CN1985012B - 夹芯线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种夹芯线，该夹芯线包括至少一个隔热层，其特征在于所述层由当与例如液态钢的金属熔池接触时热解的材料制成。

Description

夹芯线

技术领域

本申请涉及含有压实的粉末或颗粒材料的管形外皮的技术领域，这些夹芯的外皮被用于处理液态金属尤其是钢，并且一般被称为“夹芯线”。

背景技术

通过在液态金属熔池中引入这些夹芯线尤其可以对该熔池进行精炼、脱氧、脱气、镇静和/或改变熔池的成分。

因而，例如在对高炉生铁进行脱硫制备钢的过程中，已知使用了含有Mg和C₂Ca或Na₂CO₃、CaCO₃、CaO、MgO的夹芯线。

除了其它过程例如钢包搅拌、喷粉、CAS(CompositionAdjustement Sealed)、钢包电弧炉、RH(Ruhrstahl Heraeus)、槽真空之外，夹芯线一般被用于钢的二次冶炼。

夹芯线被用于生铁的脱硫、用于获得GS生铁，并用于铸铁的接种。

生铁的接种在于在生铁中引入有利于石墨晶核形成而不利于渗碳体的元素，这些元素例如是碱金属、碱土金属(Ca)或者铋，其与硅成合金。一般地，脱硫、球化和接种是按顺序进行的。通常使用镁和碳化硅，并且熔池温度约为1300-1400℃，也就是说小于液态钢包的相应温度。

夹芯线在炼钢过程中的基本作用就是脱氧、脱硫、夹杂物控制、和控制钢的级别。

脱氧操作包括将来自转炉或电炉的液态钢中溶解的氧(含量约为500ppm或更高)与脱氧剂结合，该脱氧剂的一部分保持在液态金属中的溶解状态。在对1600℃下铁水中的溶解氧与各种氧化元素达到平衡时的活度曲线进行分析发现添加适量的铝可以大大降低残留的溶解氧含量，铝的加入可以生成纯氧化铝，因此，铝被广泛地用作钢板用的脱氧剂。

对于电炉来说，在其钢包中流动的金属都进行一定程度上的脱碳、脱磷，但是会沸腾：考虑到其溶解氧的含量，CO％×0％的乘积使得在特定的温度下CO形成反应在液态钢熔池中是自发的。

脱氧由此被称作镇静，这是相对于液态原钢熔池的这种沸腾来说的。

在夹芯线中包含的脱氧剂一般是铁合金(铁硅、铁锰，铝)。脱氧导致了氧化物的形成(氧化硅、氧化锰、氧化铝)，在对钢包进行适度搅拌的情况下，这些氧化物沉淀到熔渣中。

尽管采取了所有预防措施，但是氧化铝残留夹杂物会导致水口堵塞或者使得在诸如由薄扁钢锭的连续铸锭得到的具有小横截面的成品上出现缺陷。

因此，对于具有铝的镇静钢来说，夹芯线通常还包含钙。在含铝的镇静液态钢中添加钙合金使得可以通过钙的部分还原来改变氧化铝夹杂物。铝酸钙在液态钢的温度(约1600℃)下是液态的，因而当它们的CaO含量为40％-60％时在产品上是球状的。在熔体中能对夹杂物起改变作用时所需的钙含量取决于金属熔池中的铝含量。通过夹芯线引入的钙的大部分因而以铝酸钙液态夹杂物的形式存在于液态金属中，其含量不超过几个ppm。

在实际中，很难避免由于夹芯线中所含的钙的急剧挥发所导致的液态钢的剧烈沸腾。这是因为在1600℃下，钙的蒸汽压为大约1.8atm。如果非常强烈的话，该沸腾会扰乱夹芯线在钢熔池中渗透的条件，并且伴随有熔池的污染，该钢熔池会被氧化或者再氮化。同时，液态钢会穿过熔渣层飞溅出来，并且在再落下之前与空气接触而被氧化。此外还存在钢液从钢包喷溅出的危险。

这因此会导致所获得的钢中O₂、N₂甚至H₂含量的增加。可以通过引入不是非合金化的而是CaSi形式的钙来减少沸腾，不过具有在液态钢中引入氧化硅的主要缺点，这对于某些钢如用于深冲的钢来说是不利的。

为了克服这种缺陷，已经提出以CaNi合金的形式引入钙，该合金非必要地与少许CaSi合金混合。在专利EP0190089中还介绍了其它解决方法。

为了克服这种缺陷，还可以考虑通过在具有低浓度氮的钢的情况下注入氩气来吹洗金属表面与炉顶之间的空间。在实际中，由于炉子不是密封的，因此强氩气流会吸入空气，而弱氩气流会导致在液态钢包上方的气态空间中受到抑制的惰性化时间。

