鋼包用特種耐火制品的生產(chǎn)與應(yīng)用

鋼包用特種耐火制品的生產(chǎn)與應(yīng)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(jì)劃。目前，這些研究工作基本完成，在生產(chǎn)和應(yīng)用方面取得了成果。本文對“九五”期間取得的主要成果進(jìn)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(lǐng)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?zé)?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(zhì)燒結(jié)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(yīng)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(xì)、壓球、高溫?zé)?回轉(zhuǎn)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(xì)、壓球、高溫(≥1800℃)燒成(回轉(zhuǎn)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(zhì)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(fù)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(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是提高高爐的噴煤量,同時(shí)要求高爐、熱風(fēng)爐的壽命要長(高爐壽命大于10年,部分達(dá)到15年),熱風(fēng)爐的風(fēng)溫要高(平均高于1100℃,大型高爐的風(fēng)溫達(dá)到1150~1200℃)。為滿足這一需要,相應(yīng)安排了高爐用陶瓷杯、高爐熱態(tài)噴補(bǔ)料、高通鐵量鐵溝澆注料、熱風(fēng)爐用低蠕變磚等研究開發(fā)項(xiàng)目。研制出剛玉-莫來石質(zhì)大型預(yù)制塊,用在某大型高爐的爐缸,經(jīng)幾年的應(yīng)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(zhì)的“陶瓷杯”結(jié)構(gòu)。用Sialon結(jié)合剛玉制作“陶瓷杯”工作取得進(jìn)展,采用氮化燒結(jié)法合成出了性能優(yōu)異的Sialon結(jié)合剛玉樣塊。研制的高爐噴補(bǔ)料,在高爐熱態(tài)狀況下進(jìn)行噴補(bǔ),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(qiáng)度等性能,進(jìn)一步改進(jìn)了振動型Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料,改進(jìn)后的澆注料在大型高爐(4063、4350m3)的主溝上使用,不修補(bǔ)一次通鐵量達(dá)到7.0~8.5萬t,經(jīng)二次噴補(bǔ)后達(dá)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(shí)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(gè)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(fēng)爐用系列低蠕變磚,已在多座新建熱風(fēng)爐中得到應(yīng)用。熱風(fēng)爐用系列低蠕變磚性能指標(biāo)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(shù)指標(biāo)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(zhì)中間包涂料(見表4)、CaO質(zhì)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(jié)合的鎂質(zhì)含鈣材料,其物理指標(biāo)(1500℃,3h燒后)為:體積密度2.80g·cm-3,常溫抗折強(qiáng)度8.5MPa,常溫耐壓強(qiáng)度66.8MPa,重?zé)€變化率+0.06%,荷重軟化溫度(4%變形):1520℃,施工時(shí)加水量5.3%。中間包用堿性覆蓋劑的理化指標(biāo)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(jié)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(dú)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(jìn)行整體澆注,取代Al2O3-MgO-C和MgO-C磚襯,可以進(jìn)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(dǎo)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(jié)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(jié)中檔鎂砂)等為主要原料,采用超細(xì)粉結(jié)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(biāo)見表6?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)爐鋼廠的鋼包已普遍采用澆注料進(jìn)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)行補(bǔ)澆再次使用,即類似轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐工藝。整體鋼包通過反復(fù)剝皮套澆,在不拆包情況下,綜合包齡可達(dá)1000次以上。整體鋼包剝皮套澆方法已在許多鋼廠推廣應(yīng)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(yùn)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(fù)合硬制品,其理化指標(biāo)列于表7。該材料代替其他輕質(zhì)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(yīng)用成功基礎(chǔ)上,將該材料進(jìn)一步改進(jìn)后代替輕質(zhì)保溫磚用于轉(zhuǎn)爐的爐帽和熔池,熔池外殼的表面溫度降低200~400℃,轉(zhuǎn)爐爐帽、爐殼的變形程度顯著降低?，F(xiàn)在耐火纖維復(fù)合硬制品正被越來越多的煉鋼廠采用。2.3.4理化指標(biāo)及其模擬為了進(jìn)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(diǎn)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(biāo)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(hù)套管)不經(jīng)烘烤預(yù)熱而直接使用。為滿足這一要求,通過在傳統(tǒng)的Al2O3-C質(zhì)長水口中加入高導(dǎo)熱、低膨脹的熔融石英、SiC,耐侵蝕的鋯莫來石和增強(qiáng)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(qiáng)度4~6MPa,耐壓強(qiáng)度16~20MPa。