鄭州市金石耐材有限公司(www.myredcell.com )熱銷耐材產品：棕剛玉、微硅粉、鎂鋁尖晶石、拉法基賽卡71水泥、高鋁粉、高鋁骨料、氧化鋁空心球、球狀瀝青、a氧化鋁粉、碳化硅、硅粉、硅微粉、硅灰、混凝土微硅粉、紅柱石、高溫瀝青、白剛玉、藍晶石、90鎂鋁尖晶石、碳化硅顆粒、電熔鎂鋁尖晶石、碳化硅細粉、活性二氧化硅微粉、土狀石墨、白剛玉顆粒、煅燒氧化鋁、木質素、亞白剛玉、改質瀝青、金屬鋁粉、防爆纖維、紙纖維、尖晶石粉、燒結莫來石、隱山藍晶石、桐柏藍晶石、燒結鎂鋁尖晶石、70莫來石、白剛玉細粉、金屬硅粉、高溫瀝青粉、耐熱不銹鋼纖維(446鋼纖維)、新疆紅柱石、南非紅柱石、電熔莫來石、廣西維羅白泥(廣西白泥)等耐材原料。
摘 要：為了降低某鋼廠中間包耐材成本消耗, 本文以價格低廉的天然鎂橄欖石為主要原料, 通過采用不同粒度級配、不同結合劑對鎂橄欖石干式料的耐壓強度、抗侵蝕性能等進行研究, 并在某鋼廠進行了40個包次的工業應用。結果表明:所研制的鎂橄欖石干式料與傳統的鎂質干式料相比其抗渣性能好、耐壓強度高、成本降低20%以上, 且在該鋼廠的使用過程中最高使用壽命達到14 h以上 (20爐次以上) , 完全滿足該鋼廠的工業使用要求。
中間包是鋼鐵連鑄過程中的關鍵裝置之一, 它用來接收鋼包的鋼水并將其連續、均勻、穩定地注入結晶器, 而且還起著調整鋼水流和除去非金屬夾雜物、潔凈鋼水等作用[1]。因此選用適合的耐火材料對提高中間包的壽命非常重要。目前, 連鑄中間包工作層用耐火材料主要為鎂質干式料, 該干式料具有較好的抗高鐵和堿性熔渣侵蝕、使用壽命長、不污染鋼液、施工方便、易脫包翻包等特點[2]。但由于當前鋼鐵行業處于供大于求, 市場不景氣, 大部分鋼鐵企業為了降低成本開始逐步對耐材進行保質降價, 這就對我們耐火材料行業提出了更高的要求。
為此, 我們對鎂橄欖石進行了一系列的試驗和研究, 成功開發出了一種成本低廉、使用效果好的中間包用鎂橄欖石干式料。該干式料在某鋼廠連鑄中間包工作層的使用過程中, 使用壽命達到了14 h以上, 且易翻包, 完全達到鋼廠的使用要求, 同時降低了其耐材成本消耗。
鎂橄欖石主要物相為2Mg O·Si O2, 其次含有少量的Mg3Si O4O10 (OH) 2和Mg3Si3O5 (OH) 4, 其耐火度可達到1700℃以上, 熔點高, 晶型穩定, 具有良好的高溫性能[3,4,5]。根據干式料性能要求, 本試驗選用河南某地灼減在3%以下的天然鎂橄欖石為主要原料進行相關試驗研究。該鎂橄欖石粒度級分別為3~1 mm和5~3mm, 價格約為電熔鎂砂價格的1/4~1/3, 理化指標見下表。
表1 鎂橄欖石理化指標
為了進一步提高鎂橄欖石在干式振動料中的應用性能, 試驗選用了1~0 mm和≤0.088 mm粒度級別的電熔鎂砂進行配合使用, 其主要理化指標見表2。
表2 電熔鎂砂理化指標
試驗選用的GM改性劑為含Cr2O3的煉鋼廢棄二次資源;結合劑為無機環保SN型和復合性XG型結合劑進行試驗研究。
(1) 研究不同粒度級配對干式料不同溫度耐壓強度的影響;
(2) 研究改性劑對干式料抗侵蝕性的影響;
(3) 研究不同結合劑及加入量對干式料低溫烘烤強度等的影響。
圖1 抗渣性檢測坩鍋
按照試驗設定的配比將材料混合均勻, 在三聯式模具內搗打成型, 與鋼模具一起放入烘箱內按250℃×30min進行烘烤, 脫模后即為40 mm×40 mm×160 mm試樣, 再將試樣分別按照1000℃×3 h、1550℃×3 h燒成, 隨爐自然冷卻后, 進行相關物理指標。其中體積密度按照YB/T5200進行檢測;常溫耐壓強度按照GB/T5072進行檢測;線變化按照YB/T5203進行檢測[6]。
抗渣性檢測采用實驗室靜態坩堝法, 試驗熔渣采用某工廠生產現場中間包熔渣?？乖嚇硬捎貌欢ㄐ斡蜜釄迥＞叱尚?/span>, 尺寸為70 mm×70 mm, 內孔 (φ40 mm×40 mm) 。將試樣連同模具一起放入烘箱250℃×30 min烘烤, 冷卻后脫模;然后在孔中裝入100 g試驗熔渣, 經1550℃保溫3 h, 取出樣塊, 待冷卻后將樣塊從中間切開, 測量截面侵蝕厚度和滲透厚度, 厚度越大, 表明抗渣性越差, 如圖1所示。
表3 試驗配比
