CN113773708A - 一种中间包多功能衬及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中间包多功能衬及其制备方法和在中间包中的应用。所述中间包多功能衬，以质量百分比计，原料组成包括：炭黑15％～50％，成膜物质1.5％～65％，水和/或有机溶剂7％～70％，助剂0.2％～15％；所述中间包多功能衬位于中间包的永久层和工作层之间。所述制备方法包括步骤：(1)将成膜物质分散、溶解在水和/或有机溶剂中，得到成膜物质溶液；(2)在搅拌下，将炭黑、助剂加入到成膜物质溶液中，充分搅拌得到多功能衬涂料；(3)采用手涂和/或喷涂的方式在中间包的永久层上进行多功能衬涂层施工，成膜、烘烤形成中间包多功能衬。

Description

一种中间包多功能衬及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及钢铁冶金设备领域，具体涉及一种中间包多功能衬及其制备方法和应用。

背景技术

中间包在连铸过程中主要用作钢水的容器及分配器，但随着洁净钢工艺的发展，中间包冶金功能得到了重视并进行了深入的研究，多项中间包冶金技术得到了实机应用并迅速推广。比如中间包净化功能(坝墙挡渣、吹氩及过滤除杂、流场优化等)、调温功能(衬体保温、喷粉调温、连续测温、感应加热及等离子加热等)、精炼功能(碱性涂层、碱性覆盖剂、双层渣、喂钙线防堵、喂丝微调合金成分等)等。

通过改变或改良中间包衬体构造，以实现良好的保温效果(保温层)、净化功能(碱性涂层)是中间包冶金的重要手段。目前，中间包主要采用永久层、工作层两层结构或保温层、永久层、工作层三层结构两种衬体构造，以两层结构为主，只有些大型钢企才使用保温层。保温层，也称为绝热层，多由低导热高气孔类纤维、轻质料、绝热板、反射板等材料制成。永久层，为中间包衬的主要耐热、承重、抗侵蚀部位，可由硅酸铝质、高铝质、莫来石质、镁(橄榄石)质等多种材质的浇注料、烧成砖、预制块制成。工作层，也称为涂层，是与钢水直接接触的“工作”介质，为一次性消耗材料，一个浇次后要通过翻包操作同渣层、残钢等一起与永久层剥离，多为铝(硅)质、镁质或镁钙质碱性材料，采用手工涂抹、机械喷涂或干式料等方式施工。需要澄清的是，一些日本企业也把浇注层或砖衬实体层称为工作层，而把涂料层就叫作涂层，有时工作层下还有层粘土砖或轻质浇注料称为永久层。我国多把涂层视为工作层。

根据上述构造的中间包衬体，在使用中存在工作层与永久层粘连、烧结，难以翻包，并易损坏永久层，导致劳动效率低下、永久层寿命降低、生产成本增加等问题。

为了解决上述问题，专利CN202427934U在永久层和工作层之间设置隔热层，隔热层由硅质绝热板或硅质浇注料形成，厚度为20-60mm。显然，该隔热层较厚，会大幅度降低中间包容积不利于夹杂物上浮。不然，就必须相应降低永久层厚度或保温层、工作层厚度，而这都会影响包衬的使用寿命。同样的，专利CN204975308U也提出了防粘耐高温隔离层的概念，其特征在于隔离层为厚度2-3mm，颗粒度为1-3mm的废粘土砖层、废高铝砖层或石英砂颗粒层，并声称该层能够解决工作层与永久层之间的烧结粘连问题。但是，对于上述两专利，硅铝质隔热层尽管能起到一定的隔热效果，但其防粘作用就值得商榷了。由于同为无机耐火材料一族，硅铝质材料自身与永久层及工作层材料都存在较强的化学结合作用，无论永久层、工作层是什么材质，很难做到同时兼顾与永久层的良好结合及与工作层的良好解体分离效果。在经过1400℃以上的(隔离层在浇钢时的热平衡温度)高温处理后，尤其是在高连浇长时间的高温环境中，硅铝隔离层会与两边衬体发生不同程度的渗透、烧结反应，其结合强度可能会略低于工作层与永久层的结合强度，但仍不能完全解决翻包困难问题。