应当指出，搅拌或氩气通过钢包的多孔塞砖的鼓泡会引起熔渣表面的胀鼓，这会使钙由于挥发或氧化而加大损耗，在同时引入夹芯线的情况下，该胀鼓会导致液态金属与空气的直接接触。

添加钙的表观效率只反映了金属的夹杂净度(propreté)。该效率是低的，通过夹芯线添加的钙的绝大部分由于挥发和/或与大气的氧化，通过熔渣和难熔物质的形式损失。

因此，为了将这些二次反应减少到最少，非常重要地就是在细致地沉淀脱氧夹杂物之后进行钙的添加并且使该添加适应对于这些夹杂物来说所希望的转化率。

事实上，由于钙与难熔物质和/或中间包中的粉末的接触而产生的外生氧化物夹杂物在金属凝固之前是很难去除的。这些氧化铝夹杂物是固态的并且比铝酸钙夹杂物更有害，例如导致堵塞连续水口。

对于具有低铝含量和高硫含量的钢来说，利用具有钙的夹芯线处理含铝的镇静液态钢还会导致形成硫化钙，该硫化钙在连续水口中沉积。

通过添加置于夹芯线中的化学组分对夹杂状态进行的控制基本上涉及氧化物和硫化物。

硫的添加提高了硫化锰的量和钢的机械加工性能。

通过添加钙、硒或碲可以在随后的变形过程中改变夹杂物的组成，形态或者流变性能。

对于轴承钢、易切钢、气动钢筋钢或者阀弹簧钢来说，夹杂净度的控制是特别重要的。

因此，通过夹芯线的化学添加而对钢进行的脱氧和夹杂状态的控制是取决于炼钢者的技术知识的复杂操作，对于该操作来说，夹芯线的质量是非常重要的：组成的均匀性，尤其是压制的均匀性。

因此在生产和使用夹芯线的过程中出现了大量的实际问题，其中的一些如下所述：

不充分或不均匀的压制

在外皮中所含材料的不均匀压制会使每单位时间内引入钢熔池或液态金属中的这种材料的量不均匀。

夹芯线中所含材料的不充分压制会使得可以通过将夹芯线插入到液态金属熔池中而引入到液态金属中的材料的每单位时间的量下降。

如果压制不充分，粉末状材料会在夹芯线的内部移动。

展开时过度的机械力

如果压制过程需要金属外皮进行大的塑性变形，则夹芯线的外皮由于冷加工而导致的提高的刚度会导致大的展开力，尤其是从具有小曲率半径的小直径的卷筒上展开时。

因此，术语“卷筒”在此用以指被称作“动态的”包装卷轴以及被称作“静态的”包装笼架的壁。

夹芯线不足的刚度

一些夹芯线(尤其是具有扁横截面的夹芯线)具有的刚度不足以使其能够被引入到某些高密度金属熔池的一定深度，特别是当这些熔池被高粘度的熔渣覆盖时。

在展开过程中的螺旋变形

在展开用静态笼架包装的夹芯线时，可以观察到该夹芯线的螺旋变形，以致于该夹芯线不能穿透进入金属液态熔池中，而且弯曲并保持在表面上。

夹芯线外皮的破裂

对于某些产品来说，在将夹芯线从其存储卷轴或其笼架上展开的过程中，或者在夹芯线被引入液态熔池之前其矫直的过程中，可以观察到夹芯线外皮的破裂。

用于夹芯线的外皮带材闭合的其它技术(边与边接合、覆盖、焊接)具有其它的缺点：会降低粉末/套之比的过厚的外皮，焊接时粉末劣化的风险。

减少在熔池中引入给定量添加物的时间

当夹芯线触及熔池的容器底部或在具有足够的时间熔化之前就从熔池中出来时，则提高夹芯线的引入速度会引起意外事故。

夹芯线直径的增加会导致卷取半径的增加，并且用于卷取这类夹芯线的线轴会变得太大，以致于不能容易地用在炼钢厂小的可用空间中。

作为指示，为了在150吨的钢包中每1吨钢中引入1千克的CaSi，即将150Kg的CaSi粉末放置在夹芯线中，其密度为240g/m，那么需要625m的该夹芯线，以2m/s引入该千米夹芯线的工作时间大于5分钟。

夹芯线的过早破坏

如果夹芯线的外皮由于穿入金属熔池时快速熔化而被过早破坏，则夹芯线中的内容物在熔池表面附近被释放。

在液态金属熔池中夹芯线的“U”形变形

此外，现有技术的文献认为夹芯线在液态金属熔池中会丧失其刚性并且逐步弯成U形，这样会使夹芯线中的内容物在被释放之前夹芯线的尾端就上浮到表面。这种上浮现象尤其是因为铁水静推力而导致的，并且夹芯线的表观密度一般低于金属熔池的密度。

