鋼包用特種耐火制品的生產(chǎn)與應用

鋼包用特種耐火制品的生產(chǎn)與應用

1“抗高溫材料開發(fā)”過程中成效國家和原勞動部根據(jù)我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展要求和原材料行業(yè)的現(xiàn)狀，組織了“五合一”開發(fā)規(guī)劃和一些部門研究計劃。目前，這些研究工作基本完成，在生產(chǎn)和應用方面取得了成果。本文對“九五”期間取得的主要成果進行了介紹和評述,提出了今后我國耐火材料科技發(fā)展的主要方向和具體領域。2材料材料的研究2.1理化性能與材料采用菱鎂石為原料,經(jīng)輕燒、壓球、高溫燒成(豎窯)等主要工藝,生產(chǎn)出MgO≥97.5%、CaO/SiO2≥2、體積密度≥3.5g·cm-3的優(yōu)質燒結鎂砂。該原料可部分取代電熔鎂砂生產(chǎn)MgO-C、Al2O3-MgO-C等制品,經(jīng)批量應用證明使用效果與電熔鎂砂相同。采用輕燒菱鎂石和礬土熟料為原料,經(jīng)混合磨細、壓球、高溫燒成(回轉窯)等主要工藝,合成出礬土基尖晶石(BSP),它是鋼包用Al2O3-MgO-C磚和中檔澆注料的主要原料。采用輕燒菱鎂石(MgO≥97.5%)和工業(yè)氧化鋁(Al2O3≥99.5%),經(jīng)混合、磨細、壓球、高溫(≥1800℃)燒成(回轉窯)等主要工藝,合成出鋁尖晶石(SP-76)和富鋁尖晶石(SP-90)。它們是鋼包用剛玉-尖晶石質澆注料的主要原料。以上幾種合成尖晶石原料的理化性能列于表1。采用ZrO2(由ZrOCl2分解得)和CaO(由石灰石分解得)為原料,合成出含ZrO265%~75%、CaO25%~35%的ZrO2-CaO復合材料,它是連鑄用防堵塞浸入式水口中防堵塞材料ZrO2-CaO-C的主要原料。2.2高爐用“陶瓷杯”煉鐵技術發(fā)展的重點是提高高爐的噴煤量,同時要求高爐、熱風爐的壽命要長(高爐壽命大于10年,部分達到15年),熱風爐的風溫要高(平均高于1100℃,大型高爐的風溫達到1150~1200℃)。為滿足這一需要,相應安排了高爐用陶瓷杯、高爐熱態(tài)噴補料、高通鐵量鐵溝澆注料、熱風爐用低蠕變磚等研究開發(fā)項目。研制出剛玉-莫來石質大型預制塊,用在某大型高爐的爐缸,經(jīng)幾年的應用,證明效果很好,鐵水的溫度提高了10~15℃,目前已有多座大型高爐的爐缸采用了這種材質的“陶瓷杯”結構。用Sialon結合剛玉制作“陶瓷杯”工作取得進展,采用氮化燒結法合成出了性能優(yōu)異的Sialon結合剛玉樣塊。研制的高爐噴補料,在高爐熱態(tài)狀況下進行噴補,可提高高爐壽命半年以上。通過提高材料的抗氧化性,抗渣、鐵侵蝕、沖刷性和中溫強度等性能,進一步改進了振動型Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料,改進后的澆注料在大型高爐(4063、4350m3)的主溝上使用,不修補一次通鐵量達到7.0~8.5萬t,經(jīng)二次噴補后達10.5~12.5萬t,噸鐵耐火材料消耗為0.38kg。Al2O3-SiC-C鐵溝主溝澆注料的理化性能列于表2。同時也開發(fā)出無需振動成型的自流型Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料,分別用于兩個鐵廠的3200m3高爐的鐵溝,通鐵量分別從8萬t和7萬t提高到13萬t和11萬t以上。采用高鋁礬土熟料、礬土基剛玉、礬土基莫來石、硅線石等為主要原料,研制出高爐、熱風爐用系列低蠕變磚,已在多座新建熱風爐中得到應用。熱風爐用系列低蠕變磚性能指標列于表3。2.3焊接用耐鐵材料2.3.1中間包用堿性覆蓋劑的主要技術指標采用含CaO的耐火材料,可降低連鑄坯中總氧的含量,提高其純凈度。