转炉炼钢的类型及所用耐火材料内衬损毁机制分析-公司新闻-浇注料,耐火浇注料,高铝砖,刚玉砖,耐火砖-{宏泰耐材}-河南宏泰窑炉耐火材料有限公司

联系我们

  • 手机:13608687008(微信同号)
  • 座机:0371-55682180
  • 传真:0371-55682180
  • 邮箱:396958067@qq.com
  • 地址:郑州新密市超化镇工业园区
  • 点击这里给我发消息 点击这里给我发消息
公司新闻
您现在的位置: 首页>>新闻资讯>>公司新闻

转炉炼钢的类型及所用耐火材料内衬损毁机制分析

发布日期:2021-01-06 08:33:43

转炉炼钢是目前世界上运用最广泛的炼钢方法之一,因其效率高、冶炼周期短,产钢成本较低,并且适合多种钢种的冶炼而成为炼钢方式的主流。据统计,转炉炼钢在世界粗钢总产量中占比达70%以上。而我国转炉炼钢占粗钢产量比例超过了90%,见图1。据中国钢协统计,截至2017年,我国共有炼钢转炉547座,总生产能力68891万t。从数量上看,容积在300t及以上的转炉有14座,100t及以上转炉数量占比已超60%,随着国家不断加大淘汰落后产能的力度,我国转炉将进一步朝着大型化的方向发展。
近年来,转炉炼钢技术取得较大进步,先后出现了顶底复吹技术和滑板挡渣技术,尤其是顶底复吹技术的出现,使冶炼时间明显缩短,钢水的成分和温度更加均匀,同时钢水中S、P、N元素含量降低,金属收得率得到提高。但是,随着转炉复吹比的提高,转炉炉龄明显下降,见图2。为了提高转炉炉龄,有采用自流修补料定期对前后大面进行修补,对耳轴和其他部位进行喷补的方法。如果采用这种维护方法适时喷补,可使炉衬的寿命达到8000次以上。较多采用溅渣护炉的方法,即向炉里加入一些轻烧镁球或白云石料,使渣的熔点和黏度升高,通过高压氮气把渣喷溅到炉衬上,炉衬寿命可高达20000炉次以上,但是该方法消耗大量氮气且热量损失较多,每炉需溅渣一次,影响炼钢效率。另外,转炉底供气元件(透气砖)存在寿命短的问题,影响复吹效果。滑动水口挡渣技术因存在减少钢水回磷、提高合金收得率、减少钢中夹杂物、提高钢水洁净度等优点而成为发展的新主流。但是滑动水口系统尤其是挡渣滑板易于损毁,使用寿命有待提高。在新的冶炼技术条件下,炼钢转炉用耐火材料存在诸多的问题,引起相关研究人员极大的重视,针对转炉耐材新需求进行了大量的研究探索工作,涌现出不少耐材新技术。
转炉根据炉衬耐火材料的性质可分为酸性转炉和碱性转炉两种;根据气体吹入炉内的部位,转炉分为底吹、顶吹、侧吹和顶底复合吹炼转炉;按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大,单炉产量高、成本低、投资少,成为使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢等。
转炉炼钢是以铁水、废钢、铁合金为主要原料,加入少量生石灰,鼓入空气或氧气,使杂质硅、锰、磷、硫、碳等杂质氧化,在氧化的过程中放出大量的热量(含1%(w)的硅可使生铁的温度升高200℃),可使炉内达到足够高的温度(不需借助外加能源),靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。
