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高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

摘要:根據高爐風口部位的工況條件及其對耐火材料的要求,開發了碳化硅質預制大塊。所開展的系統研究工作包括組成優化、抗熱震性和抗堿性等,并測定了顯微結構和孔徑分布。所開發高爐風口用預制大塊具有碳化硅含量高、導熱性好、高溫性能優異、抗熱震性好以及抗堿性能優等優點,多項性能超過國外文獻報道指標,產品應用于高爐風口部位將有利于提高風口穩定性和長壽化。

1  技術背景

  隨著高爐大型化及冶煉強度的增加,爐體自身維護越來越受到重視,延長高爐使用壽命成為煉鐵工作者主要研究課題之一。風口作為高爐的關鍵部位之一,其使用效果對高爐使用壽命有直接影響。在高爐生產中風口區要經受溫度高、熱負荷大等苛刻條件,承受高溫、溫差急變頻繁、爐內含堿氣氛的侵燭,同時還要承受高的荷重作用。因此,要求耐火材料具有較高的高溫強度、抗熱震性、抗堿性、抗蠕變性和抗氧化性。高爐風口組合磚材料主要有碳化硅磚、剛玉莫來石磚、硅線石磚、復合棕剛玉磚、微孔剛玉磚、炭磚等幾種。碳化硅磚具有強度高、熱導率大、化學穩定性好、抗熱震性優異等一系列優良性能,已成為當前高爐爐身中下部特別是風口區的首選材質。

  從熱風爐來的高溫、高壓氣體由高爐風口送入高爐,當風口砲體不穩定時,將使風口設備變形和漏風,影響高爐壽命。同時在高爐生產時,在風口部位耐火磚的磚縫處有堿性物的侵入和析出,也造成了爐內側耐火磚的上翹,使風口大套上翹。所以,為了減少由磚縫引起的這種破壞,提高風口砌體的穩定性,風口組合磚的尺寸越來越大,磚的總數量越來越少。相對于風口組合磚而言,采用大型預制塊的每個高爐風口通常由塊、塊或整塊預制件組成,因其砌筑簡單、磚縫少,減少了使用過程中出現變形、漏風以及堿性物侵人引起上翹等問題。風口用大型預制塊的應用越來越受到重視,將來有可能完全取代風口組合磚。碳化硅質風口預制大塊目前國內尚不能生產進口產品僅在400M3以上的少數大型高爐上獲得應。

  本文對高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發過程及其主要性能進行了介紹。

2  開發理念及研究內容

與機壓成型相比,澆注成型具有成型方式靈活、制品尺寸和形狀不受限制等優點,在制備大型、異形耐火材料制品方面具有獨特優勢,故碳化硅預制大塊采用澆注成型工藝較合理。針對澆注成型工藝以及風口部位對耐火材料的具體要求,碳化桂質預制大塊的開發理念及主要工作內容如下:

1)結合體系的選擇:所開發碳化硅質風口預制大塊采用了超低水泥或無水泥結合方式,在滿足拆模、搬運等要求條件下,盡可能降低鋁酸鈣水泥所引入CaO對材料高溫力學性能的不良影響。

2)顆粒級配的優化:通過嚴格控制碳化硅原料的關鍵性指標,以及澆注料顆粒級配等多方面的系統優化研究,大幅度降低了澆注料需水量,使材料內部顆粒實現了緊密堆積,保證了其優異的力學性能。

3)孔徑分布的調控:加人了適量微、納米粉體,優化了澆注料微納米尺度的粒度分布,使饒注料孔徑分布微細化,改善了材料的微觀結構和組成,提高了材料的抗滲透和抗侵蝕性能。

4)氣氛“自控”及促進氮化物再結合:通過硅粉原位氮化生成氮化物時,隨硅粉不斷氮化材料氣孔率降低、孔徑減小,且局部溫度過高導致硅粉溶化堵塞氣孔,易出現殘硅而影響產品性能,使得現有硅粉原位氮化工藝無法制備較大尺寸的氮化物結合碳化硅制品。經過理論分析和實驗研究,我院確定了多種氮化物、微納米粉體的最佳加入量,通過對預制塊的表面處理工藝,實現材料內部氣氛的自控,大幅度降低了高溫下材料內部反應受爐內氣氛的影響,成功解決了大塊碳化硅材料內部氣氛難以控制的難題。在高溫燒成處理時,通過適量添加劑的活化和促進作用,使所添加高活性微納米粉體原位反應生成碳化硅、氧氮化硅以及塞隆等,與碳化硅形成很好的結合,增強了材料結構,提高了材料的力學性能。

