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耐火材料行业知识

降低出铁场承包成本的研究

目前高炉出铁场普遍走向了承包,即以一次性通铁量或使用寿命和单位吨铁价格为主要承包指标,承包给耐火材料供应商。这和没有承包时完全不同甚至相反,以前没有承包时消耗耐火材料越多越赚钱。而承包后,为了实现效益最大化,就必须使耐火材料消耗尽可能地减少,并且耐火材料成本尽可能地低。为此,应该提高铁沟耐火材料质量、不同部位用不同耐火材料的复合砌筑方法、加强冷热修补维护和对用后耐火材料进行再生利用。只有这样,才能做到使用寿命尽可能地长,侵蚀速度尽可能地低和废弃耐火材料尽可能地趋于零。本文就复合砌筑、产品质量、维护修补和再生利用进行了论述。
1、复合砌筑
在高炉的出铁场中,一般分为主沟、铁沟和渣沟。主沟铁水流速快,温度高,并且承受渣铁的共同作用。而渣沟和铁沟分别是渣和铁液通过,其流速较低,流量较小,温度也较低,因此对沟衬耐火材料侵蚀也就较慢。
大型高炉出铁场主沟分为渣区和铁区。在出铁稳定阶段,渣区和铁区是固定的。但在出铁中后期,渣铁混出,渣铁界面随着渣铁比例的不同而变化。特别是落铁点周围,不但受到渣铁的共同作用,还承受很大的冲击力和快流速所导致的扩散侵蚀加快。即在主沟应该分为:渣区、铁区、渣铁线、渣空气交界区和落铁点区。不同区域所处环境不一样,承受不同介质的侵蚀,导致其侵蚀情况不同:
(1)渣区或渣线主要受到高炉渣的侵蚀。根据作者的研究,该区域应该选用高碳化硅、较高石墨含量的刚玉-碳化硅-碳质致密浇注料或砖为好。
(2)铁线区主要受到铁水的侵蚀和冲刷,应选用抗铁水侵蚀和冲刷性更好的材料。即应该选用高氧化铝含量和低碳化硅的刚玉碳化硅碳质致密浇注料或砖为好。
(3)落铁点显得非常复杂,它除了受到铁水和渣的侵蚀外,还受到强烈的冲刷作用,并且这些侵蚀介质是交替进行的。因此,应该采用既抗渣侵蚀,又抗铁水侵蚀,同时又抗冲刷的耐火材料才行。无论怎样,与铁液侵蚀比较起来,渣侵蚀更重要,处于支配地位。因此,建议采用适当高一些的碳化硅含量的高致密度和高强的ASC浇注料或砖为好。
(4)在铁液和渣界面上,也存在复杂情况。它们受到铁液和渣的物理化学作用,有电解质的电池作用而导致的侵蚀介质的运动,也有因出铁不同时间而导致流量和渣铁比例的变化(铁→铁渣→渣),也导致了界面的变化,即受到渣铁的共同作用。因此,该区域采用的耐火材料即不同于渣线,也不同于铁线,而应该是兼顾铁和渣的侵蚀的耐火材料为好。
(5)渣区与空气的交界线处受到了强烈的空气氧化。能把碳氧化掉,把SiC氧化成SiO2而再被渣侵蚀掉。因此该交界线处用的耐火材料除了抗渣侵蚀外,还应该更抗氧化,这是防止该处成沟槽的重要方法。
值得指出的是,上述只是一种指导,或叫做共性技术。对于具体的高炉出铁场,渣铁比不同、炉压力不同等操作条件不一样,应该有所调整,不能一层不变,应该根据具体情况进行调整。为了减少消耗和减少修补次数,提高一次性使用寿命,建议渣区和落铁点周围用高致密度ASC砖砌筑。
对于中小型高炉出铁场,铁沟比较小,渣线、铁线等就很难分开或分得清楚。这种情况,就要选择一种折中的办法。根据渣铁比例,选择合理的碳化硅含量的浇注料。也许落铁点区用耐火材料最适合于这个区域。
