鋼包透氣磚熱修補(bǔ)材料及工藝開發(fā)

1、鋼包透氣磚熱修補(bǔ)材料及工藝開發(fā)摘要 2005年首鋼第三煉鋼廠實(shí)施了爐下鋼包底吹氬工藝，以提高鋼水精煉質(zhì)量，鋼包透氣磚使用壽命再次成為關(guān)鍵。為此，從熱修補(bǔ)工藝及材料等方面開展了應(yīng)用研究工作，以期在最大限度保證透氣磚透氣性的前提下，維持透氣磚使用壽命與鋼包內(nèi)襯壽命同步，使透氣磚適應(yīng)三煉鋼生產(chǎn)工藝變化的需求。關(guān)鍵詞 透氣磚、修補(bǔ)、噴射、投射、耐火材料一前言首鋼第三煉鋼廠90t鋼包內(nèi)筑有兩塊透氣磚，交替使用，總壽命3839次，透氣磚停止使用后，殘磚高度由原始440mm降至100120mm左右，蝕損速率約為1716mm/次，基本達(dá)到安全使用極限。2005年三煉鋼廠開始實(shí)施爐下鋼包底吹氬工藝，由于吹氬時(shí)間

2、相對延長，使用次數(shù)增加，透氣磚蝕損也將可能隨之增大，與鋼包內(nèi)襯壽命不相匹配，直接影響鋼包包齡和鋼包的正常周轉(zhuǎn)，造成提前甩包，或增加小修次數(shù)，相應(yīng)地增加了耐火材料噸鋼消耗/噸鋼成本。本項(xiàng)目擬從透氣磚熱修補(bǔ)工藝和材料方面開展入手，以期在最大限度保證透氣磚透氣性的前提下，維持透氣磚使用壽命與鋼包內(nèi)襯壽命同步，使透氣磚適應(yīng)三煉鋼生產(chǎn)工藝變化的需求。二透氣磚損毀分析及修補(bǔ)試驗(yàn)方案2.1 透氣磚損毀在首鋼第三煉鋼廠，鋼水連鑄前要進(jìn)行LF爐二次精煉，并通過透氣磚向鋼水中吹入氬氣。其目的是：(1)使鋼包內(nèi)鋼水的溫度均一化；(2)使鋼水成分均質(zhì)化；(3)去除有害氣體、去除非金屬夾雜物；(4)對鋼水成分、溫度進(jìn)行

3、微調(diào)，提高精煉效果。為此要求透氣磚要具有使鋼水翻騰的可靠性、安全性、高的耐用性。根據(jù)三煉鋼鋼包透氣磚在實(shí)際吹氬操作作業(yè)時(shí)的使用狀況(圖1)。并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)介紹，歸納各階段鋼包透氣磚的損毀表現(xiàn)為：接鋼水 精煉處理 連鑄 排渣 氧洗、反吹圖 1. 透氣磚作業(yè)周期1、由于鋼水向貫通狹縫的滲入引起的損毀；2、鋼水吹氬開始時(shí)，透氣磚出氣口四周的耐火材料，因與高溫鋼水(16001700)直接接觸，受到高溫鋼水及不斷流出的冷氣流的影響，透氣磚要承受巨大的溫差作用，并將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而造成透氣磚剝落損毀；3、鋼水翻騰中，當(dāng)?shù)状禋鍤膺M(jìn)入正常噴射狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)烈的氣泡組成氣體噴射束，噴射束加強(qiáng)了鋼包底部鋼水的攪拌

4、，氣相和液相相互作用形成卷流，底吹透氣磚受到激烈的磨損；4、吹氬結(jié)束后，鋼水有再度滲透到透氣磚狹縫中的可能；5、澆鑄完畢后受到鋼渣的侵蝕作用；6、當(dāng)下次再次進(jìn)行底吹前，要用氧洗掉鋼水滲透層，底吹透氣磚受到顯著的損毀；實(shí)施爐下鋼包底吹氬工藝，由于吹氬時(shí)間相對延長，使用次數(shù)增加，透氣磚蝕損也將可能隨之增大，與鋼包內(nèi)襯壽命不相匹配，直接影響鋼包包齡和鋼包的正常周轉(zhuǎn)，造成提前甩包，或增加小修次數(shù)。因此，必須考慮采取一定的措施來預(yù)防由于透氣磚壽命與鋼包內(nèi)襯壽命不匹配而造成的鋼包整體使用壽命的降低。2.2 透氣修補(bǔ)料關(guān)于透氣磚修補(bǔ)料，檢索的相關(guān)文獻(xiàn)中，僅發(fā)現(xiàn)三份描述武鋼一、三煉鋼廠修補(bǔ)轉(zhuǎn)爐透氣元件和鋼包透

