（材料学专业论文）kr脱硫搅拌头工作衬耐火材料性能的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 k r 搅拌脱硫法具有脱硫效率高、脱硫剂消耗少、作业时间短和金属耗损低等特点， 近十多年来在国内得到迅速推广，其中搅拌头的使用寿命对k r 搅拌脱硫工艺技术经济指 标具有重要影响。而搅拌器的使用寿命则与搅拌头外衬耐火浇注料的抗热震、抗冲刷和抗 侵蚀性能密切相关，是k r 搅拌法经济、高效的重要保证。本论文旨在通过对粒度组成、 结合剂、骨料种类及添加剂等影响a 1 2 0 3 s i 0 2 系耐火浇注料性能的基本因素的系统研究， 为k r 搅拌头外衬耐火材料使用寿命的改善和调控提供依据。 本试验以a n d r e a s s e n 颗粒密堆理论为基础，研究了临界粒度和粒度组成对普通电熔莫 来石浇注料的密度、强度和热震稳定性的影响；以纯铝酸钙水泥和s i 0 2 微粉为主要结合剂， 研究了结合剂对普通电熔莫来石浇注料的密度、强度和热震稳定性的影响；选择电熔刚玉、 特级矾土和焦宝石三种骨料与莫来石骨料进行了对比试验，以探讨骨料种类对舢2 0 3 s i 0 2 系耐火浇注料性能的影响规律。 试验中采用扫描电子显微镜( 带能谱) 、x r a y 衍射仪等对样品的相组成和显微结构进行 分析。研究结果表明： 1 ) 临界粒度和粒度组成确实对浇注料干燥后结构的致密程度和强度产生明显影 响，在本试验条件下，莫来石浇注料合适的粒度组成如下：临界粒度为8n h n 或5i n l n 时，g 值取0 2 7 - - - 0 2 9 ；i 临界粒度为3m m 时，g 值取0 2 9 - 0 3 1 ； 2 ) 临界粒度增大，有利于提高浇注料试样的常温强度和结构致密程度；但临界粒 度对热震稳定性的影响较小，尤其是在最佳常温性能对应的合适粒度组成范围 内，临界粒度不同的3 种浇注料的热震稳定性差别极小； 3 ) 临界粒度一定时，莫来石浇注料试样达到最大堆积密度和最大强度所对应的粒 度组成基本相同； 4 ) 在c a 6 5 、c a 7 0 、c a - 7 5 和c a 8 0 四种纯铝酸钙水泥中，以c a 7 0 结合的试 样干燥后强度较高；以3 s 1 0 2 微粉为结合剂的试样则因流动性明显改善而使干 燥后显气孔率较3 c a 7 0 水泥结合的试样大幅降低近9 ，而强度仅略低：以 3 c a 7 0 与3 s 1 0 2 微粉为复合结合剂的试样干燥后强度最高，达6 m p a ，同时 显气孔率仅比s i 0 2 微粉为结合剂的试样增大1 3 ； 5 ) 纯铝酸钙水泥结合试样在9 0 0 下已开始烧结；而s i 0 2 微粉结合试样经9 0 0 x 3 h 烧后已完全烧结。 6 ) 随烧成温度从9 0 0 升高至13 0 0 ，莫来石浇注料试样的显气孑l 率降低近1 3 ， 常温强度则显著提高，这种变化主要是1 3 0 0 下试样中生成大量液相造成： 7 ) 与特级矾土、焦宝石和亚白刚玉三种骨料相比，以莫来石为骨料的浇注料的各 项常温性能最好，这主要是由莫来石本身性能及其颗粒外形在选择的粒度组成 下堆积致密程度较高所致； 8 ) 以1 - 0 0 8 8 m m 粒级特级矾土或焦宝石等量替代同粒级莫来石对莫来石浇注料常 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 温性能的影响不大，但可提高其高温强度； 9 ) 采用特级矾土细粉替代莫来石细粉，可使浇注料高温强度大幅度提高，可达 7 6 m p a 。 关键词：k r 搅拌头，浇注料，结合剂，骨料，粒度组成 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 a b s t r a c t k rs t i r r i n gd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sah i g hd e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y , l e s s c o n s u m p t i o nd e s u l f u r i z e r , s h o r t e ro p e r a t i n gt i m ea n dl o w e rm e t a ld e p l e t i o n , o v e rt h ep a s td e c a d e i th a sb e e nr a p i d l ye x p a n d e di nc h i n a t h el i f eo fs t i r r i n gd e v i c eh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to n e c o n o m i ci n d i c a t o r so fk rs t i r r i n gd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g y t h el i f eo ft h es t i r r i n gd e v i c ei s c l o s e l