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耐火材料行業知識

影響鋼包渣線磚耐火材料壽命的幾個關鍵因素

  鋼包渣線是鋼水與空氣直接接觸的部位,目前鋼包渣線砌筑大都采用的是鎂碳磚,該部位由于溫差與富氧環境的存在,使得侵蝕速度較其他部位明顯加快,再加上鋼水在運轉過程中的傾翻及排渣作業,對渣線造成很大程度的破壞,因此鋼包渣線部位是維修頻率最大的部位之一。
  鋼包渣線壽命主要受外部環境、耐材品質以及砌筑方式等三個方面的影響和制約。
  (1)外部環境
  鋼包是一種承接鋼水、進行澆注作業的設備,鋼水的溫度往往在 1500℃左右,鋼包渣線在此溫度下與空氣接觸,將產生強烈的氧化反應。不僅如此,鋼水與空氣的接觸面的溫差對鋼包渣線的影響也是相當劇烈的,較大的溫差將對鋼包渣線的熱穩定性進行嚴峻的考驗[20],在頻繁的承接、傾倒作業中,耐材將產生一定程度的崩裂。因此,在外部環境中,高溫下的氧化對渣線的侵蝕造成了很大程度的影響,同時溫度的巨大改變,對耐材的熱穩定性提出了很高的要求,在耐材受到熔損和崩裂的相互作用下,鋼包渣線很容易遭到破壞,進而產生滲鋼的現象。
  LF 精煉渣易造成鎂碳磚氧化、脫碳, LF 渣高溫下黏度比較低,在脫碳層中的滲透能力很強,而且對氧化鎂具有較高的溶解性, 同時,熔渣容易滲入到方鎂石的晶界處離解鎂砂顆粒,如圖2(圖中 SA為渣;TA為三塊交匯處)因此, LF 渣線鎂碳磚的使用壽命都是比較低的。沈平等系統地研究了鋼包鎂碳磚在 LF 精煉處理過程的損毀機理,表明尺寸較小的 MgO 晶粒骨料容易被高溫熔渣侵蝕,侵蝕后熔渣會繼續沿著方鎂石晶界滲入 MgO 骨料內部,最終造成方鎂石骨料的解理。
  鎂碳磚在鋼包內不同的服役溫度區域及其自身內部的不同組織結構造成其損毀及侵蝕機理的不同,在近鋼液面的高溫區域,鎂碳磚自身會發生 MgO 與碳的反應,形成脫碳層,高溫下熔渣與鎂碳磚的潤濕性更好且 MgO 向熔渣溶解的趨勢更大,相比近空氣側的低溫區域,鎂碳磚受熔渣侵蝕更嚴重。 此外,鋼包進行的扒渣及修理作業,也不可避免的將對鋼包渣線產生人為的損傷,扒渣機和拆包機在對渣線冷鋼和殘渣進行清理的同時,將對鋼包渣線產生震動及誤傷,進而對鋼包渣線造成一定程度的損害,盡管這種損害對渣線整體質量的影響微乎其微,但仍會加大鋼包渣線的維修頻率。
  (2)耐材品質
  目前鋼包渣線主要使用鎂碳磚砌筑,不論是傳統的鎂碳磚還是在目前大量使用的低碳鎂碳磚,主要利用鱗片狀石墨作為其碳源,鱗片石墨一般選用-197、 -196等,即粒度大于 100 目、純度高于 97%或 96%(質量分數), 結合劑為熱硬性酚醛樹脂,碳化反應時,自身鏈段發生交聯反應形成的網狀結構能形成鎂砂顆粒與石墨等之間的機械互鎖力。石墨作為生產鎂碳磚的主要原料,主要得益于其優良的物理性能: ①對爐渣的不濕潤性, ②高的導熱性, ③低的熱膨脹性。此外,石墨與耐火材料不發生共熔, 且石墨耐火度高, 正是由于這一特性,鎂碳磚被選用在使用環境較為苛刻的渣線上[24]。對于低碳鎂碳磚(碳的質量分數≤8%)或超低碳鎂碳磚(碳的質量分數≤3%),因碳含量低而難以形成連續網狀結構,所以低碳鎂碳磚的組織結構的設計較為復雜,相反,高碳鎂碳磚(碳的質量分數>10%)組織結構設計相對簡單。
