（钢铁冶金专业论文）转炉氧枪防粘耐火涂料的研究与应用.pdf

东北欠学硕士学位论文 摘要 转炉氧枪防粘耐火涂料的研究与应用 摘要 由于转炉其自身的生产特点，转炉氧枪表面普遍存在粘结钢渣问题，随着人 们对转炉生产安全、生产效率要求的不断提高，该问题目益受到转炉冶炼车间生 产技术人员的高度重视。为了解决这一问题，国内外许多钢厂和相关研究部门的 技术人员在转炉冶炼工艺、氧枪结构、热喷涂陶瓷镀层等方面进行了一系列的研 究、试验和应用，但应用效果由于种种原因都不太理想，不能很好地满足转炉冶 炼生产的要求。 近年来，鞍钢二炼钢厂与鞍山远洋耐火材料公司进行合作，尝试在转炉氧枪 表面采用冷喷涂耐火涂料的方法解决粘结钢渣问题，取得了转炉炼钢氧枪表面粘 结钢渣较少、清理容易的较好效果。但是由于涂料配方及喷涂工艺等方面原因， 冷喷涂耐火涂料方法存在着使用炉次少、应用效果不够稳定等问题。 基于此，本文从冷喷涂耐火涂料方法出发，在综合大量国内外研究资料的基 础上，利用正交设计理论，优选出了一种新型转炉氧枪防粘耐火涂料。在实验过 程中，着重考察了耐火涂料中耐火粉料、粘结剂、悬浮剂及载液等因素对涂料的 粘度、悬浮性、与实验模拟氧枪表面高温综合性能等各项性能指标的影响；然后 通过正交综合评分法，优选出了实验中具有最佳综合性能的配方；并对该优选配 方涂料的各项性能指标进行了测定。 按照研究的配方在鞍钢二炼钢厂三号转炉进行了工业试验，着重考察了该涂 料配方的氧枪粘结钢渣厚度、使用炉数等应用情况。试验结果表明，新型转炉氧 枪防粘耐火涂料具有混制工艺简单、成本低、与喷溅钢渣润湿性差、与氧枪表面 高温综合性能好和使用炉数较多等优点。 关键词：炼钢、转炉、氧枪、耐火涂料、性能 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr e f r a c t o r yc o a t i n gm i x t u r e o no x y g e nl a n c eo fb o ff o rr e s i s t a n c es t i c k i n g a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n gr e q u i r m e n t o n s a f e t y a n d e f f i c i e n c y o fb o f w o r k m g ，o p e r a t i n gp e r s o n n e li nb o fs t e e l m a k i n gp l a n t h a sp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o no nu b i q u i t o u sp r o b l e mo fs p l a s h i n gm o l t e ns t e e l s l a g ss t i c k i n go nt h es u r f a c e o ft h eo x y g e nl a n c eb e c a u s eo fb o f p r o d u c i n gf e a t u r e s t or e s o l v et h ep r o b l e m ，m a n y t e c h n i c a lp e r s o n n e lw o r k i n gi ns t e e l m a k i n gp l a n ta n dc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h i n g d e p a r t m e n t si nb o t hh o m ea n da b r o a dh a st a k e nal o to fr e s e a r c h ，e x p e r i m e n t a n d a p p l i c a t i o no nb o fp r o d u c i n gp r o c e s s ，o x y g e nl a n c e ss t r u c t u r ea n dt h e r m a ls p r a y i n g c e r a m i cc o a t i n g h o w e v e r , d u et om a n ya p p l y i n ga n dp r o c e s s i n gr e a s o n s ，t h e s em e a s u r e c a l ln o tt h o r o u g h l yd e a lw i t ht h ep r o b l e mo fm o l t e ns t e e l - s l a g ss t i c k i n go nt h es u r f a c e o fo x y g e nl a n c e i nr e c e n t y e a r s ，a n g a n gs e c o n ds t e e l m a k i n gp l a n t a n da n s h a ny u a n y a