耐火材料在钢铁工业的应用.ppt

耐火材料在钢铁工业的应用 （第一部分) 河南科技大学高温材料研究院 2012年8月6日 钢铁生产流程及主要设备概述 焦炉的结构及各部位用耐火材料 高炉的结构及各部位用耐火材料 热风炉的结构及各部位用耐火材料 铁水罐、混铁炉用耐火材料 钢与生铁的成分： 主成分：铁元素fe 副成分：c、si、mn、p、s 一、钢与生铁的区别 钢铁钢铁 中常见见元素的含量（%） 元素csimnps 生铁铁20.2-2.00.2-2.50.50.07 钢钢20.01-0.30.3-0.80.050.05 钢与生铁的本质区别：c含量的不同 生铁的碳含量：2% 特点：硬而脆，不能锻造 钢与生铁的本质区别：c含量的不同 生铁的碳含量：2% 特点：硬而脆，不能锻造 用途：大部分作为炼钢的原料。10%左右用于铸 造各种部件和零件。 u有较高的机械强度和韧性；可塑性好，易加工成各种 形状的钢材和制品； u能铸造、轧制、锻造和焊接；具有良好的导电、导热 性能； u若在钢中添加一些合金元素，则得到特殊性能的 钢种； u如果对钢进行热处理，可在较大范围内改变同一成分 的性能。 钢的c2%，具有比生铁更好的综合机械性能： 二、钢铁生产流程及主要设备概述 钢铁冶炼的任务：把铁矿石炼成合格的钢。 冶炼工艺 间接炼钢法：目前主要的炼钢方法 直接炼钢法 熔融还原法 高炉是利用焦炭 还原铁矿石的反应 来生产生铁的设备 。 高炉是利用焦炭 还原铁矿石的反应 来生产生铁的设备 。 高炉炼铁的产物：铁水 热风炉的作用是为高炉 的冶炼提供阻燃热风，起到 节约焦炭的作用。据现场经 验估计，风温每提高100 ，吨铁焦比可降低20kg左右 ，增产近5%。 鱼雷罐的作用是从高炉向 转炉或电炉运输铁水，同时还 要有铁水预处理（脱硫，脱磷 、脱硅）的功能。 炼钢：通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根 据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强 度、韧性或其它特殊性能的钢。 炼钢：通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根 据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强 度、韧性或其它特殊性能的钢。 炼钢的基本任务 脱碳并将其含量调整到一定范围 去除杂质 调整钢液成分和温度 将钢液浇注成 质量好的钢锭和钢坯 脱磷、脱碳 脱氧 去除气体和非金属夹杂物 现在大规模的炼钢方法大都是1856年以后出现的，主要 有平炉炼钢法、转炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。 现在大规模的炼钢方法大都是1856年以后出现的，主要 有平炉炼钢法、转炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。 炼钢方法 平炉炼钢法：由于钢铁冶炼周期长、效率低以及 耐火材料的消耗高等不足，在世界发达国家早已 被淘汰，在我国也已于上世纪九十年代末被完全 淘汰。 现在大规模的炼钢方法大都是1856年以后出现的，主要 有平炉炼钢法、转炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。 炼钢方法 平炉炼钢法：由于钢铁冶炼周期长、效率低以及 耐火材料的消耗高等不足，在世界发达国家早已 被淘汰，在我国也已于上世纪九十年代末被完全 淘汰。 转炉炼钢法：使用的原料为生铁水和废钢。 电炉炼钢法：使用的原料为海绵铁或废钢，具有 广阔的发展前景。 钢包的初始功能是钢液 的装运容器，随着炉外精炼 技术的发展，钢包增加了如 下功能：加热，调节钢液温 度；真空脱气（脱氢、脱氧 ）和去除夹杂；搅拌钢液， 匀化成分和温度；金属的合 金化和调整成分；吹氧脱碳 ；精炼造渣功能（脱硫、脱 磷）。 所谓炉外精炼，就是按传统工艺在常规炼钢炉中完成的 精炼任务，如去除钢水中杂质（包括不需要的元素、气体和夹 杂），成分和温度的调整和均匀化等任务，部门或全部地移到 钢包或其他容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼、钢 包冶金或钢包精炼。 