镁碳砖在转炉上的应用.doc

镁碳砖在转炉上的应用镁碳砖是70年代由日本九洲耐火材料公司渡边明等开发研制成功的一种新型耐火材料。由于该种含碳耐火制品具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐热振性强及高温蠕变小等优点，在电炉、转炉及精炼炉上广泛得到应用，使用寿命大幅度提高。同时，由于镁碳砖不需高温烧成，节省能源，制作工艺简单，因而被日本乃至全世界许多国家迅速推广应用。 我国自80年代初开始研制镁碳砖，经电炉和精炼炉小批量使用后，收到较好的使用效果。随后，鞍钢三炼钢、武钢二炼钢及首钢等钢铁厂陆续在大、中型转炉上试验镁碳砖，转炉炉龄均大幅度提高。其中鞍钢三炼钢在转炉上采用镁碳砖后，仅用一年时间就超额完成了“七五”转炉炉龄达千次的攻关目标。本钢炼钢厂是于90年代开始在120t转炉上应用镁碳砖的，初次试验就将转炉炉龄由700次提高到1000次以上。在这以后随着镁碳砖的档次不断提高，转炉炉龄也有较大幅度的增加。到2003年，本钢转炉炉龄已突破万次，接近国内先进水平，为降低炼钢成本奠定了基础。1 镁碳砖的研制与生产1.1 原材料的选用研究与实践表明，原材料的质量性能对镁碳砖使用效果有较大影响。因此，必须严格选用各种原材料。1.1.1 镁砂的选择镁砂是生产镁碳砖的主要原料。要确保镁碳砖的质量要求，应选用低杂质、高纯度、经过电炉重熔且结晶发育完好的镁砂。镁碳砖在使用过程中镁砂颗粒的蚀损过程大致为: 方镁石颗粒与石墨在或高温真空下产生固相反应如下: MgO+CMg+CO 生成的蒸汽和CO挥发;方镁石颗粒被熔渣化学熔损，包括外来炉渣及镁砂杂质中的各类氧化物的熔损; 镁碳砖工作层基质氧化脱碳后，其结合强度降低.在炉渣的渗透及冲刷下，方镁石颗粒脱离砖体被冲裹进炉渣内。在充分考虑上述因素后，使用的镁碳砖选用了方镁石结晶晶粒大、结合力强、杂质少的高氧化镁含量的镁砂作为主要原料，这种镁砂不仅能降低方镁石晶体被硅酸盐相分割程度，减少熔渣对晶界的侵蚀速度，还可以提高镁砂与石墨高温共存时的稳定性。此外，由于其体积密度大、结合力强，在镁砂加工过程中可得到边界棱角鲜明的颗粒，加强与基质的镶嵌结合，提高镁砂颗粒在镁碳砖中的稳定性。电熔镁砂与烧结镁砂相比具有方镁石结晶粒粗大、颗粒体积密度大等优点，是使用的镁碳砖中主要选用的原材料。考虑到使用效果与成本，使用的镁碳砖按不同比例选用各种级别的电熔镁砂。镁砂的颗粒配比对镁碳砖的使用效果影响也比较大。粗颗粒作为骨料在配料中占有较大比例，而临界尺寸的确定对砖的物理性能更有重要的影响。经过多年的实践，使用的镁碳砖选用了合适的粗颗粒临界粒度与比例。镁碳砖的基质部分由镁砂细粉和石墨组成，其品位对砖的使用性能有较大影响。经过多次调整，选用了满足本钢条件下使用的镁碳砖的基质组成部分。1.1.2 碳素材料的选择及加入方式碳素材料也是生产镁碳砖的主要原料。其种类很多，本钢使用的镁碳砖选用天然鳞片状石墨。天然鳞片石墨的熔点高达3700，它具有典型的片层状结构、高的导热率和低膨胀系数及弹性模量，是生产镁碳砖理想的碳素材料。石墨的纯度越高、鳞片越厚大，抗氧化性能就越好.高温失重也就越小，但同时价格也就越高。因此，本钢使用的镁碳砖在选择石墨时将使用效果与成本综合进行考虑。1.1.3 结合剂的选用结合剂是生产镁碳砖的关键材料应具备以下条件: 常温下能保持适当的粘度和流动性，对镁砂和石墨有良好的润湿性和亲和性，不产生时效硬化; 在热处理过程中能进一步聚合，使制品有较高的强度; 在升温过程中应有较高的残碳性，并与其它碳素材料聚合，使制品有良好的高温性能; 性能稳定可靠。