盧 金，鄒宏軍

(攀枝花鋼城集團(tuán)協(xié)力分公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

自20世紀(jì)50年代末期開(kāi)始，RH的功能和精煉鋼種的范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)發(fā)展成為多功能真空精煉技術(shù)，在爐外精煉中占主導(dǎo)地位。浸漬管是RH真空處理裝置的關(guān)鍵組成部件，其使用壽命直接影響RH真空處理裝置的作業(yè)率。目前，國(guó)內(nèi)外各大型鋼廠(chǎng)均采用純凈鋼冶煉技術(shù)提高浸漬管的使用壽命，主要通過(guò)提高上一工序鋼水的純凈度控制、增加維護(hù)時(shí)間和減少處理周期等手段實(shí)現(xiàn)浸漬管使用壽命的提高，對(duì)浸漬管自身要求較低。然而，攀鋼煉鋼廠(chǎng)受原材料高鈦型釩鈦磁鐵礦的影響，在冶煉過(guò)程中，鋼渣流動(dòng)性差、易結(jié)殼，導(dǎo)致浸漬管易粘渣，且難清理;另一方面，煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏緊，每次處理完畢后，維護(hù)間隔僅10～15分鐘不等(國(guó)內(nèi)外企業(yè)維護(hù)間隔1小時(shí)以上)。與此同時(shí)，RH處理周期長(zhǎng)達(dá)25～30分鐘以上(國(guó)內(nèi)外企業(yè)處理時(shí)間都在11分鐘以下)，上述因素加劇了浸漬管的損毀，降低了浸漬管的使用壽命。

煉鋼廠(chǎng)流程長(zhǎng)，為補(bǔ)償過(guò)程溫降采用提高出鋼溫度，導(dǎo)致RH浸漬管受熔渣侵蝕嚴(yán)重。生產(chǎn)節(jié)奏緊，造成RH浸漬管維護(hù)時(shí)間明顯不足且不均勻。由此可見(jiàn)，攀鋼鋼鐵生產(chǎn)需對(duì)RH浸漬管的使用性能提出更高的要求。早期曾外購(gòu)過(guò)國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的寶鋼浸漬管，在寶鋼使用次數(shù)高達(dá)120～140次，但在攀鋼釩鈦冶煉工藝中使用壽命僅40次左右，浸漬管使用壽命己成為制約攀鋼煉鋼廠(chǎng)RH真空精煉技術(shù)發(fā)展的難題。

2 工作原理

浸漬管由澆注料、鎂鉻磚和鋼結(jié)構(gòu)組成，分為上升管和下降管。當(dāng)鋼包移至處理工位時(shí)，浸漬管下端插入鋼液500～700 mm，啟動(dòng)真空泵將真空室抽至100 mbar以下，產(chǎn)生的大氣壓力迫使鋼液從浸漬管流入真空室內(nèi)(見(jiàn)圖1)。同時(shí)浸漬管上升管下部約三分之一處吹入Ar2，相對(duì)未吹A(chǔ)r2的下降管產(chǎn)生較高的靜壓差，驅(qū)動(dòng)鋼液通過(guò)真空室下部流向下降管，如此不斷循環(huán)反復(fù)。

圖1 浸漬管工作原理

3 損毀原因

浸漬管在使用過(guò)程中，內(nèi)壁受高速氣流和鋼液的沖刷作用，外壁受熔渣的侵蝕和急冷急熱的作用，工作條件十分惡劣。此外，清理浸漬管外壁粘渣時(shí)機(jī)械損傷、澆注料與浸漬管鋼結(jié)構(gòu)受熱后的熱膨脹系數(shù)不匹配等原因，也易導(dǎo)致浸漬管發(fā)生損毀現(xiàn)象［1］。目前攀鋼浸漬管損毀主要表現(xiàn)為掉料、襯磚剝落、穿孔和斷裂四種情況(見(jiàn)圖2)。通過(guò)跟蹤調(diào)研，損毀因素主要有以下幾方面:

圖2 浸漬管常見(jiàn)損毀情況

(1)振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)

