中頻感應爐爐襯質量的好壞直接決定其使用壽命以及生產效率的高低。中頻爐冶煉相比其它冶煉工藝具有流程短,生產調節方便的特性,但是中頻爐結構復雜,感應線圈通水冷卻,對中頻爐搗打料質量要求較高。如果干式搗打料質量不好,極易出現漏鋼、爆炸等安全事故。隨著短流程煉鋼以及不銹鋼冶煉的快速發展,對高質量的中頻爐干式搗打料需求量越來越大。剛玉具有熔點高,熱膨脹系數小,熱態體積穩定性好,且具有優良的耐蝕性。由于剛玉在高溫下與鎂砂反應生成尖晶石,產生體積膨脹,從而可有效抑制剛玉基爐襯的龜裂。鋁鎂質搗打料以電熔剛玉為主要原料,加入適量鎂砂和添加劑。使用剛玉一氧化鎂質搗打料作爐襯材料,受爐襯熱面龜裂明顯得到控制,微裂紋明顯減少。目前,鋁鎂質搗打料逐漸成為中頻爐煉鋼的首選爐襯材料。
以電熔棕剛玉、白剛玉、板狀剛玉、鎂砂為顆粒料,鎂砂細粉、剛玉細粉為粉體,添加高溫復合促燒劑,硼酸作為外加劑,通過調節顆粒級配,將各原料混合均勻。將硬紙卷成直徑60*80mm的紙筒，放入內徑為84*87mm的坩堝內，紙筒與坩堝之間填滿1~0.5mm的白剛玉細顆粒。將混合均勻的干式料倒入紙筒內，搗打密實，制成直徑60*60mm干式搗打料試樣。各原料的化學組成如表1所示。
本試驗測量干式搗打料規程密度的方法為：制作一個直徑80*80mm的標準鋼桶以及一個內徑為80*30mm的鋼圈，可以在上方套住直徑80*80mm標準鋼桶。如圖1所示。將混合均勻的干式搗打料放入鋼桶內，在振動臺上震動1分鐘后，移去鋼圈，刮平表面，測定搗打料堆積重量，根據公式1計算干式搗打料的堆積密度。
其中，ρ為干式搗打料的堆積密度(g·cm?3),m為鋼桶內搗打料質量(g)，V為鋼桶體積(cm3)
將坩堝內搗打密實的干式料,分別在1000℃3h,1200℃3h,1350℃3h,1600℃3h條件下熱處理,對1600℃3h燒后試樣的直徑線變化率、高度線變化率、體積密度以及耐壓強度進行檢測。并對現場使用后的干式搗打料殘襯進行顯微結構觀察。
合理的顆粒級配使干式搗打料施工后致密度高,燒結時體積變化小,強度高,抗熱震性好,不易產生裂紋。合理的顆粒級配可以提高搗打料的抗熱震性能以及抗化學侵蝕性能,搗打料粒度配比也關系到施工后中頻爐工作襯的燒結質量。
干式搗打料的顆粒級配與球體最大堆積原理一致,根據不同尺寸顆粒自由堆積排列達到最高致密度的Dinger的模型:
其中,df是粉體中最小的顆粒尺寸,氏是最大的顆粒尺寸,d為某顆粒尺寸,CNPF是小于該尺寸的顆粒的累積百分數。Dinger的模型說明了如果粉體顆粒的尺寸分布符合該條件,則可以達到最大的堆積密度,并給出了能夠達到最大堆積密度的n值為0.37。
圖2為dc為6mm，df為0的Dinger的模型粒度分布曲線圖。
以Dinger理論分布為依據,對顆粒級配做微調整,配制干式搗打料,具體配比如表2所示。各組配比制備的干式搗打料堆積密度如圖3所示。經1600℃3h燒后試樣的各項性能如圖4一圖8所示。
試驗結果表明:試樣1號一8號振動堆積密度為2.8g·cm?3左右,差別不大。經過1000℃3h后,試樣都沒有脫模強度,說明在1000℃時試樣不會燒結。各試樣經過1200℃3h后有一點脫模強度,8號幾乎沒有強度,在1200℃時試樣會產生少量的燒結,但燒結強度很低。各試樣經過1350℃3h后,具有一定的燒結強度,8號強度最低,其余試樣強度基本按照1*7組試樣的強度在增加,說明在1350℃時試樣已經產生了部分燒結。燒結強度隨著鎂砂細粉含量的增加而增大,試樣只是部分燒結。經1600℃3h燒后,沒有添加鎂砂的8號試樣體密最大,材料的線變化最小,燒結強度較低,可以看出鎂砂對于搗打料的燒結強度貢獻較大。干式搗打料中,增加粗顆粒添加量可以提高試樣抗熱震性,但是粗顆粒添加比例過高會降低試樣的燒結性能和燒后強度。細顆粒可保證試樣經高溫燒結后內部氣孔較少且尺寸較小,使試樣具有良好的致密性,但是細顆粒添加比例過高會使試樣燒后產生較大裂紋,試樣收縮率過大會降低抗熱震性。綜合各配比情況,第4組配方綜合性能較好。
改變復合高溫促燒劑的加入量,其他配比不變,具體配比如表3所示。對試樣A一F經1350℃3h燒結后試樣再經1600℃3h燒后性能檢測,試驗結果如圖9一圖13所示。