2炼钢转炉用耐火材料及其损毁机制
炼钢转炉内衬所用的耐火材料主要是MgO-C砖,也有少量使用高纯镁砖和镁质白云石烧成砖,所用的不定形耐火材料有MgO-SiO2质、MgO-C质、MgO-CaO质、高纯MgO质等。
转炉钢冶炼过程中炉衬受到一系列强烈的机械、物理、化学作用而侵蚀。转炉复吹工艺,即在转炉炉底安装透气砖,通过透气砖向炉内吹氧气、二氧化碳、氩气或氮气,强化了熔池搅拌,改进了冶炼反应,这样缩短了炼钢时间,提高了钢水质量并降低了炼钢成本。但是复吹也加速了对炉衬耐火材料的侵蚀,转炉各部位受到不同条件的侵蚀。
(1)冲刷或机械冲击。加废钢、兑铁水等操作都是直接对着转炉大面炉衬,对大面炉衬产生强烈的冲击、磨损、冲刷,是炉衬耐材侵蚀的主要因素。冶炼过程中炉内气流对炉壁、炉帽等耐材的冲刷,钢水、炉渣对炉衬的熔解、冲刷以及冶炼过程中高温反应对炉衬的熔损等物理侵蚀。
(2)氧化与化学侵蚀。氧化是造成转炉炉衬中镁碳砖侵蚀的一种主要原因,在此过程中镁碳砖中的碳成分被含氧成分(如高温氧化性气体、氧化铁、氧气、氧化镁)氧化而导致材料结构松动脆化。
FeO+C(s)=Fe+CO(g), (1)
O2(g)+2C(s)=2CO(g), (2)
MgO(s)+C(s)=Mg(g)+CO(g)。(3)
渣中的氧化铁与砖衬的热面中的石墨或焦油/树脂反应,或氧气侵蚀砖衬冷面的石墨或结合剂,在这两种情况下,砖的强度降低,在气体、金属液流体冲刷下流失而被蚀损。
氧化铁(FeO)或渣中的酸性组分,例如SiO2与CaO和MgO之间的化学反应如下式所示:
FeO+MgO=FeO·MgO, (4)
SiO2+2MgO=2MgO·SiO2,(5)
CaO+SiO2+MgO=CaO·MgO·SiO2。(6)
以上反应均能使炉衬变为熔渣从而导致耐火材料损毁。
(3)热震剥落。供气元件的工作环境为高压、大流量(压力大于1MPa,流量0.15~0.2m3·min-1·t-1),其损毁机制为热应力集中所引起的剥落及冲刷磨损[8]。
(4)磨蚀、熔损与剥落。滑动水口及滑板在转炉出钢过程中要经受高温钢水、钢渣的冲刷;强碱性炉渣的侵蚀和渗透;间歇的高温(~1600℃)强热震冲击。此外,挡渣操作过程,滑板要承受钢渣的磨蚀。
因此,高温钢水、钢渣的冲刷及侵蚀,高温氧化,滑动面的拉毛磨蚀,热震损毁是其主要的损毁方式。未来炼钢转炉耐材优化技术方向为:
(1)开发高性能耐磨损、抗热震低碳镁碳砖;
(2)开发快速烧结、无污染的热修补料,长寿的喷补料;
(3)开发长寿复吹供气元件、优化炉底风口结构与布置,适应顶底复吹、低氧出钢、底吹喷粉、底部供氧、底部吹CO2等先进炼钢技术要求;
(4)改进挡渣滑板性能与结构,延长使用寿命,减少日更换次数。
3炼钢转炉用耐火材料新技术
3.1高性能衬砖的开发与应用
镁碳砖由于具有优异的抗渣侵蚀性、抗热震性、耐剥落性及耐磨损性能,高温下稳定性好而广泛用作转炉的衬砖。由于镁碳砖存在易于氧化导致的抗热震性、抗侵蚀性变差的问题,研究人员进行了广泛的探索研究。其关键技术热点体现在:1)抗氧化、自修复新型复合抗氧化剂的应用:采用金属Al、Si粉,或Al-Si复合粉为镁碳砖的抗氧化剂,经热处理或高温服役时原位反应生成SiC、AlN等高抗侵蚀物相,显著改善低碳镁碳材料的性能。2)低维石墨化碳的制备及应用:各种预合成纳米碳如纳米炭黑、纳米石墨-氧化物复合粉体等的添加和应用;原位合成低维石墨化碳,选择合适的过渡元素(Fe、Co、Ni)的无机或有机化合物作为催化剂,酚醛树脂裂解产生CO、C2H2及CH4等气体在过渡金属催化作用下形成碳纳米管、纳米碳纤维等低维石墨化碳。通过这些新技术的开发与应用,使MgO-C砖保持良好的抗侵蚀性和抗热震性。