yr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h et h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ，e r o s i o na n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo fc a s t a b l er e f r a c t o r yl i n i n g ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rh i g he f f i c i e n c ya n d e c o n o m yo fk rs t i r r i n gd e s u l f u r i z a t i o n i nt h i sp a p e r , i tc a ni m p r o v el i f eo fr e f r a c t o r yl i n i n gf o r k rs t i r r i n ga n dp r o v i d et h eb a s i sf o rr e g u l a t i o na n dc o n t r o lb ys y s t e m a t i c a l l ys t u d i n gt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fa 1 2 0 3 一s i 0 2r e f r a c t o r yc a s t a b l e ss u c ha st h ec o m p o s i t i o no ft h ep a r t i c l es i z e ， a g g r e g a t et y p e sa n db i n d e r b a s e do na n d r e a s s e np a r t i c l ed e n s i t yt h e o r ya sf o u n d a t i o n , t h ee f f e c to fc r i t i c a lg r a i ns i z e a n dp a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no fm u l l i t ec a s t a b l eo ni t sd e n s i t y , s t r e n g t ha n dt h e r m a ls h o c k s t a b i l i t yh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r ；u s i n gp u r ec a l c i u ma l u m i n a t ec e m e n ta n ds i 0 2p o w d e ra s t h em a i nb i n d e r s ，t h ee f f e c to fb i n d e r so nd e n s i t y , s t r e n g t ha n dt h e r m a ls h o c ks t a b i l i t ys t u d i e df o r o r d i n a r yf u s e dm u l l i t e s c a s t a b l eh a sa l s ob e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r ；w ec h o i c eo ff u s e d c o r u n d u m ， b a u x i t ea n df l i n t c l a y t h r e e a g g r e g a t e s a n dm u l l i t ea g g r e g a t ec o n d u c t i n ga c o m p a r a t i v et e s tf o re x p l o r i n gt h ei m p a c tl a wo fa g g r e g a t e sv a r i e t yo nt h ep e r f o r m a n c eo f a 1 2 0 3 - s i 0 2r e f r a c t o r yc a s t a b l e s s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( w i t hs p e c t r o s c o p y ) ，x - r a yd i f f r a c t i o ni n s t r u m e n te t c h a s b e e nu s e di nt h et e s t so nt h ea n a l y s i so fp h a s ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fs a m p l e s t h er e s u l t i n d i c a t e st h a t ： 1 ) c r i t i c a lp