5、氣磚的試驗(yàn)文獻(xiàn)。其修補(bǔ)料以鎂砂為主，核心技術(shù)是通過添加增孔劑，使修補(bǔ)料燒結(jié)后產(chǎn)生貫通的氣孔，達(dá)到能透氣的目的，并采用半干法噴補(bǔ)方式將修補(bǔ)料補(bǔ)在透氣磚芯及其周圍的耐材上(而實(shí)地的調(diào)研顯示當(dāng)時(shí)武鋼的透氣磚修補(bǔ)料是采用投補(bǔ)的方式進(jìn)行，而且，由于后來鋼包透氣磚改為外裝式，透氣磚熱修補(bǔ)隨之停止)，利用鋼包余熱短暫燒結(jié)。與未實(shí)施噴補(bǔ)的透氣磚相比，噴補(bǔ)后的透氣磚侵蝕速率降低0.4mm/次。關(guān)于修補(bǔ)材料的透氣性，有關(guān)澆注料抗爆裂性方面的研究會為我們提供一些幫助。如：Canon等人研究發(fā)現(xiàn)澆注料的透氣性受連通性氣孔的影響，而不是產(chǎn)生的氣孔的數(shù)量和大小的影響；最大透氣性的增加發(fā)生在含3mm纖維的樣品中，透氣性增加

6、機(jī)理由纖維添加所引起，與透氣路徑的產(chǎn)生有關(guān)；另外，添加乳酸鋁，在基質(zhì)中產(chǎn)生微小裂紋；以及使材料顆粒間形成不緊密堆積狀態(tài)，也是增大材料的透氣率的可考慮方案。根據(jù)透氣磚材質(zhì)(剛玉Cr2O3質(zhì)/鋁鎂質(zhì))及鎂質(zhì)材料的特性，分析認(rèn)為，在鋼包透氣磚部位使用鎂質(zhì)修補(bǔ)料是不盡合理的。因?yàn)樵谶@里渣侵蝕不似鋼包渣線那樣為主要矛盾，鎂質(zhì)材料不僅不能充分體現(xiàn)其優(yōu)良的抗渣侵蝕性，反而可能由于與基體材料熱膨脹系數(shù)差異及溫度驟變而產(chǎn)生剝落，加快修補(bǔ)料的蝕損。況且文獻(xiàn)所述的透氣磚修補(bǔ)料中還使用了部分含Cr的材料，對環(huán)境不友好。因此，試驗(yàn)擬采用鎂鋁(/尖晶石)質(zhì)材料。修補(bǔ)方式擬試驗(yàn)熱態(tài)濕式噴射修補(bǔ)與投射修補(bǔ)兩種模式。三熱修補(bǔ)材

7、料及工藝研究根據(jù)同一性原則，本試驗(yàn)的修補(bǔ)料原材料選擇與鋼包襯/透氣磚相同/近似的鋁鎂質(zhì)材料。先期試驗(yàn)的是噴射型修補(bǔ)料，但后期工業(yè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)無論在試驗(yàn)室試驗(yàn)還是現(xiàn)場試驗(yàn)，其透氣性能只能達(dá)到精煉站底吹要求流量的65% (428ml/min)，因此棄之改而研制投射型修補(bǔ)料。投射型透氣磚修補(bǔ)料的是按照顆粒不緊密堆積原則配制的，其透氣通道是利用不緊密堆積的顆粒間的縫隙，5.3 試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果3.3.1熱態(tài)濕式噴射修補(bǔ)材料的配制以礬土、鎂砂為主要原材料，進(jìn)行修補(bǔ)料的試驗(yàn)室調(diào)配試驗(yàn)。分別考察了結(jié)合劑、粒度分布、鎂砂、透氣性改良劑等因素對修補(bǔ)料施工性、透氣性和基本物理性能的影響。圖14是對影響透氣磚修補(bǔ)料性能