所谓炉外精炼，就是按传统工艺在常规炼钢炉中完成的 精炼任务，如去除钢水中杂质（包括不需要的元素、气体和夹 杂），成分和温度的调整和均匀化等任务，部门或全部地移到 钢包或其他容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼、钢 包冶金或钢包精炼。 炉外精炼 lf（钢包炉精炼法） asea-skf（钢包真空精炼法） vod（真空吹氧脱碳法） vad（真空电弧加热脱气炉） rh（真空处理） dh（真空处理） rh炉安装照片 钢的浇注：是把在炼钢炉中和炉外精炼所得到的合格钢 水，经过钢包及中间包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的 钢锭模或结晶器中，使之凝固成为炼钢的最终产品钢锭或钢 坯。 钢的浇注：是把在炼钢炉中和炉外精炼所得到的合格钢 水，经过钢包及中间包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的 钢锭模或结晶器中，使之凝固成为炼钢的最终产品钢锭或钢 坯。 浇注 模铸：将盛在钢包内的钢水注入具有一定形状 和尺寸的钢锭模中铸成钢锭的方法。 （已经基本上被淘汰） 连续铸钢：通过连铸机将钢液连续地铸成钢坯 ，不经过初轧工序，直接送轧钢车间轧制成钢 材。 中间包是炼钢连铸生产过程中钢水从钢包分流到结晶器 的中间存储器，适用于钢包和结晶器之间钢水过渡的装置。 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 混铁炉、转炉和电炉 炼钢：生铁 钢 需要做到： 降：降低含碳量 除：除去硫、磷等杂质 调：调节合金元素的含量 基本反应原理： 利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂（用纯氧气 ）把生铁中过多的碳和其它杂质氧化除去。 炼钢 铁水冶炼 炼钢铁水冶炼设备： 转炉，电炉，平炉 转炉：对铁水进行冶炼操作 电炉：对不锈钢度钢块、生铁块等进行冶炼操作 平炉：基本已经不再使用 炼钢 混铁炉 高炉和转炉之间的炼钢辅助 设备。 主要用于调节和均衡高炉和 转炉之间铁水供求的设备， 保证不间断地供给转炉需要 的铁水，铁水在混铁炉中储 存和混匀铁水成份及均匀温 度，对转炉炼钢非常有利。 混铁炉整体承包 作为客户要熟悉的内容： 混铁炉的容量、结构炉衬的结构 砌筑的方式、施工周期是否整体浇注 耐火材料的种类、用量关注的核心 混铁炉的使用是否用于三脱 混铁炉简介 混铁炉长期存储铁水，内衬会受到铁水和熔渣的化学侵蚀和重力作 用，以及热应力作用，其中已损毁的部位是出铁口、渣线区以及受铁口 。工作时，混铁炉炉内的温度一般保持在1350.炉衬与炉壳之间有绝 热层，炉壳温度一般达到300-400. 混铁炉受铁口位于混铁炉炉体的顶部，在兑入铁水时由于落差较大 ，会对炉体内衬产生很大的机械冲击。另外，为保持炉内铁水温度，一 般喷吹燃料进行火焰加热，这对炉衬也会有一定的热应力作用。当混铁 炉倾动时，由于重量大，炉子砌体会受到较大的动负荷作用，也严重影 响了衬体的寿命。 炉体包括炉壳、托圈、受铁口、出铁口和炉衬砖等。炉型采用短 圈柱炉型，中段为圆柱形，两端端盖近球面形，炉壳用20-40mm厚 的钢板焊接或铆成，两个端盖通过螺母与中间 混铁炉各部位工作环境 炉顶：不接触铁水，受热气体的冲刷，进出铁水及更换水套时温度 的变化，水量的渣侵蚀，要求材料具有使用温度下的蠕变小，热震 稳定性好，烧后线变化率小等特点。 炉底：耐火材料长期浸泡在铁水中，经受铁水的静压力、铁水的渗 透和冲刷，要求材料的荷重软化温度高，热态强度高。 渣线及出铁口：气流和铁水的冲刷、温度的骤变，熔渣的侵蚀和渗 透，是工作条件最苛刻的部位，该部位的寿命在决定混铁炉的使用 寿命。 保温层：轻质保温浇注料，轻质隔热砖及纤维毡等保温材料。 混铁炉构造示意图和内衬材质 混铁炉的工作衬，及接触铁水部位的内衬，一般采用镁砖和镁铬砖砌筑； 不接触铁水部位则用高铝砖或粘土砖；出铁口以及流槽的底面和侧壁一般 采用抗热震性较好的直接结合镁铬砖或油浸镁砖砌筑。 