' 耐火材料技术进步与展望_新闻中心_天津钢管集团股份有限公司
您当前的位置:天津钢管集团股份有限公司 > 新闻中心 > 耐火材料技术进步与展望

耐火材料技术进步与展望


1概况

耐火材料是钢铁制造业中不可或缺,影响其工艺及成本的重要因素。耐火材料技术与钢铁制造技术共同发展支撑着钢铁工艺技术的进步。炼钢工序耗费的耐火材料占整个钢铁工艺耗费总量的2/3。如在稳定钢铁生产的同时延长内衬耐火材料寿命,能够降低成本。且为了进一步提高产品质量,须恰当选择配置与使用环境相适应的耐火材料。炼钢工序中,炉窑每个部位铁水的性质、炉渣的组成、气氛、温度,对耐火材料功能的要求有很大的差异。因此,必须仔细区别细分应对,在耐火材料方面下功夫。

实现低成本、稳定的钢铁制造工艺与制造高质量的钢铁产品,需要在耐火材料技术上下功夫。尤其是针对大量消费耐火材料的炼钢工艺,持续开发出多项技术。转炉用MgO-C砖中将主原料高纯度化,研究添加物,开发成功耐剥落性优良的低石墨材质。二次精炼炉及浇包中推广使用不定形耐火材料。对连铸而言在研究非金属夹杂物附着机理的基础上,积极探讨局部熔损处理方法。另外开发了修补时对应用途的工艺法,进一步结合诊断实现其高精度化。

2耐火材料技术进展

2.1 转炉用耐火材料

(1)转炉用耐火材料的发展

转炉中,为对高炉生产铁水中C、Si、Mn、P、S等成分进行调整,作业温度高达1600-1700℃,由于吹炼时产生的熔融氧化物(炉渣)碱性高,转炉炉壁一直使用MgO、CaO系列耐火材料。

上世纪60-70年代开发使用了白云石系列(焦油粘结白云石砖、焙烧氧化镁-白云石砖等)耐火材料。然而使用白云石系列时由于消化、高热膨胀出现剥落问题,以及高耐用性能的要求,经过开发白云石C砖,80年代开发成功了MgO-C砖。作为转炉耐火材料于80年代MgO-C砖普遍推广。由于解决了白云石的消化问题,通过氧化镁与石墨的复合组合,大幅度提高耐炉渣蚀性,同时由于热膨胀低的石墨吸收了氧化镁的热涨,使其耐剥落性得到显著提高。即同时解决MgO-C砖先前作为耐火材料致命弱点耐蚀性(溶于炉渣的阻抗性)与耐裂性这两个相反性能的划时代技术,是日本耐火材料史上值得自豪的技术。

进入90年代,为适应转炉寿命延长,针对提高MgO-C砖耐用性能进行了多种开发。其代表性开发内容有:从实际炉体使用时抑制石墨氧化的观点出发,添加金属Al或Al-Mg金属,B4C,CaB6等硼化物。另外,为提高针对炉渣耐蚀性,对氧化镁粒的高纯度化、粗结晶化以及石墨的高纯度化、粗结晶化等进行了改良。

(2)今后转炉用耐火材料的开发动向

关于今后转炉用MgO-C砖的开发动向,围绕钢铁业环境与高耐用化的需求,对MgO-C砖的开发方向进行论述。

目前转炉用MgO-C砖大部分耐火材料是从中国进口。但需求高耐热化的出钢壁等现在仍然需要使用日本国内生产高耐用化的MgO-C砖。这种状况下,从中国直接进口石墨原料的电子材料的需求增加,价格高涨。且面临高品位的石墨原料枯竭的课题。另外,转炉耐火材料,降低从炉壳铁皮方向散热也一直以来是悬而未决的课题。

针对这样课题,从高耐用化、低石墨化、低热传导化、节能化、促进再循环等入手,作为今后转炉用耐火材料的开发方向。新日铁适应这种需求,为解决这些课题,目前着手开发低石墨MgO-C砖。

针对以前15%-20%石墨添加率的MgO-C砖,探讨将石墨添加率降至10%以下目标。开发的技术课题是,将石墨定为以前的2/3-1/2,实现低热传导率的同时,保持MgO-C砖所具有优良的耐剥落性,提高其耐蚀性。为此,需要实现组织更致密化的同时,维持耐剥落性非常重要。目前,新日铁为提高耐蚀性,耐火材料组织致密化,即低气孔化率,维持耐剥落性,着手研究开发纳米尺寸的碳原料。