如果夹芯线含有钙、镁，则这些元素在液态金属熔池中浅深度中的释放会导致太高的效率损失，例如对于生铁的脱硫来说。

钙在液态金属熔池中浅深度中的大量释放会导致剧烈的反应和液态金属的喷溅。

夹芯线在液态金属熔池中穿入的深度不足

例如在文献US4085252中记载了穿入深度L、夹芯线金属外皮的厚度e以及铈棒的直径d之间的关系：L＝1.7(e+0.35d)v.10^-2，其中v表示夹芯线的引入速度，出于安全考虑，该速度为3-30m/mn。

如果深度L浅时，例如30cm，这样会加大夹芯线中所含产品与漂浮熔渣接触的风险，从而导致夹芯线中产品的损耗。

如果深度L太浅，则可能存在夹芯线中所含化学元素在液态金属熔池中分布不均匀的风险。

夹芯线中所含粉末的反应性和连铸设备的堵塞

如文献US4143211中所示，如稀土元素、Al、Ca、Ti的元素与氧的化学亲和性会导致氧化物的形成，这些氧化物会粘附在连铸设备的流量调节口的内壁上并引起堵塞。

因此必须给炼钢者提供这样的夹芯线，该夹芯线有利于均匀引入对于最终钢铁冶炼产品所寻求的结果(脱氧、夹杂控制、机械强度等)来说正好所需的量。

为了解决这些技术问题中的至少一个问题，现有技术提出了大量的结构以及夹芯线的生产方法，例如在下面的文献中所示出的：

-以下述编号公开的欧洲专利申请：0032874，0034994，0044183，0112259，0137618，0141760，0187997，0236246，0273178，0277664，0281485，0559589；

-以下述编号公开的法国专利申请：2235200，2269581，2359661，2384029，2392120，2411237，2411238，2433584，2456781，2476542，2479266，2511039，2576320，2610331，2612945，2630131，2688231；

-以下述编号公开的美国专利：2705196，3056190，3768999，3915693，3921700，4085252，4134196，4147962，4163827，4035892，4097267，4235007，4364770，4481032，4486227，4671820，4698095，4708897，4711663，4738714，4765599，4773929，4816068，4832742，4863803，4906292，4956010，6053960，6280497，6346135，6508857。

对少数以上文献的简要介绍显示出了为响应在引言部分中提出的各种技术问题而考虑的技术解决方案的极大的不同。

文献EP-B2-0236246中记载了一种夹芯线，该夹芯线包括金属外皮，其通过在周边叠压而接合，其本身闭合并且其边缘在压实的物料内部，该压实的物料形成了该夹芯线的芯。

该接合是沿着夹芯线外皮的发生器进行的，并且可以通过在整个接合带宽度内形成横向压痕的卷边接合进行加固。通过与接合区相对地形成敞开褶皱并且之后通过径向压力闭合这种褶皱来实现夹芯线中芯的压实。

夹芯线的外皮一般由钢或铝制得并且包含例如Ca含量为30重量％的CaSi的粉末合金。

文献US 4163827中记载了一种包含基于硅铁的芯的夹芯线，该硅铁中含有Ca、Al，并且以粉末的形式包埋于树脂或聚合物如聚氨酯粘合剂中，在通过0.025-0.15mm厚金属、塑料或纸的薄带的单或双螺旋压制进行封装之前，该芯通过挤压制得。这种类型的夹芯线有很多缺陷。首先，形成树脂的材料是一种污染源，它在液态金属熔池中是不可接收的。其次，夹芯线的机械强度和刚度非常不足。

第三，硅铁粉末相对于液态金属升高的温度实际上是不被保护的。

文献EP0032874中记载了一种夹芯线，它包括薄带金属套，该薄带金属套包含有添加物，其至少部分被厚度小于100微米的带状的合成有机或金属材料的外皮围绕着。该夹芯线是扁平形状的。该薄带是由聚乙烯、聚酯或聚氯乙稀制成的，并且形成不透水的装置，其可以是热收缩性的。该专利文献没有对这种扁平的夹芯线的制备过程进行描述，这种夹芯线的概念看起来更可能是一种想象而不是一种工业实践。

来自申请人的文献FR2610331中也记载了一种夹芯线，该夹芯线的中轴区含有第一种粉末或颗粒材料，该材料被中间金属管壁围绕着，在该中间壁和夹芯线外皮之间有一环形区域，在该环形区域中含有第二种粉末或颗粒材料。有利地，该中轴区内含有的材料与要被处理的熔池最具反应性。

只要这种夹芯线的外部金属外皮没有损坏，那么填充环形区域的材料就起到隔热的作用，这减少了中间壁温度的增加，从而降低了夹芯线弯曲的风险，这是因为中间壁保有一定的刚度，而弯曲会妨碍夹芯线引入到熔池中。

