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        高爐陶瓷杯用長壽耐材的研制與設(shè)計創(chuàng)新

        2021-11-11 03:46:50王佑寶高配亮蔡國慶秦建濤常雅楠
        山東冶金 2021年5期
        關(guān)鍵詞:耐材莫來石鍋底

        王佑寶,高配亮,蔡國慶,秦建濤,常雅楠

        (山東耐材集團(tuán)魯耐窯業(yè)有限公司,山東 淄博255200)

        1 前 言

        高爐長壽是現(xiàn)代高爐所追求的目標(biāo),高爐長壽必將帶來經(jīng)濟(jì)效益的提升[1-2]。近年來,我國高爐的設(shè)計水平得到了較大的提高,陶瓷杯耐材也從全部依賴進(jìn)口轉(zhuǎn)變?yōu)閲a(chǎn)化,并且使用效果也逐步提升,高爐的一代爐齡也得到了較大的提高[3]。但與國外高爐壽命相比,我國只有少數(shù)高爐能夠達(dá)到國外高爐壽命的水平。雖然普遍認(rèn)為影響高爐長壽有3 個因素:高爐設(shè)計時采用的長壽技術(shù)、穩(wěn)定的高爐操作工藝管理和優(yōu)質(zhì)的原燃料條件和有效的爐體維護(hù)技術(shù)[4-5],但陶瓷杯用耐材的選擇也非常重要。提高高爐的設(shè)計和建設(shè)水平,是高爐實現(xiàn)長壽的根本,高爐本體用耐材選擇對高爐長壽化有也重要意義[6]。隨著鋼鐵行業(yè)新舊動能轉(zhuǎn)換項目的實施,高爐的發(fā)展趨勢是大型化、長壽化,其內(nèi)襯的耐火材料按高爐部位的使用條件應(yīng)選擇相對應(yīng)的品質(zhì)及檔次的耐火材料,高爐本體用耐火材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化提升勢在必行。

        2 高爐陶瓷杯耐材的選材

        2.1 陶瓷杯的作用及耐材性能要求

        陶瓷杯即在高爐爐底爐缸工作區(qū)域采用陶瓷結(jié)合的耐火材料,爐底采用2~3層耐火磚砌筑,搭配的杯壁在炭磚外側(cè)采用多種磚型耐火材料環(huán)砌,在爐缸區(qū)域形成一個杯狀的陶瓷襯。利用陶瓷杯低導(dǎo)熱的特點,將1 150 ℃等溫線阻滯在陶瓷層中,使炭磚避開800~1 100 ℃的脆性斷裂區(qū)。由于陶瓷杯的存在使鐵水不直接與炭磚接觸,從結(jié)構(gòu)設(shè)計上緩解了鐵水及堿金屬對炭磚的滲透、沖刷破壞。只要陶瓷杯穩(wěn)定存在與炭磚內(nèi)襯的內(nèi)表面,陶瓷杯顯然也起著隔熱的作用,能降低炭磚表面的溫度,不僅節(jié)能降耗,還能改善炭磚層內(nèi)的溫度分布。因此,對陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能:良好的抗鐵水熔蝕性能,良好的抗鐵水、渣液沖刷性能,良好的抗CO侵蝕和抗堿侵蝕能力,良好的抗熱震能力,在使用過程中應(yīng)形成鍋底狀,避免出現(xiàn)象腳型。

        2.2 高爐爐缸的侵蝕形式

        高爐爐缸耐材和炭磚的損毀中堿金屬和鋅的化學(xué)侵蝕是主要的影響因素之一,要減小乃至消除爐襯環(huán)縫對高爐壽命的不利影響,除了從根本上提高高爐精料水平,降低堿金屬和鋅的負(fù)荷以外,砌筑爐缸、爐底選擇抗堿性好、微氣孔或超微氣孔、抗鐵水滲透和抗渣鐵溶蝕性能好的耐火材料是爐缸耐材技術(shù)趨勢。

        高爐在運(yùn)行過程中爐缸的耐火磚襯受到多方面的作用而逐步被侵蝕,因此在選擇各部位的耐火磚襯時應(yīng)遵循的原則是:耐火磚襯要與該部位的熱流強(qiáng)度相對應(yīng),以保持在強(qiáng)熱流沖擊下,磚襯仍能保持整體性和穩(wěn)定性;耐火磚襯要與該部位的侵蝕機(jī)理相對應(yīng),以緩解和延緩內(nèi)襯破損速度,延長高爐壽命。