a r t i c l es i z ea n dp a r t i c l es i z ec o m p o s i t i o nd o h a v ea s i g n i f i c a n te f f e c to nd e n s e a n ds t r e n g t ho fc a s t a b l e sa f t e rd r y i n g ；u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，f o rm u l l i t e c a s t a b l e ，t h ea p p r o p r i a t ep a r t i c l es i z ec o m p o s i t i o ni st h ec r i t i c a ls i z e8m i do r5r n n l ，q f o r0 2 7 0 2 9 ；a n d3n l n l ，qf o r0 2 9 - - 0 31 ； i tc a ni m p r o v ec o l dd e n s i t ya n di n t e n s i t yo fc a s t a b l e sb yi n c r e a s i n gc r i t i c a lp a r t i c l es i z e s ； b u tt h ee f f e c to fp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no nt h et h e r m a ls h o c ki ss m a l l e r , e s p e c i a l l yi n t h eb e s tp e r f o r m a n c ea tr o o mt e m p e r a t u r ec o r r e s p o n d i n gt ot h er a n g eo f a p p r o p r i a t e p a r t i c l es i z ec o m p o s i t i o n ，t h ec r i t i c a ls i z eo f t h r e ek i n d so f d i f f e r e n tc a s t a b l e sav e r y s i n a i ld i f f e r e n c ei nt h e r m a ls h o c k ；t h r e ek i n d so fc a s t a b l e sw i t hd i f f e r e n tc r i t i c a ls i z ea r e s m a l ld i f f e r e n c ei nt h e r m a ls h o c k ； w i t l lt h es a m ec r i t i c a lp a r t i c l es i z e ，m u l l i t ec a s t a b l er e a c h e st h em a x i m u m p a c k i n g d e n s i t ya n dt h em a x i m u mi n t e n s i t yc o r r e s p o n d i n gt ot h es i z ec o m p o s i t i o ni sb a s i c a l l y t h es a m e ； 动 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 ) t h es a m p l eb o n d i n gb yc a - 7 0i nf o u rk i n d so fc a l c i u ma l u m i n u mc e m e n t ( c a - 6 5 、 c a 一7 0 、c a - 7 5a n dc a 一8 0 ) r e a c h e sh i g h e rs t r e n g t h ；a p p a r e n tp o r o s i t yo fs a m p l ew i t h3 s i 0 2p o w d e ra f t e rd r y i n gr e d u c e dn e a r l y9 c o m p a r i n gt os a m p l ec e m e n td u et o s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nm o b i l i t y , b u tt h ei n t e n s i t yi ss l i g h t l yl o w e r ；i n t e n s i t yo ft h e s a m p l eb o n d i n gb yc a 一7 0a n ds i 0 2p o w d e ra f t e rd r y i n gi sh i g h e s t ( 6 m p a ) ，a p p a r e n t 5 ) 。 