钢包整体耐火材料的不定形化技术介绍
- 发布人：管理员
- 发布时间：2008-02-18
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以往，炼钢所用的耐火材料一直以耐火砖为主，但由于砌砖操作需要熟练的技术，加之近年来筑炉操作工的年龄老化等问题，因此采用耐火材料的不定形化技术来实现筑炉操作的自动化和节省劳力已成为重要课题。最近，以浇注耐火材料的开发为主，开发了低水泥、高密度耐火材料，广泛应用于高炉出铁槽、钢包、中间包和ＲＨ等，推进了钢铁行业耐火材料的不定形化技术。
为减少钢包筑炉操作和降低耐火材料成本，日本大同特殊钢公司Shibukswa厂作为特殊钢生产厂之一，于１９９５年首次在ＶＬＦ（真空钢包炉）的钢包内衬采用了耐火材料的不定形化技术。自1９９７年以后，该厂在ＳＵＳ（不锈钢）和超合金钢生产用的钢包包底和包壁筑炉中实现了Al2O3质浇注料的浇注施工。特别是最近在把不定形化技术扩大应用于各种耐火材料时，由于引进了新型湿式喷补施工技术，因而确立了钢包整体耐火材料不定形化的技术，其概况介绍如下。
不定形耐火材料浇注施工技术的引进
作为钢包包底和包壁不定形耐火材料的施工方法，当初引进的是最普通的浇注施工方法。
1 浇注施工
浇注施工方法：首先，在包底施工后进行半天左右的自然养护。接着，安装框架和混合搅拌机，在浇注耐材之后，为使整个缝隙填充均匀，用棒式振捣器进行助振。再经半天左右的自然养护后进行脱模，然后对渣线部位进行耐火砖的砌筑施工。
2 浇注材质的选择
对用于包底和包壁耐火材料的特性，不仅要求其抗腐蚀性和抗渣性要好，而且结构要稳定。一般认为Al2O3－ＭｇO质耐火材料能满足上述条件要求。Al2O3－ＭｇＯ质耐火材料中的ＭｇＯ量在７－２８％范围时，会形成组织致密、稳定的尖晶石固溶体，因此一般用作炼钢钢包的耐火材料。该厂重视降低成本，提高钢水冲击部的抗磨损性，重视残余膨胀性的影响作用，因此采用Al2O3－ＭｇＯ材质作浇注料。另外，即使在长施工体的厚度较薄（最薄４０ｍｍ）的情况下，为确保浇注料的流动性，因此规定Al2O3骨料粒度在8mm以下，而且还添加了金属Ａl，作为防止干燥时发生爆裂的措施。
3 实际应用的结果
对15t 钢包包壁最上部的熔损速度进行了调查。与耐火砖比，浇注料各部位的最大熔损速度为0.4mm／炉，而渣线砖的修补周期（大约４０炉钢水）是在砖的熔损达16mm左右时才进行的，因而不会对钢包寿命产生不良影响。另外，使用后的工作面在清除粘附的金属和对表面进行若干清理后，只要工作面没有全部熔损，就可以进行接长修补，由此能减少新喷补施工时耐火材料的使用量和减少钢包产生的废砖达３０％左右。
4 扩大不定形化技术的课题
虽然已知浇注材料在耐用性能方面是没问题的，但为降低整个炼钢耐火材料的成本，今后有必要将不定形化技术扩大应用于其它耐火材料的施工体（例如，25t钢包、ＶＬＦ钢包和出钢槽等）。 采用该方法进行浇注施工时担心有以下问题：
①由于浇注体需要固化养护（为使浇注体的强度能达到渣线筑炉部位的强度，需要时间养护），因此降低了筑炉效率。
②各施工部位需要专用的框架，因此难以确保框架的安装位置。
为解决这些问题，必须改进施工方法。
湿式项补施工技术的引进
1 改进施工方法
为解决上述问题，最近以炼钢厂为主引进了正在不断被推广的湿式喷补施工技术。喷补操作程序如下。首先，用混合机将不定形材料与水混合后分批装入料斗，然后把装入料斗的喷补料用活塞式压力泵通过管道送到喷嘴，同时通过另外一根管道采用压缩空气将固化剂送到喷嘴端部，在喷出之前与喷补料混合后喷补在施工体上。