8、的幾個(gè)因素的考察。3.3.2 對線變化率的影響圖1、圖2分別是礬土、鎂砂對鋁-尖晶石質(zhì)透氣磚修補(bǔ)料和鋁鎂質(zhì)透氣磚修補(bǔ)料線變化率的影響。之所以關(guān)注修補(bǔ)料的燒后線變化率，是不希望出現(xiàn)鎂質(zhì)材料容易發(fā)生的燒后膨脹嚴(yán)重現(xiàn)象；因?yàn)榉治稣J(rèn)為，透氣磚修補(bǔ)料若出現(xiàn)嚴(yán)重的膨脹，則透氣通道內(nèi)表面也將向通道內(nèi)膨脹，會導(dǎo)致透氣通道縮小，而影響材料的透氣性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著鎂砂的減少或礬土的增加，試樣的線變化都是從膨脹逐漸變?yōu)槭湛s，所以要控制修補(bǔ)料的線變化必須控制礬土和鎂砂的加入量或二者的搭配比例。另外，造孔劑也對修補(bǔ)料的線變化有影響，如圖3 所示。3.1.2 對中溫強(qiáng)度的影響結(jié)合劑對透氣磚修補(bǔ)料中溫強(qiáng)度的影響示于圖4

9、，其中T15、T22為無機(jī)結(jié)合劑A；T18、T33為無機(jī)結(jié)合劑B；T29、T36、T37為凝聚結(jié)合劑。測試結(jié)果顯示，三種類型的結(jié)合劑體系均能為透氣磚修補(bǔ)料提供足夠高的中溫強(qiáng)度，但無機(jī)結(jié)合劑A和凝聚結(jié)合劑結(jié)合試樣的中溫強(qiáng)度穩(wěn)定性相對高?？紤]到無機(jī)結(jié)合劑通常是以鈉鹽形式提供，不可避免會使修補(bǔ)料中易形成低熔點(diǎn)礦相，控制不好會產(chǎn)生過燒結(jié)，所以，若修補(bǔ)過程中修補(bǔ)料的粘附性沒有問題的話，應(yīng)盡量選擇凝聚結(jié)合劑體系，這對保障修補(bǔ)料基質(zhì)純度和修補(bǔ)料的高溫使用性能有利。3.1.3對透氣性的影響修補(bǔ)料透氣性的改善主要通過添加造孔劑實(shí)現(xiàn)，造孔劑是不同絲徑的纖維A和B的復(fù)合。圖5顯示了透氣性改良劑對透氣磚修補(bǔ)料透氣性的

10、影響。該透氣性試驗(yàn)是通過收集、測定透氣試樣出口排出的氣體當(dāng)壓力達(dá)到2kg/cm2所需要的時(shí)間來間接地反映試樣的透氣性優(yōu)劣，數(shù)值越低，說明達(dá)到2kg/cm2所需要的時(shí)間越短，則透氣性越好。由圖5可知，隨著A:B比值的減小，修補(bǔ)料試樣的透氣性逐漸提高。通過收集透過試樣的氣體，測定了風(fēng)壓12kg/cm2時(shí)，試樣透氣量在260290 l/min。由于透氣量不足，又試驗(yàn)了兩種食品級的造孔材料和四種有機(jī)造孔材料以及化學(xué)發(fā)氣造孔劑。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，食品級的造孔材料由于遇水后具有膨脹性，易造成修補(bǔ)材料烘烤漲裂或燒成潰散，認(rèn)為不宜將其用于透氣磚修補(bǔ)料的造孔劑。四種有機(jī)造孔劑分別呈絲狀、粒狀和片狀，其中粒狀的有機(jī)造孔劑

