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耐火材料行業知識

有效提高鋼包座磚使用壽命的研究試驗

  為提高鋼包座磚的使用壽命,以板狀剛玉、α-Al2O3微粉、燒結鎂砂、電熔尖晶石為主要原料,鋁酸鈣水泥為結合劑,采用高效減水劑制備了鋼包座磚試樣。研究了燒結鎂砂加入量(加入質量分數分別為0、4%、5%、6%)和MgO引入形式對鋼包座磚常規物理性能、高溫抗折強度、抗侵蝕性和抗熱震性的影響。結果表明:當2.5%的燒結鎂砂和9.5%的電熔尖晶石以復合的形式引入時,試樣強度提高,抗侵蝕性改善,其綜合性能最好。以此配方制備的鋼包座磚現場使用壽命由原來的40爐提高到50爐,實現了與鋼包同步,有效提高了鋼包的平均使用壽命。
  在冶煉品種鋼使用時,傳統剛玉質和剛玉尖晶石質鋼包座磚普遍出現使用壽命低、難以和鋼包同步的現象。經分析,鋼包座磚損毀的主要原因是鋼水的沖刷、侵蝕及熱震損毀。因此,通過材質優化開發精煉鋼用高性能、高壽命鋼包座磚是解決鋼包使用壽命的主要途徑。本工作中,在剛玉質座磚的基礎上,首先以燒結鎂砂的形式引入一定量的MgO,以期原位生成尖晶石來提高座磚的抗滲透性,并研究MgO加入量的變化對座磚性能的影響。由于單獨加入鎂砂可能會因為鎂砂原位生成尖晶石發生體積效應而對產品的性能有不利影響,因此,隨后改變MgO的引入方式,研究其對座磚綜合性能的影響。
  試驗
  1.1原料及試樣制備
  試驗用原料有板狀剛玉(8~5、5~3、3~1、≤1和≤0.044mm)、燒結鎂砂(≤0.088mm)、電熔尖晶石(≤0.088mm)、α-Al2O3微粉,結合劑為鋁酸鈣水泥,采用高效減水劑。主要原料的化學組成見表1。
   首先將干料混合均勻,然后加入高效減水劑和適量的水,攪拌均勻后振動成型為40mm×40mm×160mm的條樣和外部尺寸為100/90mm×100mm、內孔尺寸為50/44mm×60mm的坩堝,脫模后自然養護24h,經110℃保溫24h烘干后,再分別在1100和1550℃保溫3h熱處理。
  表2試驗配方
  1.2 性能檢測
  對烘干和熱處理后的條形試樣,按照YB/T5200—1993測其顯氣孔率和體積密度,按GB/T3001—2007測常溫抗折強度,按GB/T5072—2008測常溫耐壓強度,按GB/T5988—2007測加熱永久線變化,按GB/T3002—2004測高溫抗折強度(1550℃保溫1h)。
  抗渣試驗:采用靜態坩堝法。坩堝裝入一定量的轉爐渣,在空氣氣氛下于1550℃保溫5h熱處理,剖開后觀察渣的滲透和侵蝕情況,以滲透深度和侵蝕指數(侵蝕面積÷侵蝕前試樣面積×100%)表征抗渣性的優劣。渣的化學組成(w)為:CaO50.34%,SiO29.93%,Al2O325.16%,MgO8.42%,T.Fe1.20%。
  抗熱震性:將1550℃保溫3h熱處理后的條形試樣經過1100℃保溫20min后,風冷15min。重復此過程3次后,測試計算試樣的抗折強度保持率(熱震后抗折強度÷熱震前抗折強度×100%)。
  結果與討論
  2.1 燒結鎂砂加入量對座磚性能的影響
  2.1.1燒結鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
  燒結鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
  (1) 隨著燒結鎂砂加入量的增加,成型加水量呈增加趨勢。這一方面是因為板狀剛玉的吸水率比燒結鎂砂的高,另一方面是因為燒結鎂砂會發生水化而導致加水量增加。烘干和熱處理后試樣的體積密度均呈下降趨勢,顯氣孔率均呈增加趨勢。一方面因為加水量的增加,另一方面因為熱處理過程中生成尖晶石時產生體積膨脹導致微裂紋的產生。
  (2) 烘干后試樣的強度呈現緩慢增加的趨勢,主要是因為MgO水化后生成具有結合性能的Mg(OH)[8]2;熱處理后,引入適量的燒結鎂砂能有效地提高試樣的強度,主要因為加入一定量的燒結鎂砂在熱處理過程中會生成適量尖晶石;但是,當燒結鎂砂加入量超過4%(w)時,由于尖晶石生成量過多,致使微裂紋部分擴展成破壞性裂紋,導致試樣強度明顯下降。