攀鋼浸漬管澆注料為剛玉質(zhì)耐火澆注料，趨于“速凝”類(lèi)澆注料，加上施工現(xiàn)場(chǎng)溫度超過(guò)50℃，對(duì)澆注料振動(dòng)時(shí)間要求較高，一般不宜超過(guò)10 min。而目前澆注料振動(dòng)方式為人工用振動(dòng)棒振動(dòng)，平均振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20～30 min，致使流動(dòng)性變差，為提高澆注料流動(dòng)性，只有提高加水量，降低了澆注料強(qiáng)度。且時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易使?jié)沧⒘袭a(chǎn)生分層，細(xì)粉浮在表面，骨料沉在底部，導(dǎo)致澆注料結(jié)合度降低而產(chǎn)生剝落。另在振動(dòng)過(guò)程中，由于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)水平不同以及操作責(zé)任心的差異，易造成澆注料振動(dòng)不均勻而形成氣孔，導(dǎo)致澆注料的整體性能降低，在干燥時(shí)形成橫向裂紋。

(2)烘烤時(shí)間短

浸漬管中水分主要為吸附水和結(jié)晶水，吸附水是指吸附在耐火材料表面和縫隙中的自由水，結(jié)晶水是指在耐火材料結(jié)晶構(gòu)造中占有固定位置的水分。其中吸附水在加溫至100～110℃時(shí)可全部從耐火材料中逸出，而結(jié)晶水需加溫至300℃以上才可逸出［2］。由于攀鋼生產(chǎn)節(jié)奏緊張，浸漬管烘烤時(shí)間僅40小時(shí)，其中0～110℃升溫時(shí)間為10小時(shí)，恒溫18小時(shí)，能夠充分排除吸附水;110～300℃升溫時(shí)間為12小時(shí)，無(wú)恒溫時(shí)間，結(jié)晶水無(wú)法及時(shí)排除，造成內(nèi)存水汽壓力過(guò)高而在耐火材料表面形成裂紋，在浸漬管使用過(guò)程中，裂紋逐漸擴(kuò)大直至被鋼渣侵蝕造成熱剝落，進(jìn)而導(dǎo)致掉料甚至整體垮料。另外由于升溫過(guò)快，澆注料的中心與表面溫度差越來(lái)越大，出現(xiàn)溫度梯度誘導(dǎo)熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致浸漬管表面開(kāi)裂、凸起、脫落。

(3)焊接性能差

錨固件是將耐火材料與鋼結(jié)構(gòu)連接起來(lái)的構(gòu)件，一般焊接在一定位置上，以抵消靜荷載、熱應(yīng)力、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或震動(dòng)的作用，有助于預(yù)防浸漬管在使用過(guò)程中產(chǎn)生塌陷，并使收縮性均勻分散，避免浸漬管形成大而集中的裂紋。目前錨固件材質(zhì)為1Cr20Ni14Si2不銹鋼，而鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為20g，錨固件與鋼結(jié)構(gòu)之間的焊接屬異種鋼焊接(化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表1)，焊接后需進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力，但由于廠(chǎng)家選用的焊條與錨固件材質(zhì)相近，焊接后未進(jìn)行熱處理。且錨固件為圓形，在焊接時(shí)錨固件與鋼結(jié)構(gòu)之間為點(diǎn)接觸，焊接處強(qiáng)度較差，在使用過(guò)程中由于溫度的急劇變化變化導(dǎo)致熱應(yīng)力作用造成錨固件脆化而脫落;同時(shí)在使用過(guò)程中，澆注料受熱應(yīng)力的作用，裂紋擴(kuò)展加深、延長(zhǎng)，當(dāng)裂紋相互連接時(shí)，澆注料就被分割成塊，再加上錨固件蝕損后澆注料無(wú)依托，很容易出現(xiàn)垮料。

表1 錨固件和鋼結(jié)構(gòu)化學(xué)成分對(duì)比(%)