转炉不同部位使用的MgO-C砖对其性能有不同的要求,为了满足需求,日本品川耐火公司开发出满足不同部位性能要求的系列MgO-C砖,其基本性能及典型特征见表2。用后MgO-C砖的显微结构分析显示,MgO-C砖的损毁主要体现为熔渣侵蚀损毁。日本的研究人员通过考察MgO-C砖的损毁因素,发现在高温下限制MgO-C砖中Mg(g)的扩散速率可以降低砖的损毁速率。
转炉装料区的MgO-C砖常受到废钢原料的机械冲击,容易产生裂纹并扩展导致衬体损毁。不同种类的MgO-C砖其抗蠕变性有很大差异,见图5[3],从而引起MgO-C砖在抗热震及抗机械冲击性能的差异。日本品川耐火公司的研究人员研究发现,具有较高高温抗折强度的MgO-C砖(HS)不能缓解损毁的发生,而具有较高断裂能(断裂韧性)的MgO-C砖可以有效抑制裂纹的扩展。因此,开发出了两种新型MgO-C砖即基质增强型MgO-C砖(MR)和碳结合增强型MgO-C砖(CB),性能见表2。两种新型MgO-C砖具有较高的断裂能(MR0.40kJ和CB0.49kJ,HS仅0.26kJ),受机械冲击后裂纹扩展得到抑制,且均比HS砖的抗侵蚀性好,其中碳结合增强型MgO-C砖的抗侵蚀性更好。
转炉出钢口镁碳砖常因为碳氧化、热震剥落及流钢磨损而影响使用寿命。因此开发耐磨且抗热震性好的低碳镁碳砖是发展的必然趋势。太钢第二炼钢厂的研究人员采用m(CaO):m(SiO2)≥2的电熔镁砂和高纯鳞片石墨(C质量分数≥98%)为主要原料,以Al、Mg-Al、Si、B4C、CaB6为抗氧化剂,热固性酚醛树脂为结合剂,制备出优质低碳MgO-C砖,其性能见表3。在炼钢转炉上使用新开发的低碳镁碳砖,一个炉役炉龄稳定在500~700次,比进口低碳镁碳砖的300~400次有大幅提高。
3.2不定形耐火材料的开发与应用
由于炼钢所用废钢量增多及顶底复吹新技术的应用,使得转炉工况更加苛刻,耐火材料损毁加速,为了提高转炉的服役寿命,对转炉各个部位所用的耐火材料提出更高要求,新型不定形耐火材料的开发及修补技术的应用得到极大发展,可在不影响正常生产的情况下大幅提高炉衬的整体使用寿命,使炉衬寿命达到8000次以上,甚至超2万次。目前,普遍采用大面热修补料对转炉的加料侧、炉底和出钢侧进行维护,采用喷补料对转炉的熔池、圆角和耳轴进行维护,采用灌浆料用于转炉出钢口更换时的填缝和出钢口区域的维护。其中大面料主要有MgO-SiO2质(也称水基大面料)、MgO-C质、MgO-CaO质等,喷补料主要有MgO质、MgO-CaO质和MgO-Cr2O3质等。这些不定形耐火材料依结合剂的不同分为无水修补料(主要是沥青、煤焦油及沥青粉、酚醛树脂结合)和水系修补料(MgO-SiO2-H2O结合和磷酸盐结合),不同结合体系的修补料其性能各有优缺点,见表4。针对现有修补料存在的缺点及应用要求,研究人员进行了大量研究,开发出了性能更优的大面料或喷补料。