n g r e f r e c t o r ym a t e r i a lc o h a v ew o r k e dt o g e t h e ra tt r y i n gt os e t t l et h ep r o b l e mo fs p l a s h i n g m o l t e ns t e e l - s l a g ss t i c k i n go nt h es u r f a c eo fo x y g e nl a n c et h r o u g hc o l ds p r a y i n g r e f r e c t o r yc o a t i n gm i x l u r e b yt h i sw a y , t h e yo b t a i ng o o dr e s u l t o ft h i ns t e e l 。s l a g s t i c k i n gl a y e ro nt h es u r f a c eo fo x y g e nl a n c ea n de a s yr e m o v eo fs t e e l - s l a gs t i c k i n g l a y e r b u tt h i sw a y h a ss t i l ls h o r t c o m i n g so fl e s su s i n gh e a ta n du n s t a b l ea p p l y i n ge f f e c t b e c a u s eo fc o a t i n gm i x t u r ef o r m u l a ，s p r a y i n gp r o c e s sa n do t h e rr e a s o n s b a s e do nt h i sw a yo fc o l ds p r a y i n gr e f r a c t o r yc o a t i n gm i x t u r e ，i nt h i sp a p e ran e w r e f r a c t o r yc o a t i n gm i x t u r ei sa t t a i n e db ya n a l y s i sa l o to fn a t i o n a la n df o r e i g nr e s e a r c h d o c u m e n t sa n du t i l i z i n gt h et h e o r yo fo r t h o g o n a ld e s i g n a u t h o re m p h a s i z e st h e i n f l u e n c eo fr e f r a c t o r yp o w d e r , b i n d i n ga g e n t ，s u s p e n d i n ga g e n ta n dc a r r y i n gh q u i di n r e f r a c t o r yc o a t i n g m i x t u r eo ne v e r yp e r f o r m a n c eo fc o a t i n gm i x t u r es u c ha s v i s c o s i t y , s u s p a n s i b i l i t ya n dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo ns u r f a c eo fm o d e l i n go x y g e n l a n c eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ed u r i n ge x p e r i m e n t t h e nt h eo p t i m a lf o r m u l ai so b t a i n e d b ym e a n so fc o m p r e h e n s i v es c o r i n ge v a l u a t i o no fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t l a s te v e r y 东北大学硕士学位论文a b s t r a c r p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m a lf o r m u l a 1 sm e a s u r e d a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l a ，i n d u s t r i a le x p e r i m e n tw a sd o n eo no x y g e nl a n c eo f t h i r db o fi na n g a n gs e c o n ds t e e l m a k i n gp l a n t d u r i n ge x p e r i m e n t ，s t e e l - s l a gs t i c k i n g t h i c k n e s so i lt h es u r f a c eo fo x y g e nl a n c e ，u s i n gh e a t sa n do t h e ra p p l y i n gc o n d i t i o nw e r e e m p h a t i c a l l yo b s e r v e d t h er e s u l si n d i c a t et h a tt h en e wr e f r a c t o r yc o a t i n gm i x t u r eh a s v i r t u e so fs i m p l em a k i n gp r o c e s s ，l o wc o s t , b a dw e t t i n gp r o p e r t yw i t hs p l a s h i n gm o l t e n s t e e l s l a g ，g o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t y o ns u r f a c eo fo x y g e nl a n c eu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ea n dm o r eu s i n gh e a t s k e yw o r d s ：s t e e l m a k i n g , b o f , o x y g e nl a n c e ，r e f r a c t o r yc o a t i n gm i x t u r e ，p r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确 说明并表示了感谢。 学位论文作者签名：弓欲于谭一 日期：玩1 几+ 、，f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在钢铁冶炼中，9 0 年代末期氧气喷吹转炉炼钢已基本取代了平炉炼钢，近年 来不断发展的铁水预处理、炉外精炼以及转炉生产自动控制等技术，已使转炉冶 炼的生产效率、产品质量和品种结构有了大幅度的提高和丰富；特别是美国l t v 钢公司1 9 9 1 年开发的溅渣护炉新技术，使转炉炉衬维护工作取得了重大进步，这 一技术的应用已使国内外转炉冶炼的作业率大幅提高，一些管理和技术先进的转 炉钢厂的冶炼炉龄达到了1 以万炉，甚至做到每年只砌一次炉【】。氧枪是氧气喷 吹转炉炼钢的主要设备之一，外部一般使用几段普通2 0 钢管焊接而成，由于该材 质在水冷低温条件下，与转炉冶炼过程中吹炼喷溅的液态钢渣润湿性好、易于粘 结，再加上氧气喷吹转炉的一些设备、工艺及生产原因，各钢厂均存在着不同程 度的转炉氧枪表面粘结钢渣问题，不仅降低转炉生产作业率，严重时还要花费一 定的时间、人力和物力进行清理，不仅危及设备安全、妨碍生产调度、影响转炉 冶炼各项技术经济指标的提高，而且还危及人身安全。因此，随着转炉炼钢厂对 生产效率、生产安全的日益重视，解决转炉氧枪粘结钢渣的问题就显得尤为重要。 1 1 转炉炼钢用氧枪简介 1 1 1 转炉炼钢法 转炉通常又称为氧气顶吹转炉，它是用氧枪向熔池喷吹纯氧来把生铁精炼成 钢的。生产中炉料只占用炉子容积的- - + 部分，主要是从高炉来的铁水，约占7 0 。 供氧是通过一支水冷的氧枪，通常氧枪喷嘴位于理论熔池平面以上1 2 。2 1 米，图 1 1 是炉体的示意图。从单孔或多孔氧枪喷嘴喷出的高速氧流能穿入熔渣和金属， 搅动铁水，并与金属液中的碳、铁、硅、锰和磷等易氧化元素发生剧烈的放热反 应，实现钢冶炼的升温和精炼等作用。开始时氧气与金属的反应仅限于局部区域， 但随着c o 气体的逸出而很快得到强化，熔池的搅动和循环以及炉渣的泡沫化使 炉渣与金属密切混合，大大有助于高速精炼。为了平衡放熟反应导致的金属温度 升高，一般情况下，氧气顶吹转炉炉料中要装入3 0 的废钢，这些废钢开始时大 部分浸没在铁水中。 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 氧枪2 炉体3 耳轴4 氧气射流5 熔池 图1 1 氧气顶吹转炉炉体示意图 f i g 1 1 p i c t o r i a ld i a g r a mo f b o f 1 1 2 氧枪的结构 转炉吹氧装置是转炉炼钢的核心设备，由氧枪、氧枪升降装置和换枪装置三 个基本部分组成，其中氧枪又是吹氧装置的关键设备，它工作在高温环境中，采 用强制通水冷却。氧枪的外观尺寸大型转炉一般在 3 0 0 x 2 0 0 0 0 r a m 左右，其作 用是向金属熔池供氧，是控制整个吹炼过程的主导因素并直接影响冶炼效果和钢 的质量。 水冷氧枪的主要构件包括枪尾、枪身和由三个同心管连接的枪头，其典型结 构见图1 2 。枪尾可以是铸成的，也可以是加工成型的。它有适当的接头与氧气管 和进、出冷却水管相连，还有分隔开的氧气和水的内通道；枪身是三个同心圆管， 内管通氧气，上端用压紧密封装置牢固地装在枪尾上，下端焊接在枪头上。