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钢包内衬材料的发展与展望
 点击数:1828次 添加时间:2013-12-4 [打印] [返回] [收藏]
 

  钢包是炼钢厂重要的热工设备,包衬材料的选择至关重要,其寿命长短不仅关系到耐火材料的消耗和炼钢成本,而且直接影响钢的产量和质量。因此延长包衬寿命历年来一直是工作重点。随着冶金技术的不断发展,冶炼温度的提高和连铸比的增加,使得钢水在钢包中停留时间延长,尤其是利用钢包进行炉外二次精炼(脱硫、吹氩处理等)后,LF、SKF和VD炉等精炼炉的使用,使得钢包的使用条件越来越苛刻,内衬寿命不断下降,这就要求内衬材料必须迅速发展,以适应冶炼条件的变化。

  为了提高包衬寿命,国内外同行做了大量研究工作,主要从改进内衬材质、砖型、采用综合内衬、不定形化以及施工方法等方面人手,现在有些钢厂还对内衬进行表面处理,在不同时期均取得了一定的效果。  钢包内衬材料的发展:粘土砖、蜡石砖、(轻烧)高铝砖、水玻璃结合不烧铝镁砖、轻烧白云石油砖、镁砖→离心投射硅砂、机械化捣打(硅质、半硅质、高铝质等)→水玻璃结合铝镁浇注料→水玻璃结合不烧尖晶石砖→高铝尖晶石浇注料、铝镁浇注料(硅灰、高铝水泥和纯铝酸钙水泥结合)→高纯尖晶石铝镁浇注料、铝镁碳衬砖和无碳砖。其中某些阶段在有些钢厂有交叉和反复。

  1钢包内衬材料的发展  1.1粘土砖和高铝砖等定型制品  粘土砖和高铝砖等定型制品主要是作为早期的钢包内衬材料,由于手工砌筑内衬,不仅筑衬时间长、工效低、劳动强度大和成本高,而且由于整体性差和不能从根本上消除砖缝带来的危害,一般使用寿命和耐火材料利用率较低。在当时使用条件不太苛刻的情况下,粘土砖平均一次性包龄只有10次左右,高铝砖也只在20次左右,耐火材料利用率不到50%,且砖型较多(10多种),砌筑很不方便。这些不仅浪费了大量耐火材料,增加了拆衬和砌衬劳动强度,而且由于耐火材料大量熔损带进钢中的非金属夹杂物增加,还导致钢锭质量下降。

  1.2不定形钢包内衬材料  不定形钢包内衬材料的制备与应用技术是在近30年前后快速发展起来的,它的出现使劳动生产率、施工效率、使用寿命、安全性等都大大提高。与此有关的理论有:粉体工学、胶体化学、流变学、热(动)力学、施工和烘烤技术及材料选择等。另外超细粉、非氧化物材料(碳、碳化物、氮化物、塞隆、阿隆等)、不同作用的添加剂以及先进的施工方法的使用都使得不定型钢包内衬材料不断更新换代。国内外使用不定型耐火材料,采用机械化筑造整体内衬的工艺有过三种方法:离心投射、机械化捣打、振动浇注。在各个时期都取得了不同程度的效果。

  1.2.1离心投射筑衬法  离心投射筑衬法最初起源于西德,由于硅砂或硅石价格低廉,加之机械化筑衬,故发展较快,欧洲各钢厂及美国和日本都做了技术引进。  其缺点是抗渣蚀性能差,在钢包上使用寿命并不高(15~20次,经修补最高可达30~40次)。但由于粘渣轻,成本低,直到上世纪80年代欧洲在普通钢包上仍侧重于使用硅质和半硅质料作为投射料。

  1974年,中国开始试验投射筑衬法,采用水玻璃作结合剂。其寿命由砖砌衬的12次提高到22次。  投射法虽然实现了机械化筑衬,提高了施工速度,减少了筑衬工时和劳动强度,并在一定程度上提高了内衬寿命,降低了筑衬综合成本,但是由于受施工方法所限,投射的内衬致密度和均匀性始终不够理想,因此影响了内衬寿命进一步提高,在中国未能得到发展和广泛使用。

