轉爐維護用耐火材料的應用技術

提高轉爐壽命一直以來都是煉鋼廠和耐火材料廠關注的重點。轉爐內襯普遍砌筑不同功能的鎂碳磚并結合濺渣護爐技術，國內煉鋼廠對轉爐壽命的要求一般都在5000爐以上，甚至超過10000爐，因此需要配備相應的維護用耐火材料。目前，普遍采用大面熱修補料對轉爐的加料側、爐底和出鋼側進行維護，采用噴補料對轉爐的熔池、圓角和耳軸進行維護，采用灌漿料用于轉爐出鋼口更換時的填縫和出鋼口區(qū)域的維護，采用手投料對轉爐的爐帽進行維護。另外，濺渣護爐技術在延長轉爐壽命上也發(fā)揮了作用，但隨著潔凈鋼冶煉和對轉爐經濟爐齡理念的認識，轉爐濺渣護爐的比例將會不斷下降，因此維護用耐火材料的作用將越來越重要。

 

 

轉爐示意圖

 

以下綜述了目前轉爐不同區(qū)域維護用耐火材料的材質、施工方式、使用性能和消耗比例及其與轉爐工況條件之間的相關性，并對今后轉爐維護用耐火材料技術的發(fā)展進行了展望。

 

1、轉爐大面熱修補料

 

轉爐大面熱修補料主要用于維護轉爐的加料側、爐底和出鋼側，其材質目前主要有瀝青或樹脂結合的鎂碳質熱修補料、SiO２微粉結合的鎂質水系環(huán)保熱修補料和九水偏硅酸鈉結合的鎂質自流熱修補料等。

 

1）施工方法比較

 

鎂碳質熱修補料主要以鎂砂和瀝青或樹脂粉為主要原料，基質中添加有潤濕劑、促流劑、 抗氧化劑等。其通過料斗倒入轉爐中，借助搖爐和結合劑遇熱時的液化，使大面料迅速流動到需維護區(qū)域并自流密實，與爐襯緊密結合在一起。鎂硅質水系環(huán)保熱修補料主要以鎂砂和SiO２微粉為主要原料，基質中添加有減水劑、防沉淀劑和防爆劑等，其需在攪拌機中加水攪拌均勻達到自流狀態(tài)后，再通過料斗倒入轉爐，借助搖爐和水分遇熱的蒸發(fā)使大面料迅速流動到需維護區(qū)域并自流密實，與爐襯緊密結合在一起。九水偏硅酸鈉結合的鎂質熱修補料主要以鎂砂和九水偏硅酸鈉等為主要原料，其補爐方法與含碳熱修補料的相同，不同的是其通過上述無機鹽遇熱時釋放出的水分及水分的蒸發(fā)使修補料沸騰、流動和沉淀，并與爐襯結合在一起，從而達到維護的目標。以上三種大面料都是利用轉爐出鋼后的余熱和轉爐的及時搖動來實現補爐作業(yè)的，每次維護用量在0.7～3.2ｔ，因此需在轉爐出鋼后余溫較高時及時修補，并保證充分的燒結時間。鎂碳質熱修補料在燒結過程中存在瀝青／樹脂燃燒和碳化，伴隨有較多濃煙冒出，對環(huán)境不友好，且燒結時間一般在30～60min。鎂硅質水系環(huán)保熱修補料和九水偏硅酸鈉結合的鎂質熱修補料在燒結過程中主要是水分的蒸發(fā)，對環(huán)境無不利影響，且燒結時間一般在20min以內，這對提高轉爐的生產效率有重大意義。

 

2）理化性能和應用比較

 

上述三種熱修補料的主要理化性能和使用情況如表１所示。從表１可知，鎂硅質環(huán)保熱修補料致密度和強度大，九水偏硅酸鈉結合鎂質熱修補料的次之，而鎂碳質熱修補料的低。這種差異與其化學組成相關：鎂硅質環(huán)保熱修補料主要成分為MgO和SiO2，其在高溫下會形成高熔點相M2S（熔點1890℃）；鎂碳質熱修補料主要成分為MgO和Ｃ，其在高溫下會形成碳結合；九水偏硅酸鈉結合鎂質熱修補料的主要成分為MgO、SiO2和Na2O，其在高溫下會存在較多的低熔點相。

 

 

表1：轉爐不同類型熱修補材料的典型理化性能和使用情況

 

