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柳钢近 20年来钢包包衬用耐火材料的应用情况

发布时间:2021/03/21 行业新闻 标签:耐火砖浏览次数:33

钢包是炼钢工序中极其重要的冶金设备,其作用不仅是传统意义上承接钢水的盛钢桶,更是炉外精炼工艺的核心载体。钢包包衬耐材的选择不仅关系到钢包的寿命和成本,更直接影响钢水的产量和洁净度。本文主要分析介绍柳钢近 20年来钢包包衬用耐火材料的应用情况。 钢包耐火材料应用历程 

柳钢炼钢厂现有 3 种钢包,按投产顺序依次是 120 t 钢包、150 t 钢包和新 150 t 钢包,其中新 150 t 钢包是由原 40 t 钢包改造而来的。 40 t 钢包 

最初包衬全部采用铝镁机制砖,包底砖厚度300 mm,包壁厚度 120 mm。由于铝镁机制砖热震稳定性和高温强度差等缺点,40 t 钢包包底寿命仅 40 炉左右,无法与包身砖同步。后来,包底采用镁碳砖,包壁、渣线采用铝镁机制砖,整体寿命达到 100 炉以上。 120 t 钢包 

投产初期包衬全部采用铝镁质机制砖,包底砖厚度 300 mm,包壁砖厚度 160 mm。前期,在钢包直上浇铸时其寿命可达 90 炉,应用精炼工艺后随着精炼比的不断提高,钢包寿命明显下降。主要原因是,LF 精炼炉电极将渣线附近钢液和熔渣加热升温,铝镁砖在高温下快速熔损;另外,精炼会延长钢水在钢包中的停留时间,也加速了铝镁砖的侵蚀。2009 年开始,120 t 钢包开始使用全镁碳砖,镁碳砖具有优秀的抗渣性和高温稳定性,在高精炼比的冶炼环境下其寿命能达到 110 炉以上。 

150 t 转炉系统生产的汽车板用冷轧板等钢种,对钢水含碳量和洁净度有严格的要求,因此从投产初期 150 t 钢包就采用包底、包壁铝镁机制砖、渣线镁碳砖的工艺路线。同时,考虑到CAS 炉工艺,透气砖设置在包底偏中央的部位,正好处于钢水冲击区,钢水对透气砖的冲击严重;并且,由于铝镁机制砖高温性能差,造成包底工作衬和透气砖断裂情况严重,钢包寿命仅70 炉左右,无法满足生产节奏需要。后来,包底也采用镁碳砖,包底断砖现象和熔损过快问题有所改善。 性能分析 

2011 年前,柳钢钢包所使用的铝镁质机制砖主要原料是高铝矾土和烧结镁砂细粉,结合剂采用水玻璃。结合剂影响铝镁砖高温性能,具体表现为抗侵蚀能力差、热态强度低、基质易受熔渣侵蚀剥落,总体寿命低。2012年后,铝镁质机制砖开始以木质素磺酸盐为结合剂,并提高了高铝矾土档次,添加部分尖晶石粉。新的铝镁砖高温性能明显改善,荷重软化温度提高了50℃,侵蚀剥落现象明显改善。到2013年后,进一步提升了铝镁机制砖性能,主要是加入了部分Al2O3微粉和电熔镁砂细粉,使铝镁砖基质在使用过程中的尖晶石化更充分更致密,这一措施有利于提高包壁抗钢水冲刷能力,明显降低了包壁铝镁砖侵蚀速率。

无碳包衬材料的应用 

在经过一系列技术优化后,柳钢钢包用耐火材料基本定型,即包底和渣线采用C质量分数为14%的镁碳砖,包壁采用木质素磺酸盐结合的铝镁机制砖,永久层为铝镁质浇注料。这种材质的钢包能基本满足当时转炉和连铸的生产节奏,每使用20~30炉更换1次三砖和渣线砖,整个包役过程中更换1~2次。随着柳钢品种钢的开发与生产调整,钢包炉外精炼比例越来越高,低碳、超低碳汽车板对包衬含碳量的严格要求,传统包衬已无法满足生产需要,于是无碳包衬应运而生。 柳钢从2015年开始在150t钢包上试验刚玉尖晶石质无碳材料,2016年在全厂推广。升级后的钢包包底和包壁为刚玉尖晶石砖,渣线采用C质量分数14%的改进型镁碳砖。 刚玉尖晶石砖 