以中國產(chǎn)天然原料為主,成功研制出適合冶煉純凈鋼種的中間包用含CaO耐火材料,它們是:MgO-CaO質中間包涂料(見表4)、CaO質鋼水過濾器(安裝在堿性三重堰上,見表5)、堿性三重堰、堿性覆蓋劑等。堿性三重堰是用SiO2微粉結合的鎂質含鈣材料,其物理指標(1500℃,3h燒后)為:體積密度2.80g·cm-3,常溫抗折強度8.5MPa,常溫耐壓強度66.8MPa,重燒線變化率+0.06%,荷重軟化溫度(4%變形):1520℃,施工時加水量5.3%。中間包用堿性覆蓋劑的理化指標為:CaO(69±1.5)%,MgO(1.0±0.5)%,SiO2(17±1.0)%,Al2O3≤0.5%,Fe2O3≤1.0%,總碳(2.3±0.5)%,體積密度0.8~1.0g·cm-3,熔化溫度1555±10℃,粒度組成0.5~5mm>90%,熱損≤1.5W·cm-2。這些材料在某現(xiàn)代化煉鋼廠的使用結果為:使用壽命為8次連澆,鑄坯中總氧含量降至0.0015%以下,較原來減少54%~70%;鑄坯中夾雜物數(shù)量指數(shù)平均由原來的12.45降至7.69,降低37%;對于>50μm的大型夾雜,去除率約80%;對于微觀夾雜,去除率約10%~80%;剩余夾雜物的尺寸均<10μm,并且單獨分布。目前,中間包用含CaO耐火材料已被許多煉鋼廠采用,使用效果良好。2.3.2主要原料特性連鑄鋼包采用堿性澆注料進行整體澆注,取代Al2O3-MgO-C和MgO-C磚襯,可以進一步提高鋼包壽命,消除包襯材料中的C和Si對鋼水的污染,降低包襯導熱系數(shù),減少鋼水溫降。針對中國鋼廠情況,以剛玉(電熔或燒結剛玉、特等礬土熟料)、尖晶石(富鋁尖晶石、礬土基尖晶石)、鎂砂(電熔鎂砂、燒結中檔鎂砂)等為主要原料,采用超細粉結合,并加入防爆裂劑,研制出了不同檔次的鋼包用鋁-鎂系澆注料,這些材料的理化指標見表6?，F(xiàn)在轉爐鋼廠的鋼包已普遍采用澆注料進行整體澆注,鋼包壽命平均提高2~3倍,噸鋼耐火材料消耗也明顯降低。電爐鋼廠的鋼包正在進行擴大試用工作。根據(jù)澆注料固有特性,整體鋼包包襯使用到安全厚度后,將表面剝皮清理可進行補澆再次使用,即類似轉爐濺渣護爐工藝。整體鋼包通過反復剝皮套澆,在不拆包情況下,綜合包齡可達1000次以上。整體鋼包剝皮套澆方法已在許多鋼廠推廣應用,噸鋼耐火材料消耗大幅度下降。2.3.3鋼包、中間包、爐帽和熔池的未來為了降低鋼水在鋼包運輸和中間包澆鋼過程中的熱量損失,采用多晶耐火纖維和剛玉等為主要原料,研制出耐火纖維復合硬制品,其理化指標列于表7。該材料代替其他輕質保溫磚用于連鑄鋼包,鋼水溫度的降低速率較原來降低一半,鋼包外殼表面溫度降低100~150℃,中間包外殼表面溫度降低20~60℃。在鋼包、中間包應用成功基礎上,將該材料進一步改進后代替輕質保溫磚用于轉爐的爐帽和熔池,熔池外殼的表面溫度降低200~400℃,轉爐爐帽、爐殼的變形程度顯著降低。現(xiàn)在耐火纖維復合硬制品正被越來越多的煉鋼廠采用。2.3.4理化指標及其模擬為了進一步降低連鑄坯中的夾渣和針孔缺陷數(shù)量(吹氬水口易造成鑄坯夾渣和形成針狀缺陷),消除低碳超純凈鋼等鋼種生產(chǎn)過程中因水口內(nèi)壁沉積CaO-Al2O3-CaS系高熔點物而發(fā)生的堵塞現(xiàn)象,滿足多爐連澆生產(chǎn),研制生產(chǎn)出不吹氬防堵塞浸入式水口,其理化指標列于表8。某煉鋼廠采用表8所示1#和2#產(chǎn)品用于連鑄超純凈鋼、IF、05板、輸油管用X系列鋼等鋼種,不吹氬、不堵塞連澆8~10爐,鑄坯中夾渣發(fā)生率從0.092%降低到0.0767%,針孔發(fā)生率從0.0053%降低到零。另一煉鋼廠采用表8中的3#產(chǎn)品用于連鑄低合金鋼、低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼,不吹氬、不堵塞連澆6~9爐。2.3.5uhp電弧的制作在連鑄生產(chǎn)過程中,鋼廠希望或要求連鑄用長水口(保護套管)不經(jīng)烘烤預熱而直接使用。