同样对于非储铁式的出铁沟(一般都是小高炉),出铁后期全出渣,这时整个出铁沟就是渣。因此,也必须考虑这种情况。这种情况应该更多考虑用更多渣侵蚀,应该选用更多的碳化硅和碳。因此,目前选用ASC质捣打料是合适的。
2提高铁沟耐火材料的质量,以降低耐火材料单耗
用户希望使用寿命越长越好。供应商希望耐火材料的性价比越高越好。这两者之间不完全吻合。一般来讲使用寿命越长,性价比越高。但是,产品质量不高,可以通过维护和喷补同样也能达到更高的使用寿命。这时耐火材料单耗可能较高,但是成本低,也可能获得盈利更高。本部分探讨提高铁沟材料的性能,尤其抗侵蚀性。维护修补下一节再讨论。
2.1铁区抗侵蚀性。
铁主要是Fe-C合金,基本上是碳的饱和溶液。因此,在铁区,碳几乎不溶解在铁液内。而碳化硅就不行,硅在铁内没有饱和,可以溶解在铁液内,
SiC=[Si]+[C],
DG0=-223310-97.07T+RTLn[Si][C],
因此碳化硅能被铁液溶解侵蚀。关于包括Al2O3在内的氧化物与Fe没有共熔性,因此,他们不会被铁水侵蚀。但是铁液是强还原介质,它可以与不稳定的氧化物发生氧化还原反应。经过热力学计算,Al2O3不会,而SiO2就会与铁液内的C发生反应:
SiO2+[C]=SiO(g)+CO(g),
SiO2+[C]=[Si]+2CO(g),
导致了耐火材料侵蚀和损毁。另一方面铁液密度大,暗流对沟衬的冲刷力强,因此应该提高铁区耐火材料的强度和耐磨性。这样有利于降低侵蚀速度。根据热力学原理,抗铁水熔蚀好坏的次序为:CaO、Al2O3、SiO2、C、Si3N4、SiC。
总之,为了提高铁线耐火材料的抗侵蚀性和使用寿命,应该降低SiC和SiO2含量,提高致密度和耐磨性为好。表1给出了铁区较合理的耐火材料理化指标。
2.2渣区用耐火材料
关于对出铁场用耐火材料研究,主要集中在对高炉渣侵蚀的研究。这方面报导很多。作者也对其进行了充分的实验研究。结果介绍如下。
2.2.1主原料对ASC浇注料性能影响
选择矾土和各种刚玉为主要原料,固定碳化硅等原料的加入量,进行ASC浇注料性能方面的实验。
抗侵蚀好坏的次序依次为致密刚玉、亚白刚玉、棕刚玉和特级矾土。致密刚玉要比特级矾土耐侵蚀好一倍还多。因此原料的选择很重要,应该根据具体要求选择不同的原料。
2.2.2对分散剂对ASC浇注料性能的影响
选用聚丙烯酸钠、密胺树脂、萘系减水剂,进行加水量和性能方面的实验,结果见表3。由表可知:
1)含有硅灰的浇注料,就不能用SM减水剂,SM只适用于不含硅灰的浇注料;2)聚丙烯酸钠只适合于含硅灰或低水泥的浇注料,水泥稍高就不合适。
2.2.3结合剂对抗渣侵蚀的影响
作者实验研究了铝酸钙水泥和ρ-Al2O3结合剂对浇注料侵蚀的影响。试验结果证明ρ-Al2O3结合的ASC浇注料更抗高炉渣的侵蚀。即浇注料内CaO显著增加了侵蚀性。
2.2.4碳化硅含量对ASC浇注料性能影响
变化碳化硅含量,对性能,特别是抗侵蚀性能的影响的实验结果见表5。由试验结果可知:
1)随着SiC增加,热态抗折强度提高,密度下降,但致密度不变;
2)SiC增加,抗侵蚀性增加;
3)比较抗侵蚀好坏次序为11#、12#、13#。
因此,开发高SiC低硅灰的浇注料用于出铁场渣线区会有好的结果。
2.2.5石墨、碳化硅和氮化硅对铁沟料抗渣侵蚀的影响