(4)熔渣蝕損

以高鈦型釩鈦磁鐵礦為原料冶煉的高溫金屬熔體，在煉鋼過(guò)程中熔渣中的 V2O5、TiO2含量較高，使鋼渣具有熔化溫度低、粘度小的特點(diǎn)，對(duì)鎂鉻磚的滲透能力遠(yuǎn)大于普通鋼渣。加上鎂鉻磚存在一定的氣孔，含釩熔渣極易滲入，并在磚內(nèi)形成了變質(zhì)層，導(dǎo)致變質(zhì)層與未變質(zhì)層之間產(chǎn)生了與工作面平行的龜裂以致剝落而造成提前損毀。同時(shí)，滲入的熔渣中富含 Si4+、Ca2+、AL3+與鎂鉻磚中的方鎂石固溶體反應(yīng)形成低熔點(diǎn)硅酸鹽相，使磚熱面結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低，破壞了顆粒間脫落的直接結(jié)合，再加上高速流動(dòng)的鋼水沖刷作用極易使顆粒脫落而損毀［3］。浸漬管鎂鉻磚共4環(huán)，連接處均存在一定的縫隙，在處理鋼液時(shí)易被熔渣滲入，特別是第二環(huán)磚和第三環(huán)磚接縫處，經(jīng)常在表面形成30～50 mm深，35～45 mm長(zhǎng)的滲透層，滲入熔渣較多且深。

4 改進(jìn)措施

(1)改進(jìn)振動(dòng)方式

澆注料成型后的充填密度與振動(dòng)器數(shù)量、振動(dòng)頻率有密切關(guān)系。為使?jié)沧⒘险駝?dòng)均勻，振動(dòng)器數(shù)量須≥2臺(tái);為提高充填密度，振動(dòng)頻率應(yīng)在50 Hz以上［4］。目前攀鋼模具為“三瓣”式模具，在每瓣模具外壁上安裝一臺(tái)功率1.1 kW，額定頻率為50 Hz的振動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)電機(jī)不直接與澆注料接觸，通過(guò)模具振動(dòng)而提高澆注料致密性，將振動(dòng)方式優(yōu)化為自動(dòng)振動(dòng)。

原先澆注料需全部加至模具后方能開(kāi)始振動(dòng)，優(yōu)化后可邊加料邊振動(dòng)，料全部加完后，再振動(dòng)3～4 min，總體振動(dòng)時(shí)間控制在8～10 min，滿(mǎn)足了需求。且澆注料振動(dòng)均勻，耐火骨料和粉料結(jié)合緊密，使體積密度提升。同時(shí)因澆注料流動(dòng)性較好，加水量由原先7%縮至4%，避免因加水量過(guò)多導(dǎo)致澆注料成型后內(nèi)部氣孔率高，材料強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

振動(dòng)方式改進(jìn)后，從顯微結(jié)構(gòu)看(見(jiàn)圖3)，人工振動(dòng)后的澆注料致密性較差，顆粒與顆粒之間存在較多白色的氣孔;而自動(dòng)振動(dòng)后的澆注料顆粒密集地充填于每個(gè)角落，致密性較強(qiáng)，白色氣孔大幅降低;當(dāng)插入鋼水后，可有效阻止鋼渣對(duì)澆注料的侵蝕，阻止鋼渣持續(xù)滲透。

圖3 澆注料振動(dòng)后顯微結(jié)構(gòu)

從外觀(guān)質(zhì)量來(lái)看(見(jiàn)圖4)，澆注料在額定頻率的振動(dòng)作用下，加強(qiáng)了流動(dòng)性，顆粒之間相互撞擊、摩擦，將空氣排擠出去。外部橫向或縱向裂紋明顯減少，無(wú)明顯氣孔或坑洞，光滑度也有所增加，改善了澆注料的抗熱震性，達(dá)到了提高使用壽命的目的。

圖4 澆注后澆注料表面質(zhì)量

振動(dòng)方式改變后，振動(dòng)時(shí)間由20～30 min減至8～10 min，提高了澆注料料動(dòng)性和致密性;加水量降至4%，氣孔率降低，體積密度升高。成型后的澆注料生成的水化物較少，在加熱烘烤時(shí)隨著溫度提高而逐漸燒結(jié)，強(qiáng)度也逐漸提高。無(wú)論從顯微結(jié)構(gòu)還是從外觀(guān)質(zhì)量看，整體性能均有大幅提高，避免在使用過(guò)程中鋼水沿裂紋滲入熔化錨固件，使?jié)沧⒘鲜ブ味袅?，或鋼水沿裂紋滲入蝕損鋼結(jié)構(gòu)而燒穿。

