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                柳鋼近 20年來鋼包包襯用耐火材料的應用情況

                發布時間:2021/03/21 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:132

                鋼包是煉鋼工序中極其重要的冶金設備,其作用不僅是傳統意義上承接鋼水的盛鋼桶,更是爐外精煉工藝的核心載體。鋼包包襯耐材的選擇不僅關系到鋼包的壽命和成本,更直接影響鋼水的產量和潔凈度。本文主要分析介紹柳鋼近 20年來鋼包包襯用耐火材料的應用情況。 鋼包耐火材料應用歷程 

                柳鋼煉鋼廠現有 3 種鋼包,按投產順序依次是 120 t 鋼包、150 t 鋼包和新 150 t 鋼包,其中新 150 t 鋼包是由原 40 t 鋼包改造而來的。 40 t 鋼包 

                最初包襯全部采用鋁鎂機制磚,包底磚厚度300 mm,包壁厚度 120 mm。由于鋁鎂機制磚熱震穩定性和高溫強度差等缺點,40 t 鋼包包底壽命僅 40 爐左右,無法與包身磚同步。后來,包底采用鎂碳磚,包壁、渣線采用鋁鎂機制磚,整體壽命達到 100 爐以上。 120 t 鋼包 

                投產初期包襯全部采用鋁鎂質機制磚,包底磚厚度 300 mm,包壁磚厚度 160 mm。前期,在鋼包直上澆鑄時其壽命可達 90 爐,應用精煉工藝后隨著精煉比的不斷提高,鋼包壽命明顯下降。主要原因是,LF 精煉爐電極將渣線附近鋼液和熔渣加熱升溫,鋁鎂磚在高溫下快速熔損;另外,精煉會延長鋼水在鋼包中的停留時間,也加速了鋁鎂磚的侵蝕。2009 年開始,120 t 鋼包開始使用全鎂碳磚,鎂碳磚具有優秀的抗渣性和高溫穩定性,在高精煉比的冶煉環境下其壽命能達到 110 爐以上。 

                150 t 轉爐系統生產的汽車板用冷軋板等鋼種,對鋼水含碳量和潔凈度有嚴格的要求,因此從投產初期 150 t 鋼包就采用包底、包壁鋁鎂機制磚、渣線鎂碳磚的工藝路線。同時,考慮到CAS 爐工藝,透氣磚設置在包底偏中央的部位,正好處于鋼水沖擊區,鋼水對透氣磚的沖擊嚴重;并且,由于鋁鎂機制磚高溫性能差,造成包底工作襯和透氣磚斷裂情況嚴重,鋼包壽命僅70 爐左右,無法滿足生產節奏需要。后來,包底也采用鎂碳磚,包底斷磚現象和熔損過快問題有所改善。 性能分析 

                2011 年前,柳鋼鋼包所使用的鋁鎂質機制磚主要原料是高鋁礬土和燒結鎂砂細粉,結合劑采用水玻璃。結合劑影響鋁鎂磚高溫性能,具體表現為抗侵蝕能力差、熱態強度低、基質易受熔渣侵蝕剝落,總體壽命低。2012年后,鋁鎂質機制磚開始以木質素磺酸鹽為結合劑,并提高了高鋁礬土檔次,添加部分尖晶石粉。新的鋁鎂磚高溫性能明顯改善,荷重軟化溫度提高了50℃,侵蝕剝落現象明顯改善。到2013年后,進一步提升了鋁鎂機制磚性能,主要是加入了部分Al2O3微粉和電熔鎂砂細粉,使鋁鎂磚基質在使用過程中的尖晶石化更充分更致密,這一措施有利于提高包壁抗鋼水沖刷能力,明顯降低了包壁鋁鎂磚侵蝕速率。

                無碳包襯材料的應用 

                在經過一系列技術優化后,柳鋼鋼包用耐火材料基本定型,即包底和渣線采用C質量分數為14%的鎂碳磚,包壁采用木質素磺酸鹽結合的鋁鎂機制磚,永久層為鋁鎂質澆注料。這種材質的鋼包能基本滿足當時轉爐和連鑄的生產節奏,每使用20~30爐更換1次三磚和渣線磚,整個包役過程中更換1~2次。隨著柳鋼品種鋼的開發與生產調整,鋼包爐外精煉比例越來越高,低碳、超低碳汽車板對包襯含碳量的嚴格要求,傳統包襯已無法滿足生產需要,于是無碳包襯應運而生。 柳鋼從2015年開始在150t鋼包上試驗剛玉尖晶石質無碳材料,2016年在全廠推廣。升級后的鋼包包底和包壁為剛玉尖晶石磚,渣線采用C質量分數14%的改進型鎂碳磚。 剛玉尖晶石磚 