目前现场修补所使用的转炉大面修补料,主要以煤焦油、沥青(约8%~15%(w))、树脂等有机物质作为结合剂,都不可避免地存在一些问题,如:烧结时间过长,有机物烧尽后材料孔隙多、致密性差,而导致不耐炉渣侵蚀,强度低,使用寿命短,严重污染现场车间环境等。秦岩等[16]选用高纯镁砂粉(w(MgO)=97.02%)和中档镁砂颗粒(w(MgO)=94.80%)做主要原料,采用氧化硅超微粉(w(SiO2)=96.0%)做结合剂,开发出新型长寿无碳环保型转炉大面修补料。
环保型水基转炉大面修补料烧结过程中不产生有害气体,安全环保。产品采用湿式自流浇注的方式,具有很好的高温铺展性能,高温烧结后形成陶瓷结合,结构致密,抗氧化,耐冲刷,体积密度可达2.83g·cm-3。经多家转炉炼钢用户应用,现场使用无烟尘,较常规碳基大面料烧结时间缩短50%以上,使用寿命延长2~3倍。
由于不断受到机械力的冲击和炉渣的侵蚀,氧气顶吹转炉炉底、耳轴及两大面部位的耐火材料容易遭到破坏,需要经常对耳轴及渣线部位采用喷补的方法修补。目前国内普遍使用的转炉喷补料是镁质喷补料,为了改善其不耐侵蚀、不耐冲刷、使用寿命偏低等的缺点,姚亚双等[22]开发出新型转炉镁碳质喷补料。喷补料所用原料主要为3~0mm镁砂(w(MgO)=95.2%)、3~0mm碳(w(C)=94.2%)、沥青A(固定C46.2%,软化点140~160℃)、沥青B(固定C43.5%,软化点100~120℃)、添加剂等。将碳与沥青B分别按不同比例配合,作为喷补料的碳源,固定碳质量分数在5%~7%左右。由试验可知,沥青B由于粒度大,其升温、碳化速度更慢,碳化度反而更高,对喷补料的附着性更有益。其中碳与沥青质量比为7:2的喷补料使用性能最好,烧后强度较大,抗侵蚀性较好。使用结果表明,新型转炉镁碳质喷补料的反弹率低、附着性好且烧结强度高;原镁质喷补料的使用寿命为7~8炉,而新型镁碳质喷补料的使用寿命为10~13炉,提高了30%以上,大大缩短了转炉修补次数。
为了解决转炉炉口、炉帽粘渣面的黏渣问题,朱善合等[23]研制了一种以用后镁碳砖再生料为主要原料的转炉防粘渣喷补料。应用结果显示:研制的防粘渣喷补料施工性能良好,通过半干法喷补施工,可在转炉炉口表面形成完整、均匀的粘渣隔离喷涂层,喷涂层厚度可达35~50mm,喷涂附着率达80%以上,每班只需喷补1次即可满足粘渣隔离需要;厚层喷补层自身及其与喷补面的结合强度较低,降低了粘渣物剥离、清理难度,减少了粘渣清理次数与时间,有效提高了转炉炉口粘渣的清理效率,缩短了非生产作业时间;在不改变生产工艺的条件下,可提高转炉生产能力。
日本品川耐火公司开发出可快速硬化的MgO-C质转炉热修补料,性能见表6[24]。开发的碳结合MgO-C质喷补料即使喷补到排渣后1300℃以上的砖表面也具良好黏附性,可以显著提高转炉的热态修补效率,可超高温施工,硬化时间大幅度缩短,这有助于缩短修补时间。
3.3顶底复吹技术