  1.2.2机械化捣打筑衬法  机械化捣打是继投射法后迅速发展起来的一种整体筑衬法。上世纪70年代中期,随着国外不同类型的自动化捣打机的研制成功,捣打实现了机械化,内衬密度和使用寿命都有很大提高。日本使用的锆英石和叶蜡石质捣打料,在当时的使用条件下,可使包衬寿命提高到60次以上,经过修补许多可达到100次以上。

  中国于上世纪70年代后期开始试验捣打施工法,一般是人工捣打,直到1981年鞍钢研制的捣打机才在其三炼钢正式投入使用。当时200t钢包捣打内衬经过数次小修后,平均使用寿命可达85次。

  机械化捣打施工法虽在中国已取得成功,并在鞍钢等投入实际使用,但捣打法也是一种施工技术要求较高的方法,捣打机本身结构复杂;不同容量的钢包又要求不同大小的捣打机配合,才能发挥良好的施工效果,而且捣打机造价高,还要有其他大型机械(拆包机)配合。故一次性投资大,上马不大容易,再加上机械拆包,当时在中国尚未很好解决,故捣打施工法在我国推广遇到了一定困难。

  1.2.3振动浇注施工法  振动浇注施工是继捣打施工法之后迅速发展起来的,其特点是:施工简便,设备投资低,施工效率高,内衬质地均匀无分层现象,可以不拆除残衬,仅对用后内衬上的局部残渣和废钢进行清除后,即可放人胎模,对整个内衬进行补浇,耐火材料得到了充分利用,吨钢单耗大大降低。此方法目前在马钢二钢厂还在使用,俗称“剥皮和套浇”。  采用振动浇注法发展较快的是日本,如在模框上装有附着式振动器等,靠模框振动代替人工操纵的振动棒,这样可有效提高筑包工效,缩短施工时间。

  洛耐院于1981年研制成功第一代铝镁浇注料(水玻璃结合),平均一次性寿命(中间不经修补)达到70次以上。1984年,马钢与洛耐院合作,在70t钢包上进行了试验,内衬寿命由砖砌衬的20次提高到74次,筑衬成本下降86%。

  由于是用水玻璃作结合剂,其高温机械强度差,耐钢水冲刷性能不好,钢包吨位越大,出钢时钢水冲击力越大,钢包迎钢面和包底更易侵蚀。还有含水量大(加水量5%~10%,比捣打料高),增加了烘包困难。故当时在中国没能得到全面推广,有些钢厂又回到砌砖法,只不过在材质和工艺上有所提高,如马钢使用的水玻璃结合不烧尖晶石砖,其使用寿命一般在40炉左右。

  随着技术的发展,人们开始使用高铝水泥作结合剂的高铝尖晶石浇注料,其颗粒级配仍较粗,有些厂家使用普遍矾士统料,尖晶石档次也不高,加之高铝水泥杂质多,导致浇注料基质中低熔相多,使用寿命不高,一般在60炉左右。

  随着流变学、胶体化学和烘烤技术等理论的发展,尤其是硅灰和α-Al203等超细粉以及高效减水剂的使用,加之对材料的精心选择和对颗粒级配的优化,使得不定形钢包内衬材料发生了巨大变化。以硅灰结合为代表的新一代铝镁浇注料应运而生,其骨料开始使用特优矾土和电熔刚玉(后来有些使用板状刚玉和高纯尖晶石),基质选用电熔刚玉和电熔镁砂,结合剂选用硅灰或纯铝酸钙水泥,并采用多级颗粒级配,特别是超大颗粒的使用,使得钢包内衬的抗剥落能力明显提高,α-Al203等超细粉和高效减水剂的使用,使得浇注料的加水量、流动性和高温性能也得到了显著改善,这些都大大提高了钢包浇注料的使用寿命。

  马钢耐火材料公司于1997年开始生产的铝镁浇注料在马钢一、二钢厂使用寿命一般在80炉左右,在三钢厂使用寿命在70炉左右。随着炼钢工艺的发展以及生产节奏的加快,2003~2004年,为了适应二钢厂钢包扩容,包壁厚度平均减薄50mm这一变化,开发的Ⅱ型料仍能保持平均使用寿命80炉的水平。