  由于鎂碳磚易受潮以及配方選用上的影響,鎂碳磚的性能將受到一定的影響。鎂碳磚受潮以后,導致結構松散,在高溫下水分逸出產生多空通道,對鎂碳磚的熱穩定性及抗侵蝕能力都將產生負面影響,同時應對鋼水的沖刷能力也將大大減弱。MgO-C 對熱機械磨蝕很敏感,這是因為 MgO 熱膨脹系數具有較高的可逆性。鎂碳磚的結合劑也是影響鎂碳磚品質的一個重要因素,結合劑含量太多或者太少,都將對鎂碳磚的性能產生影響,結合劑含量太少,鎂碳磚粉料結合不緊密,容易被沖刷剝落;結合劑含量太多,鎂碳磚的熱震穩定性和耐火度都將變差,同時會對鋼水加入過多的有害元素。
  鋼包承接轉爐鋼水時會同時伴有大量鋼渣,鋼渣中低熔點的 2CaO·SiO2 溶入于 MgO 晶界并與 MgO 層微量雜質元素發生化學反應,對鎂質耐火材料的溶蝕起到了主要作用, 從轉爐渣角度考慮,對鎂碳磚性能改進的研究主要集中在鎂砂、防氧化劑和微觀結構等方面。
  此外,鎂碳磚中抗氧化劑的加入也對其品質產生影響, 為了提高鎂碳磚的抗氧化性,常加入少量的添加劑,常見的添加劑有 Si、Al、Mg、Al-S、Al-Mg、Al-Mg-Ca、Si-Mg-Ca、 SiC、 B4C、 BN 和 Al-B-C 和 Al-SiC-C 系等添加劑, 添加劑的作用主要有兩個方面:一方面是從熱力學觀點出發,在工作溫度下,添加物或者添加物和碳反應生成其他物質,它們與氧的親和力比碳與氧的親和力大,優先于碳被氧化從而起到保護碳的作用, 另一方面從動力學的角度來考慮添加劑與 O2, CO 或者碳反應生成的化合物改變碳復合耐火材料的顯微結構,如增加致密度,堵塞氣孔,阻礙氧及反應產物的擴散等[28]。目前鎂碳磚中主要采用了 Al粉來防止碳素的氧化,雖然 Al 在抗氧化方面具備較強的能力,但是在高溫下, Al 與 C 及 N2發生反應形成 Al 的碳、 氮化合物,其中 Al 的碳化物在高溫到低溫過程中易發生水化,導致鎂碳磚內部形成空隙,從而引起結構松散,產生裂縫。鑒于這種情況,國內一些耐材廠家已經采用粉、硅粉和碳粉為原料在真空燒結爐中制備 AI4SiC4 粉體,并將其作為抗氧化劑應用于鎂碳磚,研究其對鎂碳磚抗氧化性能的影響發現 AI4SiC4 不僅具有很強的抗氧化性能而且能夠避免傳統抗氧化劑所存在的水化開裂的問題。
  (3)砌筑方式
  鋼包渣線鎂碳磚普遍采用干砌(直接堆放磚,無火泥粘結)和濕砌(采用火泥結合耐火磚)兩種,干砌的優點在于最大程度上減少了火泥帶來的影響,在高溫狀態下,由于鎂碳磚與火泥的材質不同,受溫度影響熱膨脹率不同,容易在接觸面產生縫隙。這種方式的缺點在于鎂碳磚之間無法保證百分百的接觸緊密,同時當鎂碳磚受熱膨脹時,磚與磚之間沒有緩沖的余地,從而造成磚塊擠壓斷裂;或者由于鎂碳磚膨脹,整環渣線整體抬升,巨大的擠壓力使包沿板變形,耐材失去保護被沖刷剝落,對渣線的質量產生較大的威脅。
  濕砌的方式與建筑上的砌筑方式類似,只是在要求上更為嚴格,該方式的優點在于很好的避免了干砌中可能產生的縫隙,同時在高溫下火泥強度較弱,當鎂碳磚受熱膨脹時,可以產生流動以適應磚之間縫隙的改變,分散了磚之間的擠壓力,從而很好的避免了縫隙的產生。這種方式的缺點在于火泥的使用使得渣線的結構處于不穩定狀態,同時提高了砌筑難度,如果火泥不均勻,將依然會在磚與磚之間產生空縫。


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