根据上述要求，经过反复实践，选用了热塑性酚醛树脂结合剂作为生产镁碳砖的结合剂。1.1.4 金属添加物的选用镁碳砖的氧化脱碳是导致其蚀损的重要原因。镁碳砖脱碳后，造成了基质疏松、结合强度降低，被炉渣渗透熔损，镁砂骨料脱落。向镁碳砖中添加一些与氧的亲和力大于碳的金属粉末，可大大提高镁碳砖的抗氧化能力及高温强度。但由于各种金属添加物的价格较高，在选用时需兼顾成本和使用效果。1.2 镁碳砖主要生产工艺参数的确定1.2.1 镁砂颗粒级别的确定镁砂颗粒级别配比是否合理，决定了物料的堆积密度，也直接影响镁碳砖的密度和强度。实践表明，采用多级配比、选用合适的细粉粒度生产出的镁碳砖具有较高的密度和强度，可以满足使用要求。1.2.2 泥料混练泥料混练的效果直接关系着制品的质量。因此对成型工序应采取以下技术措施: 将镁砂颗粒预热至40左右，确保混练均匀; 结合剂预热至3040，增加流动性; 将固化剂与树脂预先混合再加人泥料中; 严格控制树脂加人量，要确保其均匀的润湿泥料并防止结团，要保证捆料时间。加料顺序为:镁砂颗粒石墨结合剂筒磨细粉沥青，必须确保总混练时间。1.2.3 成型成型工序首先要选择合适吨位的压力机。成型时要准确控制泥料重量、确保布料均匀，打击次数及轻重需满足要求。1.2.4 热处理镁碳砖不需高温烧成，但需进行热处理。在150200环境下进行24h烘烤后，物料与结合剂固化，使制品的强度达到要求。远红外线加热室具有加热均匀的特点，因此被广泛用于镁碳砖热处理。2 镁碳砖在转炉上的应用本钢120t转炉自90年代开始使用镁碳砖砌筑炉衬，转炉炉龄大幅度上升，目前已达到万次水平。2.1 转炉炉衬砌筑转炉炉衬由炉底、炉身(直段)、炉帽(锥段)等部位炉衬构成，其中炉身(直段)、炉帽(锥段)的交界处砌筑出钢口砖，各部位均炉衬均包括有工作层、永久层和隔热层。对炉底的砌筑要求是:应以满足复吹及确保球型表面为原则，同时各层的所留缝隙及填料需符合使用要求。炉身(直段)、炉帽(锥段)的砌筑方针是:横平、竖直、背紧、靠实和归圆。出钢口的砌筑要满足于外法兰中心对正。2.2 镁碳砖在转炉炉衬上的应用尽管镁碳砖具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐热振性强及高温蠕变小等优点，但使用环境对其使用效果仍有较大影响。具体有以下几个方面: (1)装入制度:即确定转炉合理的装入量，合适的铁水、废钢比。确定转炉装入量，除了考虑要有一个合适的炉容比外，还应保持合适的熔池深度。为保证炉底不受氧气射流的冲击, 熔池深度必须超过氧流对熔池的最大穿透深度。 (2)炉容比:合适的炉容比对转炉炼钢操作有一定的影响。炉容比过大则会增加炼钢成本;炉容比过小则容易出现喷溅，降低炉衬使用寿命，不利于提高转炉生产率。因此在转炉生产过程中应保持设计时确定的炉容比。 (3)供氧制度:确定科学、合理的供氧制度，保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速度、控制喷溅和去除钢中气体与夹杂物，合理控制终点碳和温度，对转炉强化冶炼、扩大钢的品种、提高钢的质量以及提高炉衬使用寿命都有重要影响。 (4)造渣制度:转炉炉渣状况对炉衬侵蚀程度有较大影响。制定合理的造渣制度不仅可以确保转炉冶炼顺行、降低原材料消耗，还可以减缓转炉炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬使用寿命。 (5)原材料质量:转炉炼钢用原材料质量对炉衬寿命有一定影响。具体有: 铁水:铁水是转炉炼钢的主要原料。合适的硅含量、低硫含量、具有高而稳定的温度、带渣量少的铁水对保证转炉冶炼操作稳定、减少炉衬侵蚀速度具有重要作用。 废钢:废钢是用于平衡转炉热量的材料。其块度、各种元素含量及清洁程度直接影响转炉炉衬侵蚀速度。一般对废钢的要求有:块度大小应保证能从炉口顺利加入，不能过重，不得混入铁合金，不能带入任何杂质，各种成分含量需符合规定要求。 造渣材料:石灰是炼钢主要造渣材料，其有效氧化钙、生过烧率以及活性度指标对使用效果有很大影响，必须符合规定要求; 调渣剂:为确保炉渣中保持一定的氧化镁含量，减少炉衬镁含量的流失，在造渣过程中需加入一定的调渣剂。因此要求调渣剂中要具有一定的镁含量，同时杂质含量要符合规定要求。助熔剂:由于萤石供应原因及使用时的副作用，因此现在一般采用铁锰矿石、氧化铁皮或铁矿石作为助熔剂。 (6)温度制度:炼钢过程温度控制和终点温度控制对转炉炉衬侵蚀速度影响也比较大。因此，在满足钢水浇铸的前提下，炼钢过程温度控制和终点温度越低对提高炉衬寿命就越有利。 (7)转炉炉衬维护 溅渣护炉 溅渣所用的终点炉渣要“溅得起、粘得住、耐侵蚀”。故首先要调整好炉渣的成分、温度和流动性，溅渣时需采用合适的枪位、压力及流量，要保证有充足的溅渣时间。 及时修补炉衬转炉前、后大面及两侧耳轴是易损部位.在转炉服役过程中必须进行修补。修补原则是:及时修补，在炉衬侵蚀不严重进行修补可提高补炉效果，包括前后大面和两侧耳轴。如果侵蚀严重了再补炉或喷补，则会大大降低补炉效果。出钢口状况不仅影响其使用安全，同时也影响钢水质量，必须及时进行更换。 (8)生产组织生产组织是否合理对转炉炉龄也产生一定影响:减少铁水或钢水的泡炉时间、及时安排转炉炉衬维护、保证转炉溅渣护炉、提高设备运转率以减少转炉热停时间、根据品种计划合理安排生产等等。这些因素都对转炉炉衬维护有较大影响。3 结论镁碳砖具有生产工艺简单、理化性能优良、对环境没有任何污染、施工方法简便的特点，被广泛用于各种冶金炉窑。本钢炼钢厂于90年代初期将镁碳砖用于转炉砌筑，经过不断进行改进，转炉平均炉龄已从最初的千次左右提高到2003年的9425次，最高炉龄达到10328次。转炉炉龄是衡量炼钢厂管理水平的一项综合技术指标，影响因素多且互相牵连。不仅对炼钢成本产生直接影响，同时也对炼钢厂的生产效率有较大的影响。转炉炉龄的大幅度提高，对降低炼钢成本、提高炼钢生产效率具有重大意义。电弧炉炼钢工安全操作规程1应将电炉前各种材料，工具放到指定地点。 2电炉送电前，应检查所属机械、电器、水冷、液压(或气压)、除尘装置，使其符合安全规定。 3当出钢坑和炉前出渣坑中有水，炉底过深，炉壁损坏超过规定时，不得送电炼钢。 4炉料要有专人负责检查。严禁将易爆物，密封容器及水、雪块或带水的炉料装入，以防爆炸。 5当停炉超过24小时，应检查炉膛情况。发现炉内潮湿或者有水，应设法进行烘烤，干燥后方可装料熔炼。 6需要二次装料时，在装料前必须把炉门坎垫高，垫牢，以防钢水跑出。炉料高出炉壳需要吊车压料时，要有专人指挥，并遵守挂钩工安全操作规程。 7吹氧前：应检查好阀门，压力表，氧管(带)，卡头要把好，卡紧。 8吹氧时：要有专人看管阀门和仪表，并互相配合好，操作时严禁将手放在卡子上，以防回火伤人，氧气压力应保持0608兆帕，吹氧熔化合金时，也不要超过1.2兆帕。 9加矿石或吹氧氧化时，不得过猛过急，以防大沸腾跑钢伤人。自动流渣时，严禁使用潮湿材料掩压，以防爆炸。 10捅料、揽拌，扒渣时，炉门坎必须加横杠，并使其接地，以防触电。 