另外，对于湿法涂层，无论手工涂抹或机械喷涂方式施工，为了达到合适的和易性、粘附性，均要引入一定量的水份作为结合剂的溶剂，而涂层施工时中间包永久层往往处于一定温度下，比如对于周转包多规定只有在永久层表面温度低于100℃时方可进行涂层施工，由于该表面温度多为强制冷却所得而其时永久层衬体内部温度要更高些，涂层施工过程中永久层会吸收大量的水分，温度越高所需的饱和水分就越多，从而一定程度上提高了涂层的需水量，继而也造成大量的水分被吸入永久层衬体中。这些水分在涂层养生及烘烤阶段中不能充分排出时，会有部分水分在中间包浇钢时经由包壳导气孔以蒸汽或液滴形式释放，严重时包底滴水滴入结晶器会酿成事故。尤其对于养生不足的涂层，在烘烤阶段大量的水分会被火焰压力逼入中间包衬体而不能及时排出，更容易导致浇注时中间包滴水。

发明内容

本发明提供了一种中间包多功能衬，为采用炭黑为主要原料的有机涂膜，由炭黑在分散剂、固化剂等助剂作用下均匀分散于有机成膜物质的水溶液或有机溶剂分散介质中热固化形成，用于解决现有技术中工作层与永久层烧结粘连的技术问题，同时具有隔热保温、减少涂层用水量及防止中间包滴水的功能。

一种中间包多功能衬，以质量百分比计，原料组成包括：

所述中间包多功能衬位于中间包的永久层和工作层之间，为永久层与工作层的夹层。

所述成膜物质主要由树脂或油脂组成，还可以包括部分不挥发的活性稀释剂。水性涂料用成膜物质如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮等聚合类水溶性高分子材料均可。

作为优选，所述的中间包多功能衬，所述成膜物质包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、苯丙乳液中的至少一种。

所述炭黑为多功能衬涂料的填料，为涂层的主要固含物，优选地，本发明中单独使用，不引入其他无机填料，以避免降低涂层的防粘、保温效果。

所述炭黑可为涂料、油墨、密封胶工业用高分散性粉状炭黑，多为分散性和抗絮凝性较好的高结构色素炭黑。为避免分散扬尘问题，也可以使用炭黑母粒或浆状物。

在一优选例中，所述的中间包多功能衬，所述助剂包括分散剂。所述分散剂为炭黑的辅助分散材料，为可选组分。

优选地，所述分散剂包括适用于分散碳素材料的解凝剂、润湿剂、悬浮稳定剂等可对炭黑颗粒进行表面改性以增强其分散性的有机试剂中的至少一种。

在一优选例中，所述的中间包多功能衬，所述助剂包括固化剂和增塑剂。所述固化剂为有机成膜物质的固化增强材料，以防止成膜后再次水溶。如甘油、聚乙二醇复配增塑剂对聚乙烯醇共混膜的固化增强。

对于聚乙烯醇成膜剂，优选地，所述固化剂和增塑剂为甘油、聚乙二醇。

在一优选例中，所述的中间包多功能衬，所述助剂包括消泡剂、防腐剂、成膜助剂中的至少一种。加入微量消泡剂、防腐剂等功能助剂以改善浆液制作性能和储存性能。

优选地，所述消泡剂包括磷酸三丁酯。

在一优选例中，所述的中间包多功能衬，所述中间包多功能衬的厚度为0.5～2mm。

在一优选例中，所述的中间包多功能衬，所述炭黑的颗粒尺寸为纳米级，热导率为0.023～0.035W/(m·k)。

本发明选用炭黑为衬体的主要构成物质，主要利用了炭黑的如下性质：

1、不易与其他无机材料和熔融金属反应，而且难以润湿。对永久层及工作层耐材能起到很好的隔离作用而不发生粘结。

2、炭黑良好的绝热性。炭黑的多孔性使其热导率很小，几乎与静止的空气相同，数值在0.023～0.035W/(m·k)范围。因而作为夹层材料，炭黑对中间包衬体具有较好的绝热保温作用。

3、炭黑极大的比表面积。炭黑颗粒尺寸为纳米级，比表面积极大，作为涂膜材料可极大地降低材料的用量及膜层的厚度。因而多功能衬层厚度极薄，喷涂一般可控制在0.5～1mm内，最厚处也不过2mm，对中间包容积及钢水深度几乎不产生任何影响。

本发明选用有机高分子成膜物质作为衬体的结合系统，主要是因为：

1)水性聚酯树脂薄膜一般在约100℃以上固化时无有毒气体产生，在300℃左右就能完成分解反应，分解产物将直接蒸发或在更高温度下遇氧燃烧生成二氧化碳和过热水蒸气，在中间包烘烤阶段就能完成该过程而基本无残留物，不存在与永久层、工作层之间的任何反应可能。

