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首鋼京唐——鐵水包一包到底耐火材料應用技術的研究

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首鋼京唐——鐵水包一包到底耐火材料應用技術的研究

發布日期:2017-09-01 作者:玉和建設 點擊:

    大中型鋼鐵廠的鐵水運輸,普遍采用高爐→魚雷罐車→鐵水包→轉爐的生產組織模式。雖然此種模式具有機動性能好、鐵水溫降小等諸多優點,還具有鐵水預處理、調整鐵水溫度和成分以及緩沖等功能。但是,它與現代冶金工藝所追求的高效益、低能耗的目標相比仍有一定差距,主要表現在鐵水運輸環節多、生產效率較低、能耗高、三脫效果較差、一次性投資大、運行成本較高等方面。為了克服上述問題,首鋼京唐鋼鐵公司采用了鐵水包多功能化工藝技術,即一包到底。為配合一包到底新工藝新技術的應用,首鋼也進行了相適應的耐火材料應用技術的研究。

    首鋼京唐一包到底工藝路線

    一包到底,即采用一種具備鐵水的盛接、運輸、緩沖貯存、鐵水預處理、轉爐兌鐵和鐵水保溫等多功能的盛鐵容器──鐵水包,將高爐出來的鐵水,在經過必要工藝流程處理后,以不更換該鐵水包的生產組織模式,直接兌入轉爐內冶煉,該冶金流的工藝過程被稱為“一包到底”鐵水運輸技術。

    京唐公司一包到底工藝采用了鐵水包從高爐計重盛鐵→包車運輸→煉鋼作業區→前扒渣→KR攪拌脫硫→二次扒渣→兌入轉爐冶煉的路線。根據首鋼京唐煉鐵采用5500m3大型高爐、煉鋼采用300噸轉爐實際,采用了300噸鐵水包和鐵水包車,在1435mm標準軌距上運輸。

    一包到底工藝技術減少了鐵水倒罐操作,縮短工藝流程,不但降低了對環境的污染,有利于鐵水脫硫處理和轉爐多加廢鋼,穩定入爐鐵水成分、溫度和重量,還降低了鐵水消耗和能源消耗。

    一包到底耐火材料損毀機理

    盡管一包到底工藝技術具有優勢,但是,卻給耐火材料帶來了諸多負面影響。與魚雷罐耐火材料相比,一包到底鐵水包耐火材料更易損毀,壽命較低,其主要影響因素有以下幾個方面:

    一是熔渣侵蝕。化學分析表明,鐵渣中含有大量的CaO和FeO等氧化物。現場取樣分析顯示,與渣相接觸的鋁碳化硅碳磚體一側,Ca濃度明顯升高。這說明渣中的Ca滲透到了渣線和包壁的磚體中;與包壁磚比較,渣線磚中的Ca滲入到磚體深度更深;滲透到磚體中的CaO與磚中的Al2O3和SiO2反應,生成低熔點的化合物鈣黃長石Ca2Al2SiO7或鈣長石CaAl2Si2O8。此外,殘磚侵蝕層內部有一定量的金屬Fe存在,預示渣中的FeO可能滲透到鋁碳化硅碳材料中,并與材料中的SiC和C成分發生了反應。上述因素會造成材料組織劣化,引起結構性剝落,由此縮短包襯使用壽命。

    二是脫硫劑化學侵蝕。脫硫劑對包襯的侵蝕的主要渠道是通過界面反應形成界面反應產物和共融物,或因反應產物熔點低而溶蝕,或因共融物共融點低而被沖刷掉,或因反應產物與包襯材質特性相異,而從包襯磚本體變質剝離,最終造成了鐵水包襯的損壞。脫硫劑化學成分以CaO為主,還含有CaF2,與鋁碳化硅碳磚中的Al2O3和SiO2的等氧化物發生反應,可能生成低熔點或低共融點的物質。顯然,CaF2與包襯中Al2O3和SiO2共融點都低于鐵水溫度,因而CaF2將對包襯有較大損害,容易造成耐火材料熔蝕。磚襯中的Al2O3和SiO2與CaO反應性較強,反應產物的熔點或共融點大多低于鐵水溫度,因此,磚襯在使用中容易受到脫硫劑的化學侵蝕而損壞。