11样勺、样模，拨样板等要经常保持干燥，剩余钢水要倒在干燥的地方，以防钢花伤人。 12严禁带负荷停电，也不得两相送电。送电时，不得有人在炉顶操作。接放电极时，必须和配电员联系好，先停电，后操作。操作者严禁站在炉盖上。 13调换电极时，要先将电源切断。通电时要检查电压是否合乎要求，通电后电流不得超过规定数值。 14冶炼中要对变压器定期进行检查。如升温超过规定数值，要立即采取措施。 15还原期加粉散状材料时，应侧身投料，以防喷火伤人。 16打出钢口时，要站在出钢槽两侧，不得站在槽子上。出钢口打开后，不得用铁管探渣。 17打锤不得带手套。横打时，握撬杠者应在打锤者的对面，立打时，应在侧面。 18翻炉时要注意限位，限位不灵时应及时修理。严禁超越限位强制翻炉。 19电炉炉盖旋转时，要和炉后联系好，不许向前转。电炉渣盆起吊时要有专人指挥。 20炉顶及炉顶支架上不得存放物件，在炉顶支架上工作时，不得上下投掷物件。 21使用水冷炉壁时，炉料装入量要尽量准确。熔化后发现钢水过多时，应放至适当，再进行冶炼，严禁垫高炉门坎操作。 22出钢时，先切断电源升起电极，并检查出钢口是否畅通。出钢坑潮湿时应缓慢翻炉，不要把钢水翻出外边。 23装料前发现炉内有未凝固的残余钢水，要用石灰掩盖，以免装料时溅出钢水伤人。 24打断钢样时，要检查锤头是否牢固，四周不允许站人，以免钢样飞起伤人。 25使用风动送样时，要先给化验室信号，小门不关严不允许开气阀。化验室返回信号时，立即停风关好小门。 26使用水冷炉盖时，炉料不要接触炉盖，以防短路把炉盖打漏。炉盖漏水时应及时更换或焊补，严禁漏水冶炼。 27冶炼中，发现冷水部位漏水，应及时查明漏水部位，采取措施，严禁随意翻炉。消失模铸造涂料的研究【摘 要】涂料是消失模铸造中的一个关键环节，本文通过分析金属泡沫模型涂料型砂的界面反应来探讨涂料在铸造过程中传热、传质、控制金属流动性等作用和功能，对于涂料的成分设计、性能参数、以及性能和结构的关系作了概述。【关键词】消失模铸造，涂料，性能，结构1简介消失模铸造(又称实型铸造)是一种近乎无余量、精确成形的铸造工艺。第一份关于该技术的专利于1958年发表(Shroyer，1958)，但其快速发展和应用还是在近二十年，广泛用于铸铝、铸铁及铸钢，尤其是在大批量生产诸如汽车和船用发动机缸体缸盖等零件时显示出其优越性。消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型，涂刷专用耐火涂料并烘干后，埋在干砂中振动造型，然后浇注，高温液态金属使模型液化和气化，并占据原泡沫模型的位置，凝固冷却后形成铸件。由于其故有的特点，该方法获得的铸件表面光洁度远高于常用的传统的粘土砂铸造和砂型铸造，不需要制芯，不用分型，砂不用粘接剂，清理容易，铸造环境好，可用于铸造诸如复杂的发动机缸体缸盖并给予产品设计更多的自由度。消失模铸造技术水准高，工艺过程控制复杂，对于原辅料要求严格，如耐火涂料的使用就是其中很关键的一环。本文将探讨耐火涂料在消失模铸造过程中的作用、要求、成分设计、性能及其与结构的关系等。2金属泡沫模型涂料型砂的界面反应消失模铸造用耐火涂料是介于泡沫模型和砂之间的一道屏障，在浇注过程中，耐火涂料是液态金属泡沫模型涂料型砂这整个系统中的一环，因此充分理解这整个系统的在浇注过程所发生的一系列反应有助于理解涂料在消失模铸造工艺中的作用及性能要求。关于消失模铸造浇注过程中金属填充的机理一直是一项研究热点。当液态金属流入而接触到泡沫模型的一瞬问，泡沫的融化和分解就开始了，模型被融解而金属填充留下的空腔。