2)有机薄膜有防水作用，在涂层施工过程中能够阻止涂料中水分向永久层的渗透扩散，从而可有效减少中间包涂层的用水量并避免中间包滴水现象。

本发明还提供了所述的中间包多功能衬的制备方法，包括步骤：

(1)将成膜物质分散、溶解在水和/或有机溶剂中，得到成膜物质溶液；

(2)在搅拌下，将炭黑、助剂加入到成膜物质溶液中，充分搅拌得到多功能衬涂料；

(3)采用手涂和/或喷涂的方式在中间包的永久层上进行多功能衬涂层施工，成膜、烘烤形成中间包多功能衬。

本发明还提供了所述的中间包多功能衬在中间包中的应用。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种中间包，由外至内依次包括壳体、可选择性设置的保温层、永久层、所述的中间包多功能衬、工作层。

换言之，所述中间包衬体即包括自中间包壳体依次设置的保温层+永久层+多功能衬+工作层四层结构或永久层+多功能衬+工作层三层结构。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1.采用本发明中间包多功能衬，能有效隔离永久层及工作层，阻止两者之间的烧结粘连，易于翻包剥离，不破坏永久层，能够解决中间包翻包问题。

2.本发明多功能衬为炭黑层，具有良好的绝热保温功能，能够有效减低中间包衬的散热损失，保持中间包钢水温度的稳定，对浇注顺行及铸坯质量是有益的。

3.本发明在涂层施工过程中，有机膜的形成能够阻止涂层水分向永久层的渗透，从而能够减少涂层用水量并进而防止中间包滴水事故。

4.本发明多功能衬为一层薄膜，不改变中间包容积及中间包钢水深度，不影响浇注工艺，同时烘烤释放的烟气少，烘烤时间及能源消耗少，有利于节能环保。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

下述各实施例的中间包多功能衬的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制成膜物质溶液：根据成膜物质使用技术要求，首先制作规定浓度的成膜物质溶液，按配比量取成膜物质、水和/或有机溶剂，进行分散、溶解，备用。

(2)配制多功能衬涂料：涂料配制采用一般的水性聚酯涂料制作工艺即可。按照设计配比，称取炭黑、成膜物质溶液及助剂，先将成膜物质溶液加入混合器，启动搅拌器，将炭黑、各种助剂按投料顺序逐次加入成膜物质溶液中，充分高速搅拌，最后根据需要可再加水调整到要求的浓度，达到规定要求的固含量、容重及粘度等指标。对于乳液类成膜物质，如苯丙乳液，为了防止破乳，也可首先向水中加分散剂和润湿剂，再加炭黑，高速搅拌制得浆液。然后再将乳液加入浆液，持续搅拌，再加入成膜助剂、消泡剂等。

(3)多功能衬涂层施工：涂层施工可以采用手涂或喷涂两种方式。手涂用滚筒滚涂或毛刷刷涂均可，但优选机械喷涂，因为机械喷涂效率更高，涂料附着力更强，涂层更为致密，涂料利用率高。根据成膜物质属性及涂料粘度可选用无空气喷涂机、空气喷涂机、高压无气喷涂机、低流量中压喷涂机等多种喷涂设备。

(4)多功能衬的养生及烘烤：多功能衬在冷态中间包涂层施工后，需要一定时间的养生，待成膜后再进行中间包工作层的施工。多功能衬在热态中间包的施工温度与工作层保持一致即可，可在中间包工作层施工前进行多功能衬施工，有机高分子涂层在60～100℃温度范围内一般都能够瞬时成膜，无需养生。多功能衬的烘烤与中间包工作层的烘烤制度一致，无需特别关注。

实施例1

一种中间包多功能衬涂料，原料的质量份为：炭黑19～45份，3wt％聚乙烯醇水溶液50～70份，磷酸三丁酯为炭黑和聚乙烯醇水溶液总质量的0.1％～0.4％。甘油、聚乙二醇按质量比4:1复配比例以聚乙烯醇水溶液质量的10％～15％加入。氨基醇无碱溶液有机解凝剂、司马化工PEPTAPON71S釉用悬浮稳定剂、司马化工GLYDOL N2002碳素材料润湿剂分别为炭黑质量的0.1％～0.5％、0.3％～0.6％、0.5％～1％。炭黑及聚乙烯醇的用量根据施工方式略有变化，手涂方式炭黑可适当提高用量，而喷涂则要兼顾浆体的流动性。