8 ) 9 ) p o r o s i t yi n c r e a s e do n l yf o r1 3 c o m p a r i n gt os i 0 2b i n d e rp o w d e rs a m p l e sa tt h es a l t l e t i m e ； t h es p e c i m e nc o m b i n a t i o nb yp u r ec a l c i u ma l u m i n a t ec e m e n tb e g i ns i n t e r i n ga t9 0 0 c ； a n dt h es a m p l ec o m b i n a t i o nb ys i 0 2p o w d e rh a sc o m p l e t e l ys i n t e r e do f9 0 0 * cx 3 h ，s i 0 2 p o w d e rh a sa v e r yc l e a rr o l ei np r o m o t i n gs i n t e r i n go f m u l l i t ec a s t a b l e s ； w i t ht h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m9 0 0 ct o1 3 0 0 。c ，p o r o s i t yo f m u l l i t e c a s t a b l es a m p l ed e c e a s e ds i g n i f i c a n t l yn e a r l y1 3 ，c o l ds t r e n g t hi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i c hi sm a i n l yc a u s e db ya m o u n t so fl i q u i di n13 0 0 。0 ； m u l l i t ec a s t a b l e sa r eb e t t e rt h a nt h ec a s t a b l e sw i t hs u p e rb a u x i t e 、f l i n tc l a ya n d c o r u n d u ma si t sa g g r e g a t ei nc o l dp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e db yt h ep r o p e r t i e s o f m u l l i t ei t s e l fa n di t sa p p e a r a n c e ，w h i c hm a d ei tr e a c hah i g h e ra c c u m u l a t i o nd e n s ei n t h ec h o i c eo fp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ； t h ee f f a c to f1 o 0 8 8 m mf l i n tc l a ya n db a u x i t ee q u i v a l e n ta l t e r n a t i v em u l l i t ea g g r e g a t e f o rm u l l i t ec a s t a b l e sp e r f o r m a n c ea tr o o mt e m p e r a t u r ew i l ln o ts i g n i f i c a n t l y , b u th i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t hi n c r e a s e d ； t h eh i g h - t e m p e r a t u r es t r e n g t ho fc a s t a b l ew i t hb a u x i t ef i n e si n s t e a do fm u l l i t ep o w d e r i n c r e a s e d ，u pt o7 6 m p a ，w h i c hi sc a u s e db yt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp h a s e c o m p o s i t i o no f r a wm a t e r i a l s k e yw o r d s ：k rs t i r r i n gd e v i c e ，b o n d i n ga g e n t ，a g g r e g a t e s ，p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，m u l l i t e 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处。本人承担一切相关责任。 ，舯 论文作者签名： 幽堑日期：多功2 圭参月月 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。