11、也有遇水發(fā)漲的特性，致使試樣開裂或潰散，無法簡單地用于透氣磚修補(bǔ)料。絲狀的兩種直徑分別為0.5mm和0.81.0mm的造孔劑，可用于修補(bǔ)料中，但必須控制加入量不能過大，否則會影響修補(bǔ)材料的泵輸送性。因此，在保證修補(bǔ)材料泵送性前提下，其加入量和透氣量的提高都受到了限制。進(jìn)一步的考察發(fā)現(xiàn)，兩種絲徑的造孔劑中絲徑小的造孔劑由于形成的透氣孔較小，因此對透氣量的影響不甚明顯，絲徑大的則可有效地提高修補(bǔ)料的透氣量，在試驗(yàn)的加入量下，修補(bǔ)料的透氣量達(dá)到336357 ml/min(相當(dāng)于精煉站透氣量的5155%)。片狀的有機(jī)造孔劑在三種新的有機(jī)造孔劑中透氣效果最好，由1000燒后的試樣斷面看，由于其扁片形狀且

12、相對較大，使其在修補(bǔ)料內(nèi)形成了截面積相對較大的透氣狹縫，與絲狀造孔劑復(fù)合使用，可形成較為理想的透氣通道。透氣量達(dá)到了428ml/min(相當(dāng)于精煉站透氣量的65%)。即通過調(diào)整，修補(bǔ)料的透氣量提高了1015%(表1)，表1 絲狀有機(jī)造孔劑與片狀有機(jī)造孔劑A1A2A13A14A15A16造孔劑摻 量絲狀1.35a1.35aaa片狀2aa4a3a流量,m3/min0.3660.3360.230.3570.3350.428流量,l/min3663362303573354283.1.4 熱態(tài)濕式噴射噴補(bǔ)設(shè)備的開發(fā)由于20012003年開發(fā)的國產(chǎn)DX-PZS-1型噴射澆注機(jī)在噴槍前部加入壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)材

13、料噴射，所以不適合用于熱態(tài)的修補(bǔ)，必須改進(jìn)。采用濕式噴射技術(shù)實(shí)施透氣磚熱修補(bǔ)，噴槍要伸入到鋼包的底部，所以，噴槍的長度至少需要7m以上，噴射時(shí)壓縮空氣入口就不便設(shè)置在噴槍的頭部，隨噴槍進(jìn)入鋼包內(nèi)了。原因有二：一是如果以軟管送風(fēng)，伸入鋼包內(nèi)顯然是不可行的；二是如果以鋼管送風(fēng)，則會加重噴槍的重量，不便操作。但如果將壓縮空氣由噴槍尾部引入，根據(jù)已進(jìn)行過的冷試結(jié)果，存在難以穩(wěn)定地輸送修補(bǔ)料的問題，而且有無法泵送材料的現(xiàn)象發(fā)生。所以，簡單地照搬澆注料濕式噴射工藝和設(shè)備是不能實(shí)現(xiàn)熱態(tài)修補(bǔ)的。改進(jìn)后的透氣磚熱修補(bǔ)設(shè)備，修補(bǔ)料在一小型攪拌機(jī)內(nèi)攪拌成能夠輸送的泥料，由螺桿泵將其輸送至噴槍，在噴槍內(nèi)物料被壓縮空氣

14、輸送到待修補(bǔ)的透氣磚表面。此工藝不使用絮凝劑。3.2投補(bǔ)型透氣磚修補(bǔ)料的配制為了保證修補(bǔ)料的透氣性，進(jìn)行了投補(bǔ)型修補(bǔ)試驗(yàn)料的配制試驗(yàn)，取得較好的效果。試驗(yàn)料按照顆粒不緊密堆積的原則配料，并采用熱固型結(jié)合劑，利用顆粒間的不緊密堆積，在修補(bǔ)料顆粒間留下大量的孔隙，并形成通道，以幫助實(shí)現(xiàn)透氣性。試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果(表2和表3)顯示，配制的投射型修補(bǔ)料具有較高的強(qiáng)度，且透氣量較噴射型修補(bǔ)料有大幅度提高，接近三煉鋼精煉站實(shí)測透氣流量。表2 現(xiàn)場試驗(yàn)用投補(bǔ)型修補(bǔ)料基本性能抗折強(qiáng)度，Mpa線變化，%體密，g/cm3透氣量，ml/min400×30min3.302.05582646(相當(dāng)于三煉鋼鋼包透氣