外管 牢固地固定在枪尾和枪头之间。当外管承受炉内外显著的温度变化而膨胀收缩时， 内管上的压紧密封装置允许内管在其中自由竖直伸缩移动；冷却水由内管和中间 管之间的环状通路进入，下降至枪头后返转1 8 0 。经中间管与外管间形成的环状 通路上升至枪尾流出，进水和出水通道之间的压差很小，所以中间管可用较轻的 管子；枪头包括必要的氧气喷嘴和将三个同心钢管连接起来的装置，有单孔和多 孔枪头之分，是用具有高导热性、可焊性和温度周期变化时致密性的纯铜铸坯或 铸坯加工而成的。氧气喷嘴有直筒型和收缩扩张型，收缩扩张型喷嘴比直筒型 2 糸北走擎碗士学位论_ 丈第一章绪论 1 氧枪2 炉体3 耳轴4 氧气射流5 熔池 图1 1 氧气顶吹转炉妒体示意图 f i g 1 1 p i c t o r i a ld i a g r a mo f b o f l 1 ，2 氧枪的结构 转炉吹氧装置是转炉炼钢的核心设各，由氧枪、氧枪升降装置和换枪装置三 个基本部分组成，其中氧枪又是吹氧装置的关键设备，它工作在高温环境中采 用强制通水冷却。氧枪的外观尺寸大型转炉一般在3 0 0 2 0 0 0 0 r a m 左右，其作 用是向金属熔池供氧，是控制整个吹炼过程的主导因素并直接影响冶炼效果和钢 的质量。 水冷氧枪的主要构件包括枪尾、枪身和由三个同心管连接的枪头，其典型结 构见图1 2 。枪尾可以是铸成的，也可以是加工成型的。它有适当的接头与氧气管 和进、出冷却水管相连，还有分隔开的氧气和水的内通道；枪身是三个同心圆管， 内管通氧气，上端用压紧密封装置牢同地装在枪尾上，下端焊接在枪头上。外管 牢固地固定在枪尾和抢头之间。当外管承受炉内外显著的温度变化而膨胀收缩时， 内管上韵压紧密封装置允许内管在其中自由竖直仲缩移动；冷却水由内管和中间 管之间的环状通路进入，下降至枪头后返转1 8 0 。经中间管与外管问形成的环状 通路上升至枪尾流出，进水私出水通道之问韵压差很小，所以中问管可用较轻韵 管子；枪头包括必要的氧气喷嘴和将三个同心钢管连接起来的装置，有单孔和多 孔枪头之分，是甩具有离导热性、可焊性和温度周勰变化时致密性的纯铜铸坯或 铸坯加工而成的。氧气喷嘴有直简型和收缩扩张型，收缩一扩张型喷嘴比直筒型 铸坯加工而成的。氧气喷嘴有直简型和收缩扩张型，收缩- 扩张型喷嘴比直筒型 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 喷嘴有更高的射流出1 ：1 速度，可提高穿透能力并改善氧枪效能。枪头挡水管的底 端以下有一固定的间隙，在氧气喷嘴之间有几组内水道钻孔，冷却水流过问隙和 钻孔的比例约为7 5 和2 5 t 4 矧。 1 枪尾2 枪身3 枪头 图1 2 氧枪主要结构 f i g 1 2 m a i ns t r u c t u r eo fo x y g e nl a n c e 1 1 3 氧枪的工作环境 转炉氧枪的工作环境十分恶劣，在每炉2 0 分钟左右的炼钢过程中，它要承受 c o 、c 0 2 和0 2 等炉气组成变化所引起的氧化、还原气氛的变化以及钢渣的喷溅 和侵蚀、炉内温度、喷溅钢水和炉渣成分等的巨大变化，表1 1 是某钢厂转炉冶 炼过程中炉渣成分、熔池温度变化情况f 6 卅。 表1 1 转妒冶炼过程中炉渣成分和熔池温度变化 t a b l e1 1 c h a n g eo fm e l t e nf l a g se o m p e s i t i o na n dl i q u i ds t e e l st e m p e r a t u r e d u r i n gb o fs t e e l m a k i n g 初期2 0 - 3 52 0 3 58 - 1 5 8 - 1 01 4 1 81 2 - 2 00 0 3 0 0 40 8 1 51 1 7 0 1 3 6 51 2 5 0 1 4 5 0 中期3 0 - 4 01 5 2 55 1 08 1 01 0 1 61 5 - 2 50 0 3 0 0 51 5 2 21 2 5 0 1 4 4 51 3 5 0 1 5 5 0 末期3 5 - 4 51 0 2 02 - 88 - 1 01 2 - 2 20 8 - 2 20 0 4 0 0 62 2 3 11 3 3 5 1 4 0 51 5 0 0 1 7 0 0 3 国 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一座典型的2 1 0 吨转炉在开始吹氧时，- - ；j = l 喷枪距熔池液面2 米左右，当炉 口出现c o 火焰，即炉子“点着”以后，加入的造渣料开始形成炉渣。在射流下 测得“火点”处的温度约为2 2 0 0 2 5 0 0 c 。大约吹到第五分钟时，喷枪降低至离 静止液面1 4 米，降枪的同时射流噪音也逐渐消失，表明喷枪头正在被泡沫渣淹 没。大约到第八分钟，开始从出钢口喷出熔渣，表明渣面已在正常熔池液面以上 约3 7 米左右，这时喷枪大致浸入泡沫渣1 5 1 8 米左右。此后直至接近终点，喷 枪始终浸在泡沫渣内。在射流和c o 强烈搅拌作用下，泡沫渣成为渣金属乳化液， 炉子上部的泡沫渣样中大约含有2 5 8 5 的金属，以分散的金属滴形式存在1 5 】。