为了提高材料的性能,对引入石墨的配方采用630t摩擦压力机成型的方法制样。树脂结合的ASC砖200℃,12h固化,制成180mm×220mm×80mm尺寸的砖,浇注料采用110℃,24h干燥的方式制得230mm×114mm×65mm标准砖,砌在宝钢4350m3高炉落铁点周围的渣线位置进行现场试用。通铁7.5万吨后,停下来检修,测量了侵蚀情况。以宝钢现在用的渣线浇注料为基础,根据密度大小进行校对,计算出少用材料的量,再根据目前不同材料成本和使用效果。
可知:碳化硅增加耐侵蚀增加,添加石墨能显著提高抗高炉渣的侵蚀性。因此,大型高炉渣线应该采用碳化硅石墨砖砌筑为好,它用量少,耐侵蚀,能显著提高使用寿命,具有较高的经济效益。
关于氮化硅的作用,作者做了下列实验:把8#SiC-C砖和SiC-Si3N4砖(Si3N4:20%~30%)夹在感应炉上的夹具上,放入高炉渣和铁水的感应炉里,试样旋转(60rpm)2min,再静止侵蚀7min。
Si3N4比碳更抗高炉渣的侵蚀。同时也证明铁水对碳化硅制品的侵蚀比渣线慢。因此,出铁场关键部位应该是高氮化硅结合的碳化硅材料。
作者在某公司450m3高炉出铁场的落铁点处砌筑了氮化硅结合的碳化硅砖,使用了4天,侵蚀掉25~30mm,表面有一层渣附着,比同期使用的ASC捣打料(侵蚀掉200mm)好6~8倍。因此,对于小高炉,渣铁混出,并且出渣量较多情况下,碳化硅含量较高为好。特别含有一定量的氮化硅更好,更能提高抗侵蚀性和使用寿命。
 
为了提高抗侵蚀性,进一步对氮化硅和氮化硅铁进行了试验。即含Si3N4为80%的Fe-Si3N4、纯度为92%以上的Si3N4。在基本配方不变情况下,只改变Fe-Si3N4和Si3N进行配料,进行抗侵蚀试验。添加氮化硅和氮化硅铁都能提高ASC喷射料抗高炉渣的侵蚀性。相比较而言,氮化硅较氮化硅铁稍好一点。
经过上述实验可知:对于出铁场用耐火材料,抗高炉渣侵蚀好坏的次序为:Si3N4、SiC、C、Al2O3、SiO2、CaO。
3加强修补维护
在正常使用过程中,侵蚀最快的是主沟的落铁点,其次是渣区。应该对该处薄弱环节进行热态修补或冷补,而不是扒掉。这样就可以均衡沟衬,大大提高了使用寿命和降低了耐火材料消耗。
国内维护基本上采用了冷修补,即套浇造衬。这种方式是一种好方式,但是带来下列问题:
1)对于小一些的高炉只有一条沟,给出的时间受到很大限制。这样快速浇注施工和投入使用,显著影响了施工质量和耐用性;
2)冷套浇往往剥皮导致了浪费较多,影响了成本,同时冷却下来也降低了铁液温度,对节能也是不利的。热态修补既不影响使用,又有利于节能和提高铁液温度,是更好的选择方法。
热态喷补有湿式喷射修补和半干法喷补两种方法。无论哪一种方法,国内做的较少,宝钢一直在采用半干法喷补这种方法。取得了很好的效果,一般喷补一次渣线,可以延长通铁量2~3万t作用。这样可以不停地维护下去,导致使用寿命达到延长。在热态喷补方法中,湿式喷补更好。主要表现在产品加水量很低,产品的耐侵蚀性更好,单耗更低,有利于降低成本,喷补施工过程中没有粉尘,对环境产生好的影响。
作者开发了高炉出铁场主沟用湿式喷射料的研发工作,开发的湿式喷射料的理化指标见下表9。用该料在宝钢4350m3高炉主沟一面的前8m渣线进行了试用。热喷温度在600~800℃之间,喷涂试验用镁盐作为速凝剂,加入量为0.023%,速凝效果良好,喷到铁沟壁上马上稠化和硬化,附着率良好,几乎没有反弹。并且取得了初步成功。用料4t,喷补主沟渣线。通铁量提高了3.06万t[3],还有较多的残余料,明显优于半干法喷补料。喷补操作见图2。喷补表面光滑,30min后仅有二小块不足20kg爆落下来,热附着率达到95%以上。