        目前業(yè)內(nèi)普遍將爐缸典型侵蝕情況分為4種,如圖1 所示。A 為蘑菇型侵蝕、B 為象腳型侵蝕、C為寬臉狀侵蝕、D 為鍋底狀侵蝕。其中蘑菇型、象腳型、寬臉狀侵蝕均為非均勻侵蝕的典型代表,均勻侵蝕磨損容易形成鍋底狀,適當(dāng)?shù)腻伒谞钋治g有利于渣鐵層的形成和減緩侵蝕速率,是爐缸長壽的侵蝕思路。

        2.3 陶瓷杯用微孔莫來石磚的技術(shù)優(yōu)勢

        目前國內(nèi)高爐陶瓷杯用耐材主要有復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、塑性相復(fù)合剛玉磚、微孔剛玉磚、法國陶瓷杯澆注磚等。澆注塊的重量相對較大,復(fù)合棕剛玉磚抗堿性相對較差,塑性相剛玉磚微氣孔指標(biāo)相對較差,剛玉莫來石抗堿性和抗?fàn)t渣侵蝕效果相對較差。高爐陶瓷杯、陶瓷墊用耐材料直接與高爐內(nèi)鐵水、鐵渣接觸,受鐵水、鐵渣溶蝕和沖刷嚴(yán)重而易于損毀。為滿足高爐一代爐齡的生產(chǎn)需求,高爐陶瓷杯與風(fēng)口用耐火材料應(yīng)具備良好的抗沖刷、耐侵蝕性能。高爐陶瓷杯用耐火材料的微孔化是當(dāng)今耐材技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢。

        微孔莫來石磚在國內(nèi)應(yīng)用并不多,但其在高爐陶瓷杯上使用的優(yōu)異表現(xiàn)需要引起關(guān)注。近幾年,魯耐窯業(yè)和韓國浦項在高爐耐材方面緊密合作,韓國浦項和現(xiàn)代制鐵高爐上使用的就是微孔莫來石磚(SDMPM70)與低鋁莫來石磚(SDLAM45)搭配的魯耐-浦項型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯技術(shù),使用過程中能夠按照設(shè)計要求形成類鍋底狀均勻侵蝕,使用效果良好,能夠滿足一代爐齡15 a 以上的需求。魯耐-浦項型復(fù)合陶瓷杯技術(shù)根據(jù)陶瓷墊的使用性能和環(huán)境,材料的搭配使用易于形成均勻侵蝕磨損及類鍋底狀侵蝕,侵蝕主要向爐底下部發(fā)展,在爐底形成深坑,有減輕爐缸環(huán)流的作用,減輕對側(cè)壁侵蝕,同時適當(dāng)?shù)念愬伒谞钋治g有利于渣鐵層的形成,以減緩侵蝕速率,是爐缸長壽的均勻侵蝕思路。

        微孔莫來石磚(SDMPM70)利用無機(jī)占位、液相填充、二次莫來石化等反應(yīng)體積膨脹填充氣孔;生成的晶須將材料內(nèi)部氣孔分割微化;抑制鐵水等及渣、堿金屬和鋅蒸汽向材料內(nèi)部的滲透。應(yīng)用了低氣孔制作技術(shù),堆積填充、燒結(jié)。材料中微孔極大減緩了耐火材料的侵蝕速率,從而提高材料使用壽命。具有以下優(yōu)異性能:①整體良好的抗鐵水熔蝕性能;②良好的抗鐵水、渣液沖刷性能,杯壁上部良好的抗渣侵蝕性能;③在高溫狀態(tài)下,殘存線變化為零或稍正,防止鐵水鉆向縫隙;④良好的抗熱震能力,在受壓狀態(tài)下由熱膨脹引起的應(yīng)力的適應(yīng)能力;⑤陶瓷墊中心部位在工作狀態(tài)下處于軟融狀態(tài),封閉或減小材料氣孔數(shù)量和孔徑;⑥中心部位先于邊緣部位開始侵蝕,陶瓷墊在使用過程中應(yīng)形成鍋底狀,避免出現(xiàn)象腳型。

        魯耐-浦項型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯技術(shù)用微孔莫來石磚(SDMPM70)理化指標(biāo)如表1 所示。搭配使用的低鋁莫來石磚(SDLAM45),其氧化鋁含量在45%~50%,體積密度2.35 g/cm3以上,荷重軟化溫度1 500 ℃以上,具有高溫狀態(tài)下表面軟熔的效果,便于鍋底狀的形成。所用配套火泥為剛玉莫來石火泥,其具有優(yōu)良的施工性能和良好的燒結(jié)性能,燒后永久線變化為正值,燒結(jié)后黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)6 MPa以上,能夠很好地滿足陶瓷杯墊使用環(huán)境。