  (3)隨著燒結鎂砂加入量的增加,加熱永久線變化呈增加趨勢,因為熱處理過程中尖晶石生成會產生體積膨脹。
  2.1.2燒結鎂砂加入量對座磚抗熱震性的影響
  燒結鎂砂加入量對座磚抗熱震性(1100℃,風冷3次)的影響如圖1所示?梢钥闯,隨著燒結鎂砂加入量的增加,抗折強度保持率呈逐漸增加的趨勢。因為燒結鎂砂原位生成尖晶石發生體積膨脹而產生微裂紋,微裂紋一方面能有效地緩沖試樣在溫度急劇變化過程中產生的熱應力,另一方面能阻礙裂紋的擴展。
  2.1.3燒結鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響
  燒結鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響如表4所示。從表4可以看出,隨著燒結鎂砂的增加,試樣的侵蝕指數呈現先降低后急劇增加的趨勢,滲透深度逐漸減小。根據CaO-SiO2-MgO三元相圖可知,MgO和熔渣中的CaO、SiO2共融溫度較高,難以形成低熔點物;同時,原位生成的尖晶石活性較高,能快速吸收熔渣中的氧化鐵形成尖晶石固溶體,降低了熔渣中的鐵含量,從而提高了熔渣的黏度,熔渣的滲透減弱,進而使抗侵蝕性有所提高。當燒結鎂砂加入量過多時,由于體積效應過大,試樣內部裂紋過多而疏松,引起抗侵蝕性急劇降低。綜合考慮試樣的抗侵蝕性和抗滲透性,燒結鎂砂加入量5%(w)時抗侵蝕性能最好。
  綜上所述,當燒結鎂砂加入量為5%(w)時試樣的綜合性能較好,此時,MgO含量為4.8%(w)。
  2.2 MgO引入形式對座磚性能的影響
  MgO引入形式對座磚物理性能的影響
  (1) 烘干和中溫處理后,以電熔尖晶石的形式引入MgO試樣Z4的體積密度最大,顯氣孔率最小。主要是因為電熔尖晶石和燒結鎂砂相比顯氣孔率較低。
  (2) 烘干后試樣由于燒結鎂砂的水化作用導致單獨加入燒結鎂砂的試樣烘干強度稍高。復合加入電熔尖晶石和燒結鎂砂試樣的熱處理后強度較高。與單獨加入尖晶石相比,電熔鎂砂原位生成尖晶石,增強了基質的結合強度,導致強度較高;與單獨加入燒結鎂砂相比,原位生成尖晶石的體積效應較小,由于體積效應產生的微裂紋較小,強度較高。
  (3)單獨加入燒結鎂砂試樣Z2的抗折強度保持率最高。主要是原位生成尖晶石的體積效應產生微裂紋,消弱了由于溫度變化而產生的熱應力。
  (4)復合加入燒結鎂砂和電熔尖晶石試樣Z5的抗侵蝕性和抗滲透性最好,主要是因為復合加入形式能原位生成尖晶石,促進燒結,同時和外加的尖晶石相比具有更好的均勻性和活性,吸收熔渣中氧化鐵的速度更快,熔渣的黏度變化更迅速;與單獨加入燒結鎂砂相比,內部微裂紋較少,基質和骨料的結合更致密。
  綜上所述,復合加入燒結鎂砂和電熔尖晶石能有效地改善試樣的綜合性能。
  現場使用
  根據以上的試驗結果分析,選取綜合性能較好的配方Z5進行生產,在南方某鋼廠進行試驗。該鋼廠鋼包容量為150t,鋼水在鋼包停留時間為4.5h左右,精煉時間為40min左右,鋼水澆鑄時間為50min左右,LF精煉比占30%,LF+RH精煉比占70%,所煉鋼種都為精煉鋼,試驗鋼種為鉚螺鋼。
  使用結果表明,鋼包座磚使用壽命由原來的40爐提高到50爐,實現了與鋼包同步,有效提高了鋼包的平均使用壽命。
  結論
  (1) 在剛玉質座磚中引入MgO,雖然會降低試樣的體積密度,提高其顯氣孔率,但是MgO的引入能顯著地提高試樣的強度,并隨著MgO加入量的增加呈現先增大后減小的變化,試樣的抗熱震性和抗渣性均有所改善。
  (2) 選擇配方Z5,即燒結鎂砂和電熔尖晶石以復合的形式引入時,試樣的強度提高,抗侵蝕性提高,其綜合性能最好。
  (3)按照Z5配方進行實際生產試驗,經過現場使用表明,燒結鎂砂和電熔尖晶石復合引入時,座磚的使用壽命有明顯提高。


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