為滿足這一要求,通過在傳統(tǒng)的Al2O3-C質長水口中加入高導熱、低膨脹的熔融石英、SiC,耐侵蝕的鋯莫來石和增強增韌的鋼纖維等,研制出不經(jīng)烘烤就可以使用的長水口,其理化性能為:Al2O340%~45%,SiO220%~26%,C+SiC28%~30%,顯氣孔率17%~18%,體積密度2.18~2.22g·cm-3,抗折強度4~6MPa,耐壓強度16~20MPa。經(jīng)某煉鋼廠150tUHP電爐的大圓坯(?210、?270、?310)連鑄機使用,每支壽命達6~8爐,總澆鋼時間為4~6h。經(jīng)煉鋼廠某250t轉爐的大板坯連鑄機使用,每支壽命達6~8爐,總澆鋼時間為4~6h。3發(fā)展帶動是安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力我國耐火材料工業(yè)在全行業(yè)的努力下,經(jīng)幾個五年計劃的科技攻關,在裝備、工藝、科研水平等各方面都取得顯著進步,與國際先進水平的差距越來越小;耐火材料工業(yè)的飛速發(fā)展也與鋼鐵等高溫工業(yè)的發(fā)展帶動密不可分;由冶金部牽頭組織、國家建材局、國家輕工局參加的“八·五”、“九·五”國家科技攻關項目的實施,對推動整個耐火材料行業(yè)的發(fā)展起了重要作用。面向二十一世紀,我國耐火材料工業(yè)應在已經(jīng)取得的成績基礎上,結合我國資源條件,緊緊跟蹤冶金等高溫工業(yè)新技術和國際耐火材料技術發(fā)展動態(tài),再接再厲,爭取盡快使我國耐火材料工業(yè)從數(shù)量、品種和質量上成為強國。根據(jù)著名耐火材料專家鐘香崇院士關于我國耐火材料科技發(fā)展的建議,國家冶金局冶金科技發(fā)展中心組織部分耐火材料專家、教授,對今后我國耐火材料的科技發(fā)展進行了研討,提出了我國耐火材料科技發(fā)展規(guī)劃。3.1開發(fā)并進行自主知識產(chǎn)權的納米材料充分利用我國耐火原料資源,發(fā)展優(yōu)質合成原料;研究開發(fā)優(yōu)質高技術耐火材料,使冶金等高溫工業(yè)重要部位使用的耐火材料壽命達到國外九十年代中、后期先進水平,滿足高溫工業(yè)新技術發(fā)展需要;使我國在國際上從耐火資源優(yōu)勢變?yōu)橹破穬?yōu)勢,為國民經(jīng)濟發(fā)展作出耐火材料工業(yè)應有貢獻。(1)根據(jù)我國資源特點,為適應我國鋼鐵等高溫工業(yè)技術多層次的需要,研究開發(fā)出具有我國特色的高性能耐火材料品種系列并進行產(chǎn)業(yè)化研究。(2)跟蹤國外科技發(fā)展的新動向,結合我國資源特點,開展耐火材料學科前沿科技研究和應用基礎理論研究,形成具有自主知識產(chǎn)權的耐火材料系列技術,推動我國耐火材料工業(yè)的技術創(chuàng)新。(3)以冶金、建材、輕工、化工等高溫工業(yè)新技術、新工藝所急需的優(yōu)質高技術耐火材料品種的研制、開發(fā)與應用為龍頭,開展產(chǎn)、學、研“一條龍”科技攻關。3.2材料科學及發(fā)展的主要方向3.2.1復合原料的開發(fā)和應用我國有豐富的耐火原料資源,如鎂砂、礬土、石墨、三石、白云石等,并已研究開發(fā)出了一批優(yōu)質合成原料,如礬土基尖晶石、礬土基電熔剛玉、鎂白云石、鋯剛玉莫來石等。但是還存在許多問題,主要有①質量不穩(wěn)定,如礬土基電熔剛玉中炭未除盡,大型工程不能推廣;②關鍵性能未解決,如CaO容易消化,石墨在水中難分散,Alon抗氧化性能差等。因此,需進一步深入研究,擴大推廣,開拓新用途,并力爭占領國際市場。同時根據(jù)耐火原料資源特點,需進一步研究開發(fā)具有我國資源特點的新型合成原料。