文献US3921700中记载了一种钢制外皮的夹芯线，该夹芯线含有轴向的镁线和铁粉，该铁粉具有低热导性和高热容，从而形成隔热体，以在夹芯线引入钢液中时使镁不会被加热得太快。作为一种变化形式，将石墨或碳与铁粉混合。

在使用夹芯线的过程中出现的技术问题当中，一些问题是由于在实际操作过程无法确定当夹芯线引入如1600℃的钢包这种液态金属熔池中时该夹芯线会发生什么情况而引起的。尤其是，下面的问题是棘手的问题：在熔池中夹芯线的形状是怎么样的(直的，弯成U形)？在什么深度该夹芯线由于熔化而被破坏。在现有技术中，除了一些不相关且有时矛盾的信息外，针对这个主题并没有任何发现。

文献FR2384029记载了一种接种线，这种线包括钢制外皮，填充着压实的粉末状硅铁化合物，其中硅的重量百分比为大于65％。根据这个早期文献可以了解到，在该夹芯线引入液态金属的过程中，硅朝钢制外皮进行扩散，以致于：

-夹芯线中所含的接种剂的熔化温度将降低；

-夹芯线套的钢的熔化温度将降低；

碳扩散经过夹芯线套的外表面。

根据这个早期文献，将一种包括含有75％硅的硅铁(熔化温度1300℃)的低碳钢套(熔化温度1538℃)的夹芯线引入如1400℃的灰口铸铁中时，该夹芯线在大约1200℃熔化，这种熔化是由所述套的内部开始的，这是因为硅在该套内的扩散降低了低碳钢的熔化温度。

文献US4174962中提到，除了硅的这种扩散之外，即使该套的熔化温度高于液态金属熔池的温度，但是由于侵蚀和扩散，夹芯线套的外壁也会溶解。

文献US4297133中记载了一种由纸卷成层的管，该管是通过金属薄膜封条进行接合的。当该管置于1600-1700℃的钢液熔池中时，所指出的纸的燃烧时间是3秒。

在公开FR2821626和FR2810919中，申请人描述了具有外皮的夹芯线，由于它们可燃且不留下有害残余物，因此它们可以即刻降低热量向夹芯线芯部的传送，因为这些外皮是由被称作烟火应用纸的纸制成的，这种纸具有可燃性和隔热性。

根据申请人的这两个早期的文献可知，通过增加纸的层数从而减慢含有钙的夹芯线的暴露或者这种钙的蒸发，因此该夹芯线可以引入到液态金属熔池的足够的深度中，从而避免与夹芯线中内容物的熔池表面反应，以及避免下面风险的出现：熔池的氧化和/或再氮化，液态金属的喷溅、冒烟、通过夹芯线引入添加物的工艺过程的低产率。

根据这两个早期文献可知，烟火用纸的慢燃烧并不会产生对液态金属熔池的成分有影响的燃烧残余物，也不会产生改变熔池的流动性的夹杂物。在文献FR2821626所述的实施方式中，在这种在液态金属熔池中不会残留任何痕量有害物质的燃烧烟火用纸的外皮的上面，金属保护被应用，以防止烟火用纸层在卷到夹芯线轴上时或者从该轴上展开时被损坏。

申请人也感到困惑的是在文献FR2821626和FR2810919中记载的夹芯线并不总是得到优于剥去了纸带的夹芯线的产率，该纸带以螺旋方式卷绕。

发明内容

申请人决定寻找一种解决这一技术问题的方法，这是通过提供一种夹芯线来实现的，该夹芯线在液态金属熔池中的使用寿命相对于普通夹芯线被增加，这样它可以在液态金属熔池中到达预定的深度。

申请人在长期复杂的试验之后特别发现：

1)在夹芯线引入液态金属熔池(夹芯线的自由经过区域)之前，重要地是避免文献FR2821626和FR2810919中所述纸卷的任何燃烧，

2)避免这种燃烧的措施，

3)当纸的燃烧并没有发生在夹芯线进入液态金属熔池之前时，可以确保夹芯线的使用寿命提高，该纸不必是烟火型的，或者M1级或具有高的阻燃性，这与文献FR2821626或FR2810919中的记载相反，该纸在液态金属熔池中不燃烧，但是会热解从而转变为一种其热物理性能不被申请人所知的材料，这种热解只有通过下面详细记载的一些措施才能完成。

申请人因而发现了用于提高夹芯线在液态金属熔池中的使用寿命的不贵且可靠的方法，这些方法与前面记载的用于夹芯线的各种结构都相容，并且这些方法为不同类型的已有夹芯线的各自优点中的每个优点提供了补充的有利技术效果。

