建立了真空-防热辐射协同保温中间包耦合传热模型，揭示了真空度、发射率、真空-防热辐射厚度等因素对真空-防热辐射层传热的影响机制。

2、阐明了中间包永久层-防热辐射层-金属真空基体界面作用对中间包的传热影响机制，揭示了界面作用对防热辐射材料表面特性及传热性能的影响规律，制定了防热辐射材料选型依据准则。

3、阐明了真空-防热辐射协同保温中间包传热与包体抗热震性能的内在关系，获得了合理的真空-防热辐射保温中间包真空度、发射率、传热系数等特征参数，确定了复合真空层的设计准则。

4、搭建了真空-防热辐射协同保温中间包热模拟平台，获得了真空-防热辐射协同保温中间包的构建参数，阐明了构建参数与保温性能之间的关系，为真空-防热辐射保温中间包提供了设计准则。

 图3 技术路线图

三、主要创新性成果

1.开发了一种适用于冶金包的真空-防热辐射协同保温新方法

为加强连铸中间包的钢液温度精准控制，从而实现钢液低过热度浇铸，创新性地提出中间包真空-防热辐射协同保温方法。通过在中间包上构造具有真空层的双壳体结构，并结合低发射率的防热辐射材料，以降低包体热损失，减小钢液温降并提高其温度均匀性，提高包体寿命。对实现低过热度高效连铸生产高品质钢铁材料和节能降耗具有重要的科学意义和应用前景，对钢包等冶金包和冶金炉等高温设备的保温方法提供借鉴意义。

2.开发了一种适用于冶金包体的耐高温防热辐射材料

基于真空保温中间包技术在中间包包壁涂覆一层保温隔热涂料，隔绝热辐射能更有效的减少中间包的热量损失。而目前市面上的防热辐射材料大多都不适用于冶金炉体的高温复杂环境。为此，通过掺杂复合等方式开发了新型防热辐射材料，其具有发射率低、高温下涂敷性能好、热稳定性强等优异特性。

图4 高温烧结下的防热辐射材料

图5 不同烧结温度的防热辐射材料发射率

3.揭示了真空-防热辐射协同保温中间包的多场耦合传热机制

与普通中间包相比，真空-防热辐射协同保温中间包的传热方式发生改变，钢液-耐火材料-防热辐射层-金属-真空层-金属-环境之间的传热介质及传热方式更为复杂。通过对冶金高温条件下真空-防热辐射中间包传热过程涉及到的导热、辐射、对流传热问题进行深入研究，建立起了“钢液-耐火材料-防热辐射层-真空层”多层耦合传热数学模型，揭示了“钢液-耐火材料-防热辐射层-真空层”间的传热机制，中间包永久层-防热辐射层-金属真空基体界面作用对包体传热影响机制。

图6 真空-防热辐射协同保温中间包内钢液温度场

图7 新型/传统中间包体温度梯度

4.揭示了真空-防辐射协同保温中间包包体抗热震行为的影响机制

真空-防热辐射中间包高温服役环境对其热应力影响较大，特别在换包期间，真空-防热辐射层热稳定性受到极大影响，易造成包体疲劳损伤。通过阐明不同真空度和发射率等特征参数对中间包包体热应力分布的影响规律，揭示了真空-防热辐射协同保温对包体抗热震行为的影响机制。

图8 中间包包体各层应力场云图

四、应用情况与效果

连铸中间包真空-防热辐射温控新技术先后于宝钢股份有限公司、无锡新三洲特钢有限公司进行了工业应用，对这种新型真空防热辐射保温连铸中间包的使用效果作出了以下结论：一是其对中间包永久层和工作层的施工和烘烤无不良影响，同时不影响原中间包的容量和流场，与传统中间包相当。二是采用的真空室-防热辐射材料设计达到了隔热保温的效果，大面、冲击区、冲击区拐角、包底等主要测温点，温度降幅＞100℃，使用后的真空-防热辐射协同保温中间包的温降比普通中间包可降低4.5℃左右。按照行业内公认的算法：钢水出钢温度每降低1℃，成本可降低1元，大大节省了炼钢成本。

图9 宝钢股份新型真空中间包 

图10 无锡新三洲特钢新型真空-防热辐射协同保温中间包

信息来源：武汉科技大学、宝钢股份有限公司、泰州市旺鑫耐火材料有限公司、新疆众和股份有限公司