經(jīng)某煉鋼廠150tUHP電爐的大圓坯(?210、?270、?310)連鑄機(jī)使用,每支壽命達(dá)6~8爐,總澆鋼時(shí)間為4~6h。經(jīng)煉鋼廠某250t轉(zhuǎn)爐的大板坯連鑄機(jī)使用,每支壽命達(dá)6~8爐,總澆鋼時(shí)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(gè)五年計(jì)劃的科技攻關(guān),在裝備、工藝、科研水平等各方面都取得顯著進(jìn)步,與國際先進(jìn)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(guān)項(xiàng)目的實(shí)施,對推動整個(gè)耐火材料行業(yè)的發(fā)展起了重要作用。面向二十一世紀(jì),我國耐火材料工業(yè)應(yīng)在已經(jīng)取得的成績基礎(chǔ)上,結(jié)合我國資源條件,緊緊跟蹤冶金等高溫工業(yè)新技術(shù)和國際耐火材料技術(shù)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(zhì)量上成為強(qiáng)國。根據(jù)著名耐火材料專家鐘香崇院士關(guān)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(jìn)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(jìn)行自主知識產(chǎn)權(quán)的納米材料充分利用我國耐火原料資源,發(fā)展優(yōu)質(zhì)合成原料;研究開發(fā)優(yōu)質(zhì)高技術(shù)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(dá)到國外九十年代中、后期先進(jìn)水平,滿足高溫工業(yè)新技術(shù)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(jì)發(fā)展作出耐火材料工業(yè)應(yīng)有貢獻(xiàn)。(1)根據(jù)我國資源特點(diǎn),為適應(yīng)我國鋼鐵等高溫工業(yè)技術(shù)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究。(2)跟蹤國外科技發(fā)展的新動向,結(jié)合我國資源特點(diǎn),開展耐火材料學(xué)科前沿科技研究和應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐火材料系列技術(shù),推動我國耐火材料工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。(3)以冶金、建材、輕工、化工等高溫工業(yè)新技術(shù)、新工藝所急需的優(yōu)質(zhì)高技術(shù)耐火材料品種的研制、開發(fā)與應(yīng)用為龍頭,開展產(chǎn)、學(xué)、研“一條龍”科技攻關(guān)。3.2材料科學(xué)及發(fā)展的主要方向3.2.1復(fù)合原料的開發(fā)和應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(jìn)一步深入研究,擴(kuò)大推廣,開拓新用途,并力爭占領(lǐng)國際市場。同時(shí)根據(jù)耐火原料資源特點(diǎn),需進(jìn)一步研究開發(fā)具有我國資源特點(diǎn)的新型合成原料。(1)耐火原料的均質(zhì)優(yōu)化研究,如提高礬土質(zhì)量與優(yōu)質(zhì)礬土產(chǎn)業(yè)化研究,形成Al2O3含量50%~90%的優(yōu)質(zhì)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(zhuǎn)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(fù)合材料;微粉的制備與應(yīng)用研究,如納米級耐火粉體的開發(fā)與應(yīng)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(zhì)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(shù)發(fā)展和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(fù)合材料在高爐關(guān)鍵部位的應(yīng)用①配合高爐長壽、高風(fēng)溫、高噴煤量技術(shù)發(fā)展,研究開發(fā)Sialon/Si3N4結(jié)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(fēng)口組合套磚等優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料,用于高爐關(guān)鍵部位,使一代爐役壽命達(dá)到12~15年。②直接還原、熔融還原新技術(shù)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(jié)合的SiC磚等。(2)試驗(yàn)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(diǎn)是渣線部位用的材料;適應(yīng)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(fù)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(fù)合滑板、氧化鋯質(zhì)滑板、堿性滑板、鑲嵌式滑板等。③開發(fā)鋁鎂質(zhì)、非氧化物結(jié)合剛玉質(zhì)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(jié)構(gòu),改善其抗熱震性能。研究長壽命轉(zhuǎn)爐復(fù)吹用供氣元件,滿足濺渣護(hù)爐轉(zhuǎn)爐復(fù)吹技術(shù)發(fā)展。④開發(fā)適應(yīng)不同鋼種的高效連鑄保護(hù)渣,包括高拉速連鑄用保護(hù)渣、薄板坯連鑄用保護(hù)渣、特種功能保護(hù)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(dǎo)電材料,進(jìn)一步穩(wěn)定和提高電爐煉鋼用耐火材料質(zhì)量。②研究開發(fā)高質(zhì)量、價(jià)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(shù)發(fā)展的需要。③配合潔凈鋼冶煉,研究鋼包、中間包、結(jié)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(zhì)為目標(biāo),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(jìn)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(guān)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(yīng)用,如開發(fā)相應(yīng)的垃圾焚燒設(shè)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(qiáng)的系列澆注料;輕質(zhì)、高隔熱、多孔質(zhì)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(zhì)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