    三是熱剝裂。加蓋和不加蓋鐵水包內的耐火材料表面溫度有較大差異。鐵水包鐵水兌入轉爐后,正常空包時間為2個多小時,鐵水包中的耐火材料表面溫度下降到了800℃~600℃,冬季會更低。此時,一旦重新裝入鐵水,耐火材料溫差將達到700℃~900℃。包襯受到強烈的急冷急熱影響,由表面和內部的膨脹差產生應變,極易造成包襯表面剝裂,進而剝落。

    四是鐵水機械沖刷或沖擊。京唐高爐出鐵擺動溜槽出口至鐵水包包底高度約為6.5米,當鐵水從擺動溜槽流出時,以自由落體方式直達包底區域,對鐵水包包底和包壁造成強烈的沖擊。

    五是渣鐵機械沖擊。為了消化庫存渣鐵,京唐公司將渣鐵粒度分為3級,除了小粒度的渣鐵供燒結配料外,中間粒度10mm~40mm的渣鐵裝袋后,在煉鋼作業區由起重機吊運袋裝渣鐵加入空鐵水包內,較大粒度40mm~200mm的渣鐵在煉鐵作業區從鐵溝加入鐵水包內。加入渣鐵的過程中,掉落的渣鐵將對鐵水包內耐火材料形成嚴重的機械沖擊。

    六是可逆熱膨脹。耐火材料一般具有可逆熱膨脹特性,即熱脹冷縮。裝滿鐵水時,鐵水包襯高度方向可能產生約40mm的膨脹量,考慮鋼殼膨脹和磚縫的吸收,其膨脹量仍然可觀;而空包時,包襯溫度降低到800℃~600℃。如此反復冷熱,可能造成包壁和渣線磚的整體結構的破壞,導致包壁或渣線出現橫向裂縫,而裂縫處極易出現鉆鐵現象,從而可能對工作襯和永久襯造成損壞,嚴重時,將導致漏包事故的發生。

    七是機械剝裂。受鋁碳化硅碳材料的熱膨脹和鋼殼輕微的變形等因素影響,鐵水包內的耐火材料會受到較大的局部擠壓力,此時包壁極易出現裂紋。

    優化耐火材料的應用

    對一包到底耐火材料的要求。基于損毀機理的分析,可認為一包到底鐵水包耐火材料應具備如下特性:一是優異的抗熔渣性能;二是與脫硫劑低的反應性,耐脫硫劑的侵蝕作用;三是優異的抗熱震性能,不發生開裂和剝落;四是高的強度,優異的抗機械沖刷或沖擊性能;五是低熱膨脹性能;六是低的氣孔率。

    現行一包到底鐵水包耐火材料的配置。在現行京唐一包到底鐵水包耐火材料的配置中,包沿和包底采用鋁硅系澆注料,包壁保溫層采用納米絕熱板,永久層采用葉蠟石磚雙層錯砌,渣線和包壁工作層采用鋁碳化硅碳磚豎寬磚型平砌,圍罐磚采用加長鋁碳化硅碳磚平砌,包底工作層采用底層豎寬磚型平砌和上層豎厚磚型側砌。

    一包到底鐵水包耐火材料應用實踐。投產前期,京唐一包到底鐵水包壽命偏低,通過采取磚型設計和砌筑優化、工作襯材質和配置優化、永久層材質和配置優化、保溫性能優化、鐵水包運行管理優化等多項措施,逐步延長了鐵水包壽命,目前平均壽命達到210次。