图1示出正在采用的纳米尺寸碳原料的透射式电子显微镜照片。形态特征是数纳米到数十纳米的纳米颗粒构成的活跃凝聚系列颗粒。图2所示为将添加微量纳米颗粒的低石墨MgO-C砖用于新日铁转炉的耳轴侧壁炉衬,对其耐用性状况进行实际评价。与原来的高石墨类型相比(石墨18质量%),确认了其优质耐用性。目前,正在进行低石墨MgO-C砖同样的适用性试验。其结果确认后,将继续探讨低石墨化。

 

 

2.2二次精炼用耐火材料

所谓二次精炼就是将以前在转炉、电炉进行的精炼反应分离出来,在后续工序中完成精炼工序。进入50年代,采用DH、RH等装置进行钢水脱氢,之后VOD、AOD等各种装置达到实用化。近年来通过OB(吹氧)或吹Ar(氩)促进脱碳;通过Al升温、喷涂助溶剂脱硫等,附加了各种功能,耐火材料的使用环境越来越严酷。与其他设备不同,二次精炼由于在高温、真空下实施精炼,真空下耐火材料必须具有稳定性。

为此,多年以来一直使用碱性镁铬砖。根据使用原料镁铬砖分为3种:氧化镁与铬铁矿为主要原料,高温焙烧直接结合(不烧结)砖;加入50%氧化镁与铬铁矿的电熔镁铬砖(将氧化镁与铬铁矿通过电炉熔解原料实现)制成半电熔原料的耐火砖;只用氧化镁与电熔镁铬砖制成的电熔原料耐火砖。另外,开发了添加高耐蚀性的氧化铬,焙烧的镁铬砖。根据各自具有的特性用于适当的部位。

近年来,积极推进替换铬,使用MgO-C砖,不定型化等措施。新日铁大分制铁厂于1996年引进了微波热风干燥装置,在世界上首次实现了RH下部槽的不定型化。君津制铁厂也推广了不定型化,开始使用氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料和氧化铝-氧化镁材质喷涂材料。在RH上采用了高温下修补局部损伤,实现寿命延长的修补技术。氧化镁、白云石等高温喷涂的干式喷涂,熔射修补,浸入式水口或下部槽设置泥芯,将氧化铝氧化镁系列材料压送的压入修补等作为其代表性的修补技术。

作为延长下部槽寿命的方法,实施了单槽连续使用或待机时强化保热等。浸入式水口内周铺设砖,外围铺设氧化铝-氧化镁材质的可铸耐火材料。但是,由于芯棒变形可铸耐火材料发生龟裂的情况很多,为了抑制这种芯棒变形,采用了直接向炉壳铁皮喷涂平均粒度10μm以下的喷雾冷却。通过这样的努力进行耐火材料的开发、修补、缓和操作条件、改进芯棒结构等,近年来达到了1000炉次以上的使用寿命。

2.3浇包用耐火材料

钢包最初使用高硅酸(蜡石)质耐火砖。从1960年代开始,随着二次精炼—连铸技术的普及,内衬耐火材料的使用条件更加苛刻,替换成鋯质耐火材料。从70年代开始,以实现筑炉作业的机械化、省力化为目的,且耐火材料不定形化盛行,对应高清洁钢需求的无硅化耐火材料的背景下,80年代后期开发了氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料。

氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料稳定用于钢包中,但减少中间补修材料的使用量与延长大修后寿命的需求显而易见。钢包使用氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料时,炉衬侧壁部位由于炉渣浸透引起的构造剥落,再加上铺设部位构造散裂,以及耐火材料自身产生的热应力,引起的凸皱、皱裂造成损耗。这样,为减少氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料的损耗,开发了氧化铝-氧化镁材质不定形耐火材料。

氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料与氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料相比较,热态线膨胀与发生热应力两大特征有显著的差异。观察氧化铝-氧化镁材质的热膨胀曲线与氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料的热态线膨胀曲线,氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料从约1400℃以上的温度开始急速膨胀,这主要是伴随体积膨胀生成的尖晶石。但氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料没有产生急剧的膨胀。

实际应用中,由于氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料被约束,在工作面产生的这样大的膨胀有利于耐火材料的致密化(透气孔径减少),抑制炉渣浸透效果。相反,氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料,由于在工作面不产生大的膨胀,不会使耐火材料组织致密化,也就不能抑制炉渣浸透。这样,与氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料相比,氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料难以引起炉渣浸透,从而抑制因构造剥落导致的损耗。