在通常情況下,鎂鋁尖晶石開始形成溫度為1400℃,到1500℃時才大量形成。而要形成尖晶石網絡,燒結溫度要大于1600℃。通過試驗可以看出,加入適量硼酸后,在1350℃時已有尖晶石形成,硼酸可以在較低溫度下促進尖晶石形成,1600℃鎂砂細粉已完成大部分尖晶石的轉變,并充分發育,形成網絡包圍著剛玉顆粒,從而提高了爐襯的耐壓強度。
C組試樣中、高溫強度較高，線變化率比較合理，該配比試樣在1000℃以下為粉狀，1200℃下稍微有點強度,在1350℃下材料有一定的強度,在1600℃下有較高的燒結強度,可以滿足中頻爐搗打料各方面要求,接觸鋼水部位有較高的強度,達到了致密燒結。在使用過程中,與鋼水或渣接觸的工作面材料中的鎂砂細小顆粒可以持續和基質中氧化鋁細粉反應生成尖晶石,可以改善材料的抗鋼水或渣的滲透,同時可以抵消材料在燒結時的收縮,減少材料燒結層與半燒結層之間的結構應力,增強材料的抗剝落性能。因此，選擇C組配比作為工業現場試驗用料的配比。
按照C組試樣的配比生產出一批干式搗打料在某廠st中頻爐上試用。干式搗打料筑爐施工是一項精細的工作,僅有好的爐料,如果筑爐施工不好也不能達到高的使用壽命,現場施工工藝如下:
(l)打結爐襯前,首先將絕緣層破損部位修補平整,然后在爐子線圈絕緣層內鋪設一層石棉布。
(2)打結爐底:先固定好爐底透氣塞透氣裝置,再以透氣磚為中心放置適當直徑的圓筒,圓筒內放入透氣爐底搗打料,搗打致密,圓筒周圍填入普通搗打料。爐底分多次填砂,一般填砂厚度不大于100mm·次-1,打結時注意保證施工后各處密度均勻,預防燒結后爐襯密度差別較大引起開裂。
(3)打結爐壁:爐壁承受著高溫鋼液靜壓力、沖刷力、內外溫差應力以及鋼液的滲透與侵蝕作用等,打結爐壁時特別要注意保證料的密度均勻,避免引起分層。爐底打結達到所需高度時刮平,放入鋼制型模,對準中心后固定型心開始打結爐壁。調整周邊間隙相等后用三個木楔卡緊,中間吊重物壓上,避免爐壁打結模具產生位移。要求爐壁搗打時每次填料不超過12cm,每一層打結要求均勻、致密,每層打結完后爐料表面要刮毛,使打結后的爐襯不會產生明顯的分層,這樣燒結后才可能得到優良的工作面。打結密實后的爐底與爐壁如圖14所示。
(4)烘烤與燒結:爐襯打結完成后在鋼模具內加入廢鋼以增強感應圈加熱作用,鋼模具留在爐內,化鋼時同廢鋼一同熔化。第一次使用在加熱時,控制升溫速度,防止爐襯在燒結時產生裂紋。通過低功率送電產生較為平穩的電磁力,使爐襯上下受熱均勻。從室溫至1630℃共烘烤了10h,烘烤良好,鋼水液面已經達到正常工作液面。1630一1710℃升溫lh,1700℃左右保溫lh,冶煉期間最高溫度超過1730℃,出鋼后觀察爐襯。使用后的爐襯表面光滑,燒結良好。根據該廠的生產安排,從2011年12月29日至2012年2月6日使用試驗,白班生產,晚上停爐,每天生產3爐左右,春節放假10天,隨后使用70爐后因設備故障檢修,搗打料的使用壽命已達到該廠歷史上最好的使用爐次。接著使用搗打料的使用效果仍然很好,完全滿足了工廠生產的要求。
（1）據拆爐后觀察,未燒結層、半燒結層、燒結層界限分明,未燒結層有3一5cm厚,爐襯總體強度很好,爐襯表面比較光滑,在使用中形成尖晶石產生的膨脹與燒結產生的收縮相匹配,爐壁幾乎沒有從底部長起,損毀也比較均勻,拆爐時沒有發現爐襯有明顯的裂紋。拆爐后,爐壁搗打料如圖15所示。
(2)使用后拆下的爐壁與鋼水接觸部位己經完全燒結,體積密度為3.03g·cm?3,顯氣孔率為17.7%。材料在高溫下燒結以及爐壁受到的鋼水靜壓力對材料的致密化都產生了積極的作用。
(3)通過對殘襯的顯微結構分析,如圖16所示,搗打料與渣接觸面生成大量尖晶石,降低了材料的氣孔率,從而提高了材料得抗渣侵蝕性能,同時尖晶石的生成還可以提高材料的抗熱震性能。
(1)通過加入適量的鎂砂提高干式搗打料的高溫燒結和使用性能，通過添加促燒結劑改善爐襯的燒結情況,通過合理顆粒級配提高搗打料的致密度,成功開發出一種新型中頻爐搗打料配料。
(2)搗打料中促燒結劑的加入量應適量,在保證搗打料使用時產生足夠的強度同時,又不能顯著降低材料的高溫性能。
(3)通過選擇適宜的骨料、顆粒級配以及促燒結劑配制的搗打料在8t中頻爐使用時,燒結層、半燒結層、未燒結層的厚度合理,沒有明顯的裂紋產生,使用壽命長,完全滿足了生產需要。
王秉軍、劉開琪、高飛、丁鈺、劉永鋒、趙宏偉、楊粉榮
(中國鋼研科技術集團有限公司、特種陶瓷與耐火材料北京市重點實驗室)
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