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耐火材料行业知识

高炉炉前用免烘烤捣打料的实践研究及损毁分析

我国攀西地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿,其储量高达80亿t,与铁共生的钒钛资源储量更是在国内外占有举足轻重的地位。40多年来,攀钢依托资源优势,依靠自主创新,推动了钢铁钒钛产业跨越式发展。然而,攀钢生产实践表明:钒钛磁铁矿冶炼条件下,攀钢炼铁用耐火材料使用寿命普遍较低。因此,提高耐火材料使用寿命,满足冶炼工艺需求一直是攀钢炼铁厂和冶材公司极为关注的问题。
2001年下半年,攀钢冶材公司和炼铁厂共同开展了高炉免烘烤铁沟料的研制工作,开发出了Al2O3-SiC-C质高炉免烘烤铁沟料,通过对免烘烤铁沟料烧结性、抗渣性、耐冲刷性以及烧后耐压强度、使用性能的研究,主沟使用寿命与过去相比有了显著的提高。但随着攀钢冶炼技术的发展,高炉利用系数的提高,铁产量显著增加,加之攀钢冶炼的钒钛磁铁矿品位低、渣量大,加速了对出铁沟的侵蚀、冲刷,同时铁沟料粘渣情况严重。高炉免烘烤铁沟料的使用寿命降低到了3~5天,导致耐火材料消耗增加,炉前工人的劳动强度加大。
鉴于攀钢高炉渣的特殊性,笔者分析了攀钢出铁沟用耐火材料的损毁原因,对钒钛磁铁矿冶炼条件下高炉炉前用耐火材料进行了改进。
攀钢高炉渣的特性
高炉渣是由脉石、灰分、助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质所组成的易熔物质,从化学成分看,高炉渣一般由CaO、MgO、SiO2、Al2O3和TiO2等组成,属于硅酸盐质材料。表1列出了不同厂家高炉渣的常见化学组成。攀钢高炉渣化学组成与其他厂家相比,其最大的不同就是TiO2组分的含量。同时攀钢高炉渣的CaO偏低,只有25%左右,Al2O3量一般比普通渣高。
由于大量TiO2的存在,攀钢高炉渣的矿物组成主要为:钛辉石(攀钛透辉石)、钙钛矿、巴依石(富钛透辉石)、尖晶石、镁黑钛石、铁珠、碳氮化钛、石墨碳、玻璃质等。正是攀钢高炉渣和普通高炉渣两种渣系化学成分的不同,造成其矿物组成有较大差别,从而使得高钛渣的熔化温度高于普通高炉渣80~100℃。
在高温黏度方面,攀钢含钛高炉渣也不同于一般的高炉渣,高温时渣的黏度很低,一般只有0.1~0.2Pa·s,并且其结晶性很强,由流动性良好至完全失去流动性的温度区间很窄,只有20~30℃,俗称“短渣”。
对比两条曲线可以发现,攀钢高钛渣较武钢普通高炉渣在温度下降过程中,黏度升高更为明显。当温度由1450℃下降到1400℃时,攀钢高钛渣的黏度由0.6405Pa·s升至2.091Pa·s。而普通高炉渣的黏度只由0.2610Pa·s升至0.3903Pa·s。所以说在一定的温度范围,攀钢含钛高炉渣的黏度有很强的温度敏感性。
攀钢高炉渣除了熔点高、高温黏度的温度敏感特性外,还有渣量大的特点,由于钒钛磁铁矿的品位低,渣铁比一般在0.65~0.70,比普通铁矿的渣铁比高出近一倍。
攀钢高炉铁沟料损毁原因分析
冶炼钒钛磁铁矿的高炉渣中含有大量TiO2,含量为20%~30%。在冶炼过程中,TiO2被部分还原,生成[Ti]及钛的低价氧化物,在还原气氛下,生成TiC、TiN。因TiC和TiN熔点高(3150℃和2950℃),在高炉冶炼条件下以固体质点弥散、悬浮在渣中,并包裹在铁珠的周围,使液态炉渣变稠。研究表明碳氮化处理含钛高炉渣的软化点、半球点和流动点温度因渣中形成碳氮化钛而升高,这与渣中碳氮化钛的形成,引起渣的黏度升高有关。同时,渣中的CaO、TiO2、Al2O3容易与耐火材料中高熔点物质发生反应生成尖晶石、六铝酸钙、钙钛矿、镁黑钛石、巴依石、钛辉石等高熔点物相,使渣更加黏稠,加上黏稠渣随着温度的降低流速变慢,极易与出铁沟的耐火材料粘附在一起,大块的渣与铁沟料粘结在一起,清渣时,不可避免地会损坏出铁沟用耐火材料。