我国混铁炉内衬以往多采用砖砌，所用耐火砖多是镁砖，个别部位采用镁 铝砖、镁铬砖或硅砖、高铝砖等。有的厂由于炼铁操作和渣碱度的不同， 主要采用高铝砖。各钢厂的混铁炉容量差别很大，小的只有几十吨，大的 一千余吨。因操作条件不同和炉衬结构有别，寿命差别也很大，有的厂家 由于某些特殊原因，炉子寿命只有3-4个月，如果操作比较规范，对炉衬的 维护比较及时到位，炉衬寿命多在1-2年，高者可达两年左右。 砖砌混铁炉存在的主要问题 p施工过程中工人的劳动强度大，而且需要切砖和磨砖，费工费时，工 作环境差。 p需要的砖形比较复杂，难以保证砌筑质量。 p存在大量的砖缝，炉衬的整体性差，带来安全隐患。 p炉衬的保温性较差，炉壳温度高，既浪费煤气又易烧坏钢结构。 p难以根据各部位的工作条件，灵活地设计耐火材料和炉衬厚度，各部 位的寿命因而难以同步，出铁口及后墙部位的维修频繁。 p受铁口附近由于经常受水套撞击掉转以及前墙出铁口拐角处掉转的破 坏作用造成整个炉子必须停用。 p炉衬整体寿命不够长，煤气和耐火材料的消耗高。 浇注料整体浇注混铁炉 p炉衬寿命离用户的期望值尚有差距。为进一步提高生产 效率，多数钢厂都希望混铁炉的寿命能够延长。为此，近 年来开发了混铁炉用系列浇注料，并在多家不同大小混铁 炉上实施，取得良好的效果。 p根据混铁炉炉顶、渣线、出铁口和炉底等各个部位的使 用条件，选择合适的浇注料和炉衬厚度，采用整体浇注可 使混铁炉的寿命延长、炉壳的表面温度减低，减轻粘渣和 便于清渣，从而实现混铁炉耐火材料的消耗降低，在线使 用率提高。 浇注料整体浇注混铁炉内衬的优点 根据混铁炉各个部位的使用条件，可灵活地选择浇注料 的材质和种类； 炉衬的厚度可根据各部位的使用条件而定，科学有效； 无砖缝，炉衬的整体性好，安全性高； 保温效果好，节能降耗； 施工效率高，工人的劳动强度低。 典型的混铁炉工作衬用浇注料的性能指标 牌号hlhhha-1ha-2 化学成分%al2o360706260 sic-1011 体积密度/g/cm316h2.42.62.72.7 3h2.32.52.62.6 抗折强度/mpa16h5645 3h7866 耐压强度/mpa16h30353035 3h60705052 永久线变化率/%16h0-0.10-0.10-0.10-0.1 3h0-+0.50-+0.5-0.5-+0.5-0.5-+0.5 使用部位炉顶炉底 转炉及其用耐火材料维护 河南科技大学高温材料研究院 2011-9-21 报告内容 转炉炼钢 转炉炼钢技术的发展简史 炼钢原料 转炉炼钢原理及工艺流程 转炉用耐火材料 转炉耐材的损毁与维护 转炉炼钢 钢铁冶炼技术的发展简史 依照历史发展进程，按转炉炉衬性质的不同分为酸性转炉与碱 性转炉；按其气体引入的部位不同，分为底吹转炉、侧吹转炉和顶 吹转炉；根据供给气体的氧化性不同又可分为空气转炉和氧气转炉 。转炉的分类如下： 转炉 按炉衬耐火材料性质 按供入氧化性气体种类 按供气部位 酸性转炉 碱性转炉 空气转炉 氧化转炉 顶吹转炉 侧吹转炉 底吹转炉 顶底复合转炉 顶底侧复合转炉 1856年德国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代炼钢 法的开端。 1879年出现了托马斯底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来 处理高磷生铁。 法国人马丁利用蓄热处理原理，在1864年创立了平炉炼钢法，1880年，出 现了碱性平炉。 1952年在奥地利出现纯氧顶吹转炉。 20世纪50年代初奥地利的voest alpine公司才将氧气炼钢用于工 业生产，从而诞生了氧气顶吹转 炉，亦称ld转炉。 1970年后，由于发明了用碳 氢化合物保护的双层套管式 底吹氧枪而出现了底吹法， 各种类型的底吹法转炉（如 obm，q-bop，lsm等）在实际 生产中显示出许多优于顶吹 转炉之处，使一直居于首位 的顶吹法受到挑战和冲击。 我国转炉技术出现 p 1951年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试 验成功，并于1952年投入工业生产。