按照上述设计配比，称取炭黑、成膜物质溶液及助剂，先将成膜物质溶液加入混合器，启动搅拌器，将炭黑、各种助剂按投料顺序逐次加入成膜物质溶液中，充分高速搅拌。

浆料性能指标为：容重(25℃)1.1～1.4g/cm³，固含量19wt％～45wt％，喷涂料粘度涂4杯≤60秒。

适于手涂施工，低粘度低固含量浆体也可喷涂。

一种具体的优选配方：以质量份计，炭黑33.3份，3wt％聚乙烯醇水溶液66.7份，外加磷酸三丁酯0.3份，外加甘油、聚乙二醇分别为聚乙烯醇水溶液质量的8％、2％，外加氨基醇无碱溶液有机解凝剂、司马化工PEPTAPON71S釉用悬浮稳定剂、司马化工GLYDOL N2002碳素材料润湿剂分别为炭黑质量的0.2％、0.5％、0.8％。该体系的测试指标为，容重(25℃)1.25g/cm³，固含量35wt％，涂4杯粘度48秒。涂料手涂、喷涂均可。

实施例2

一种中间包多功能衬涂料，原料的质量份为：炭黑30～50份，苯丙乳液(固含量40wt％～50wt％)40～70份，磷酸三丁酯消泡剂0.2～0.5份，醇酯十二成膜助剂0.4～0.8份，水10～30份。解凝剂氨基醇溶液、润湿剂司马化工GLYDOL N2002碳素材料分别为炭黑质量的0.1％～0.5％、0.5％～1％。

首先向水中加解凝剂和润湿剂，再加炭黑进行预先分散，高速搅拌制得浆液。然后在低速搅拌下，将苯丙乳液缓缓加入浆液，持续搅拌，再加入成膜助剂、消泡剂等配制成涂料。

浆料性能指标为：容重(25℃)1.1～1.4g/cm³，固含量30wt％～50wt％。

料浆粘度较高，适于手涂施工，刷涂、滚涂均可。

一种具体的优选配方：以质量份计，炭黑35份，40wt％苯丙乳液45份，水19份，醇酯十二0.6份，磷酸三丁酯0.4份。外加氨基醇溶液、GLYDOL N2002分别为炭黑质量的0.2％、0.8％。该体系的测试指标为，容重(25℃)1.32g/cm³，固含量38wt％。涂料适于手涂。

本发明的中间包多功能衬容易拆包、翻包，不伤害永久层，降低劳动强度，提高了中间包衬使用寿命。同时具有保温作用，有效降低中间包包壳温度及中间包钢水温降，并能减少中间包工作层涂料的需水量，防止中间包浇注中滴水。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种中间包多功能衬，其特征在于，以质量百分比计，原料组成包括：

所述中间包多功能衬位于中间包的永久层和工作层之间。

2.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述成膜物质包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、苯丙乳液中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述助剂包括分散剂；

所述分散剂包括适用于分散碳素材料的解凝剂、润湿剂、悬浮稳定剂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述助剂包括固化剂和增塑剂；

所述固化剂和增塑剂为甘油、聚乙二醇。

5.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述助剂包括消泡剂、防腐剂、成膜助剂中的至少一种；

所述消泡剂包括磷酸三丁酯。

6.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述中间包多功能衬的厚度为0.5～2mm。

7.根据权利要求1所述的中间包多功能衬，其特征在于，所述炭黑的颗粒尺寸为纳米级，热导率为0.023～0.035W/(m·k)。

8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的中间包多功能衬的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)将成膜物质分散、溶解在水和/或有机溶剂中，得到成膜物质溶液；

(2)在搅拌下，将炭黑、助剂加入到成膜物质溶液中，充分搅拌得到多功能衬涂料；

(3)采用手涂和/或喷涂的方式在中间包的永久层上进行多功能衬涂层施工，成膜、烘烤形成中间包多功能衬。

9.根据权利要求1～7任一权利要求所述的中间包多功能衬在中间包中的应用。

10.一种中间包，其特征在于，由外至内依次包括壳体、可选择性设置的保温层、永久层、权利要求1～7任一权利要求所述的中间包多功能衬、工作层。