為了研究原料粒度級配對干式料強度的影響, 我們在實驗室設計了三組不同粒度級配的配方進行研究。如表3所示, 其中骨料包括5~3 mm、3~1 mm和1~0 mm三級顆粒級配;基質料為≤0.088 mm細粉, 在添加適當的結合劑干混后進行低溫烘烤成型和高溫耐壓強度檢測。
表4 試驗結果
從表4中可以看出, 當細粉比例較大時 (方案1) , 其低溫烘烤強度相對較低將不利于施工脫模, 且經高溫煅燒后易收縮;而當骨料比例較大時 (方案3) , 雖然體密有所增加, 但其高溫強度明顯降低, 且試驗過程經觀察發現其表面粗糙, 這主要是由于混料過程中易發生顆粒偏析所造成的。通過對比可知方案2由于其粒度搭配適當, 其各項指標最佳。
根據以上的試驗研究結果, 本項目的粒度級配確定以方案2的粒度級配為基礎進行其它相關試驗項目研究。
干式料結合劑的主要作用是提高低溫和中溫烘烤強度, 以滿足施工過程中的脫模和澆鋼使用前的中溫預烘烤需要。為此, 我們采用鎂橄欖石、電熔鎂砂為主要原料, 其它原料保持不變, 分別添加等量的無機環保SN型和復合XG型結合劑進行試驗研究。試驗結果如表5所示。
表5 不同結合劑對試樣性能的影響
圖2 結合劑加入量對耐壓強度的影響
可以看出, 試SN型試樣在250℃×30 min和1000℃×3 h熱處理后耐壓強度分別為10.38 MPa和18.58 MPa, 能夠滿足煉鋼的施工需要, 表明SN型結合劑具有良好的結合性和中溫強度。而XG型試樣相關指標明顯較差。這主要是由于SN型結合劑的硬化溫度區間基本在220~270℃, 保證在250℃的溫度下烘烤能夠有足夠的強度, 可使脫模、中溫烘烤順利進行。而XG型試樣由于低溫烘烤冷卻后強度較低, 在脫模和烘烤過程中容易發生垮包事故, 所以本試驗確定采用SN型結合劑。
固定其它原料不變, 分別添加2%、3%、4%、5%、6%的SN型結合劑進行試樣強度變化的研究。
由圖2可知, 隨著SN結合劑加入量增加, 在經低溫和中溫烘烤后試樣的耐壓強度均呈升高趨勢, 但加入量再5%以上強度不再升高。綜合考慮, 選取5%為最佳加入量。
改性劑主要是為了有效地提高干式料的抗渣蝕性能[7]。本試驗選用的GM改性劑為含15%~20%Cr2O3的煉鋼廢棄二次資源, 固定其它原料配比不變, 通過改變改性劑的加入量研究其抗渣性, 試驗結果如表6所示。
表6 試驗結果
注:a約為0.2%。
由以上試驗結果可知, 隨著改性劑配加量的逐漸增加試樣的侵蝕層和滲透層厚度減小, 表明其抗渣性能增加。綜合考慮選擇改性劑加入量為3a。
同時為了研究滲透層的內部組織, 我們對滲透層進行了電鏡分析和X射線微區分析, 其結果如圖3所示。
圖3 掃描電鏡形貌 (1) 1#-鎂橄欖石
(2) 2#-GM改性劑; (3) 3#-被鋼渣滲透的鎂橄欖石
圖4 1#微區EDS分析結果
圖5 2#微區EDS分析結果
圖6 3#微區EDS分析結果
表7 滲透層各微區能譜分析
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由圖4~6, 表7的分析可知, 3#淺灰色區域鐵含量達到了15%以上, 表明該處受到了鋼渣的滲透;1#灰色區域未被滲透的是鎂橄欖石;2#白色區域為GM改性劑, 可有效的附著在鎂橄欖石骨料上, 對鋼渣的侵蝕和滲透起到了一定的保護渣作用。
表8 鎂橄欖石干式料理化性能指標
工業應用試驗在某鋼廠40噸的中間包容量上進行, 自2012年5月1日到6月10日共計試驗中間包40個, 用鎂橄欖石干式料190 t。施工烘烤制度按照現有工序進行:施工完后先在250~300℃下, 烘烤25~30min, 冷卻3 h后脫模, 再吊到平臺烘烤至1000℃左右保溫3 h后即可投入使用。
在整個施工烘烤及使用過程中新型鎂橄欖石干式料未發生膨脹、爆裂垮塌事故, 且使用完后干式料與永久層接觸部位疏松未燒結, 易翻包。在連續澆注過程中平均使用壽命達到20爐次以上 (14 h以上) , 與現有的鎂質干式料使用效果相當 (該鋼廠因水口使用等原因, 要求干式料連續澆注料時間不超過15 h) 。
由于采用鎂橄欖石作為新型干式料的骨料, 其生產成本比原鎂質干式料降低20%以上, 可大大降低煉鋼生產中的耐材消耗成本。
(1) 通過采用鎂橄欖石作為骨料對改性劑、結合劑的研究, 成功研制出了成本低廉、性能優異的新型鎂橄欖石干式料;
(2) 所研制的鎂橄欖石干式料不僅能夠滿足某鋼廠的生產要求, 同時還可大幅度降低煉鋼生產成本。