15、磚在精煉站實(shí)測透氣流量的8898%)1000×3h5.101.981500×3h12.20-1.192.08表3 細(xì)粉加入量變化對投補(bǔ)型修補(bǔ)料透氣性能的影響中細(xì)粒度材料量,%15+a10+a5+aa透氣量, l/min260428558603與精煉站相比,%39.765.385.292.1細(xì)粉含量對透氣性的影響試驗(yàn)結(jié)果顯示，修補(bǔ)料的透氣性隨著細(xì)粉含量的降低而提高，可使投補(bǔ)型修補(bǔ)料的透氣量穩(wěn)定地達(dá)到三煉鋼精煉站要求透氣量的8892，即修補(bǔ)料由密不透氣逐漸過渡到疏通透氣狀態(tài)，透氣性能大增(表3)。因此，在配制修補(bǔ)料時(shí)，需嚴(yán)格檢測所使用原料中10.088mm顆粒內(nèi)的細(xì)粉含量，以使

16、修補(bǔ)料的透氣性能達(dá)到試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)。四試驗(yàn)效果及分析4.1噴射型透氣磚修補(bǔ)料噴射修補(bǔ)試驗(yàn)在一待修的熱鋼包透氣磚上進(jìn)行。噴射修補(bǔ)前，用氧氣吹掃清理了透氣磚表面的殘鋼渣，同時(shí)確認(rèn)透氣磚能夠透氣。然后，用改進(jìn)的熱修補(bǔ)噴射機(jī)對該包內(nèi)的兩塊透氣磚實(shí)施了噴射修補(bǔ)。修補(bǔ)后，待鋼包自然冷卻，檢查修補(bǔ)情況。檢查顯示噴射型透氣磚修補(bǔ)料粘附性良好，噴補(bǔ)層可滿足修補(bǔ)需要；修補(bǔ)材料與噴補(bǔ)設(shè)備匹配性良好，能夠順暢地實(shí)施噴補(bǔ)施工。但采用絲狀造孔劑的由于直徑較小，透氣量相對較低，僅達(dá)到三煉鋼鋼包透氣磚在精煉站實(shí)測透氣流量的4044%左右。采用片狀有機(jī)造孔劑的修補(bǔ)料進(jìn)行第二次透氣磚噴射修補(bǔ)試驗(yàn)。修補(bǔ)料粘附性仍然良好，噴補(bǔ)層厚度達(dá)到

17、6080mm，最厚之處達(dá)到了110mm。但據(jù)剖開修補(bǔ)料觀察內(nèi)部狀況發(fā)此，在熱修鋼包的時(shí)間內(nèi)，修補(bǔ)料內(nèi)部不能達(dá)到燒燼造孔劑的溫度，使得造孔劑仍有部分殘留于修補(bǔ)料內(nèi)，以致用于透氣的孔隙并未按預(yù)想的達(dá)到65%的效果，透氣性不佳。4.2 投補(bǔ)型修補(bǔ)料的現(xiàn)場試驗(yàn)投補(bǔ)型透氣磚修補(bǔ)料試驗(yàn)在小修包的新透氣磚表面進(jìn)行，修補(bǔ)料鋪覆厚度3050mm，試驗(yàn)料臨界粒度有5mm、8mm之分，并隨小修后的鋼包進(jìn)行烘烤，在面壓測試處檢查透氣性。根據(jù)觀察，隨著臨界顆粒的增大，透氣性能提高，且氣體的噴出距離加大。而且按這種最不緊密堆積原則配制的修補(bǔ)料的熱處理強(qiáng)度沒有降低，能夠保證修補(bǔ)料牢固地粘附于透氣磚表面，起到保護(hù)透氣磚的作用。投補(bǔ)型透氣磚修補(bǔ)料在熱鋼包透氣磚表面投補(bǔ)試驗(yàn)，通過專門設(shè)計(jì)的測量裝置測量，其透氣量可達(dá)到透氣磚在精煉站透氣量的81%。認(rèn)為能夠基本滿足吹氬的要求。修補(bǔ)料由于是彌散型透氣方式，其排氣的方向和距離與目前直通狹縫型透氣磚不一樣。前者由于透氣的通道無方向性，所以氣體排出的方向在四面八方各個(gè)方向都有。且氣體的噴射距