        表1 微孔莫來石磚(SDMPM70)理化指標(biāo)

        3 陶瓷杯墊設(shè)計創(chuàng)新與熱工計算

        3.1 陶瓷墊自鎖防漂浮結(jié)構(gòu)設(shè)計

        魯耐根據(jù)高爐陶瓷杯用耐材的使用環(huán)境,研究設(shè)計開發(fā)具有良好的抗沖刷、耐侵蝕的優(yōu)質(zhì)耐火材料,并通過優(yōu)化設(shè)計組合結(jié)構(gòu)形成自鎖緊、防漂浮陶瓷杯結(jié)構(gòu)設(shè)計和大塊穩(wěn)固的組合磚設(shè)計。針對現(xiàn)有爐底砌體在受熱后應(yīng)力分布不均勻,易造成局部坍塌、漂浮而破損等不足。通過對爐底整理結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜設(shè)計配合舌槽設(shè)計,讓單磚之間、爐底整體均形成了有利的自鎖結(jié)構(gòu);即使上層磚坯受到侵蝕破壞也不會影響剩余磚坯的相互鎖緊結(jié)構(gòu)的維護(hù),不會造成小塊磚坯的漂浮,從而形成整體防漂浮性能。陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設(shè)計示意圖見圖2。

        圖2 陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設(shè)計示意圖

        3.2 陶瓷墊材料的熱工模擬及整體膨脹計算

        陶瓷墊磚熱工設(shè)計測算是不可或缺的,為科學(xué)合理的對陶瓷墊環(huán)縫和泥縫的設(shè)計,對陶瓷墊用微孔莫來石、低鋁莫來石、剛玉莫來石火泥、環(huán)縫填料4 種耐材進(jìn)行高溫壓縮試驗檢測,得出可壓縮比例。綜合熱膨脹數(shù)據(jù),對陶瓷墊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體熱膨脹、壓縮計算。測算陶瓷墊在使用過程中的整體膨脹量是否對外層的炭磚造成擠壓,避免破壞炭磚結(jié)構(gòu)。

        通過高溫壓縮變形試驗檢測SDMPM70、SDLAM45、剛玉莫來石泥漿、環(huán)縫填料耐材在2 MPa 壓力下1 400 ℃保溫10 h 的高溫壓縮試驗,測得的可壓縮比例如表2所示。

        表2 魯耐-浦項型陶瓷墊各耐材膨脹系數(shù)及可壓縮量檢測結(jié)果 %

        以2020 年魯耐窯業(yè)為寶鋼本部設(shè)計生產(chǎn)的2#高爐直徑12.7 m陶瓷墊為例進(jìn)行計算,下層陶瓷墊全部使用SDMPM70 磚,上層直徑3/4 范圍內(nèi)使用SDLAM45 磚、外環(huán) 1/4 使用 SDMPM70 的方式。通過理論測算,陶瓷墊泥縫2 mm、環(huán)縫填料尺寸100 mm 時,上下兩層陶瓷墊的整體理論膨脹量總量趨近于零,分別為-0.3 mm 和-0.8 mm,如表3 所示。測算結(jié)果表明,火泥和環(huán)縫填料的壓縮剛好能夠吸收陶瓷墊磚的膨脹,從而保護(hù)了環(huán)縫填料外側(cè)炭磚結(jié)構(gòu),使其不會受到過度擠壓損毀,因此充分吸收陶瓷墊磚高溫膨脹陶瓷杯泥縫并非越小越好。

        表3 陶瓷墊耐火材料膨脹與壓縮量理論計算

        4 結(jié) 語

        (1)高爐長壽是一項系統(tǒng)工程,涉及到設(shè)計、設(shè)備和耐火材料選型、制造與安裝、生產(chǎn)操作和長壽維護(hù)等多個環(huán)節(jié)。穩(wěn)定、合格、性能優(yōu)異的陶瓷杯耐材起到不可忽視的作用。通過自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計選用不同耐火材料搭配的陶瓷杯設(shè)計模式,有助于向類鍋底型均勻侵蝕的發(fā)展,有利于高爐長壽化運(yùn)行。

        (2)經(jīng)過多年來魯耐-浦項型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯在國外高爐的良好應(yīng)用,充分證明魯耐研發(fā)的微孔莫來石磚SDMPM70 與低鋁莫來石磚SDLAM45 配合的設(shè)計理念,能滿足大型高爐的使用要求,發(fā)揮較好的作用。

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