刚玉尖晶石砖是在耐火材料原料生产技术跨越式发展的背景下研制的,是铝镁机制砖的全面升级产品。其主要原料是电熔刚玉、烧结刚玉、电熔镁砂细粉、Al2O3微粉、铝镁尖晶石微粉、纯铝酸钙水泥和添加剂,具有高温稳定性好、抗侵蚀能力强、基质强度高的优点。 刚玉尖晶石砖有机压砖和预制块2种形式,前者以木质素磺酸盐为结合剂,后者以水泥或铝凝胶为结合剂。预制块砌筑的钢包实际使用效果更好,机制砖在包壁上部容易剥落,在包底冲击区容易断砖。其主要原因是机制砖细粉和骨料被压砖机强行压合在一起,使用过程中随着尖晶石反应体积膨胀,会导致基质部分产生裂纹而疏松,此外机制砖骨料临界尺寸相对于预制块较小,包底砖热端和冷端存在温度差而产生的热应力很容易使厚度300mm的砖体折断。预制块热态强度要高于机制砖,因此预制块砌筑的包底不容易出现断层。 铝镁机制砖的主物相是刚玉、方镁石和莫来石,刚玉尖晶石机制砖的主物相是刚玉、方镁石、尖晶石和α-Al2O3微粉,刚玉尖晶石预制块的主要物相是刚玉、尖晶石、α-Al2O3和铝酸三钙。

刚玉尖晶石预制块有2种结合剂体系:一种是纯铝酸钙水泥和富铝尖晶石微粉,另一种是ρ-Al2O3凝胶、电熔镁砂细粉和SiO2微粉的凝胶结合体系。水泥-尖晶石体系的预制块具有热态强度高,体积膨胀小、抗冲刷能力强的特点,适合用在包底工作层部位。凝胶-镁砂细粉体系的预制块因原位生成镁铝尖晶石的原因抗渣性能和热震性能好,适用于包壁熔池工作衬部位。从2018年开始,柳钢淘汰了刚玉尖晶石机制砖,包底和包壁全部使用预制块,工作衬熔损速度有效降低。 高性能渣线镁碳砖 

柳钢的LF精炼比例高达60%以上,部分钢种液渣碱度低、粘度低、渣层薄,这些工艺特点给渣线工作层带来很大的挑战。2015年前的渣线材料为普通镁碳砖,主要原料是普通电熔镁砂、抗氧化剂、鳞片石墨、酚醛树脂,其抗侵蚀性和抗氧化性不强,熔损速度很快。针对柳钢精炼工艺特点,从2016年开始对镁碳砖配方进行大幅调整。使用98电熔镁砂作为骨料和细粉,提高镁碳砖抗侵蚀能力;采用部分改性石墨代替鳞片石墨并引入纳米碳源,显著地提高了镁碳砖的抗热震性和力学性能;渣线镁碳砖的整体性能大幅提高。 近年来钢包渣线砖理化性能的变化情况,从2012年开始对镁碳砖配方进行了3次调整,提高了镁砂档次,改进了石墨的性能,降低高温抗折强度以提高抗侵蚀能力。

永久层材料的优化 

2016年前,柳钢钢包使用的永久层材料是传统的铝镁质浇注料,其中氧化铝质量分数为65%~70%,氧化镁质量分数为8%~10%。该材料具有成本低,中温体积稳定性较好的优点,但长期在中低温环境下使用强度衰减(以下称热衰减)严重,高温体积稳定性差的问题比较明显。此外,铝镁质浇注料为重质材料,体积密度高、导热系数大,不利于钢包轻量化发展和保温性的提升。 2017年开始,在钢包上使用高铝质浇注料,其体积密度在2.453~2.55g/cm3,既保证了永久层的安全性也兼顾了保温性。由于120t转炉冶炼系统行车吊运能力有限,需要设计更加轻量化的钢包永久层材料,最终采用了莫来石质浇注料,其体积密度在2.0~2.1g/cm3。经过实验室检测和现场试验,2种新的永久层材料在中高温强度、体积稳定性、抗侵蚀性方面均明显优于铝镁质浇注料。

总结 

钢包耐火材料的发展总趋势是降低消耗、提高洁净度。降低消耗不仅指降低钢包吨钢耐材成本,更是要求降低吨钢耐材消耗,目的是减少耐火材料对钢水的污染。提高洁净度一方面是采用抗熔损的工作衬材料,另一方面是选择无碳材料、钙质材料等对钢水无污染的耐材品种,以达到生产高档次洁净钢的要求。柳钢钢包耐火材料下一阶段的发展方向主要是以下几个方面:(1)永久层推广高强轻质材料,提高钢包保温性;(2)工作衬推广整浇方案,提高使用寿命;(3)建立钢包在线监控信息化平台,通过实施安全监控提高运行安全性。