根据两者的热应力曲线可知,氧化铝-氧化镁材质发生热应力最大值比氧化铝-尖晶石材质低。这说明氧化铝-氧化镁材质比氧化铝-尖晶石材质,发生的凸皱、皱裂的危险低。

由此可知,与氧化铝-尖晶石材质可铸耐火材料相比,氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料难以引起炉渣浸透,且具有耐火材料自身产生热应力低的特征。因此应运到钢包上。为降低氧化铝-尖晶石材质发生的凸皱的危险,控制伴随烧结的收缩,可以应用到浇包上。

新日铁领先于其它钢铁公司,积极推进钢包使用可铸耐火材料,炉衬侧壁、铺设部位实现了不定形化。另外,开发出碱性可铸耐火材料,浇包也完全实现了不定形化。

今后,为长期、稳定使用氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料,可铸耐火材料使用过程发生龟裂导致浸入基体控制成为课题。可铸耐火材料出现基体浸入导致龟裂发生的原因是由于可铸耐火材料使用中组织发生变化。为此,在评价氧化铝-氧化镁材质可铸耐火材料的烧结性、高温的蠕变的基础上,确立使用难以引起组织变化的最佳材料设计技术显得非常重要。

2.4修补、诊断技术

耐火材料修补分为在线热修补和离线冷修补。热修补采用喷涂、压入、投入式喷涂、炉渣包覆等。冷修补采用的方法有喷涂、修补调换,接长杆、涂抹等方法。其中近年来发展快的方法是喷涂修补法。新日铁喷涂修补法不断进步,促进了炉窑的稳定运行与耐火材料成本降低。

一直以来采用干式喷涂法。这种方法是用气流搬送材料,在水口的前端添加水分喷涂到修补体上。该方法简单,但由于施工体多孔质,耐用性低。为此,90年代末期,发展了湿式喷涂法。如同可铸形耐火材料那样,通过用泵压送压缩空气将混匀材料的喷射混凝土法。与干式喷涂法相比这种方法能形成致密的施工体,在很多炉窑修补中使用。与喷射混凝土法相比,采用旋转装置,根据离心力喷射的旋转喷射法,能够减少添加水量,得到更致密的施工体。另外还有单位时间施工量增多,少数操作人员就能够实施的特点。

尽管湿式喷涂有使施工体致密耐用性优的特点,但有可能产生施工体爆炸的危险,不适用于热修补。另外,由于使用混匀后的材料,机器的清洗需要人力、工时,经常使作业繁杂。为能进行热喷涂,以简便、耐用为目标,开发成功以下方法:在气流搬送的材料中喷射雾状水,在水口内部进行边混合边喷涂修补法(Mist Injection Shot);以及将气流搬送的材料连续混合喷涂的瞬间-连续混匀喷涂法。(H-QMI:Hot Quick Mixing Injection & Mist Injection)。前者比较简单,应用于浇包风口或脱气槽浸入式水口的修补等。后者耐用性较高,应用于转炉、钢包等。

需要在正确诊断耐火材料炉衬损耗状况基础上进行修补,才能做到不浪费。以前人们通过目测得到诊断输入轮廓仪,可以进行定量性诊断与正确修补。通过激光轮廓仪发现浇包等局部溶损,在该部位实施热喷涂来延长寿命,且能够减少喷涂材料使用量。另外将诊断装置与高耐用的溶射修补法相组合的装置用于焦炉,能够延长炉体寿命。

3结束语

为适应炼钢工序的不断进步,耐火材料也需要不断发展。针对革新工艺的成立,今后构成耐火材料技术的材料、结构、施工、诊断、修补等各项技术需要精益求精的同时,面向节能、省CO2的绝热技术,对应结省资源的再循环技术等也需锐意进取,支撑钢铁技术的天地。


上一篇文章:大飞机上的“中国钢”
下一篇文章:不锈钢可持续交通车站设计(下)
天津钢管公司 天津钢管集团   天津大无缝钢管厂
版权信息 
天津钢管制造有限公司 电话:022-84926265  手机:18322518972 网站地图
Copyright (c) 2000-2010 022g.cn,Tianjin PIPE(GROUP) CORPORATION ALL right reserved
本网站由天津钢管集团股份有限公司版权所有