在流动的金属和模型之问有一段间隙，充满了泡沫中原有的空气及泡沫融化和分解的产物(Bates et a1，2001)。泡沫的融化和分解产生的碳氢化合物中既有液体也有气体，其成分随温度变化而不同(Kobzar and Ivanyuk，1975；Tseng and Askeland，1992；)，这些液体和气体必须以特定的速度被涂层吸收并部分或全部进入外围的砂子中。在铸铝时，铝液融化EPs，液态的分解产物被推至空腔壁也就是涂层附近，在达到一定的温度后液态的分解产物会润湿涂层，并在涂层温度升至325到400之间时随即渗入涂层；如果涂料的透气性适当，当温度继续上升时EPs可以被气化分解而透过涂层进入砂子中(Sun et al，1992)。由于铸铝时温度不是非常高，在金属浇注停止后液态的分解产物润湿并渗入涂层的过程仍会继续。涂料的透气性应该设计适当以便空气及泡沫分解产生的气体在液态的分解产物完全润湿并覆盖整个涂层之前被排放出去从而避免产生铸造缺陷(Sun et al，1992)。在铸铁时，温度更高，EPs被融化产生的气体更多而液体更少，因此在金属涂层界面的液态分解产物会较少而需要通过涂层排出的气体增多。液态金属的流动性及充满型腔的过程在很大程度上取决与分解产物的排放(Fu et al.，1995)，在铸铝的温度下，液态分解产物的排放是关键；在铸铁和钢的温度下，气体产物的逸出则更重要。由此可见涂层在消失模铸造过程中起作控制传质和传热的双重作用。透过涂层传质的过程中，液体和气体分解产物的传递共同存在且相互竞争，互相作用的结果是影响和决定了型腔充满的机制和速度。如果液体分解产物过快地润湿并完全覆盖整个涂层，空气和气体分解产物将会聚集在液态金属和涂层之间，由此而产生的压力会延缓金属的流动，甚至可导致冷隔的产生。相反，如果气体逸出涂层过快而液体分解产物润湿和渗透入涂层太慢，金属的流动会太快而将液体分解产物卷入流动的金属液体中，最终将形成气孔和表面缺陷(Liu et al，1997)。在涂层的另一面是砂子，在砂子注入和震实时涂层机械支持泡沫模型保护其不被压缩变形或断裂。在浇铸过程中，涂层既承受来自砂子的压应力，同时还受到来自流动金属及泡沫模型分解产生的气体和液体的压应力，尽管两种压力方向相反可以互相抵消一部分应力，涂层仍应有足够的强度承受热冲击和应力并同时让部分分解物逸出。透过涂层传递而来的热量和物质部分进入其周围的砂子，砂子的温度上升并有部分分解产物残留在砂子中(Fu et al，1996)3消失模涂料的作用和功能如上所述，消失模涂料的作用在于支撑和保护泡沫模型、防止液态金属渗入砂子和粘砂、吸收分解产物和让分解气体通过涂层、保持泡沫模型挥发后形成的型腔的完整、并保持液态金属热量不会很快散发。因此消失模涂料的使用可以降低铸件表面粗糙度，确保铸件精度减少或防止铸件粘砂、砂眼、气孔、金属渗透、冷隔、浇不到、积碳等缺陷。所以消失模涂料应具有足够的耐火度、一定的机械强度、恰当的保温和导热性能、合适的透气性和吸收液体分解产物的能力、光滑的表面、足够的涂刷性能、不与泡沫模型发生化学反应等。4消失模涂料的成分设计消失模铸造用涂料的基本成分包括耐火材料、载体、粘结剂、悬浮剂、防腐剂、表面活性剂、去沫剂等(Martinez，1990)。耐火材料是涂料的骨架，保证其耐热性、强度及透气性等从而避免粘砂、毛刺等缺陷、获得光滑表面。耐火材料一般是陶瓷粉末，种类选择取决于浇注金属种类、浇注温度、零件厚度、造型砂的性能等。