金 属含量高的乳化渣喷溅或凝结到氧枪表面后，一般都粘得很牢。不易清理掉。 1 2 转炉氧枪粘结钢渣的原因及危害 1 2 1 转炉氧枪粘结钢渣的原因 1 2 1 1 转炉氧枪粘结钢渣的概念 在转炉冶炼过程中，熔池由于氧气射流的冲击和激烈的碳氧反应而引起强烈 的沸腾飞溅起来的金属夹着炉渣由于喷溅或炉壁反射作用粘附在氧枪表面上， 这就是“转炉氧枪粘结钢渣”。严重的转炉氧枪粘结钢渣现象会在氧枪下部、喷 头上形成一个巨大的“纺锤形”结荆8 1 。 1 2 1 2 转炉氧枪粘结钢渣的原因分析 氧枪粘结钢渣的主要原因是由于吹炼过程中炉渣化得不好或枪位过低，炉渣 发生“返干”现象，金属喷溅严重并粘结在氧枪上，另外，氧枪喷嘴结构不合理， 工作氧压高等对氧枪粘结钢渣也有一定的影响。具体原因主要有【8 】： ( 1 ) 吹炼过程操作不当：根据化渣原则即初渣早化，过程化透，终渣做粘， 出钢溅渣。但在生产实际中，由于操作人员没有精心操作或者操作不熟练、操作 经验不足，往往会使冶炼前期炉渣化得太迟，或者过程炉渣未化透，加之冶炼中 期炉渣碱度升高、熔池强烈脱碳、( f r o ) 含量降低以及渣中含有较多的未熔石灰和 硅酸二钙等高熔点物质，使炉渣过热度降低，炉渣流动性差，易产生严重的“返 干”现象，这时继续吹炼会造成严重的金属喷溅，使氧枪粘结钢渣f s , 7 1 。 ( 2 ) 转炉炼钢氧枪的枪位不正确：氧枪喷头至熔池液面的距离不合适( 即所 谓枪位不准) ，主要原因有，转炉入炉铁水和废钢装入量不准，或是严重超装，而 d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 摇炉工又未察觉，还是按常规枪位操作；转炉炉衬补炉时产生过补现象，炉膛体 积缩小，造成熔池液面上升，而摇炉工也没有意识到，未及时调整枪位，这些情 况都可能促进氧枪粘结钢渣。 ( 3 ) 炉渣制度的影响：没有铁水预处理工艺时，铁水的s i 含量波动大，造成 在具体的操作过程中，对温度控制和加渣产生不便，以致吹炼中期加渣料的现象 经常发生，此时正值碳的激烈氧化期，( f c 低，加入渣料后，更不易化渣，反而 产生金属喷溅，飞溅的金属夹着炉渣粘在氧枪上造成氧枪粘结钢渣；在溅渣护炉 过程中，炉内剩钢随着高( m g o ) 炉渣在高压氮气( 1 2 m p a ) 的冲击下，飞溅到氧枪上， 引起氧枪粘结钢渣；渣料的加入模式不合理，操作工在吹炼过程中，由于冷却剂 ( 矿石) 的加入量没有跟上，为控制好吹炼过程中的温度，只好多加白灰和轻烧 白云石，造成炉渣的碱度及不能溶解的m g o 含量大幅提高，炉渣的粘度加大， 造成炉渣“返干”，引起氧枪粘结钢渣；白灰质量不好，生烧率高，活性度低也是 造成渣况不好的原因。 ( 4 ) 氧枪控制和氧压使用不尽合理：在恒压变枪操作时，枪位的控制是化渣 的重要因素之一。在吹炼中期，也就是炉内的碳含量1 5 也o ，此成分也正是 开吹7 曲分钟的时间，这时炉内温度已足够高，c - o 反应最为激烈，此时如果枪 位较低或使用氧压偏大。良好的炉渣流动性往往会突然变坏，甚至结块，从而引 起炉渣返干，引起氧枪粘结钢渣。 1 2 2 转炉氧枪粘结钢渣的危害性 氧气顶吹转炉的除尘系统是一个密封系统，氧枪是通过汽化冷却烟道上的氧 枪氮封口进入转炉的，转炉在吹炼时炉子是处于垂直位置，氧枪从待吹点下降到 吹炼位时开始吹氧，当冶炼到终点，需要倒炉取样及观察炉况时，应先提枪停氧， 氧枪的大部分要从氮封口提出，进入待吹点，此时氧枪喷头离开炉子以便转炉能 够倾动。当氧枪牯结钢渣达到一定直径时，造成提枪困难，且容易拉坏氮封口。 粘结钢渣严重时会造成氧枪提不出炉口( 因粘枪的冷钢卡在氮封口上出不 来) ，此时就造成炉子不能倾动，影响吹炼操作；其次，氧枪传动系统有平衡配重， 其基本原理是配重大于枪重，卷扬机提升配重，此时氧枪下降开始吹炼，卷扬机 放下配重时实为提枪操作，因此正常情况下氧枪上下十分自如。氧枪定位精度较 高，但由于严重粘枪，会破坏系统的平衡，甚至会使氧枪无法提升( 当粘结钢渣重 量加上氧枪自重大于配重重量时氧枪就无法提升1 。此时氧枪始终处于最低的枪位 在吹炼，情况将是十分危险的。一旦提枪时( 粘枪太重) 配重下降不畅，还会出现 氧枪的提升卷扬机钢丝绳从滑轮槽中脱出，钢丝绳损坏等事故，从而造成冶炼中 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 断。另外氧枪粘钢会造成氧枪散热条件恶化，容易被烧坏。 当氧枪提不出炉1 3 时，就必须用吹氧管吹氧处理粘结钢渣( 此时还不能“割 枪”，因为炉内有钢水) ，使枪能从炉1 3 提出，冶炼能继续，以便在该炉钢出钢后 可较彻底地清理氧枪粘结钢渣。这样的工作，工人们的劳动强度和危险性都很高。 炉子需暂时停工，炉内的半成品钢水因事故处理而等待，进而影响钢的产量和质 量。例如，攀钢1 9 9 2 年共割枪8 6 0 次，耗时5 0 0 多小时，少炼钢6 8 5 0 0 吨【9 】；鞍 钢三炼钢厂现使用的( 1 8 2 0 ) 米氧枪在其下部5 - 6 米长处经常粘挂钢渣厚度达 ( 4 5 - 5 0 ) 毫米，如不清理就提不起来枪，几乎每隔一炉都要清理枪体，且每次清理 需要1 5 3 0 分钟，极大地影响了生产的正常进行及各项经济技术指标的提高。