因此，本发明的第一方面涉及一种夹芯线，该夹芯线包括至少一个隔热层，所述层是由当与例如液态钢的金属熔池接触时热解的材料制成的。

根据不同的实施方案，该夹芯线包括以下特征，这些特征在必要时可以组合：

-它包括包覆金属套(gaine)的外部隔热层，所述外部隔热层由在与液态金属熔池接触时热解的材料制成；

-该热解材料是牛皮纸、铝箔纸或包含至少一个牛皮纸带和至少一个铝箔纸层的多层；

-该热解材料覆盖有金属薄片；

-该金属薄片由铝或铝合金制成；

-该热解材料在热解之前的热导率是0.15-4W/m.K；

-该热解材料在热解之前的径向厚度是0.025mm-0.8mm；

-该热解材料的热解起始温度为大约500℃；

-该热解材料载有水或者具有高蒸发潜热，尤其具有高于2MJ/kg的蒸发潜热的化学物质；

-该热解材料包括湿纸层；

-该热解材料通过胶接固定到夹芯线内部的金属套上；

-该热解材料被置于夹芯线内部的金属套与金属外皮之间；

-该金属外皮是接合的(agrafée)，该热解材料通过插入(eninterposition)而置于接合带中，从而防止了在接合带中金属/金属的任何直接接触；

-内部金属套的径向厚度是大约0.2-0.6mm，金属外皮的径向厚度为大约0.2-0.6mm；

-该热解材料是厚度为0.1-0.8mm的单层或多层牛皮纸；

-该夹芯线包含压实的或者包埋于树脂中的粉末或颗粒形式的至少一种选自Ca、Bi、Nb、Mg、CaSi、C、Mn、Si、Cr、Ti、B、S、Se、Te、Pb、CaC₂、Na₂CO₃、CaCO₃、CaO、MgO、稀土元素的材料。

附图说明

在以下的实施方式的描述过程中，本发明的其它目的和优点将会更加显而易见，该描述将参考附图来进行，在附图中：

-图1是将夹芯线引入到液态钢熔池中的原理图；

-图2至图12是由数值模拟得到的温度随时间变化的曲线；

-图13至图21是温度随时间变化的曲线，并且是由申请人所领导的试验程序的结果。

具体实施方式

首先参考图1，该图是将夹芯线引入到液态钢包中的示意图。

将夹芯线(1)从例如申请人的文献FR2703334中记载的笼架(2)上或卷筒(3)上拉出，并且引入到注丝机(4)中。

该注丝机(4)将夹芯线引入弯导管(5)，并且在钢包(7)中所装的液态钢熔池(6)的表面上方大约1.00-1.40米的高度上从导管(5)中引出夹芯线。

夹芯线(1)因而处于三种非常不同的热环境中：

-第一环境，在该环境中夹芯线在导管的内部；

-第二环境，位于液态钢熔池的上方，在该环境中，夹芯线直接与周围的气氛接触；

-第三环境，其为钢或液体金属熔池本身。

申请人首先希望热模拟夹芯线的路径，以限制利用装有测量装置的夹芯线所进行的试验次数。

对于这个模型来说，通过计算形状因子和传递因子来模拟平的不透明灰色和漫射的表面之间的三维辐射交换。

通过平通量方法进行形状因子的计算，并且通过涂覆方法进行传递因子的计算，同时考虑漫射多重反射。

在导管内部，假设所接收到的通量是从包有形状因子为1的夹芯线的管中辐射出来的。

对夹芯线离开导管(5)之后和进入液态金属熔池(6)之前的自由行进来说，该通量被认为是辐射的，但来自液态熔池(6)和钢包(7)的壁。

在液态金属熔池(6)的内部，传热被认为是对流传热，所具有的交换系数约为50000W/m²K，其中表面温度是规定的。

夹芯线外表面的总辐射率被认为是0.8，并且导管的总辐射率是1，而熔池的总辐射率被认为是0.8。

交换的辐射热通量按照STEFAN-BOLTZMANN定律具有以下形式：

φ＝ε×F×σ×(T⁴ ₁-T⁴ ₂)