为达到最佳效果，可以选择同一种耐火材料但不同颗粒大小的粉末混用、或几种不同种类不同颗粒形状和大小的陶瓷粉末混用。常用的有二氧化硅、氧化铝、锆英石、铬铁矿、硅酸铝等(Bates et al，2001)。载体则是调整涂料的粘度并将耐火材料涂上泡沫模型且有一定的厚度所必须的，对于消失模铸造用涂料来说一般是水，极少用酒精，不能用其他可能与泡沫模型起化学反应的有机溶剂。粘结剂则将涂料内的各组分粘结在一起并在涂刷时保证涂料粘结在泡沫模型的表面，粘结剂多为一种或几种有机粘结剂。粘结剂除了在涂料被烘干前保证涂料粘结在泡沫模型的表面，还要在涂料被烘干后和浇注时为涂料提供一定的强度。悬浮剂的主要作用是与载体形成胶体从而将耐火陶瓷粉末悬浮起来，以保证涂料的流动性，防止固体颗粒的聚集和沉淀。防腐剂控制细菌和微生物在涂料中的生长，以防止涂料腐坏变质。表面活性剂主要使涂料生产过程中固体颗粒更易被润湿并使涂料在使用时更易润湿泡沫模型表面。去沫剂则用于使涂料生产和使用时不产生大量泡沫。为美观和管理方便，涂料中还可加入颜料。各种组分可以有多种选择，但需要注意的是有些组分之问会相互作用，有些组分会同时影响涂料的几方面的性能。涂料的成分设计多是基于经验和大量的试验，也有少量已发表的文献触及涂料的性能和组织结构的关系。5消失模涂料的性能参数消失模铸造用涂料的使用性能主要是热性能和透气性，这两项决定了其在浇注过程中的作用。在实际操作中则需要测量和或控制其粘度、固体含量、透气性、pH值等。只有确保涂料的性能稳定一致，才可保证消失模铸造产品的质量。51 粘度 粘度描述的是流动对于剪切力的反应，是衡量涂料的流动性的一项重要指标，粘度虽然、主要取决于涂料的成分，但也受搅拌过程的影响。尤其是在涂料使用时涂料的粘度会根据需要调整到恰当的范围中，对于粘度的测量和监控尤为重要。粘度的变化会影响到涂料的其他相关性能如固体含量、厚度及透气性等，并进而影响铸件质量。消失模铸造用涂料一般是剪切稀释，在涂料制造过程中延长搅拌时间会导致粘度下降而透气性相对稳定，在使用时涂料的粘度会随着搅拌时间的延长而进一步下降，过度搅拌还可能引起透气性上升(Bambauer et al，1996)。因此粘度的控制尤其重要。52 透气性透气性直接控制着泡沫融化和分解的产物逸出的速度，从而决定了液态金属的流动速度，进而决定了是否可以消除气孔、冷隔、浇不到、积碳等缺陷的产生。透气性的直接测量对于涂料质量控制尤为重要。由于涂料在高温下使用，直接测量其在使用状态下的透气性很困难，现有方法均为在常温下进行。现阶段使用得比较广泛的有两种方法，一种是由是由美国阿拉巴马大学(UAB-Birmingham)发明的(Bates et al，2001)，通过测量在不同压力下气体流过覆盖有涂料并烘干的屏筛的量从而计算出涂层的透气系数。另一种由GM的Kocan(1996)提出，直接使用原用于测量型砂透气性的DietertPerm-meter,只是将试样装夹台加以改装以承载覆盖有涂料并烘干的屏筛，测量气体在固定压力下通过涂层的速度。GM法由于其方便更广泛地应有于消失模铸造生产厂家，虽然只是一个半定量的方法，但其重复性好，已成功到用于生产厂质量控制。但该方法未考虑涂层的厚度的影响，因此在实际生产中还需测量涂层的厚度并加以控制。实际研究表明，在涂料的可使用的粘度范围内，使用GM法测得的透气性值与涂层的厚度的乘积几乎不随粘度变化而改变，因此在北美已开始采用透气性值与涂层的厚度的乘积，也就是校正透气性值(Normalized Permeabilityl，来作为质量控制参数并已被实践证明可行。一般在讨论透气性时是指涂层的透气性，在前