  2003年,马钢借鉴金属塑性相这一耐火材料领域的前沿理论,并以新型纳米材料为结合剂,开发成功的130炉次高档钢包浇注料在三钢厂当时的冶炼条件下,使用寿命达到了130炉次,后随着冶炼条件的变化,尤其是上LF炉次数的增加,使用寿命逐渐稳定在90~100炉。2004年,随着技术的进步,马钢开始在三钢厂使用铝镁炭砖,使用寿命一般在100炉左右。

  1.3现代钢包内衬材料  由于现在钢包已成为重要的精炼设备,铝硅质耐火材料已不能适应现代冶炼条件,因而镁炭砖、高纯铝镁(尖晶石)浇注料、铝镁炭衬砖和无碳砖等就成为了现代钢包的重要内衬材料。它们通常根据具体的使用情况配合使用,如包底和包壁用高纯铝镁(尖晶石)浇注料或铝镁炭衬砖,渣线用镁炭砖。由于冶金工艺、操作条件以及应用观念的差异,不同地区和不同钢厂的钢包,其内衬材质存在很大差别。

  2展望  钢包内衬材料正在迅速发展,其材质在向高档次、高纯度、高性能方向发展,随着纳米技术和表面处理技术的应用,以及对陶瓷技术的借鉴,使得钢包内衬材料的生产、应用和维护有向精细化方向发展的趋势。  2.1高纯钢包浇注料  为了适应电工钢等低碳钢的冶炼需要,随着技术的进步以及各种新材料的出现,以板状刚玉、电熔刚玉、高纯尖晶石、各种氧化铝微粉、新型纳米结合剂和高效减水剂等为原料开发的高纯铝镁(尖晶石)浇注料将会得到广泛应用。

  2.2含碳钢包浇注料  由于砌砖法劳动强度大,工作效率低等种种不足,最终在非低碳钢钢包上铝镁炭砖可能会被含碳钢包浇注料所取代。目前含碳钢包浇注料的开发与应用存在的主要技术难点是水对石墨表面不润湿,使石墨在浇注料中难于分散,影响了浇注料的流动性。  随着纳米技术和表面处理技术的发展,现在有人通过各种无机盐的水解,在天然鳞片石墨表面包覆纳米氧化物薄膜,达到对石墨表面改性处理的目的,从而大大改善含碳浇注料的性能。通常作为纳米氧化物薄膜的材料有Al203、Cr203、Ti02和Zr02薄膜,具有化学吸附的特性。其中包覆Al203的石墨其悬浮液的粘度和沉降体积值最小,表现出更为良好的亲水性。

  2.3局部维护与处理  钢包在使用时,由于钢水和渣的流(搅)动,使钢包内衬侵蚀很不均匀,而钢包停止使用,除了座砖和透气砖的原因,往往是由于内衬最薄弱的地方不能使用导致的,而此时大部分部位仍然有很大富余,这就很不经济,也导致资源的大量浪费。从可持续发展的角度出发,应使钢包内衬保持同步蚀损,这就要对钢包内衬进行局部处理。  如在渣线镁炭砖的表面涂刷一层表面处理材料,增强镁炭砖的抗氧化和抗侵蚀能力;借鉴陶瓷高温焊补技术,投射高温自流料或利用机械手对钢包内衬(尤其是渣线部位)进行高温局部修补;还可借鉴转炉溅渣护炉技术,采用适当工艺,对钢包内衬进行溅(摇)渣保护,也可直接喷射高温修补料(而不是被淘汰的喷补料泥桨),对钢包内衬进行保护。  还可利用特殊装备与钢包在使用过程中的扩容相配合,调节渣线的高度,充分利用每一层渣线砖,保持渣线砖的同步蚀损。

  3结语  随着纳米技术和表面处理技术的应用,钢包内衬材料已向高档次、高纯度、高性能方向发展,其生产、应用和维护也在向精细化方向发展。我们相信随着新理论、新观念、新技术、新工艺、新材料和新设备的不断出现和发展,钢包内衬材料必将取得飞速发展。