3  碳化桂質預制大塊的性能及結構

  針對上述開發理念,河南耐火材料廠進行了較系統、詳盡的研究,工作內容和實驗數據較多,下面僅對預制大塊的抗熱震性能、抗堿試驗、最終產品理化指標及微觀結構進行介紹。

3.1  抗熱震試驗

  碳化硅質預制塊開發過程中采用1200℃*30min=水冷和1200℃*30min=風冷兩種方法進行了抗熱震實驗,通過熱震3次后的殘余強度和殘余強度保持率來評價。水冷熱震次后的實驗結果如圖1所示,不同組成碳化桂質預制塊殘余強度較接近,均在10~15MPa之間。如此茍刻的熱震條件,一般高純氧化物體系耐火材料通常一次實驗就會發生斷裂,但碳化硅質預制塊熱震3次后殘余強度保持率仍有20~35%?紤]到實際應用環境和條件,與水冷相比較風冷更能反應材料的實際應用效果。由圖2可以看出,風冷3次后不同組成碳化硅質預制塊之間殘余強度差別較大,但殘余強度均在75~95%以上,個別組成高達以上,殘余強度保持率在之間。以上實驗結果充分表明:所開發碳化硅質預制塊具有優異的抗熱震性能。

高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

3.2  抗堿性試驗

  抗堿性試驗參照GB/T14983-2008耐火材料抗堿性試驗方法方法1(堿蒸氣法)進行。試樣大小為25mm*25mm*25mm,實驗條件為1100℃保溫30小時。實驗所用坩堝結構如圖3所示。將12塊試樣以及250克混合粉(K2CO3:木炭質量比為1:1)裝人帶蓋石墨坩堝中,石墨坩堝和坩堝蓋之間通過螺紋連接并用碳化硅泥漿密封。將石墨禍裝人密封的碳化硅相禍中,石墨坩堝和碳化硅坩堝之間用焦炭填充。實驗結束后將試樣取出,通過觀察試驗后試樣裂紋大小及數量進行目測判定?箟A侵蝕實驗后石墨坩堝外形完好,將坩堝蓋撬開后照片如4圖所示,可以看到坩堝內部混合粉形狀完好,說明試驗密封效果很好、實驗結果可靠?箟A侵蝕試驗后試樣的照片如5圖所示,所有試樣的棱角均無蝕損,表面光滑且無裂紋存在,所開發碳化硅質預制塊具有優異的抗堿侵蝕性能。

高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

3.3  理化指標以及與國外產品比較

  在系統實驗的基礎上,優化開發出兩種牌號高爐風口用碳化硅質預制大塊,其理化指標如表所示。由1表可以看出,所開發預制塊雜質含量低、化學純度較高,SiC和Si3N4合量達到了90%以上,體積密度不低于2.65g/cm3,氣孔率不超過15%,具有優異的常溫和高溫抗折強度,以及良好的導熱系數。與牌號SICAPREC-LO相比較,牌號SICAPREC-HN碳化硅質預制塊力學性能更加優異,但其導熱系數略低。除導熱系數外,牌號SICAPREC-HN碳化硅質預制塊的各項指標均超過文獻所報道國外同類產品。

高爐風口用碳化硅質預制大塊的開發

4  應用前景

  與現有剛玉、剛玉莫來石、剛玉碳化硅等材質相比,我院開發的碳化硅質預制塊具有碳化硅含量高、導熱性好、高溫性能優異、抗熱震性好、抗堿性能優以及抗渣性能好等優點。碳化硅大型預制塊在我院預制并經適當溫度燒成,采用各種性能優異的原料,控制合適的制作環境(溫度、濕度),嚴格控制全部工藝過程,從而保證了產品質量。與現有組合磚相比,采用整體預制的方式解決了風口磚的磚型種類多、尺寸公差不易控制、磚縫多及整體性差的問題。我院所開發碳化硅質預制大塊應用于高爐將更有利于高爐操作穩定和長壽化。

  參考文獻:

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(2)吳吉光;王建棟;張新華等.高爐用氮化硅結合碳化硅風口組合磚的開發.2012全國煉鐵用耐火材料技術交流會.中國山東濟南:2012.

(3)鄒祖橋;鄧棠;宋木森.武鋼高爐風口組合磚材質的改進.武鋼技術,2010,48(4):1-4.

(4)李付;呂春江;李杰.等.高爐用新型自結合碳化硅磚性能研究耐火材料,2011,45(5):364-366.

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