通过不停地热态和冷态修补,把出铁场沟衬变成永久化的衬,不要动不动就扒掉,要象转炉溅渣护炉和电炉炉底的修补一样,可以提高铁水温度和降低耐火材料单耗,对用户、对供应者、对环境都是非常有意义的。
4铁沟料利用再生资源
4.1用后铁沟料再生利用
取自宝钢炼铁厂下来的主沟料,经过拣选、破粉碎加工、颗粒整形、除铁和干燥等工艺后,以此为原料,制备铝碳化硅碳砖和浇注料。
用再生料完全可以再生出较好的出铁沟捣打料和浇注料,并且可以制造出性能较好的铝碳化硅碳砖,这些产品有的得到了很好的应用。
以宝钢处理后的用后主沟料为原料,添加量分别为72%和74%,制得浇注料应用于宝钢4350m3高炉渣沟,使用寿命达到了两个月,比原渣沟料几乎好了一倍,侵蚀速度为0.94~1.02mm·kt铁-1(而正常商品是1.7~2.00mm·kt铁-1)也慢了近50%,取得了良好的使用结果。
由此可知,用后铁沟料完全可以再生出优质的捣打料、浇注料和ASC砖,并能取得良好的结果。这对降低成本和资源再生是非常有意义的。
4.2硅碳化硅微粉在铁沟料上的应用
本实验用的硅碳微粉来自于挪威某公司的一种工业废料,经过处理和提纯后的产品。
因为是微粉,含有碳化硅和硅,这是铁沟料的重要成分,这是微粉有可能改善配料的颗粒组成。
初步试验证明:
1)采用硅碳微粉加水量明显减少。这样微粉应该是很好的。只要设法除去铁将有非常高的价值;
2)从密度看,JM的密度低,而AC的密度高。JM和AC都比SiC的密度低。这说明:JM比AC含有更高的硅;
3)AC比JM能提高体密;
4)由于微粉填塞作用,它们都能提高冷态强度,但是没有提高热态强度。说明微粉的分散性和高铁的促进烧结作用。
5结论
通过提高铁沟料的质量,选用更高非氧化物,更致密的刚玉原料制得渣线料。选用含量更多的致密刚玉原料和较少的非氧化物原料制得铁线料。综合铁线和渣线料的配料,选用非氧化物和致密刚玉的合适配比的高强耐磨材料,特别是能引入石墨的ASC砖以及氮化硅结合的碳化硅砖更适合于落铁点。这样有效降低了耐火材料侵蚀速度,提高了通铁量。
渣线、铁线和落铁点等采用不同的材料进行施工砌筑,能均衡沟衬,和充分发挥不同材料的作用,使使用寿命更长和消耗更低。
加强修补维护,采用湿式喷射进行热态喷补,会导致使用寿命更长,扒掉的废弃耐火材料更少,浪费更少。
通过用后铁沟料的再生利用,降低耐火材料的成本,还可以做到耐火材料废弃量趋于零。使耐火材料再生利用价值最大化。这样就充分降低了耐火材料成本,提高了效益。
文章作者:1)田守信2)吴秀娟3)贺恒星
参考文献:
[1]张永新,苗瑞,朱锦明,等.宝钢主沟浇注料使用现状及对策[J].宝钢技术,2008(5):65-68.
[2]田守信,姚金甫,刘振军,等.Al2O3-SiC-C质热态湿式喷射浇注料的研究[J].耐火材料,2005,39(6):426-428.
[3]姚金甫田守信姚长江等.ρ-Al2O3结合铁沟浇注料的实验研究[J].耐火材料,2008,42(2):139-141.
文章选自第十四届全国不定形耐火材料学术会议论文集,如有侵权,请联系删除。


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