图 1 _ 3 为冶炼工人正在处理粘枪事故。 图1 3 冶炼工人在清理氧枪表面粘结的钢渣 f i g 1 3s t e e l m a k i n gw o r k e ri sr e m o v i n gs t e e l - s l a gs t i c k i n go i ls u r f a c eo fo x y g e nl a n c e 1 3 解决转炉氧枪粘结钢渣问题的研究现状 为了解决转炉氧枪粘结钢渣问题，目前国内外多从冶炼工艺、氧枪结构和向 氧枪表面喷镀陶瓷涂层等方面予以研究。 1 3 1 冶炼工艺方面 在冶炼工艺方面，主要研究造渣制度、供氧制度、改进氧枪喷头结构等，以 减少渣和金属的喷溅来减少粘枪。如前苏联亚速钢厂，研究了冶炼时扒渣补吹次 数、铁水含锰量、渣碱度和氧化度、渣中m g o 含量、石灰添加制度、萤石量、 以及钢水温度对炉渣粘度的影响【1 0 】；马钢曾试用单流道双流氧枪增大c o 的二次 燃烧，以促进化渣来减少粘枪【1 1 】；前苏联依墨奇钢铁公司研究了氧枪表面温度及 材质对粘枪的影响【1 2 】；攀钢也基于半钢冶炼的特点，研究了多种造渣制度、供氧 制度以及铁水炉外脱硫掣1 3 州】。 6 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 邯钢一炼钢厂根据规范装入量，减少铁水成分和温度的波动，来稳定炉前操 作，减少吹炼过程中炉渣返千和炉内剩钢现象的出现，达到减少氧枪粘结钢渣的 目的；规范渣料的加入，能合理控制好炉渣的碱度和m g o 含量，减少氧枪粘结 钢渣；合理控制枪位和氧压，来化好渣、减少氧枪粘结钢渣；提高石灰的质量， 在一定程度上也能减少氧枪粘结钢渣吼 1 3 2 氧枪结构方面 氧枪是氧气顶吹转炉炼钢的关键设备之一，枪体结构及其几何形状的设计是 否合理，枪身粘渣能否自动脱落，换枪是否快捷方便，将直接影响转炉作业率和 工人劳动强度。 鞍山热能研究院和本溪钢铁集团有限责任公司联合设计了一种新型转炉炼钢 氧枪复合锥度分体式氧枪。该锥度分体式氧枪的设计指导思想，首先是要解 决枪体粘渣的问题，在枪体的下部设置一定锥度的锥段，使粘渣易于自行脱落； 其次解决快速换枪的问题，将常规设计中的氧枪的进、回水及进氧气的3 个法兰 联结改为枪身与枪尾用对接法兰联结，换枪时仅需松开或紧固对接法兰上的2 个 螺栓，便可将3 个流体通道快速连接，并将喷头与氧枪氧管的联结改为“0 ”密 封圈方式，其结构简图见图1 4 t ”j 。 ，一一 g 皆 对接发兰 锥段 加速段 喷头 图1 4 锥度分体式氧枪结构 f i g 1 4 s t r u c t u r eo f j o i n tt a p e ro x y g e nl a n c e 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 上海五钢集团转炉厂，研究开发了单流道双流氧枪，此氧枪具有起渣早、化 渣快的功效，从而改善了渣况、减轻了氧枪粘结钢渣程度【1 6 】。另据报道，还有研 究采用氧枪刮渣装置和锥体涂镀氧枪1 1 7 】措施来解决转炉氧枪粘结钢渣问题的。 1 3 3 氧枪表面喷镀陶瓷涂层方面 重庆大学和攀钢合作开发了利用氧乙炔热喷涂技术，使用s p h 4 m 型喷涂喷 焊两用炬，在2 0 钢氧枪枪身表谣上，喷涂高温防粘梯度耐热陶瓷涂层。该涂层是 以n i m 粉末为底层，n i c r 粉末为过渡层，以y 2 0 3 、z r 0 2 和a 1 2 0 3 耐火氧化物 混合粉末为表面工作层。这种涂层具有良好的耐急冷急热性能和高的结合强度， 与钢液的润湿性差有明显的防粘结钢渣作用州。 1 4 课题的提出和意义 由于上面所介绍的方案要么不能彻底解决问题，要么操作复杂、成本高，为 此鞍钢转炉三炼钢厂和鞍山远洋耐火材料公司决定开发一种转炉氧枪防粘钢渣耐 火涂料，冷喷涂到一定长度氧枪表面上，形成钢渣与氧枪表面问的隔离层，达到 不粘枪或粘枪很轻、易于清理的日的。 针对鞍钢转炉炼钢厂和鞍山远洋耐火材料公司合作实践所取得的成绩和存在 的问题，本课题决定以他们研制的冷喷涂耐火涂料为基础，通过查找国内外研究 资料和在实验室内进行模拟试验，采用科学的正交实验方法，研制出一种新型耐 火涂料，使其具有如下一些功能和特点： ( 1 ) 足够的耐火度和高温稳定性； ( 2 ) 与氧枪的高温粘结强度大，且表面光滑，和喷溅钢渣润湿性差； ( 3 ) 具有良好的粘度和触变性，保证喷涂容易和喷涂后涂层表面光滑： ( 4 ) 具有良好的悬浮性和储存性，保证在规定的时间内涂料不分层、不沉淀、 结块并保持性能稳定、不变质： ( 5 ) 使用原料丰富，成本低，不污染环境，混制容易，使用方便。 2 1 世纪的今天，随着我国综合国力的不断增强，国民经济稳步发展，基础设 施不断完善，我国已经成为世界钢产量第一的国家，同时也是钢铁消费大国。转 炉炼钢是钢铁生产的重要组成部分，而氧枪是氧气转炉炼钢的关键设备之一，因 此解决转炉氧枪粘结钢渣问题，提高转炉生产的质量、产量、效率和安全，为使 我国步入钢铁强国的行列，研究转炉氧枪防粘耐火涂料具有很大的发展前景和重 要的现实意义。 