    磚型設計和砌筑。京唐公司鐵水包耐火材料內襯結構,原設計為緊貼鋼殼的外層20mm厚的耐火纖維氈,中間72mm厚的永久層澆注料和145mm厚的包壁工作層鋁碳化硅碳磚或165mm厚的渣線工作層。包壁和渣線磚采用豎厚磚型側砌,側砌磚有較多的豎直縫,上下層豎縫交錯不好,容易鉆鐵,大小頭磚體性能的均一性也較差。耐火纖維氈強度低,在烘烤和使用過程中,受到鐵水、工作層和永久層澆注料的擠壓而收縮變形,從而導致工作層的磚縫開裂,永久層產生較大較寬的裂紋,使得鐵水包在使用初期就多次出現漏鐵事故。目前,包壁和渣線磚改用160mm厚的磚豎寬磚型平砌。平砌磚有較少的豎直縫,上下層豎縫好交錯,豎直縫較少,大小頭磚體性能均一性較好,對延長鐵水包壽命有利。為了提高保溫性能,緊貼鋼殼放置了納米絕熱板。為了提高使用的安全性,將永久層改為2層錯縫砌筑的葉蠟石磚。

    工作襯材質和配置。對于一包到底鐵水包用鋁碳化硅碳磚,結合渣線、包壁和包底等不同使用部位的實際損毀差異,針對性地分別配以不同性能的材料。對于渣線部位,著重考慮抗渣侵蝕性能和耐沖刷性;包壁部位則側重考慮抗脫硫劑侵蝕、抗剝落性和體積穩定性;包底充分考慮到材料耐沖刷或沖擊性和蠕變性,以緩和受鐵時產生的沖擊應力和膨脹應力。

    在材料的選擇上,考慮了以下幾個方面:鐵包渣線材質由Al2O3-SiO2-SiC-C體系改為低SiO2的Al2O3-SiC-C體系,即采用低硅的鋁碳化硅碳磚;基質部分采用純度較高的剛玉原料,使材料的SiO2含量盡可能低,減小熔渣對材料的侵蝕。添加了合理量的SiC、石墨和金屬抗氧化劑,以增大材料表面與渣、鐵水的浸潤角,有效防止渣和鐵水的滲入,平衡了材料的抗侵蝕性、抗氧化性和抗機械沖擊性能;采用樹脂結合體系,高壓成型,降低材料的顯氣孔率,有利于減少熔渣和脫硫劑的滲透;高溫下,材料內部可形成有效的C-C結合,保證了高的強度,有利于提高抗沖擊性能。

    永久層材質和配置。為了提高使用的安全性,永久層由澆注料改用葉蠟石磚。葉臘石磚具有較好的抗鐵渣侵蝕能力,能夠有效阻隔鐵水的穿漏;具有一定膨脹性,使用中可彌合砌縫,有助于減少磚縫鉆鐵的可能;在砌筑結構上通過兩層錯縫砌筑,可以防止永久層貫通縫的形成。

    鐵水包保溫。通過采用納米絕熱板和鐵水包加蓋使用,優化保溫性能。鐵水包加蓋除了可以減少鐵水溫降以外,還可以提高空包耐火材料表面溫度,減少熱震損壞。

    鐵水包運行管理。京唐公司通過縮短鐵水包在煉鋼區域的停留時間、運輸送重包時間、高爐下空包等待時間,加強對管控中心鐵鋼分調的管理,積極組織協調煉鋼、煉鐵、運輸各個部門相關人員,提高鐵水包的周轉率,減少鐵水包周轉包數,使得鐵水包周轉率由過去的3次/天提高到4.5次/天以上。

    對未來的展望

    材質改進。耐火氧化物抵抗預處理劑能力的強弱順序為:MgO>Al2O3>CaO>SiO2。經抗渣試驗分析,與鋁碳化硅碳質耐火材料相比,鎂碳化硅碳質耐火材料有更好的抗熔渣性能。因此,為延長渣線壽命,擬在京唐一包到底鐵水包渣線部位試驗鎂碳化硅碳質耐火材料,以期提高渣線磚抗侵蝕能力。

    熱態清渣。目前,渣線磚黏渣較為嚴重,在冷態機械清理時,極易造成渣線磚斷裂和松動,而熱態清渣可以減少對渣線磚的損壞,但限于場地,尚未實現熱態機械清渣,擬協商在煉鋼作業區布置熱態清渣設施。

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