1954年开始小型氧气 顶吹转炉炼钢的试验研究工作，1962年将首钢试验厂空气 侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性试验。在 试验取得成功的基础上，我国第1个氧气顶吹转炉炼钢车间 （230t）在首钢建成，于1964年12月26日投入生产。 炼钢原料 l金属料：铁水、废钢、合金钢 l非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂 （废钢、铁矿石、氧化铁）、增碳剂和燃料（焦炭、石 墨籽、煤块、重油） l氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮 金属料 铁水 转炉炼钢的主要原材料，一 般占装入量的70%-100%。是转 炉炼钢的主要热源。 对铁水要求有： （1）成分； （2）带渣量不得超过0.5%； （3）温度大于1250。 铁水的成分要求 硅（si）：硅是重要的发热元素，铁水含si量高，渣量增加，有利于脱 磷、脱硫。硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，加剧对炉衬 的侵蚀，通常铁水中的硅含量为0.30%-0.60%为宜。 锰（mn）：锰是发热元素，促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用 量和炉衬侵蚀，锰的含量为0.20%-0.80%。 磷（p）：磷是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁 水磷含量越低越好，一般要求铁水p0.20%。 琉（s）：除了含硫易切削以外ia，绝大多数钢种要求去除硫这一有害 元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%-40%，我国炼钢技术规程要 求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。 废钢 转炉和电炉炼钢均使用废 钢，氧气吹转炉用废钢量一 般是总装入量的10%-30%。 应保证能从炉口顺利加入 转炉。废钢的长度应小于转 炉口直径的1/2，废钢单重 一般不应超过300kg，国际 要求废钢的长度不大于 1000mm，最大单件重量不大 于800kg 造渣剂 石灰：碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为cao，是脱p、脱s不可缺少 的材料，用量比较大。 萤石：主要成分caf2，焙烧约930，助熔。 白云石：主要成分caco3.mgco3（轻烧白云石，主要成分为cao.mgo）代 替部分石灰造渣。 合成造渣剂：合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰 或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。 氧化剂 p氧气是转炉炼钢的主要氧化剂，其纯度达到超过99.5%， 氧气压力要稳定，并脱除水分。 p氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的 氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有助于化渣和冷 却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。 p铁矿石中铁的氧化物存在形式是fe2o3、fe3o4和feo其氧 含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。 转炉炼钢原理 原理：转炉炼钢法同其他炼钢法主 要区别在于不借助外加能源，仅靠 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷，控制注入结 晶器钢水量，有利于非金属夹杂物上浮，提高铸坯质量 ； 中间包的作用： 接受从钢包流出的钢水并稳定钢水流； 把钢水分配为几个铸流，底部设有和连铸机流数相应 的水口，减少钢