其中：

φ是指在两个表面之间交换的热通量，以W/m²表示

ε是指考虑了两个表面的辐射率的系数

F是指考虑了表面、形状和两个表面相对于彼此的取向的形状因子

σ是指STEFAN-BOLTZMANN常数，等于5.67×10^-8W/m²K

T₁和T₂是两个表面的开氏绝对温度，T₁高于T₂。

图2表示夹芯线与液态金属熔池之间的传递因子(ε×F)随着在这个液态金属熔池上方的距离的变化关系，横坐标上的0值是指液态金属熔池的表面。

夹芯线被认为包括三个同心柱状层，即钙芯，该钙芯用钢包覆，而这个钢套被纸包覆。

对于数值模拟来说，钙芯的直径为7.8mm，钢套的厚度为0.6mm，而纸的厚度可以设定为不同的数值，例如对于8层叠纸来说为0.6mm的厚度。

对于该模拟来说，夹芯线被认为成形为具有实心钙芯，该实心钙芯用钢套包覆或者与该钢套接触，而该钢套用纸包覆或者与纸接触。

导管(5)由恒定温度的中空钢圆柱体表示，它在时间T1内给夹芯线提供的能量，使得：

T1＝L1/V，

其中：

L1是导管(5)的长度，

V是夹芯线经过导管(5)的速度。

在数值模型中，液态金属熔池和钢包(7)的壁由具有向着夹心线的辐射和对流的等于1600℃的温度的容量来表示，据此夹芯线位于熔池(6)的上方或者位于这个液态金属熔池(6)中。

从夹芯线进入到液态金属熔池(6)中的时间T2开始，热交换是通过对流进行的，其具有非常高的交换系数(50000W/m2K)。

通过下述公式进行T2的计算：

T2＝L1+L2/V，

其中：

L2是导管(5)的最低部分与液态金属熔池(6)表面之间的距离。

夹芯线的喂进速率是2m/s，其中夹芯线的初始温度为50℃。

在离开导管(5)并且在引入液态金属熔池之前的夹芯线的自由行进的长度等于1.4m。

当通过计算钙芯表面的温度高于1400℃时，则认为夹芯线被损坏。

如图3所示，对于没有热保护的参照夹芯线来说，该模型显示出，在该自由行进的过程中钙芯表面温度仅提高70℃，而在仅以2m/s的速度进入到液态金属熔池内30cm之后，其就在0.15秒内达到了1400℃的阈值。

通过计算，钢套与钙芯的温度梯度不超过65℃。

因此，当钙芯表面的温度为1400℃时，钢套的外表面的温度是1465℃，这样在夹芯线被损坏之前该钢套不会熔化，因而在数值模拟的过程中不需考虑这种钢套的熔化潜热。

图4所示为四条表示夹芯线的钙芯表面温度随时间变化的曲线，其中这四条曲线中的每一条曲线对应于不同厚度的保护纸，也就是：

曲线4a对应于0.025mm，

曲线4b对应于0.05mm，

曲线4c对应于0.1mm，

曲线4d对应于0.6mm。

通过比较图3和图4可以发现，通过数值模拟可以显示包围钢套的纸的保护效果，其中这种纸的效果随纸厚度的增加而提高。

图4中所示的曲线是通过考虑纸层保持完好没有燃烧而获得的。

根据这种假设，厚度0.025mm的隔热应当足以保护夹芯线使其能够到达液态金属熔池的底部。

但是纸的燃烧温度是大约550℃。

已进行在自由行进过程中纸表面温度升高的研究，忽略了与辐射相关的对流的影响，这在实践过程中是有很大影响的。

图5所示为在夹芯线的自由行进的第一秒的过程中纸的表面温度随这种纸的热导率的变化，其中纸的厚度是0.6mm，并且夹芯线的展开速度是2m/s。

曲线5a对应的热导率是0.1W/K.m，曲线5b对应的热导率是0.15W/K.m，而曲线5c对应的热导率是0.2W/K.m。

图5表明纸的燃烧是可能的，并且在夹芯线自由行进的过程中纸的损坏未被排除。

图6表示纸的热导率为0.15W/K.m和夹芯线的引入速率为2m/s时纸表面温度变化的示意图，其中曲线6a对应的纸的厚度为0.6mm，曲线6b对应的是0.2mm并且曲线6 c对应的是0.1mm。

这个图6示出了通过降低纸的厚度可以降低这种纸的表面温度并且相应地降低当夹芯线在液态金属熔池上方自由行进的过程中这种纸燃烧的风险。

本领域技术人员知道，在如钢液的液态金属熔池的表面会覆盖有一层熔渣，该熔渣形成了热屏障，图7表明覆在夹芯线上的纸的温度受到该辐射源温度变化的很大影响。

曲线7a、7b、7c和7d分别对应的发射面的温度为1500℃、1400℃、1300℃和1200℃。

对于图7所表示的模拟来说，夹芯线的引入速度为2m/s，纸的热导率为0.15W/K.m。

通过这些被实验测试验证的数值模拟，申请人可以假设在采用如文献FR2810919中所述结构所获得的结果的可变性导致了纸在夹芯线于液态金属熔池上方自由行进时的燃烧，由此，一旦夹芯线处在液态钢熔池的内部，该纸对夹芯线不再有保护作用。