一 论文作者签名： 指导教师签名： 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 引言 k r 搅拌脱硫法是一种采用机械搅拌方式的铁水罐( 包) 内的脱硫方法，与喷吹法脱硫相 比，具有脱硫效率高，脱硫剂消耗少，作业时间短以及耐火材料消耗低等优点，成为目前 炉外铁水预处理脱硫方法中技术比较先进，工艺比较成熟，成本最低的脱硫工艺，现被国 内钢厂广泛采用。 但由于k r 搅拌头特殊的使用条件的影响，使其使用寿命并不十分理想，造成k r 法脱 硫成本上升：对搅拌头的频繁修补或是不断更换新的搅拌头，将会大大地增加劳动量，增 大了耐火材料原料的消耗，并且不利于脱硫的顺利进行，将会从多方面增加k r 搅拌脱硫的 成本。 基于搅拌头使用寿命对k r 搅拌法技术经济指标的重要影响，以延长搅拌头使用寿命为 目标，根据搅拌头损毁的本质原因，针对影响耐火浇注料性能的各种因素，研究各因素对 浇注料性能的影响规律，以便能达到调控的目的，从而提高搅拌头使用寿命，能更进一步 地提高铁水预处理效率，提高冶炼节奏，满足炼钢生产发展的要求。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 k r 脱硫搅拌头在铁水预处理工作过程中需承受高温铁水与熔渣的冲刷、侵蚀和间歇 式工作的急冷急热等恶劣的物理与化学作用，使得搅拌头外衬耐火材料易剥落或磨损，因 此铁水预处理工艺中要求搅拌头外衬耐火材料需具有良好的抗开裂剥落性能、致密度高、 强度高、抗熔融渣和铁水侵蚀等特点。本文详细介绍了目前k r 脱硫搅拌头工作衬耐火浇 注料所用材质的概况。 1 1k r 搅拌脱硫技术概况 铁水预处理脱硫工艺是降低炼铁和炼钢工序脱硫负担、简化操作和提高炼铁、炼钢技 术经济指标的有效途径之一。现代钢铁冶金流程中的铁水脱硫工艺主要有两种工艺形式， 即喷吹法和k r 搅拌法。从实际生产中的应用效果来看，二者各有优缺点。 1 1 1k r 搅拌脱硫法的工作原理与优点 1 1 1 1k r 搅拌法脱硫的工作原理 k r 法搅拌脱硫是将耐火材料浇注成型的搅拌头( 器) 插入熔融铁水罐( 包) 液面下某一深 度，并快速旋转，铁水液面形成“v ”形漩涡川( 图1 1 ) 。脱硫剂( 石狄) 由给料器加入到铁水 表面，并被旋涡卷入铁水中，与高温铁水混合、反应，从而达到脱除铁水中硫的目的，其 反应式为【2 】：( c a o ) + s 】= ( c a s ) + 【o 】。k r 铁水脱硫设备主要由扒渣机、搅拌头和脱硫剂 储存和输送系统3 个主要部分组成。铁水预处理搅拌脱硫设备示意图见图1 2 【3 】。 铁水脱硫预处理的工艺流程为【4 】：向铁水罐中兑铁水专铁水罐运到扒渣位并倾翻j 第 一次测温取样_ 第一次扒渣一铁水罐回位一加脱硫剂一搅拌脱硫一搅拌头上升专第二 次测温取样一铁水罐倾翻专第二次扒渣j 铁水罐回位_ 铁水罐运送至吊罐位专兑入转 炉。转炉利用低硫铁水冶炼，能够大大减少炉中和炉后精炼负担，从而实现少渣炼钢、提 高金属收得率和加快生产节奏，可极大地降低生产成本。 k r 搅拌头是k r 脱硫装置中的主要工艺部件，是在钢结构骨架外预制一层厚度约8 0 1 5 0 r a m 的耐火浇注料，经浇注成型与热处理加工而成，与脱硫搅拌装置配套使用。搅拌头 是由搅拌杆和搅拌叶片两部分组成。图1 3 为武汉钢铁集团( 下文简称武钢) 第二炼钢厂k r 脱硫用搅拌头的外形结构示意图【5 l 。搅拌叶片设计为四片呈“十字架”对称形式并与搅拌 杆连接。 国内不同钢厂所采用的k r 搅拌脱硫在铁水温度、搅拌时间与转速、脱硫剂加入量、 铁水原始硫含量如下： 济南钢铁集团三炼钢厂所采用的k r 脱硫工艺基本条件为：铁水温度1 2 8 0 1 3 5 0 ， 脱硫前铁水硫含量0 0 3 - 、, 0 0 6 ，搅拌头搅拌时间7 1 0 r a i n ，搅拌头转速8 0 - 1 2 0 r m i n ，每包铁水中脱硫剂加入量4 0 0 8 0 0 k g 。 武钢二炼钢厂所采用的k r 脱硫工艺基本条件为：每炉铁水量8 0 a ：5 吨，铁水温度1 2 0 0 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 1 3 8 0 ，脱硫前铁水平均硫含量为0 0 2 7 6 ，搅拌头搅拌时间5 - 1 0 m i n ，搅拌头 转速8 5 - - - - 1 0 0 r m i n ，每包铁水中脱硫剂加入量5 5 0 6 5 0 k g 。 k r 脱硫工艺的影响因素及其规律大致相同：铁水温度越高，脱硫效果越好；一般来 说脱硫剂加入量越高，脱硫效果越好；铁水初始硫含量高，则脱硫剂加入量越高，搅拌时 间延长；搅拌时间与速度对脱硫效果有影响。 图1 1 搅拌头工作示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go f s t i r r i n gd e v i c ei nw o r k i n g 图1 2 机械搅拌脱硫设备示意图 f i 9 1 2s c h e m a t i cd r a w i n go ft h ed e v i c e o fm e c h a n i c a ls t i r r i n gd e s u l f u r i z a t i o n 图1 3k r 搅拌头外形结构示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd r a w i n go fs h a p es t r u c t u r eo f t h ek rs t i r r i n gd e v i c e 1 1 1 2k r 搅拌脱硫法与喷吹脱硫法的比较 喷吹法是利用气体载体将脱硫剂喷入铁水深处，使脱硫剂在高温铁水内的上浮过程中 同铁水反应去除铁水中的硫。