与以往的浇注施工相比，湿式喷补施工的主要特征如下：
①由于不需要框架，因此能在任意位置进行任意厚度的施工。
②由于添加固化剂，缩短了固化养护时间，因此能进行连续施工。
③由于施工效率高（5－10t/hr），因此可缩短施工时间。
除此之外，它还能使耐火材料发生的熔化损失均匀，并可应付紧急情况。即可以说喷补施工法就是利用不定形耐火材料的特性来弥补浇注施工缺陷的施工方法。
2 改进材质
以上述的浇注材料为基础，对浇注材质的压力输送性能、抗腐蚀性能和抗爆裂性能进行了改进。
（1） 提高压力输送性能
为使湿式喷补材料能在压力下从内径Ф38mm的管道和喷嘴通过，因此事先对各种喷补料在喷嘴内的流动性进行了确认试验，其结果示于表1。 由该表可知，如果直接采用象浇注料那样的粒度，就会发生喷嘴堵塞，因此降低了粗粒度比，并将Al2O3骨料的粒度从8mm降低到５ｍｍ。
（2） 提高抗腐蚀性能
根据上述试验结果可知，采用表１的试料Ｃ和Ｄ时，不会发生喷嘴堵塞，但由于这两种试料添加的水分量比浇注料的大，因此会影响抗腐蚀性能。基于此因，在试料Ｃ和Ｄ中，以水分低的试料Ｃ为基础，通过高频炉的侵蚀试验，调查了通过增加ＭｇＯ量来提高抗腐蚀性能的效果。结果，考虑到抗腐蚀性能和炉渣侵蚀的深度，将ＭｇＯ量增加到10％，能弥补抗腐蚀性能的恶化。
3 提高抗爆裂性能
采用上述材质对15t钢包和25t钢包的包底及包壁进行湿式喷补施工后，在预热1小时左右时喷补料会频繁发生爆裂故障，爆裂宽度大约３０－５０mm。作为防止发生爆裂的措施，由于当初采取的是添加有机纤维的办法，但不理想，因此在改善钢包干燥条件的情况下进行了研究。
（1） 爆裂发生的机理
采用一般干燥曲线模型对干燥中耐火材料内部的温度和水蒸气压力的变化进行了模拟，结果表明，干燥过程中施工体内部存在３个区域，一是靠近加热面含水率为０的干燥区域；二是水分迅速蒸发的蒸发区域；三是在蒸发区域产生的水蒸气流向被加热的背面，压力超过了饱和水蒸气压，形成凝结现象的凝结区域。干燥时的爆裂只有在蒸发区域满足了下列条件时才会发生。
在加热面一侧的含水量减少到一定程度后进行快速加热时，由于蒸发区域中的温度变化小，因此内部蒸气压的增幅小，但另一方面在干燥初期含水量的状态下进行快速加热时，由于蒸发区域靠近加热面，因此表层一侧内部蒸气压的增幅明显。如上式表明的那样，可以推测蒸发区域的内部蒸气压增大后，会造成材料自身的强度无法承受这一压力，因此发生了爆裂。
（2） 改进干燥方法
对实际干燥中各部位温度变化进行实测，摸索出了最佳干燥条件。结果，根据以上喷嘴耐火材料的表面温度为基准，进行了干燥，基本抑制了爆裂。目前，把以下３点作为抑制爆裂的条件是很重要的。
①干燥开始３小时后：加热速度＜90℃／hr。
②在３－６小时 后：加热速度＜200℃／hr（6小时后，以表面温度８００－９００℃为标准）。
③在６小时后：炉壳温度＞60℃时，加热不能超过1200－1300℃。
但是，在冬季室外气温低的情况下，由于干燥前的养护强度（抗折强度）低，因此无法确保材料具有耐蒸气压的强度，故频繁发生爆裂。作为其措施是采取预热干燥的办法，即筑炉后在钢包内对发热体进行燃烧，但这种干燥条件有待进一步改善。
在实机使用的情况
1 熔损速度
15t钢包的包壁采用湿式喷补材料后的熔损速度表明，采用喷补材料的平均熔损速度为1.57mm／炉，虽然比耐火砖的增大５％，但与浇注材相比，却取得良好的结果，受钢水冲击部位的烙损速度最大为2.5mm／炉，与浇注材料的呈相同趋势，但其绝对值低。与浇注材料的主要区别在于透气砖和受钢水冲击部周围的熔损速度非常低，这两处分别是采用吹氩搅拌和采用AOD（氩氧脱碳法）装入钢水时因钢水冲击而造成熔损严重的部位，由此可知采用喷补料的施工体具有良好的抗磨损性能。