(2)優(yōu)化升溫曲線(xiàn)

浸漬管在干燥過(guò)程中，如果升溫過(guò)快，聚集在耐火材料中的內(nèi)部水分無(wú)法及時(shí)排除，當(dāng)水分壓力超過(guò)了耐火材料的極限強(qiáng)度，就會(huì)造成平行于工作面的層裂和表面剝落。這種內(nèi)部層裂會(huì)導(dǎo)致在使用過(guò)程中出現(xiàn)大面積脫落和粘鋼，從而使浸漬管使用壽命下降。因此，升溫曲線(xiàn)應(yīng)遵循“宜長(zhǎng)不宜短，宜慢不宜快”的原則，既要使干燥速度盡可能快，而又不在浸漬管內(nèi)產(chǎn)生大于破壞力的應(yīng)力［5］。為徹底排除耐火材料中吸附水和結(jié)晶水，將烘烤時(shí)間延長(zhǎng)至76小時(shí)，升溫曲線(xiàn)劃分為3個(gè)階段(升溫曲線(xiàn)見(jiàn)圖5):

①脫去吸附水階段:0～110℃升溫時(shí)間為10小時(shí)，恒溫12小時(shí);

②脫去結(jié)晶水階段:110～300℃升溫時(shí)間為12小時(shí)，恒溫18小時(shí);

③調(diào)整階段:由300℃緩慢降溫至0℃，降溫時(shí)間為24小時(shí)。

圖5 延長(zhǎng)后烘烤升溫曲線(xiàn)

升溫曲線(xiàn)優(yōu)化后，充分排除了耐火材料中的吸附水、結(jié)晶水和有機(jī)雜質(zhì)等，促進(jìn)了耐火材料的致密化。從烘烤后浸漬管澆注料和鎂鉻磚外觀(guān)來(lái)看(見(jiàn)圖6)，表面無(wú)橫向或縱向裂紋，提升了浸漬管耐磨性、抗氧化性和抗侵蝕性。

充分的養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及合理的烘烤升溫曲線(xiàn)，讓浸漬管的內(nèi)部水分得以充分排除而不產(chǎn)生惡性裂紋(如橫裂紋)，提高了耐火材料強(qiáng)度及抗熱震性能，最大限度地確保了浸漬管的使用壽命。

圖6 烘烤后浸漬管表面質(zhì)量

(3)優(yōu)化錨固件

針對(duì)錨固件存在的問(wèn)題，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的形狀、澆注料的厚度、使用溫度和使用條件等，此次優(yōu)化主要分為三個(gè)部分:

①攀鋼浸漬管鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為20 g，用鋼結(jié)構(gòu)本體材質(zhì)替代原錨固件材質(zhì)1Cr20Ni14Si2不銹鋼，使其線(xiàn)膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相同，具有易焊接、相容性好、連接性強(qiáng)和冷熱膨脹匹配的優(yōu)點(diǎn)。

②錨固件形狀優(yōu)化為“波浪形”(見(jiàn)圖7)，長(zhǎng)度為6～8 mm，為澆注料厚度的2/3，以免受高溫作用而融化和氧化;整體呈扁平狀，側(cè)面為鋸齒狀，以增大其與澆注料的接觸面積并起支撐作用;為了防止錨固件在加熱過(guò)程中有較大膨脹而使?jié)沧⒘蟽?nèi)產(chǎn)生過(guò)大的張應(yīng)力，故而在錨固件表面涂上防腐漆，這些涂層在加熱過(guò)程中分解融化或燒掉，調(diào)節(jié)澆注料與錨固件之間的膨脹差別，從而減少裂紋和剝落。

圖7 錨固件優(yōu)化后形狀

③金屬錨固件形狀優(yōu)化為“Y”型，焊接方式改為坡口焊(見(jiàn)圖8)，增強(qiáng)焊接強(qiáng)度，加大對(duì)澆注料拉力，避免垮料情況的發(fā)生。將錨固件行內(nèi)間距優(yōu)化為200 mm，行與行之間間距為100 mm，錨固件最高高度不得超過(guò)澆注高度的80%，這樣使錨固件既具有足夠的支撐強(qiáng)度又不會(huì)導(dǎo)致耐火材料在熱脹冷縮過(guò)程中產(chǎn)生較大長(zhǎng)度的裂紋。