k r 搅拌法与之相比具有如下优点： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 成本最低：在喷吹法脱硫工艺中，喷吹纯颗粒镁脱硫工艺的脱硫成本最低，仅为喷吹 c a o 粉脱硫工艺的6 5 ，而k r 法( c a o 作脱硫剂) 的脱硫成本约为喷吹纯颗粒镁脱硫工 艺的8 9 ，在所有的铁水脱硫工艺中的成本最低【6 】。l 法设备较喷吹法设备重量大且 较复杂，带来的一次性投资费用要高于喷吹法，但操作费用的低廉所产生的经济效益 完全可弥补，根据有关推算，一般3 5 年即可追回所增加的投资【7 】。 ( 2 ) 脱硫剂低廉且输入方便：喷吹法铁水脱硫动力学条件差、脱硫剂耗量高、铁水返硫现 象普遍、脱硫剂输入量的控制技术不成熟、超深脱硫效果不够，而k r 法的搅拌旋转装 置能使铁水获得良好的动力学条件，有利于采用廉价的弱脱硫剂如c a o ，脱硫剂也只 需一次称量、一次投入铁水面上通过搅拌就可达到理想的脱硫效果【引。 ( 3 ) 脱硫效果好且稳定：k r 搅拌法良好的动力学使得较容易实现深脱硫和超深脱硫。脱硫 效果比较稳定，目标命中率较高，适应于对低硫品种钢要求高、比例大的钢厂采用【4 】。 k r 脱硫法能使深脱硫效果w ( s ) 0 0 0 2 的罐次比率在9 6 以上、铁损 2 ，处理时间 周期短，吨铁损耗低，不回硫，基本无喷溅p j 。 1 1 2l 氓搅拌脱硫法的发展与应用 t f k 锄b a r ar e a c t o r ) 搅拌脱硫法是日本新日铁于19 6 3 年开始研究，19 6 5 年应用于工 业生产的一种铁水炉外脱硫技术【1 0 1 。1 9 7 9 年，我国武钢二炼钢厂从日本新日铁引进了k r 法脱硫技术和装备。2 0 0 0 年，建设第二套k r 生产线，直到2 0 0 2 年我国仅武钢有k r 设 备。由于武钢工艺与设备的改进，尤其是武钢二炼钢厂第二套k r 投产运行情况良好，k r 在我国其它钢厂也受到了重视。2 0 0 3 年，济南钢铁集团三炼钢厂成为我国第二个拥有k r 技术的工厂，随后昆钢等厂的k r 工艺设备也相继建成或投产】。 1 1 2 1l 皿技术在日本的应用1 1 2 1 日本鹿岛制铁所第一炼钢厂主要生产厚钢板和高级薄钢板而采用了脱硫能力高的t 法，它的进步体现在两个方面：采取将未参与反应的石灰量多的喷吹后的脱硫渣再次用于 t 的脱硫操作；搅拌头叶片的结构在原有形状的基础上扩径或曲面，提高了脱硫效率。 喷吹脱硫反应只是在脱硫剂吹入铁水中后，在上浮的过程中进行的，脱硫反应只局限 于脱硫剂的表皮，其内部则以未反应的石灰为主。脱硫渣扒入渣锅时落下的冲击力和与大 气接触时急剧冷却使石灰颗粒产生龟裂，露出新的断面从而恢复脱硫能力。而且渣本身温 度高，很容易渣化。利用脱硫渣脱硫效果好，减少了石灰用量，从而降低了脱硫成本。 扩径搅拌头叶片能使石灰的利用率升高，搅拌时间均可缩短1 5 m i n 左右，即缩短了 1 0 1 3 ，进而延长了叶片的使用寿命。而扩径加曲面型的叶片脱硫率更高。 1 1 2 2k r 技术在我国的应用与发展 ( 1 ) k r 技术在武钢的应用【5 】 武钢二炼钢引进的第一套k r 搅拌式铁水脱硫装置原设计脱硫能力为4 7 5 5 3 5 万吨 年，主要用于硅钢生产。后经技术改造，铁水脱硫生产水平较原设计能力有大幅提高。2 0 0 0 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 年二炼钢产钢2 2 6 7 0 万吨，k r 预处理脱硫铁水9 3 4 4 万吨，比原设计能力提力提高了8 6 ， 但仍仅占实际消耗铁水总量的4 1 8 2 。1 9 9 9 年决定扩大二炼钢的脱硫能力，在全面分析 比较喷吹和k r 法工艺优缺点的基础上，最终采取了k r 脱硫工艺。2 0 0 0 年1 1 月，由国 内自行设计的一套1 4 0 万吨k r 脱硫“一搅双扒 装置( 即一个搅拌位两个扒渣位) 建成投 产( 2 号脱硫) ，加上原有l 号k r 处理9 0 万吨，年处理量可达2 3 0 万吨，具备了铁水全脱 硫的能力。根据钢种的要求，采用“深脱 和“浅脱 方式。“深脱 使铁水【s 】 o 0 0 3 ， 以满足超低硫钢的生产。“浅脱” s 】 o 0 1 5 ，用于一般钢种冶炼。2 0 0 5 年武钢( w i s c o ) 达到的主要技术指标与引进时设计指标对比见表1 1 。 