8 东北走学硕士学位论文 第二章转炉氧枪防粘耐火涂料的相关理论 第二章转炉氧枪防粘耐火涂料的相关理论 涂料是一种用途广泛的材料，涂敷于物体表面形成一层薄膜，赋予物件以装 饰、保护、绝缘、耐热、阻尼或其他特殊性削1 8 】。涂料的种类丰富，按基本组成 可分为有机涂料和无机涂料，按耐火程度可分为常温涂料和高温涂料，按性能可 分为普通涂料和特种涂料，按用途可分为船舶、机械、军械、车辆、桥梁、电器、 皮革、食品、家具、建筑、铸造和冶金等各种各样的涂料。与本文所要研究的转 炉氧枪防粘钢渣耐火涂料相关的是高温、无机、耐磨特种涂料，它的作用是喷涂 到氧枪表面形成一层表面光滑、不易粘结钢渣的隔离膜，防止或减少转炉吹炼喷 溅的液态钢渣粘附到氧枪上，保证转炉生产的正常进行。下面，介绍一些转炉氧 枪防粘钢渣耐火涂料的相关理论。 2 1 转炉氧枪防粘耐火涂料的成分组成 涂料是由多种不同性质材料组成的分散系，通常由耐火粉料、悬浮剂、粘结 剂和载液四大部分及其他改善某些性能的添加剂等成分组成。 2 1 1 耐火粉料 耐火粉料是涂料中最基本最重要的材料，在涂料中的质量分数通常高于5 0 ， 是决定涂料性能的主要因素，即涂层靠它做骨架，起到耐热、保证热稳定性及防 止喷溅钢渣粘附到氧枪表面上的作用。根据资料f 1 9 删介绍适合做涂料耐火粉料的 材料有刚玉、电熔镁砂、高铝矾土熟料、高铬刚玉、精制石英、锆英、铬绿和石 墨等，它们在真密度、耐火度及热膨胀性等物化指标方面有很大的差异。 2 1 1 1 刚玉的性能【2 7 埘l 刚玉分天然剐玉和人造刚玉两种，其主要成分是氧化铝，其分子式可以写为 c l - m 2 0 3 。根据含有a a 1 2 0 3 含量的高低，人造刚玉可分为棕刚玉和白刚玉，白 刚玉的n a 1 2 0 3 的质量分数为9 7 9 8 5 ，棕剐玉的质量分数为9 2 5 - 9 7 ，还含 有1 5 4 0 的t i 0 2 。氧化铝是高熔点氧化物中被研究得最成熟的一种。它的原料 藏量丰富，约占地壳重量的2 5 ，价格低廉，并且具有多方面的优良性能，因此 成为一种使用最广泛的氧化物耐火材料。 氧化铝至少有七种相变，主要以a a 1 2 0 3 、1 3 - a 1 2 0 3 和y a 1 2 0 3 为主，它们的 9 东北大学硕士学位论文第二章转炉氧枪防粘耐火涂料的相关理论 结晶结构和物理性质各不相同。氧化铝的晶型转化关系见图2 1 。 ，a 1 2 0 3 忙a o6 a 1 2 0 3 ) 图2 1 氧化铝的晶型转化关系 f i g 2 1n 柚s f o m i n gr e l a c i o n c r y s t a lt y p co fa l u m i n a * a 轻0 3 t ，舢2 0 3 是低温形态的呈鳞片状的立方晶型结晶，其密度为3 4 2 3 6 0 9 e m 3 ， 它在1 0 0 0 以上就开始转化为a a 1 2 0 3 结晶。b - a 1 2 0 3 实际上并不是氧化铝的一 种变体，而是一种含有碱金属或碱土金属的铝酸盐，这种晶体呈聚片双晶发达的 薄片状或板状，其密度为3 3 啦3 6 3g ，咖3 ，晶型为六方结构，当在水蒸气或在空 气中加热到1 3 0 0 和1 4 0 0 1 5 0 0 时就开始分解，1 6 0 0 时转化为a 砧2 0 3 。 a m 2 0 3 是氧化铝各种变体中最稳定的结晶形态，不会因加热、冷却而发生 相变。它的稳定温度可直至熔化温度，熔点为2 0 5 0 ，耐火度在1 8 5 0 以上，热 膨胀系数为8 0 x1 0 。6 ( 2 0 1 5 8 0 ) ，其密度为3 9 6 4 0 1 咖n 3 ，莫氏硬度大于 9 级，晶型为六方结构，相当于天然刚玉，晶体形状呈柱状、粒状或板状。一般 所指氧化铝的性质主要是指n 舢2 0 3 ( 刚玉) 的性质。 刚玉具有很好的化学稳定性，这种稳定性在很大程度上取决于它的纯度和致 密度。高纯度的致密制品能较好的抵抗铍、锶、镍、铝、钒、锰、铁等熔融金属 的侵蚀，在1 7 0 0 1 8 0 0 下能抵抗除氟以外的一切气体的侵蚀，在氧化气氛和还 原气氛中稳定。总之，刚玉具有耐高温、硬度大、抗氧化、耐腐蚀及化学稳定性 好等涂料耐火粉料应具备的优点。 2 1 1 2 电熔镁砂的性能【2 8 4 0 】 自然界中的含镁化合物以各种形式存在于地壳和海水中，电熔镁砂是使用优 1 0 东北大学硕士学位论文第二章转炉氧枪防粘耐火涂料的相关理论 质菱镁石、水镁石和白云石等矿物或海水原料，经过物理化学处理后制成氢氧化 镁或碳酸镁，在电弧炉内高于8 0 0 的温度条件下熔炼制成氧化镁块，然后用刚 玉质球磨筒和研磨体粉碎细磨成各种粒度的粉料。电熔的主要目的是使方镁石晶 体发育长大，以提高其致密度和纯度，一般电熔镁砂的纯度可达9 8 以上。 氧化镁为立方结构的晶体，耐热性很好，熔点为2 8 0 0 ，在氧化气氛中的耐 火度可达2 2 0 0 ，莫氏硬度为6 ，密度为3 5 8 c m 3 ，呈碱性，热膨胀系数为1 4 3 l f f 6 1 ( 2 0 1 4 0 0 ) 。 氧化镁是弱碱性的氧化物，对酸性物质的抵抗力差，而几乎不被碱性物质侵 蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。