圖8 優(yōu)化錨固件排列方式

優(yōu)化后的錨固件與鋼結(jié)構(gòu)之間線(xiàn)膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度匹配，易于焊接;增加了與澆注料的接觸面積，支撐能力也隨之增加，有效減少了浸漬管在加熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力;且調(diào)節(jié)了澆注料與錨固件之間的膨脹差別，膨脹系數(shù)與耐火材料相近，消除了因熱膨脹不匹配而產(chǎn)生的開(kāi)裂、剝落。

(4)改進(jìn)磚型

原 有 浸 漬 管 由 45FIC、45JICB7B、45JICB7A、45FIC24S四環(huán)磚構(gòu)成(見(jiàn)圖9)，現(xiàn)將45JICB7A、45JICB7B合并為一環(huán)磚，合并后厚度為460 mm，氬氣管A距45FIC24S環(huán)磚縫高度為 110 mm，氬氣管 B距45JICB7A環(huán)磚縫高度為85 mm，下降管與上升管相同(只是不帶氬氣孔)。

圖9 改進(jìn)后磚型

改進(jìn)后試制了12套浸漬管，其中4環(huán)磚試制6套，3環(huán)磚試制6套。從試驗(yàn)結(jié)果看(見(jiàn)表2)，3環(huán)磚浸漬管平均侵蝕深度僅13.78 mm，較4環(huán)磚浸漬管減少27.85 mm;蝕損率由2.53%降至1.24%，降低了1.29%，效果極其明顯。

表2 浸漬管殘磚蝕損情況

3環(huán)鎂鉻磚型減少了間隙，表面形成較光滑的致密層，既強(qiáng)化了材料性能，減少了粘鋼的數(shù)量，又堵住了氣孔，阻止鋼渣的進(jìn)一步滲透，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗渣性能。

5 實(shí)施效果

2012年8月試制了12套優(yōu)化后浸漬管，于2012年9月至12月在攀鋼煉鋼廠(chǎng)2#方坯進(jìn)行了試驗(yàn)，使用壽命見(jiàn)圖8。最低使用壽命75次，最高使用壽命84次，平均使用壽命80.17次，浸漬管使用壽命大幅提高且穩(wěn)定，達(dá)到攀鋼冶煉技術(shù)要求75次/套。

圖10 優(yōu)化后浸漬管使用壽命

從下線(xiàn)后浸漬管顯微結(jié)構(gòu)看(見(jiàn)圖11)，浸漬管在高溫使用過(guò)程中形成了大量白色的鎂鋁尖晶石，緩沖了耐火材料內(nèi)部的熱應(yīng)力，提高了熱震穩(wěn)定性。同時(shí)由于澆注料中存在大量的鎂鋁尖晶石，顆粒與顆粒之間充填致密，體積密度高，黑色熔渣明顯減少，阻止了熔渣的進(jìn)一步滲透，抗渣性明顯提升。

圖11 下線(xiàn)浸漬管顯微結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的浸漬管，不論是熱震穩(wěn)定性、抗渣性還是使用壽命，與以前比均有大幅提高。特別是浸漬管使用壽命由40次/套提升至80．17次/套，減少了更換頻次，保證了攀鋼生產(chǎn)組織的正常運(yùn)行。目前，本技術(shù)成熟，應(yīng)用穩(wěn)定，并已成為攀鋼煉鋼廠(chǎng)提升RH真空處理裝置作業(yè)率的一種新方法。

6 結(jié)論

①改進(jìn)后的澆注料抗剝落性和耐侵蝕性能優(yōu)良，能夠滿(mǎn)足RH真空精煉爐的使用要求。

②襯磚平均侵蝕深度由41.67 mm減至13.78 mm，蝕損率由2.53%降至1.24%，有效阻止鋼渣的進(jìn)一步滲透，抗渣性?xún)?yōu)異。

③浸漬管使用壽命由40次/套提升至80.17次/套，減少了更換頻次，保證了攀鋼生產(chǎn)組織的正常運(yùn)行。

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