2 断面组织
从15t钢包在使用３９炉后喷补材的断面组织照片和炉渣的侵蚀深度来看，包底的侵蚀深度比包壁的大３０－４０mｍ，在微变层内部能看见有一部分横向裂纹，还能看见有部分金属侵人。包壁的炉渣侵蚀深度较浅，为１５－２０mm，与浇注材的基本相同。另一方面，由于原始层的组织非常致密，且气孔率也低，只有12％，因此形成了良好的组织。
使用后的钢包包壁经取样做Ｘ线衍射后可知，工作面的组织主要是a－Al2O3、硅铝酸二钙（2CaO－Al2O3－SiO2：耐火度1590℃）、尖晶石（ＭｇＯ－Al2O3：耐火度2135℃）；母材由β－Al2O3和尖晶石构成，由此可以推测浇注材和喷补材的化合物相同。这种CaO－Al2O3－SiO2系低熔点化合物的形成是造成熔损的主要原因。另外，尖晶石不是作为材料添加的，它是材料中的Al2O3骨料和基料中的ＭｇＯ细粉在高温下反应后形成的，即使在母材中，尖晶石也已形成分布范围广的组织形态。
施工效率和成本
各种施工方法的施工天数比较结果表明，以一座钢包的筑炉操作天数为例，采用浇注施工时，由于能连续接长修补，因此包底和包壁的解体时间可以缩短，与耐火砖相比，可缩短总的工期２５％；采用喷补施工时，由于添加了固化剂，节省了养护时间，因此可缩短工期４０％。
成本的比较结果表明，与浇注料相比，喷补料的价格仅仅是固化剂这一项的价格比浇注料高，但由于可延长使用寿命，因此比耐火砖可节约成本２８％左右，比浇注材料的节约14％。今后如果能将不定形化的喷补技术应用于目前仍采用耐火砖的容器（如，25t VLF钢包和中间包等），估计可以大幅度降低耐火材料成本。可以认为这是一种非常理想的施工技术。
结束语
15t钢包包底和包壁采用湿式喷补施工的结果表明，不论是施工效率，还是成本，都优于浇注施工法。为实现将来中间包等也能采用不定形化技术和出钢槽采用喷补修补技术来延长使用寿命，因此期待着这种湿式喷补机能成为广泛应用于各种物体施工的通用设备，从而进一步降低耐火材料成本。
为减少钢包筑炉操作和降低耐火材料成本，日本大同特殊钢公司Shibukswa厂作为特殊钢生产厂之一，于１９９５年首次在ＶＬＦ（真空钢包炉）的钢包内衬采用了耐火材料的不定形化技术。自1９９７年以后，该厂在ＳＵＳ（不锈钢）和超合金钢生产用的钢包包底和包壁筑炉中实现了Al2O3质浇注料的浇注施工。特别是最近在把不定形化技术扩大应用于各种耐火材料时，由于引进了新型湿式喷补施工技术，因而确立了钢包整体耐火材料不定形化的技术，其概况介绍如下。
不定形耐火材料浇注施工技术的引进
作为钢包包底和包壁不定形耐火材料的施工方法，当初引进的是最普通的浇注施工方法。
1 浇注施工
浇注施工方法：首先，在包底施工后进行半天左右的自然养护。接着，安装框架和混合搅拌机，在浇注耐材之后，为使整个缝隙填充均匀，用棒式振捣器进行助振。再经半天左右的自然养护后进行脱模，然后对渣线部位进行耐火砖的砌筑施工。
2 浇注材质的选择
对用于包底和包壁耐火材料的特性，不仅要求其抗腐蚀性和抗渣性要好，而且结构要稳定。一般认为Al2O3－ＭｇO质耐火材料能满足上述条件要求。Al2O3－ＭｇＯ质耐火材料中的ＭｇＯ量在７－２８％范围时，会形成组织致密、稳定的尖晶石固溶体，因此一般用作炼钢钢包的耐火材料。该厂重视降低成本，提高钢水冲击部的抗磨损性，重视残余膨胀性的影响作用，因此采用Al2O3－ＭｇＯ材质作浇注料。另外，即使在长施工体的厚度较薄（最薄４０ｍｍ）的情况下，为确保浇注料的流动性，因此规定Al2O3骨料粒度在8mm以下，而且还添加了金属Ａl，作为防止干燥时发生爆裂的措施。
