中頻感應(yīng)爐爐襯質(zhì)量的好壞直接決定其使用壽命以及生產(chǎn)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(chǎn)調(diào)節(jié)方便的特性,但是中頻爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜,感應(yīng)線圈通水冷卻,對中頻爐搗打料質(zhì)量要求較高。如果干式搗打料質(zhì)量不好,極易出現(xiàn)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(fā)展,對高質(zhì)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(shù)小,熱態(tài)體積穩(wěn)定性好,且具有優(yōu)良的耐蝕性。由于剛玉在高溫下與鎂砂反應(yīng)生成尖晶石,產(chǎn)生體積膨脹,從而可有效抑制剛玉基爐襯的龜裂。鋁鎂質(zhì)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(zhì)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(zhì)搗打料逐漸成為中頻爐煉鋼的首選爐襯材料。

試驗

1

原料

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(fù)合促燒劑,硼酸作為外加劑,通過調(diào)節(jié)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(nèi)徑為84*87mm的坩堝內(nèi)，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(nèi)，搗打密實，制成直徑60*60mm干式搗打料試樣。各原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 試驗原料化學(xué)組成(w)%

2

試驗方法

本試驗測量干式搗打料規(guī)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(nèi)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(nèi)，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(jù)公式1計算干式搗打料的堆積密度。

ρ=m/V

其中，ρ為干式搗打料的堆積密度(g·cm?3),m為鋼桶內(nèi)搗打料質(zhì)量(g)，V為鋼桶體積(cm3)

將坩堝內(nèi)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(xiàn)場使用后的干式搗打料殘襯進行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

檢驗結(jié)果與討論

1

顆粒級配對干式搗打料性能的影響

合理的顆粒級配使干式搗打料施工后致密度高,燒結(jié)時體積變化小,強度高,抗熱震性好,不易產(chǎn)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(xué)侵蝕性能,搗打料粒度配比也關(guān)系到施工后中頻爐工作襯的燒結(jié)質(zhì)量。

干式搗打料的顆粒級配與球體最大堆積原理一致,根據(jù)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(shù)。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。

圖2 Dinger理論粒度分布圖

以Dinger理論分布為依據(jù),對顆粒級配做微調(diào)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(jīng)1600℃3h燒后試樣的各項性能如圖4一圖8所示。

▲表2 試驗配比(W)%

▲圖3 試樣的堆積密度

▲圖4 試樣的直徑線變化率

▲圖5 試樣的高度線變化率

▲圖6 試樣的顯氣孔率

▲圖7 試樣的體積密度

▲圖8 試樣的耐壓強度

試驗結(jié)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(jīng)過1000℃3h后,試樣都沒有脫模強度,說明在1000℃時試樣不會燒結(jié)。各試樣經(jīng)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(chǎn)生少量的燒結(jié),但燒結(jié)強度很低。各試樣經(jīng)過1350℃3h后,具有一定的燒結(jié)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(jīng)產(chǎn)生了部分燒結(jié)。燒結(jié)強度隨著鎂砂細粉含量的增加而增大,試樣只是部分燒結(jié)。經(jīng)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(jié)強度較低,可以看出鎂砂對于搗打料的燒結(jié)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(jié)性能和燒后強度。細顆粒可保證試樣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后內(nèi)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(chǎn)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。

2

復(fù)合高溫促燒對干式搗打料性能的影響

改變復(fù)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(jīng)1350℃3h燒結(jié)后試樣再經(jīng)1600℃3h燒后性能檢測,試驗結(jié)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(wǎng)絡(luò),燒結(jié)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(zhuǎn)變,并充分發(fā)育,形成網(wǎng)絡(luò)包圍著剛玉顆粒,從而提高了爐襯的耐壓強度。

▲表3試驗配比

▲圖9 試樣的直徑線變化率

▲圖10 試樣的高度線變化率

▲圖11 試樣的氣孔率

▲圖12 試樣的體積密度

▲圖13 試樣的耐壓強度

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(jié)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(jié)。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?？梢猿掷m(xù)和基質(zhì)中氧化鋁細粉反應(yīng)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(jié)時的收縮,減少材料燒結(jié)層與半燒結(jié)層之間的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,增強材料的抗剝落性能。因此，選擇C組配比作為工業(yè)現(xiàn)場試驗用料的配比。

現(xiàn)場使用情況

1

干式搗打料現(xiàn)場施工

按照C組試樣的配比生產(chǎn)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(xiàn)場施工工藝如下:

(l)打結(jié)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(nèi)鋪設(shè)一層石棉布。

(2)打結(jié)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(nèi)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(jié)時注意保證施工后各處密度均勻,預(yù)防燒結(jié)后爐襯密度差別較大引起開裂。

(3)打結(jié)爐壁:爐壁承受著高溫鋼液靜壓力、沖刷力、內(nèi)外溫差應(yīng)力以及鋼液的滲透與侵蝕作用等,打結(jié)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(jié)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(jié)爐壁。調(diào)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(jié)模具產(chǎn)生位移。要求爐壁搗打時每次填料不超過12cm,每一層打結(jié)要求均勻、致密,每層打結(jié)完后爐料表面要刮毛,使打結(jié)后的爐襯不會產(chǎn)生明顯的分層,這樣燒結(jié)后才可能得到優(yōu)良的工作面。打結(jié)密實后的爐底與爐壁如圖14所示。

圖14 打結(jié)密實的中頻爐爐底與爐壁

(4)烘烤與燒結(jié):爐襯打結(jié)完成后在鋼模具內(nèi)加入廢鋼以增強感應(yīng)圈加熱作用,鋼模具留在爐內(nèi),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(jié)時產(chǎn)生裂紋。通過低功率送電產(chǎn)生較為平穩(wěn)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(jīng)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(jié)良好。根據(jù)該廠的生產(chǎn)安排,從2011年12月29日至2012年2月6日使用試驗,白班生產(chǎn),晚上停爐,每天生產(chǎn)3爐左右,春節(jié)放假10天,隨后使用70爐后因設(shè)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(chǎn)的要求。

2

使用后結(jié)果分析

（1）據(jù)拆爐后觀察,未燒結(jié)層、半燒結(jié)層、燒結(jié)層界限分明,未燒結(jié)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(chǎn)生的膨脹與燒結(jié)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)爐襯有明顯的裂紋。拆爐后,爐壁搗打料如圖15所示。

圖15 拆爐后的搗打料

(2)使用后拆下的爐壁與鋼水接觸部位己經(jīng)完全燒結(jié),體積密度為3.03g·cm?3,顯氣孔率為17.7%。材料在高溫下燒結(jié)以及爐壁受到的鋼水靜壓力對材料的致密化都產(chǎn)生了積極的作用。

(3)通過對殘襯的顯微結(jié)構(gòu)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。

圖16 渣線部位殘襯的顯微結(jié)構(gòu)照片

結(jié)論

(1)通過加入適量的鎂砂提高干式搗打料的高溫?zé)Y(jié)和使用性能，通過添加促燒結(jié)劑改善爐襯的燒結(jié)情況,通過合理顆粒級配提高搗打料的致密度,成功開發(fā)出一種新型中頻爐搗打料配料。

(2)搗打料中促燒結(jié)劑的加入量應(yīng)適量,在保證搗打料使用時產(chǎn)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(jié)劑配制的搗打料在8t中頻爐使用時,燒結(jié)層、半燒結(jié)層、未燒結(jié)層的厚度合理,沒有明顯的裂紋產(chǎn)生,使用壽命長,完全滿足了生產(chǎn)需要。