表1 12 0 0 5 年武钢达到的主要技术指标与引进时设计指标对比 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o no fi n t r o d u c e dd a t ea n dc h i e ft e c h n o l o g i c a ld a t er e a c h e di n2 0 0 5b yw i s c o 武钢k r 的进步主要表现为脱硫剂由c a c 2 改为c a o 基脱硫剂，使脱硫成本下降的同 时取得了好的脱硫效果；k r 搅拌头寿命从最开始引进时的原设计能力9 0 - 1 0 0 次到现在 已突破5 0 0 次【5 】( 截止2 0 0 5 年) ，有了大幅度提高，全面改善了k r 的各项技术经济指标， 使k r 的应用前景有了很大改善。 ( 2 ) k r 技术在昆钢的应用 昆钢第三炼钢厂铁水预处理脱硫站内设有两个搅拌位和两个扒渣位，采用k r 搅拌法 脱硫，年处理铁水设计能力为1 3 0 万吨。针对投产初期铁水成分波动大、引进技术的工艺 参数不完全符合该厂自身的生产条件、脱硫剂理化指标等诸多因素的影响，对铁水预处理 工艺进行了研究和优化。 鉴于铁水 s i 、 s 含量较高及铁水罐并不是专用的脱硫铁水罐的情况，采取适当提高 转速、适当增加搅拌头的插入深度、提高脱硫剂理化指标合格率，等等一系列措施提高工 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 艺技术水平，使铁水经脱硫处理后【s 】最低可达0 0 0 1 ，脱硫剂轻脱硫吨铁降一个硫的单 耗为0 2 3 2 k g 。 ( 3 ) k r 技术在宝钢的应用 宝钢集团公司结合其不锈钢现代化改造工程，比较和评价k r 脱硫和喷吹法脱硫的特 点，介绍k r 法铁水脱硫主体设备的基本结构和原理，并提供了搅拌功率的计算方法和实 例，计算公式经实例校核，已在实践中得到应用r 7 1 。 1 2k r 搅拌脱硫工艺对耐火材料性能的要求 1 2 1k r 搅拌脱硫工艺对耐火材料使用性能的要求 搅拌头在工作过程中需承受高温铁水、熔渣的冲刷、侵蚀与间歇式工作的急冷急热等 恶劣的物理与化学作用，造成搅拌头损坏的原因主要有三个：即应力破坏、铁水磨损和化 学侵蚀。应力包括热应力、机械应力和结构应力，急冷急热会使搅拌头耐火材料剥落；铁 水磨损主要是搅拌头插入铁水中旋转搅拌时，因克服铁水阻力与旋转状况下铁水冲刷造成 的磨损；化学侵蚀是在高温条件下，铁水、熔渣对搅拌头浇注层的侵蚀 4 1 3 】。铁水预处理 工艺要求搅拌头具有高质量、抗侵蚀、长寿命等如下特点【l 】： ( 1 ) 良好的抗开裂剥落性能 k r 搅拌头外层浇注料厚度一般在1 0 0 r a m 左右，在接触高温铁水时，耐火材料内外层 之间温差很大，致使各层间存在较大的应力差，容易导致浇注体中微裂纹的产生并扩展； 在间歇性作业状态下搅拌头浇注料急冷急热同样存在应力差导致裂纹和剥落的产生。 ( 2 ) 致密度高、强度高 铁水预处理需要加入大量脱硫剂，致使铁渣粘度急剧下降，流动性和渗透性增加，加 大了渣、铁与搅拌头耐火材料浇注体的润湿性。浇注体的致密程度( 包括气孔率低和体密高) 能够较好地抵抗渣铁的渗透侵蚀能力，同时搅拌头在铁水中以每分钟8 0 1 2 0 转快速旋转， 受到阻力、磨损作用。因此要求搅拌头浇注料具有较高的致密度、高温强度和耐磨性能。 ( 3 ) 抗熔融渣和铁水侵蚀 在高温条件下，铁水、熔渣对搅拌头浇注层的物理化学侵蚀作用，是导致搅拌头工作 衬耐火材料破损的主要原因之一。这就要求搅拌头浇注料具有一定的抗侵蚀性能。 1 2 2 搅拌头外衬耐火材料的研究现状 济南钢铁集团李君彦【1 4 】等采用电熔莫来石、电熔白刚玉、红柱石、刚玉微粉、s i 0 2 微 粉、莫来石微粉、铝酸盐水泥、耐热钢纤维等作为原料，研制出超低水泥结合，铝酸盐水 泥加入量控制在3 以内，复合微粉加强基质、耐热钢纤维增强的刚玉一莫来石质耐火浇 注料，强度高，耐冲刷，抗热震性优良，无剥落现象发生，最高使用寿命5 1 6 次，平均侵 蚀速率为每次0 0 6 9 r a m ，能够完全满足k r 法脱硫的生产要求。济钢杨勇【i 】等选用天然莫 来石、菁青石、三级高铝骨料、焦宝石四种热膨胀系数较低的原料为骨料进行试验，保证 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 浇注料具有良好的抗热震稳定性，采用复合微粉加强基质，添加高效分散剂对微粉进行有 效分散，保证浇注料的流动性、质量稳定性和致密度。 武钢欧阳德刚等学者发现搅拌器破损的主要形式是冲蚀、开裂、热震裂纹和热剥落， 在专利2 0 0 5 1 0 0 1 9 7 2 1 8 t u l ( 各种原料及其重量配比例于表1 2 ) 中选用了烧结温度较低的普 通电熔莫来石和焦宝石作为骨料，有效改善了骨料与粉料之间的烧结状况，提高了使用条 件下搅拌器耐火材料衬体的密实度和抗熔渣渗透能力：并在基质中合理选择和添加了增强 剂、减水剂、防爆剂等，使浇注料具有良好的施工性能和使用性能。所浇注制备的搅拌头 性能优良，成本低廉，使用寿命长，适于急冷急热工况条件下热工设备与热构件耐火工作 衬的整体浇注。 