3 实际应用的结果
对15t 钢包包壁最上部的熔损速度进行了调查。与耐火砖比，浇注料各部位的最大熔损速度为0.4mm／炉，而渣线砖的修补周期（大约４０炉钢水）是在砖的熔损达16mm左右时才进行的，因而不会对钢包寿命产生不良影响。另外，使用后的工作面在清除粘附的金属和对表面进行若干清理后，只要工作面没有全部熔损，就可以进行接长修补，由此能减少新喷补施工时耐火材料的使用量和减少钢包产生的废砖达３０％左右。
4 扩大不定形化技术的课题
虽然已知浇注材料在耐用性能方面是没问题的，但为降低整个炼钢耐火材料的成本，今后有必要将不定形化技术扩大应用于其它耐火材料的施工体（例如，25t钢包、ＶＬＦ钢包和出钢槽等）。 采用该方法进行浇注施工时担心有以下问题：
①由于浇注体需要固化养护（为使浇注体的强度能达到渣线筑炉部位的强度，需要时间养护），因此降低了筑炉效率。
②各施工部位需要专用的框架，因此难以确保框架的安装位置。
为解决这些问题，必须改进施工方法。
湿式项补施工技术的引进
1 改进施工方法
为解决上述问题，最近以炼钢厂为主引进了正在不断被推广的湿式喷补施工技术。喷补操作程序如下。首先，用混合机将不定形材料与水混合后分批装入料斗，然后把装入料斗的喷补料用活塞式压力泵通过管道送到喷嘴，同时通过另外一根管道采用压缩空气将固化剂送到喷嘴端部，在喷出之前与喷补料混合后喷补在施工体上。
与以往的浇注施工相比，湿式喷补施工的主要特征如下：
①由于不需要框架，因此能在任意位置进行任意厚度的施工。
②由于添加固化剂，缩短了固化养护时间，因此能进行连续施工。
③由于施工效率高（5－10t/hr），因此可缩短施工时间。
除此之外，它还能使耐火材料发生的熔化损失均匀，并可应付紧急情况。即可以说喷补施工法就是利用不定形耐火材料的特性来弥补浇注施工缺陷的施工方法。
2 改进材质
以上述的浇注材料为基础，对浇注材质的压力输送性能、抗腐蚀性能和抗爆裂性能进行了改进。
（1） 提高压力输送性能
为使湿式喷补材料能在压力下从内径Ф38mm的管道和喷嘴通过，因此事先对各种喷补料在喷嘴内的流动性进行了确认试验，其结果示于表1。 由该表可知，如果直接采用象浇注料那样的粒度，就会发生喷嘴堵塞，因此降低了粗粒度比，并将Al2O3骨料的粒度从8mm降低到５ｍｍ。
（2） 提高抗腐蚀性能
根据上述试验结果可知，采用表１的试料Ｃ和Ｄ时，不会发生喷嘴堵塞，但由于这两种试料添加的水分量比浇注料的大，因此会影响抗腐蚀性能。基于此因，在试料Ｃ和Ｄ中，以水分低的试料Ｃ为基础，通过高频炉的侵蚀试验，调查了通过增加ＭｇＯ量来提高抗腐蚀性能的效果。结果，考虑到抗腐蚀性能和炉渣侵蚀的深度，将ＭｇＯ量增加到10％，能弥补抗腐蚀性能的恶化。
3 提高抗爆裂性能
采用上述材质对15t钢包和25t钢包的包底及包壁进行湿式喷补施工后，在预热1小时左右时喷补料会频繁发生爆裂故障，爆裂宽度大约３０－５０mm。作为防止发生爆裂的措施，由于当初采取的是添加有机纤维的办法，但不理想，因此在改善钢包干燥条件的情况下进行了研究。
（1） 爆裂发生的机理
采用一般干燥曲线模型对干燥中耐火材料内部的温度和水蒸气压力的变化进行了模拟，结果表明，干燥过程中施工体内部存在３个区域，一是靠近加热面含水率为０的干燥区域；二是水分迅速蒸发的蒸发区域；三是在蒸发区域产生的水蒸气流向被加热的背面，压力超过了饱和水蒸气压，形成凝结现象的凝结区域。干燥时的爆裂只有在蒸发区域满足了下列条件时才会发生。