氧化镁粉料及朱烧结的氧化镁坯体容 易水化，即所谓氧化镁的水化，是指氧化镁与水蒸汽或水接触时，在氧化镁颗粒 的表面和气孔内部生成胶体状的氢氧化镁，其反应见式( 2 1 ) 。 m g o + h 2 0 = m g ( 0 田2 + 3 8 8 7 ，m o l( 2 1 ) 水化会使配制的水基涂料中的水减少导致涂料粘度增大，并随水化作用的加 剧和时间的延长而加剧，不过水化性质的缺点可通过改变烧成温度而得到一定程 度的改善。 2 1 1 3 铬绿的性能 氧化铬绿( 以下简称铬绿) 属于无机颜料，是铬盐工业的主要产品之一，铬绿是 一种符合化学计量的深绿色氧化物，其分子式为c r 2 0 3 。铬绿的典型成分为含有 9 8 质量分数的c r 2 0 3 。铬绿由于具有耐蚀、耐光、耐磨、耐化学侵蚀等优点1 3 1 1 ， 广泛应用于冶金、陶瓷、涂料、橡胶、磨料、催化、建材等领域，是一种不可缺少 的工业原料p “。 铬绿生产主要有还原法、热分解法和含铬废液制取法三种，其中铬酐热分解 法制氧化铬工艺简单、设备少、投资省，是中、俄、哈、波等国制商品氧化铬绿 的重要方法。这种方法有其独特的优点：由于铬酐约2 0 0 熔融并开始分解，析 出氧及氧化铬，随着温度升高，氧化铬晶体得以在铬酐熔液中逐渐形成和长大， 晶体缺陷少，使成品得以保持氧化铬单晶的许多优异性能，如硬度高。颜色深， 折射率高等【3 3 1 。近年我国用此法所制氧化铬发展极快，1 9 9 9 年用铬酐所制氧化铬 产量约为1 3 0 0 0 吨，是铁台金厂由铬酸钠还原制得的冶金级氧化铬的两倍。 铬绿属六方晶系，具有a 、t 两种晶形，a c 2 0 3 是热力学稳定晶形，而丫 c r 2 0 3 处于热力学介稳定形，具有较大活性。c r 2 0 3 的熔点为2 2 6 5 ，密度为 5 2 1 州c m 3 ，热膨胀系数为9 6 1 0 。6 1 ( 2 睢1 4 0 0 ) ，莫氏硬度约为8 5 曲陋p l 。 c r 2 0 3 是两性氧化物，微溶于水，可以溶于酸且溶于强碱而形成亚铬酸盐。但 经过1 4 5 0 。1 6 0 0 焙烧的铬绿粉末有很好的物化稳定性，不溶于酸和碱，具有稳 1 】。 东北大学硕士学位论文 第二章转炉氧枪防粘耐火涂料的相关理论 定的晶形、较高的熔点、耐侵蚀，外观暗绿色，呈蜂窝状，结构松散，长时间用水浸 泡，水溶液略呈淡黄绿色i j 4 1 。 铬绿因具有稳定的晶形和较高的熔点故而被广泛用作陶瓷涂层和耐火材料， 陶瓷涂层具有优异的耐磨、耐蚀和耐热等特性。一般说来陶瓷涂层与金属基体在 物理、化学性能上存在着一定的差异，特别是两者线膨胀系数的差异，这种差异 使得涂层与基体界面在结构和性能上产生突变，从而在涂层内存在着较大的残余 应力和热应力，而它们又会引起涂层脱落。c r 2 0 3 涂层具有导热系数高、热膨胀 系数低以及喷涂涂层的粉状结构和硬度高等特点，与金属基体在摩擦过程中产生 的热应力较小，涂层不容易发生严重断裂，磨损性能优越，这在一定程度上减小 了耐火涂层与金属基体附着性差的不足【2 6 1 。 2 1 1 4 高铝矾土熟料的性能 商铝矾土熟料是由高铝矾土经过高温煅烧制成的，其矿物资源相当丰富。高 铝矾土中的主要耐火矿物为：水铝石( a a 1 2 0 3 h 2 0 ) 和高岭年( a 1 2 0 3 2 s i 0 2 2 h 2 0 ) 及一些f e 2 0 3 、t i 0 2 、c a o 和m g o 等杂质其中t i 0 2 含量较多。 高铝矾土在煅烧过程中发生一系列的物理化学变化，由水铝石和高岭石为主 要矿物的高铝矾土在煅烧时，大致分为三个阶段，即分解脱水和莫来石化阶段、 二次莫来石化阶段和重结晶烧结阶段f 3 5 】。 ( 1 ) 分解脱水和莫来石化阶段：加热到4 0 0 1 2 0 0 1 2 范围时，化学反应见式 ( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 。 a - a 1 2 0 3 h 2 0 q q = 5 q q 马a - a 1 2 0 3 + h 2 0t ( 2 2 ) 水铝石 a 1 2 0 3 + 2 s j 0 2 。2 h 2 0 g 盟兰嫂堇- a 1 2 0 3 。2 s 1 0 2 + 2 h 2 0 t ( 2 3 ) 高岭石偏高岭石 3 ( a 1 2 0 3 2 s i 0 2 ) ! ! q 旦- 3 a 2 0 3 2 s 1 0 2 + 4s i 0 2( 2 4 ) 偏高岭石莫来石 ( 2 ) 二次莫来石化阶段：二次莫来石化也称次生莫来石化，是指高铝矾土中 所含高岭石分解并形成奠来石后，析出的无定形s i 0 2 与水铝石分解后形成的游离 刚玉发生反应再次生成莫来石的过程，反应见式( 2 5 ) 。 3 a 1 2 0 3 + 2 8 i 0 21 2 0 0 1 5 0 0 c 3 a 2 0 3 2 s 1 0 2 ( 2 5 ) 游离刚玉无定形石英二次莫来石 ( 3 ) 重结晶烧结阶段：二次莫来石化完成后，进入重结晶阶段，莫来石和刚 1 2 东北走学硕士学位论文 第二章转炉氧枪防粘耐火涂料