表1 2 专利中各种原料配比 t a b l e1 2t h er a t i oo fr a wm a t e r i a l si nt h ep a t e n t 武钢并在实际的脱硫生产中对搅拌头进行修补，修补料选择焦宝石为骨料，利用焦宝 石骨料具有的多相组织结构，耐火度适中，矿物岩相结构缺陷较多的特点来改善修补料的 烧结性能和抗热震性；选择优质耐火粘土来改善修补料的可塑性能；选择特级高铝细粉为 主要粉料来改善修补料的抗冲刷性能，提高修补料的结合强度，并通过高温下二次莫来石 形成产生的体积膨胀减小修补料的高温收缩；选择硅酸铝纤维碎棉、乳酸铝或有机纤维为 修补料的防爆添加剂，提高修补料的防爆温度；选择磷酸二氢铝为结合剂，通过结合剂的 化学反应与凝胶作用，在修补条件下快速粘结，提高修补层的初期和高温结合强度；选择 木质磺酸钙或三聚氰胺为分散剂，改善修补料的修补施工性能等【l6 1 。研制的修补料抗热震 性、防崩裂性能优良，微观结构合理，充分发挥了各种原材料的性质。并降低了成本。 欧阳德刚【l7 】也针对间歇式工业炉窑炉衬热震剥落破损与快速烘烤引起的崩落问题，从 改善浇注料抗热震性、防爆性、高温结合强度与耐火适应性等角度出发，对高抗热震性 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 a 1 2 0 3 s i 0 2 系浇注料进行了试验研究，提出了浇注料应具有耐火度高、强度大、抗热震性 能优的特点，同时还要求浇注料具有优良的防爆性能以满足炉窑易损部位快修的要求，参 考相关耐火原材料的理化性能，对高抗热震性a 1 2 0 3 s i 0 2 系浇注料的原材料选择进行了探 讨。从浇注料的耐高温性能要求与强化骨料与粉料间的烧结陶瓷结合出发，选择了一级高 铝、二级高铝与优质焦宝石为浇注料的复合骨料；从提高浇注料力学强度与抗磨损出发， 选择了高铝水泥、铝酸钙6 5 水泥、s i 0 2s i 0 2 微粉、口a 1 2 0 3 微粉组成的复合结合剂；从改 善浇注料抗热震性与防爆性能出发，选择了金属铝粉、乳酸铝、有机纤维与无机高铝纤维 复合而成的复合防爆添加剂；从提高浇注料蠕变温度与降低浇注料的烧结收缩出发，选择 了蓝晶石为烧结膨胀剂；从改善浇注料的施工性能和其他相关的使用性能，采用多种有机 与无机减水剂、分散剂组成的复合外加剂；并添加了适量的碳化硅粉以提高浇注料的高温 体积稳定性与抗渣性。并通过在不同间歇式工作的炉窑与热工设备上的应用，取得了延长 使用寿命与降低成本的效果。 1 3a 1 2 0 3 - s i 0 2 质浇注料 浇注料是一种由耐火物料制成的粒状和粉状材料，并加入一定量的结合剂和水共同组 成。粒状料以硅酸铝质熟料和刚玉质材料用之最多。耐火浇注料的组成包括粒度组成和原 料组成，原料组成中又包括骨料、结合剂、添加剂等，影响浇注料性能的因素很多，将在 下文中进行概述。高强度耐火浇注料对其所采用的骨料、粉料和结合剂有较高的要求，骨 料必须充分烧结，吸水率低，强度高，体积密度稳定，而且杂质含量低【l 引。 1 3 1a 1 2 0 a s i 0 2 质浇注料的种类与性能 ( 1 ) 莫来石 莫来石是一种优质的耐火原料，在温度为2 0 1 0 0 0 的范围内，其线性热膨胀系数 平均值为5 3 x 1 0 - 6 。c ，热膨胀系数较低，且莫来石相具有高的抗蠕变性【1 9 2 1 1 、高的热震稳 定性瞄1 和强度稳定性，所以具有良好的高温使用性能【2 3 1 。莫来石质耐火材料线性膨胀系数 为5 5 5 8 x 1 0 。6 o c 2 4 1 ，相对于其他材质耐火制品其膨胀系数较低，且莫来石耐火制品具有 很高的机械强度、密度和荷重变形温度、气孔率较小、抗热震性能好等特点【2 5 。莫来石属 于斜方晶系，晶形为针状、长柱状、相互交错成网络状。它是硅酸铝质耐火材料中的重要 矿物成分，在不定形耐火材料中，期望有二次莫来石化以改善或提高其高温性能【2 6 1 ，莫来 石矿相结构能够有效提高浇注料的高温体积稳定性、抗开裂剥落性和抗侵蚀性能。 莫来石合成生产工艺有烧结法和电熔法两种。与烧结莫来石比较，电熔莫来石具有更 好的高温体积稳定性，用电熔原料制备的莫来石制品在高温下长期使用不易变形。可以认 为，采用高纯电熔莫来石为主要原料制造莫来石质或莫来石垌h 玉质高档低蠕变热风炉砖和 高温窑具是最佳的原料选择【2 7 】。 根据以往的研究表明【2 8 ，2 9 】在耐火材料的设计中引入热膨胀性不同的骨料，可提高试样 的热震稳定性。戚建强【3 0 】将红柱石骨料引入莫来石浇注料中，使得试样于8 0 0 c 和1 4 0 0 。c 烧后试样的热震稳定性提高。提高的原因是由于红柱石骨料和基质之间的热膨胀系数不一 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 致，在烧后试样中产生自发裂纹。自发裂纹带来的另外一个后果是使烧后试样的抗折强度 降低。随着红柱石引入量的增加，试样烧后强度降低得越多。红柱石引入量为2 0 时，8 0 0 烧后抗折强度约为4 m p a ，此强度还足以满足其烘烤和使用要求。考虑到脱硫喷枪的实际 应用，红柱石在莫来石浇注料中的引入量一般不超过2 0 。 ( 2 ) 焦宝石 焦宝石熟料又称为粘土熟料，其砧2 0 3 含量在4 0 - 5 0 ，是高岭石单矿物的沉积粘土煅 烧而成，产品中严禁混入外来夹杂物，同时也不得含有欠烧料，焦宝石吸水率高，在不定 型耐火材料中，粘土熟料一般只做耐火骨料使用。如果窑炉或热工设备的使用温度较低时， 也可用粘土熟料做耐火粉料2 6 1 。焦宝石是多种含铝硅酸盐的混合物，主要化学成分是a 1 2 0 3 和s i 0 2 两种氧化物，焦宝石杂质含量高，在热处