在加热面一侧的含水量减少到一定程度后进行快速加热时，由于蒸发区域中的温度变化小，因此内部蒸气压的增幅小，但另一方面在干燥初期含水量的状态下进行快速加热时，由于蒸发区域靠近加热面，因此表层一侧内部蒸气压的增幅明显。如上式表明的那样，可以推测蒸发区域的内部蒸气压增大后，会造成材料自身的强度无法承受这一压力，因此发生了爆裂。
（2） 改进干燥方法
对实际干燥中各部位温度变化进行实测，摸索出了最佳干燥条件。结果，根据以上喷嘴耐火材料的表面温度为基准，进行了干燥，基本抑制了爆裂。目前，把以下３点作为抑制爆裂的条件是很重要的。
①干燥开始３小时后：加热速度＜90℃／hr。
②在３－６小时 后：加热速度＜200℃／hr（6小时后，以表面温度８００－９００℃为标准）。
③在６小时后：炉壳温度＞60℃时，加热不能超过1200－1300℃。
但是，在冬季室外气温低的情况下，由于干燥前的养护强度（抗折强度）低，因此无法确保材料具有耐蒸气压的强度，故频繁发生爆裂。作为其措施是采取预热干燥的办法，即筑炉后在钢包内对发热体进行燃烧，但这种干燥条件有待进一步改善。
在实机使用的情况
1 熔损速度
15t钢包的包壁采用湿式喷补材料后的熔损速度表明，采用喷补材料的平均熔损速度为1.57mm／炉，虽然比耐火砖的增大５％，但与浇注材相比，却取得良好的结果，受钢水冲击部位的烙损速度最大为2.5mm／炉，与浇注材料的呈相同趋势，但其绝对值低。与浇注材料的主要区别在于透气砖和受钢水冲击部周围的熔损速度非常低，这两处分别是采用吹氩搅拌和采用AOD（氩氧脱碳法）装入钢水时因钢水冲击而造成熔损严重的部位，由此可知采用喷补料的施工体具有良好的抗磨损性能。
2 断面组织
从15t钢包在使用３９炉后喷补材的断面组织照片和炉渣的侵蚀深度来看，包底的侵蚀深度比包壁的大３０－４０mｍ，在微变层内部能看见有一部分横向裂纹，还能看见有部分金属侵人。包壁的炉渣侵蚀深度较浅，为１５－２０mm，与浇注材的基本相同。另一方面，由于原始层的组织非常致密，且气孔率也低，只有12％，因此形成了良好的组织。
使用后的钢包包壁经取样做Ｘ线衍射后可知，工作面的组织主要是a－Al2O3、硅铝酸二钙（2CaO－Al2O3－SiO2：耐火度1590℃）、尖晶石（ＭｇＯ－Al2O3：耐火度2135℃）；母材由β－Al2O3和尖晶石构成，由此可以推测浇注材和喷补材的化合物相同。这种CaO－Al2O3－SiO2系低熔点化合物的形成是造成熔损的主要原因。另外，尖晶石不是作为材料添加的，它是材料中的Al2O3骨料和基料中的ＭｇＯ细粉在高温下反应后形成的，即使在母材中，尖晶石也已形成分布范围广的组织形态。
施工效率和成本
各种施工方法的施工天数比较结果表明，以一座钢包的筑炉操作天数为例，采用浇注施工时，由于能连续接长修补，因此包底和包壁的解体时间可以缩短，与耐火砖相比，可缩短总的工期２５％；采用喷补施工时，由于添加了固化剂，节省了养护时间，因此可缩短工期４０％。
成本的比较结果表明，与浇注料相比，喷补料的价格仅仅是固化剂这一项的价格比浇注料高，但由于可延长使用寿命，因此比耐火砖可节约成本２８％左右，比浇注材料的节约14％。今后如果能将不定形化的喷补技术应用于目前仍采用耐火砖的容器（如，25t VLF钢包和中间包等），估计可以大幅度降低耐火材料成本。可以认为这是一种非常理想的施工技术。
结束语
15t钢包包底和包壁采用湿式喷补施工的结果表明，不论是施工效率，还是成本，都优于浇注施工法。为实现将来中间包等也能采用不定形化技术和出钢槽采用喷补修补技术来延长使用寿命，因此期待着这种湿式喷补机能成为广泛应用于各种物体施工的通用设备，从而进一步降低耐火材料成本。
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