因本身致密度和強度的差異，鎂硅質環(huán)保熱修補料的使用壽命長，但因其受施工方法的制約且屬于近幾年發(fā)展起來的新興技術，其目前使用范圍居主要位置；鎂碳質熱修補料的使用壽命次之，但因施工方便且是已使用多年的成熟技術，其目前使用范圍廣；九水偏硅酸鈉結合鎂質熱修補料使用壽命短，其目前使用范圍也窄。

 

2、轉爐耳軸和圓角維護用噴補料

 

轉爐耳軸及耳軸同側的圓角區(qū)域采用鎂質或鎂碳質噴補料進行修補。該兩種噴補料均以鎂砂為主要原料，采用磷酸鹽為結合劑，基質中引入適量SiO2微粉、促硬劑和增塑劑，通過噴補設備達到補爐效果。鎂質和鎂碳質噴補料對轉爐耳軸和圓角的維護一般在轉爐的服役中期開始，并盡量利用轉爐熱修補料維護之后的燒結時間進行，每次使用量一般在0.4～0.8ｔ，燒結時間在10min以內，使用壽命一般為４～５爐。鎂質和鎂碳質噴補料的典型理化性能見表２。

 

 

表2：鎂質和鎂碳質轉爐噴補料的典型理化性能

 

3）豎窯內各帶的作用豎窯內各帶的作用

 

（1）原料在豎窯內需歷經三帶：預熱帶、煅燒帶、冷卻帶。

 

（2）在預熱帶的原料借助于煙氣的熱量進行預熱；在煆燒帶的原料借助于燃料燃燒所放出的熱量進行煅燒;在冷卻帶已煅燒好的原料與鼓入的冷卻空氣進行熱交換，原料被冷卻，而空氣被加熱后進入煅燒帶供助燃用。由于在預熱帶和冷卻帶按逆流方式進行熱交換，熱量得到較好利用。因此，豎窯與其它類型窯比較，有較高的熱效率。原料在窯內的停留時間有重要意義，如果停留時間短，就會影響煅燒質量;停留時間過長，將使窯的產量降低，熱耗增加，有時也會影響產品質量。因此，原料在窯內的停留時間須與窯內傳熱情況相配合。如能適當提高鍛燒溫度，加大氣流速度，減少原料塊度等，均可加速傳熱速率，縮短原料在窯內的停留時間，提高窯的產量。

 

3、轉爐出鋼口更換用鎂質灌漿料

 

轉爐出鋼口的壽命一般為90～150爐，更換時需用鎂質灌漿料來填充其與出鋼口座磚之間的縫隙。鎂質灌漿料采用鎂砂為主要原料，以磷酸鹽為結合劑，基質中引入適量的菱鎂礦（或白云石、石灰石）細粉、氧化鉻微粉、SiO2微粉、黏土粉、低溫燒結劑和促硬劑等。鎂質灌漿料的典型理化性能見表３。

 

 

表3：轉爐出鋼口鎂質灌漿料的典型理化性能

 

鎂質灌漿料一般施工過程為：轉爐出鋼結束后，通過專用鉆孔粉碎機將出鋼口殘磚粉碎清除，如圖１（ａ）所示，將已組裝好的出鋼口更換磚從出鋼口孔插入并固定在出鋼口孔周邊法蘭上；再將轉爐搖轉至爐后平臺，采用同耳軸和圓角維護用的噴補設備將灌漿料高速噴入出鋼口更換磚與出鋼口座磚之間的縫隙將縫隙填充致密，見圖１（ｂ）。灌漿料的施工時間一般在30min之內，維護用量約0.8ｔ。施工結束后，轉爐可隨即投入生產，灌漿料壽命與出鋼口更換磚同步。

 

 

圖1：出鋼口更換磚殘磚的拆除和鎂質灌漿料的施工

 

4、轉爐爐帽用鎂碳質手投料

 

轉爐爐帽靠近出鋼口區(qū)域存在頻繁接觸高溫鋼水和熔渣等問題，較爐帽其他區(qū)域熔損速率大，該區(qū)域大面熱修補料維護不到，部分鋼廠采用鎂碳質手投料來進行維護。鎂碳質手投料和大面鎂碳質熱修補料屬于同一材質，補爐原理相同，不同的是鎂碳質手投料其一般以鎂橄欖石為骨料，以鎂砂為細粉，瀝青或樹脂粉加入量較少，以滿足在較低的溫度和較短的時間內完成燒結。其典型的理化性能指標見表４。鎂碳質手投料一般在轉爐出鋼完畢后馬上進行，由人工將小包裝的鎂碳質修補料從爐口直接投入爐帽需修補區(qū)域。轉爐爐帽手投料的維護用量為每次0.4～0.8ｔ，使用壽命為100～200爐。