间歇式出铁带来温度的急剧变化,以及初次出铁时温度的急剧升高引起材料龟裂和剥离。比如,攀钢4#高炉有南北两个出铁口,每天各出铁5~7次,每次出铁时间1~2h。从1350℃左右的高温到常温,反复的冷热循环引起内部热应力增大,当内部热应力大于铁沟料本身所能承受的应力时,铁沟料即被破坏,从而影响铁沟料的使用寿命。
攀钢一期3座高炉全是单铁口出铁,清渣时间短。为了在短时间内将出铁沟温度降下来,出铁后在铁沟内打水降温是唯一选择。但打水加速了耐火材料的开裂、松散、剥落和损毁。
攀钢高炉出铁沟免烘烤捣打料的改进
铁沟料在使用过程中存在较严重的粘渣问题(尤其攀钢高炉渣量大,更容易粘渣),在清渣时易损坏铁沟料。为了解决铁沟料粘渣的问题,需要对出铁沟用免烘烤捣打料作出调整,一方面提高捣打料在清渣时的强度,另一方面减小捣打料在高温出铁时与渣的粘附性;前者需要在捣打料中添加促烧剂;后者则希望捣打料与渣的接触界面在出铁温度下形成一层液相薄膜,这样就避免了渣大量粘附于捣打料表面,这种防粘渣剂和促烧剂都需要是低熔点物质。但低熔物的加入会导致捣打料高温性能变化,特别是抗渣蚀性的下降。
攀钢高炉出铁沟目前使用的免烘烤铁沟料是由矾土、棕刚玉及部分外购结合剂加树脂混碾而成。由于原结合剂方面的问题,导致铁沟料烧后强度低、抗氧化性能差、抗铁水冲刷能力差、易粘渣;再由于高炉利用系数提高,出铁量增加,造成损毁速率加快,免烘烤铁沟料使用寿命降低,增加了铁沟的修补、换垫次数。经过反复研究,确定了一种添加剂兼有促烧与防粘渣的功效。其加入量分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%、1%,其不同处理温度下的耐压强度如图2所示。
添加剂的加入在一定程度上提高了铁沟料的强度,特别是250℃伊24h烘后强度最为明显,添加剂量为0.3%,250℃伊24h处理后的耐压强度接近1450℃伊3h处理后的耐压强度最高值。
随着复合添加剂加入量的增多,渣侵蚀程度加剧,在添加量低于0.3%时,捣打料的抗渣性优于未添加复合添加剂,这可能是复合添加剂加入,促进捣打料的烧结,降低材料的显气率,同时也阻止了碳素材料的氧化,提高捣打料的抗氧化性,进而使其抗渣性提高。综合捣打料耐压强度与抗渣性能两方面的因素,确定复合添加剂的加入量为0.3%。
应用效果
改进后的免烘烤捣打料于2007年2月6日在攀钢4#高炉北铁沟主沟上试用,垫沟时沟底捣打厚度为150~200mm,侧壁厚度约200mm,用料约4.5t,从开始垫沟到出铁,整个过程约60min,施工完未经过烘烤就开始出铁,没有出现铁沟料爆裂的情况,所捣打的沟衬未经修补,累计使用时间9d。2007年5月17日,再次在该高炉北铁沟主沟上试用,垫沟厚度大致相同,用料4t,未经修补,使用时间8d。2008年2月以来在一期的1#和2#高炉上使用,每个沟用料4.3t左右,未修补的使用寿命为7~9d,经过一次修补的使用时间为11d,较其它供货厂家的免烘烤铁沟料使用寿命高,吨铁消耗由改进前的0.61~0.83kg降低至0.3~0.4kg。长时间的使用结果来看,改进后的铁沟料易于施工、不粘渣,施工过程中无有害气体产生,不污染环境,残衬表面光滑无裂纹,除落铁点处有一凹坑外其余部分侵蚀比较均匀,使用时间均较改进前的铁沟料有较大幅度提高,如略加修补,还可以继续使用,这样既降低了吨铁耐材消耗,创造了较好的经济效益,又减少了频繁修补对高炉出铁带来不利的影响,也大大降低了工人的劳动强度,收到了良好的效果。
结 论
攀钢高炉渣熔点高,黏度高且具有很强的温度敏感性,容易粘附于耐火材料表面,在高炉炼铁渣铁比高的情况下,渣铁/耐火材料接触面大,耐火材料消耗量大,同时也易于粘附,造成耐火材料在清渣过程中损毁严重。采用兼有促烧和防粘渣作用的复合添加剂能有效解决攀钢出铁沟用免烘烤捣打料粘渣问题,且能提高其强度。改进后的免烘烤铁沟料使用寿命由3~5d提高到了7~9d,减少了铁沟的换垫次数,降低了工人的劳动强度。


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