申请人另外还进行了以下假设：纸在液态钢熔池中不燃烧而是热解。

随后，申请人在进行数值模拟的过程中，考虑了纸是一种取决于温度而具有两种不同的热导率的物质：

-第一热导率，其是原纸的热导率(0.15W/K.m)，其中这个第一

热导率一直保持到其达到开始热解的大约500℃的温度；

-第二热导率(300W/K.m)，这是假设热解的纸的温度为600℃时的热导率，其中当已经达到600℃时假设热解结束。

在500℃和600℃之间，在该模拟中，假设热导率是从0.15W/K.m到300W/K.m随温度而线性变化的。

图8所示的是在夹芯线中所含的钙的表面温度的数值模拟结果，其中假设纸在其被热解之后立即溶于液态金属熔池中。

曲线8a对应于没有保护纸的普通夹芯线。

曲线8b对应于保护纸厚度为0.6mm的夹芯线。

曲线8c对应于保护纸厚度为1.2mm的夹芯线。

图8表示，如果纸在其热解后消失，则不可能保护夹芯线使其引入到钢液熔池的底部，即使纸的厚度加倍也是如此。

在工业测试中，申请人观察到，当夹芯线覆有保护纸的时候，该夹芯线有时到达熔池底部。

因而可能纸在热解之后在液态钢熔池的内部并不消失。

在无氧的情况下，通过将纸片的温度升到大约600℃来进行牛皮纸的热解，并且在热解前后对牛皮纸进行热导率的测试。

通过这个研究可以发现，在热解后纸的热导率的变化很小。

申请人因而又进行了数值模拟，与对应于图8的假设相反，这次认为纸在热解后不消失，其中纸在热解后的热导率分别为曲线9a、9b、9c和9d的0.15、1、2、4W/K.m。正如将在下文中看到的，这种模拟反映了试验结果。