                剛玉尖晶石磚是在耐火材料原料生產技術跨越式發展的背景下研制的,是鋁鎂機制磚的全面升級產品。其主要原料是電熔剛玉、燒結剛玉、電熔鎂砂細粉、Al2O3微粉、鋁鎂尖晶石微粉、純鋁酸鈣水泥和添加劑,具有高溫穩定性好、抗侵蝕能力強、基質強度高的優點。 剛玉尖晶石磚有機壓磚和預制塊2種形式,前者以木質素磺酸鹽為結合劑,后者以水泥或鋁凝膠為結合劑。預制塊砌筑的鋼包實際使用效果更好,機制磚在包壁上部容易剝落,在包底沖擊區容易斷磚。其主要原因是機制磚細粉和骨料被壓磚機強行壓合在一起,使用過程中隨著尖晶石反應體積膨脹,會導致基質部分產生裂紋而疏松,此外機制磚骨料臨界尺寸相對于預制塊較小,包底磚熱端和冷端存在溫度差而產生的熱應力很容易使厚度300mm的磚體折斷。預制塊熱態強度要高于機制磚,因此預制塊砌筑的包底不容易出現斷層。 鋁鎂機制磚的主物相是剛玉、方鎂石和莫來石,剛玉尖晶石機制磚的主物相是剛玉、方鎂石、尖晶石和α-Al2O3微粉,剛玉尖晶石預制塊的主要物相是剛玉、尖晶石、α-Al2O3和鋁酸三鈣。

                剛玉尖晶石預制塊有2種結合劑體系:一種是純鋁酸鈣水泥和富鋁尖晶石微粉,另一種是ρ-Al2O3凝膠、電熔鎂砂細粉和SiO2微粉的凝膠結合體系。水泥-尖晶石體系的預制塊具有熱態強度高,體積膨脹小、抗沖刷能力強的特點,適合用在包底工作層部位。凝膠-鎂砂細粉體系的預制塊因原位生成鎂鋁尖晶石的原因抗渣性能和熱震性能好,適用于包壁熔池工作襯部位。從2018年開始,柳鋼淘汰了剛玉尖晶石機制磚,包底和包壁全部使用預制塊,工作襯熔損速度有效降低。 高性能渣線鎂碳磚 

                柳鋼的LF精煉比例高達60%以上,部分鋼種液渣堿度低、粘度低、渣層薄,這些工藝特點給渣線工作層帶來很大的挑戰。2015年前的渣線材料為普通鎂碳磚,主要原料是普通電熔鎂砂、抗氧化劑、鱗片石墨、酚醛樹脂,其抗侵蝕性和抗氧化性不強,熔損速度很快。針對柳鋼精煉工藝特點,從2016年開始對鎂碳磚配方進行大幅調整。使用98電熔鎂砂作為骨料和細粉,提高鎂碳磚抗侵蝕能力;采用部分改性石墨代替鱗片石墨并引入納米碳源,顯著地提高了鎂碳磚的抗熱震性和力學性能;渣線鎂碳磚的整體性能大幅提高。 近年來鋼包渣線磚理化性能的變化情況,從2012年開始對鎂碳磚配方進行了3次調整,提高了鎂砂檔次,改進了石墨的性能,降低高溫抗折強度以提高抗侵蝕能力。

                永久層材料的優化 

                2016年前,柳鋼鋼包使用的永久層材料是傳統的鋁鎂質澆注料,其中氧化鋁質量分數為65%~70%,氧化鎂質量分數為8%~10%。該材料具有成本低,中溫體積穩定性較好的優點,但長期在中低溫環境下使用強度衰減(以下稱熱衰減)嚴重,高溫體積穩定性差的問題比較明顯。此外,鋁鎂質澆注料為重質材料,體積密度高、導熱系數大,不利于鋼包輕量化發展和保溫性的提升。 2017年開始,在鋼包上使用高鋁質澆注料,其體積密度在2.453~2.55g/cm3,既保證了永久層的安全性也兼顧了保溫性。由于120t轉爐冶煉系統行車吊運能力有限,需要設計更加輕量化的鋼包永久層材料,最終采用了莫來石質澆注料,其體積密度在2.0~2.1g/cm3。經過實驗室檢測和現場試驗,2種新的永久層材料在中高溫強度、體積穩定性、抗侵蝕性方面均明顯優于鋁鎂質澆注料。

                總結 

                鋼包耐火材料的發展總趨勢是降低消耗、提高潔凈度。降低消耗不僅指降低鋼包噸鋼耐材成本,更是要求降低噸鋼耐材消耗,目的是減少耐火材料對鋼水的污染。提高潔凈度一方面是采用抗熔損的工作襯材料,另一方面是選擇無碳材料、鈣質材料等對鋼水無污染的耐材品種,以達到生產高檔次潔凈鋼的要求。柳鋼鋼包耐火材料下一階段的發展方向主要是以下幾個方面:(1)永久層推廣高強輕質材料,提高鋼包保溫性;(2)工作襯推廣整澆方案,提高使用壽命;(3)建立鋼包在線監控信息化平臺,通過實施安全監控提高運行安全性。 

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