转炉复合吹炼工艺通过底吹气体搅拌熔池使钢渣反应接近平衡,避免钢水过氧化并提高金属收得率和钢水质量。转炉底部供气元件分喷嘴型和砖型2大类。其中砖型供气元件因性能稳定成为发展的主流方向。砖型供气元件主要有弥散型、环缝型和直通孔型三种类型。弥散型透气砖存在气体绕行阻力大与寿命低等缺点;环缝型透气砖相对比较致密,寿命比弥散型砖的长,应用较广泛并得到好评,但其稳定性远不如直通孔型透气砖。因此,直通孔型透气砖则是未来供气元件发展与应用的新主流。优化布置其在熔池底部的位置对底吹获得良好的冶金效果至关重要。目前应用较多的直通孔型供气元件(MutipleHolePlug,简称MHP),最早由日本钢管公司研制成功,其优点是供气阻力小,气体流量调节范围大,气密性好,不易漏气;金属管对耐火砖的增强使砖不易剥落、开裂。
为了优化供气元件的性能,通过对制造供气元件的耐火材料原料配比的调整及内部不锈钢管的特殊处理,极大地提高了其使用寿命,使之与转炉炉龄的匹配度得以增加。张悦明以高纯电熔镁砂(w(MgO)≥97%)及天然鳞片状石墨(w(C)≥98%)为主原料,添加Al、Si粉和B4C(总量<6%)为抗氧化剂,选用热固性、沥青改性树脂为结合剂,并加入适量沥青粉,用等静压成型方法制备出高性能MgO-C质供气元件。所制备的MgO-C质供气元件抗氧化性、断裂韧性和热震性能明显提高、气密性好,侵蚀速率为0.28mm/炉次,最高寿命能达到2113炉次。为降低不锈钢管的渗碳速度,提高其使用寿命,采用了表面涂α-Al2O3/ALCH系浆体的方法,且将α-Al2O3/ALCH的比例控制在大于3/7,涂层厚度大于1mm,使之在不锈钢管表面上形成热性能稳定、抗碳还原的致密保护隔离层。
转炉供气元件用耐火砖由于内外温差大,使得耐火砖内的温度梯度差加大;另外,出钢后温度急剧降低,透气砖受到极大幅度的热震。由于这些热应力的存在,导致透气砖内部产生裂纹并扩展,引起耐火砖的间歇性剥落。品川耐火公司的研究人员发现,透气砖中产生的裂纹主要是平行于热面的裂纹,由于热剥落所产生的损毁远比钢液侵蚀、磨损等因素导致的损毁要严重的多。在充分考察透气砖损毁机理的基础上,开发出了具有较高断裂韧性、抗热震性优异的高性能透气砖,具体性能见表7。首先,通过改善材料的韧性,使裂纹的产生与扩展受到抑制,大幅降低剥落损毁。其次,通过增大透气砖的尺寸来延长裂纹扩展到剥落面的距离,也有效降低了剥落的产生,将其用于220t转炉,与传统的透气砖相比,损耗速率降低了约40%,剥落损毁得到改善,转炉运行超4000炉未更换透气砖。
3.4滑板挡渣技术
转炉滑板挡渣技术是近年来迅速发展的一种新兴技术,该技术主要由滑板挡渣系统、红外下渣检测系统和液压驱动系统三部分构成,通过红外下渣检测技术与PLC控制技术相结合,实现自动判渣和挡渣,是目前转炉出钢挡渣效果最佳、最新的一种生产工艺技术及装备。滑动水口挡渣技术在减少钢水回磷、提高合金收得率、减少钢中夹杂物、提高钢水洁净度、减少钢包粘渣、延长钢包使用寿命等方面的有突出优势。
转炉出钢口内水口连接于出钢口砖末端,下接出钢口上滑板,而外水口连接出钢口下滑板。因此,内/外水口及滑板在转炉出钢过程中不仅要经受高温钢水、钢渣的冲刷,还要经受强碱性炉渣的侵蚀和渗透;不连续出钢时还要经受(~1600℃)高温的强热震冲击。此外,在频繁挡渣操作过程,滑板铸孔和滑道要承受高温钢水、钢渣的磨蚀和熔损。因此,要求内/外水口及滑板选材应注重较好的抗渣侵蚀性、高温抗氧化性能及优良的抗热震性能,滑板材料还要兼具优良的耐磨性。