为了避免包覆在夹芯线的钢套上面的纸的任何燃烧，申请人设想通过润湿这种纸或在纸上覆上铝箔纸来吸收或反射辐射。

图10是纸表面温度随时间变化的示意图，其中曲线10a、10b、10c和10d分别对应的湿度是0％、59％、89％和118％。

对于图10所示的模拟来说，夹芯线的引入速率为2m/s，其中纸的热导率是0.15W/K.m。

图11表示当在包覆夹芯线的钢套的纸上覆上铝箔纸时进行的辐射计算的结果。

这个图11表明相比具有辐射率为0.8的纸的辐射传递因子来说，辐射传递因子减少了8倍。

图12中对具有和不具有铝覆层的纸的表面温度随时间的变化进行了比较，其中夹芯线的引入速度保持在2m/s，并且纸的热导率是0.15W/K.m。

根据这个数值模拟，在夹芯线的自由行进过程中，纸表面温度的增加很少，这表明铝对夹芯线上的纸的隔热保护是非常有效的。

为了证实申请人在上述模拟过程中的假设，申请人利用装有测量装置的夹芯线进行了测试。

该装有测量装置的夹芯线的制作过程有以下三个步骤：

-排空夹芯线；

-与接合区相对，使热电偶与夹芯线的内部钢套进行接触；

-然后在夹芯线中填充粉末。

用钢管对电连接以及热电偶的插头线进行保护。

将该装有测量装置的夹芯线引入钢厂的液态钢包中，然后在预先设定的时间后将夹芯线移走。

熔池通过氩气进行持续搅拌，这样可以在液态钢熔池表面上方的自由行进中产生惰性气氛，这样降低了夹芯线上的纸意外燃烧的风险。

在图13至图21中，点I对应于夹芯线进入液态钢包中。

首先利用未用纸包覆的夹芯线进行测试，图13是该参照夹芯线内的温度随时间的变化曲线示意图。

图13中在D点的温度下降与热电偶被损坏相关。

图14中将由参照夹芯线所获得的结果(标号14a)与在钙芯和钢套之间放置牛皮纸层的夹芯线所获得的结果(标号14b)进行对比。

图14证明了在夹芯线内使用牛皮纸的效果，它使温度的升高推迟了0.4秒，或者说在被损坏之前的总时间为0.7秒。

图15将由参照夹芯线所获得的结果(曲线15a)与两根装有测量装置的含两外层牛皮纸的夹芯线所获得的结果(曲线15b，15c)进行了对比。

所获得的温度的升高推迟0.8秒和1.2秒，使得夹芯线能够到达钢包的底部。

曲线15b和15c中温度的急剧增加对应于牛皮纸被完全破坏，因为这时夹芯线的钢套与液态钢熔池直接接触。

图16中将参照夹芯线所获得的结果(曲线16a)与通过两层牛皮纸和两层铝箔纸进行保护的夹芯线所获得的结果(两个测试曲线16b和16c)进行了对比。

图16中的曲线表明，相对于普通的参照夹芯线，利用两层牛皮纸和两层铝箔纸进行保护可以使温度的升高延迟大约1秒。

图17表示通过三层牛皮纸和两层铝箔纸进行保护的两个试样所获得的结果(曲线17b和17c)与参照夹芯线的值(曲线17a)进行比较。

图18表示通过六层牛皮纸和两层铝箔纸进行保护所获得的结果(曲线18b和18c)与参照夹芯线的结果(曲线18a)进行比较。

这样可以使温度的升高推迟1.2秒以上。

图19中的曲线19b表示利用四层牛皮纸和一层铝进行保护的夹芯线所获得的结果，并且这种保护的夹芯线相对曲线19a所表示的参照夹芯线可以使温度的升高推迟0.6秒。

图20中的曲线20b表示利用八层牛皮纸和一层铝进行保护的夹芯线所获得的结果，这种保护的夹芯线相对曲线20a所表示的参照夹芯线可以使温度的升高推迟0.8秒。

曲线20c对应于夹芯线从侧边进入熔渣但是没有穿入熔融钢中时的测试，该测试间接地提供了熔渣的温度，即1200℃。

图21中的曲线21b和21c表示利用两层铝箔纸进行保护的夹芯线所获得的结果，这种保护的夹芯线相对曲线21a表示的参照夹芯线可以使温度的升高推迟0.7秒，并且这些结果与图18中的结果进行比较。

图2至图12中的数值和实验结果证明，在夹芯线外的纸层形成了隔热层，相对于普通的夹芯线，该隔热层可使这些夹芯线的保护时间为0.6-1.6秒。

申请人发现可以通过纸在液态金属熔池中的热解获得这种保护效果，但是该纸不能被完全燃烧，特别是其在钢包中的液态金属熔池上方的自由行进的过程中。

通过在液态金属钢包上方注入氩气或者将纸浸在水中或者在纸上包覆金属带，这些都可以降低纸燃烧的风险。

申请人的文献FR2810919记载了将隔热的纸置于钢制外皮和装有粉末或颗粒添加物的钢套之间。

钢制外套是为了防止在处理夹芯线时纸不会被损坏。

申请人发现，文献FR2810919中记载的这些“混杂”线并不能获得温度升高的显著延迟，除非纸位于接合或者涂覆区中，以避免接合区中的任何金属/金属接触，其中纸在液态金属熔池中被热解。

实验过程是与Ecole des Mines de Paris的Centre d′Energétique的Armines合作完成的。

Claims (14)

1.一种夹芯线，该夹芯线包括

粉末或颗粒材料芯，

包覆该材料芯的内部金属套，

至少一个包覆该内部金属套的隔热层，其中所述至少一个隔热层由当与液态金属熔池接触时热解的材料制成，

金属外皮，和

所述隔热层中载有的具有高于2MJ/kg的蒸发潜热的化合物，并且

其中：

所述材料在热解之前的热导率是0.15-4W/m.K，

所述化合物是水，

该热解材料被置于内部金属套与金属外皮之间。

2.权利要求1的夹芯线，其特征在于该热解材料是牛皮纸、铝箔纸或包含至少一个牛皮纸带和至少一个铝箔纸层的多层。

3.权利要求2的夹芯线，其特征在于该热解材料覆盖有金属薄片。

4.权利要求3的夹芯线，其特征在于该金属薄片由铝或铝合金制成。

5.权利要求1的夹芯线，其特征在于该热解材料在热解之前的径向厚度是0.025mm-0.8mm。

6.权利要求1的夹芯线，其特征在于该热解材料的热解起始温度为500℃。

7.权利要求1的夹芯线，其特征在于该热解材料包括湿纸层。

8.权利要求1的夹芯线，其特征在于该热解材料通过将该热解材料胶接到内部金属套上而固定。

9.权利要求1的夹芯线，其特征在于该金属外皮是接合的，该热解材料通过插入而置于接合带中，从而防止了在接合带中金属/金属的任何直接接触。

10.权利要求1的夹芯线，其特征在于内部金属套的径向厚度是0.2-0.6mm，金属外皮的径向厚度为0.2-0.6mm。

11.权利要求9的夹芯线，其特征在于内部金属套的径向厚度是0.2-0.6mm，金属外皮的径向厚度为0.2-0.6mm。

12.权利要求10的夹芯线，其特征在于该热解材料是厚度为0.1-0.8mm的单层或多层牛皮纸。

13.权利要求11的夹芯线，其特征在于该热解材料是厚度为0.1-0.8mm的单层或多层牛皮纸。

14.权利要求1的夹芯线，其特征在于该材料芯的粉末或颗粒是压实的或者包埋于树脂中，该材料芯包含至少一种选自Ca、Bi、Nb、Mg、CaSi、C、Mn、Si、Cr、Ti、B、S、Se、Te、Pb、CaC2、Na₂CO₃、CaCO₃、CaO、MgO、稀土元素材料的材料。

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