(1)耐火原料的均質優(yōu)化研究,如提高礬土質量與優(yōu)質礬土產(chǎn)業(yè)化研究,形成Al2O3含量50%~90%的優(yōu)質礬土熟料系列;耐火原料改性研究,如研究提高礬土基電熔剛玉、礬土基尖晶石、鋯剛玉莫來石等原料性能;耐火原料轉型研究,如利用礬土原料,通過高溫還原和氮化工藝,合成Sialon、Alon等非氧化物及其與氧化物的復合材料;微粉的制備與應用研究,如納米級耐火粉體的開發(fā)與應用。(2)耐火原料的表面工程研究,如改善鎂白云石、白云石、石灰質原料抗水化性能及石墨等炭系材料對水的潤濕性及分散性,推動含游離CaO和石墨耐火材料的不定形化。3.2.2工藝優(yōu)化與產(chǎn)品功能化是產(chǎn)品發(fā)展的保障冶金工業(yè)新技術發(fā)展和生產(chǎn)結構的優(yōu)化對耐火材料不斷提出新的要求,耐火材料不僅在品種、質量上要不斷滿足發(fā)展要求,還要在工藝優(yōu)化與產(chǎn)品功能化方面深入研究,以提高耐火材料品種、質量檔次,滿足和推動冶金工業(yè)發(fā)展。(1)阻燃聚碳磚、多孔纖維復合材料在高爐關鍵部位的應用①配合高爐長壽、高風溫、高噴煤量技術發(fā)展,研究開發(fā)Sialon/Si3N4結合的剛玉制品,微孔、超微孔、石墨化、半石墨化碳磚,新型陶瓷杯、風口組合套磚等優(yōu)質復合材料,用于高爐關鍵部位,使一代爐役壽命達到12~15年。②直接還原、熔融還原新技術用耐火材料的研究和選材,如高性能Al2O3-SiC-C磚、MgO-C磚和各種非氧化物結合的SiC磚等。(2)試驗材料及性能①連鑄用高效長壽命浸入式水口、長水口、整體塞棒的開發(fā),重點是渣線部位用的材料;適應超低碳Al鎮(zhèn)靜鋼等使用的低炭長水口、浸入式水口;研究開發(fā)薄板坯連鑄連軋用高性能Al203-C/ZrO2-CaO-C復合、O’-Sialon-ZrO2-石墨異型浸入式水口。②高錳鋼、高氧鋼、鈣處理鋼等鋼種用氧化物-非氧化物復合滑板、氧化鋯質滑板、堿性滑板、鑲嵌式滑板等。③開發(fā)鋁鎂質、非氧化物結合剛玉質長壽命鋼包透氣塞。采用特殊氧化鋁骨料及非氧化物來優(yōu)化材料的顯微結構,改善其抗熱震性能。研究長壽命轉爐復吹用供氣元件,滿足濺渣護爐轉爐復吹技術發(fā)展。④開發(fā)適應不同鋼種的高效連鑄保護渣,包括高拉速連鑄用保護渣、薄板坯連鑄用保護渣、特種功能保護渣等。(3)mgo-zro2-c系制品和澆注料①研究、開發(fā)超高功率電爐爐底吹氬攪拌用供氣元件,直流電爐用爐底長壽命導電材料,進一步穩(wěn)定和提高電爐煉鋼用耐火材料質量。②研究開發(fā)高質量、價格適宜的MgO-(ZrO2)-C、MgO-CaO、Al2O3系制品和澆注料,滿足RH、LF、LF/VD、VOD等為代表的爐外精煉技術發(fā)展的需要。③配合潔凈鋼冶煉,研究鋼包、中間包、結晶器用系列耐火材料品種,以長壽和降低耐火材料對鋼液的污染并能吸附鋼液中雜質為目標,研究開發(fā)大型鋼包渣線用無炭堿性澆注料(高抗?jié)B透性、高抗熱震性)、長壽命中間包用含鈣堿性耐火材料(包括擋渣墻、涂料、覆蓋劑)等。3.2.3進展之一:高效、穩(wěn)定的澆注料建材、輕工、環(huán)保等行業(yè)用的耐火材料,要求有很好的抗熱震性、抗蠕變性、抗侵蝕性等。研制這些新型的功能型材料,是十分必要的。(1)大型玻璃窯及池窯、拉絲熔窯等新型窯爐用關鍵耐火材料,如高純致密氧化鉻磚、低發(fā)泡率致密鋯英石及配套材料、AZS熔鑄制品等。(2)垃圾焚燒爐用耐火材料的開發(fā)與應用,如開發(fā)相應的垃圾焚燒設施用高效耐火材料,包括耐氣、液體腐蝕、耐堿性蒸氣侵蝕及抗?jié)B透性強的系列澆注料;輕質、高隔熱、多孔質耐火澆注料;鍋爐水冷管壁用碳化硅系列壓入料;用于燃燒室及下部的、金屬及熔渣難附著的碳化硅定形材料;飛灰熔融爐用MgO-Cr2O3-ZrO2、Al2O3-Cr2O3-ZrO2、ZrO2質定形及不定形系列材料;研制開發(fā)無Cr2O3的高抗侵蝕性定形及不定形耐火材料。(3)水煤漿氣化爐、流化床鍋爐用耐火材料,主