目前市场上转炉出钢口外水口的材质主要有不烧镁碳质、不烧铝锆碳质和氧化锆质(镶嵌内芯)三种,其中镁碳质水口由于成本优势占据市场主流,铝锆碳质水口性能略优于镁碳质,镶嵌氧化锆质内芯水口处于研发阶段,其使用寿命可达120炉次以上,甚至可与出钢口寿命同步。不烧水口大都经过浸渍沥青处理以达到封闭气孔,提高致密度及抗侵蚀性能的目的,其使用寿命在30~90炉次不等。
挡渣滑板是滑动水口挡渣技术应用的最关键部件之一。目前国内挡渣滑板的材质多选择铝锆碳质,作为控流滑板材质而言其强度高、抗热震性好、抗冲刷和抗侵蚀性优良;但对于挡渣技术而言滑板使用寿命偏低,只能稳定在10~14炉左右。因此,研究人员通过多种途径对挡渣滑板的性能进行改进。有研究表明,引入膨胀石墨、Si粉能够一定程度上促进铝碳耐火材料中SiC晶须的形成,提高了滑板的韧性,增强了抵抗裂纹扩展的能力,使滑板的抗热震性及使用寿命提高。
为了满足钢企提出的18~20炉次甚至25炉次以上的高寿命要求,滑板材质从常规的重烧铝锆碳质向本体采用铝锆碳质、镶嵌层采用锆质材料的复合结构转型。目前主要有以下三类:①镶嵌锆环的上滑板搭配镶嵌锆板的下滑板;②镶嵌锆板的上滑板搭配镶嵌锆板的下滑板;③镶嵌锆环的上滑板搭配滑道止滑区镶嵌锆板的下滑板。镶嵌滑板在120~300t转炉(前、后期挡渣)上的使用寿命至少可稳定在15~18炉次,如果前期挡渣采用其他挡渣方法,仅在后期采用滑板挡渣,滑板寿命可达到20~25炉次。
滑动水口挡渣技术的不足之处在于,耐火材料元件寿命偏低。为此,Interstop公司与RHI公司合作,对传统浇钢系统进行改进,开发出了炼钢转炉出钢口用CG120型新型滑动水口。CG120滑动水口系统采用全新的结构,可以在更换内滑板时不用从钢壳上取下整个滑动水口装置。该系统提高耐火材料的使用效果,显著缩短转炉停炉时间。CG新型滑动水口的上部连接元件的寿命为24.8炉,耐火材料元件的寿命为24.8次。
中钢洛耐院总结了转炉挡渣滑板的损毁原因,发现挡渣上滑板与钢水接触,主要是侵蚀扩孔损毁,下滑板与外界空气接触,主要是热震裂纹扩展损毁。因此,通过在上滑板镶嵌锆环,在下滑板镶嵌锆板工艺,并通过物相组成控制和显微结构调控等措施,提高了锆环、锆板的抗热震性,使挡渣滑板寿命稳定在20炉次左右,显著提高滑板挡渣性价比。所开发的3个系列产品。
通过不断完善和优化滑板的外形结构设计和镶嵌结构设计,加大滑板高温下膨胀变形的锁紧力,预防异常裂纹的发生和扩展,防止异常渗漏钢通道的形成;加大红外下渣检测系统准确性和液压驱动装置油缸运行速度的稳定性,重点解决应用中发现的不足问题,大大提高了滑板挡渣技术的使用安全性和可靠性。
4、结语
炼钢工艺的进步推动炼钢转炉耐火材料新技术的发展。新技术所涉耐火材料不仅具有高温结构稳定、抗剥落、耐磨损、抗渣性好的特征,而且体现出节能长寿、低碳环保的发展理念。未来炼钢转炉用耐火材料的发展趋势为:1)开发并推广高性能镁碳质耐火材料;2)推广和应用新型环保不定形耐火材料及高温修补技术;3)发展新型复合结构耐火材料,如复合型供气元件、复合型滑板等;4)研究开发轻量节能且兼具良好高温性能的耐火材料。
网站首页 | 产品中心 | 新闻资讯 | 联系我们 | 联系我们
电话:魏经理 13608687008(微信同号) 传真:0371-55682180 Q Q:396958067 地址:郑州新密市超化镇工业园区 备案号:豫ICP备16041729号