 

 

表4：轉爐爐帽用鎂碳質手投料的典型理化性能

 

5、轉爐維護用耐火材料消耗及與轉爐

 

工況條件的相關性選取國內三家大型鋼廠的３座頂底復吹轉爐，編號分別為Ｚ１、Ｚ２和Ｚ３，詳細分析其工作層鎂碳磚配置及冶煉工況條件差異，并列出其維護用耐火材料的消耗量，如表５所示。從表中可看出：這三座轉爐工作層鎂碳磚的配置基本相同，但工況條件有差異，Ｚ１的工況條件苛刻，Ｚ２的次之，Ｚ３的好；三座轉爐維護用耐火材料的噸鋼消耗差異較大，分別為0.75kg（Ｚ１）、0.62kg（Ｚ２）和0.51kg（Ｚ３）。結合這三座轉爐的工況條件，分析其總體維護耐火材料選擇及噸鋼消耗差異較大的原因如下：

 

 

 

表5：國內三家大型鋼廠轉爐的工況條件及維護耐火材料消耗用量

 

１）Ｚ１所在鋼廠只有２座轉爐，選擇鎂硅質環(huán)保熱修補料以滿足其轉爐出鋼頻率高和維護時間短的工況條件，Ｚ２和Ｚ３所在鋼廠都有３座轉爐，采用鎂碳質熱修補料能適應當前的出鋼頻率和維護模式。從整個爐役來看，鎂硅質環(huán)保熱修補料的噸鋼消耗與鎂碳質熱修補料的消耗是接近的，但鎂硅質料燒結時間短、使用壽命長，可大大提高轉爐的周轉效率。比較Ｚ１、Ｚ２和Ｚ３，Ｚ１總計維護211次耗時4220min，而Ｚ２總計維護417次耗時25020min，Ｚ３總計維護740次耗時22000min。按１爐鋼水冶煉周轉時間40min計算，如果Ｚ２和Ｚ３采用鎂硅質料維護，將可以分別多冶煉鋼水93825和64750ｔ。

 

（２）風口底吹要求決定了鎂質噴補料的消耗用量。Ｚ１風口整個爐役全程裸露、風口磚數量多、吹氬管采用單管集束式結構，造成其對圓角區(qū)域的沖刷十分頻繁和嚴重，因此鎂質噴補料用量急劇上升；Ｚ２與Ｚ１的情況相同，但因其未要求整個爐役全程裸露，其噴補料噸鋼消耗有較大幅度的下降；Ｚ３風口磚數量較小，采用毛細管式結構，且未要求整個爐役全程裸露，故其噴補料噸鋼消耗是比較少的。

 

6、轉爐維護用耐火材料的技術展望

 

目前，大面熱修補料、耳軸和圓角維護用噴補料、出鋼口更換用灌漿料和爐帽維護用手投料仍是轉爐維護用的主要材料。隨著對鎂質資源管控的加強，鋼廠對效率和環(huán)保要求的提高，鋼廠冶煉鋼種高品質要求對濺渣護爐和吹煉比例的要求等多方面因素的影響，今后轉爐維護用耐火材料技術將會出現一些新的變化：

 

（１）鎂質資源緊張趨勢將迫使耐火材料生產商轉尋更多可替代資源，如鎂橄欖石、鎂白云石、各種堿性回收廢磚等都將成為搶手的維護耐火材料用原料。

 

（２）轉爐大面維護用鎂硅質環(huán)保熱修補料在環(huán)保和提高轉爐周轉效率方面比傳統(tǒng)鎂碳質熱修補料優(yōu)越，其使用范圍將越來越廣。

 

（３）轉爐耳軸、圓角維護用噴補料、出鋼口灌漿料用設備的自動化和智能化將逐漸推廣，其可自動調節(jié)水料比和噴補速度，較大限度地提高了維護材料的黏附效果，從而大大降低噸鋼耐火材料消耗。

 

（４）因對高品質種需求量的日益增加，鋼廠將逐漸減少濺渣護爐比例，追求合適的經濟爐齡。除高品位爐襯磚的開發(fā)，高性能轉爐維護材料尤其是高壽命的新型噴補料也急需開發(fā)。