钢包透气砖热修补材料及工艺开发

1、钢包透气砖热修补材料及工艺开发摘要 2005年首钢第三炼钢厂实施了炉下钢包底吹氩工艺，以提高钢水精炼质量，钢包透气砖使用寿命再次成为关键。为此，从热修补工艺及材料等方面开展了应用研究工作，以期在最大限度保证透气砖透气性的前提下，维持透气砖使用寿命与钢包内衬寿命同步，使透气砖适应三炼钢生产工艺变化的需求。关键词 透气砖、修补、喷射、投射、耐火材料一前言首钢第三炼钢厂90t钢包内筑有两块透气砖，交替使用，总寿命3839次，透气砖停止使用后，残砖高度由原始440mm降至100120mm左右，蚀损速率约为1716mm/次，基本达到安全使用极限。2005年三炼钢厂开始实施炉下钢包底吹氩工艺，由于吹氩时间

2、相对延长，使用次数增加，透气砖蚀损也将可能随之增大，与钢包内衬寿命不相匹配，直接影响钢包包龄和钢包的正常周转，造成提前甩包，或增加小修次数，相应地增加了耐火材料吨钢消耗/吨钢成本。本项目拟从透气砖热修补工艺和材料方面开展入手，以期在最大限度保证透气砖透气性的前提下，维持透气砖使用寿命与钢包内衬寿命同步，使透气砖适应三炼钢生产工艺变化的需求。二透气砖损毁分析及修补试验方案2.1 透气砖损毁在首钢第三炼钢厂，钢水连铸前要进行LF炉二次精炼，并通过透气砖向钢水中吹入氩气。其目的是：(1)使钢包内钢水的温度均一化；(2)使钢水成分均质化；(3)去除有害气体、去除非金属夹杂物；(4)对钢水成分、温度进行

3、微调，提高精炼效果。为此要求透气砖要具有使钢水翻腾的可靠性、安全性、高的耐用性。根据三炼钢钢包透气砖在实际吹氩操作作业时的使用状况(图1)。并结合相关文献介绍，归纳各阶段钢包透气砖的损毁表现为：接钢水 精炼处理 连铸 排渣 氧洗、反吹图 1. 透气砖作业周期1、由于钢水向贯通狭缝的渗入引起的损毁；2、钢水吹氩开始时，透气砖出气口四周的耐火材料，因与高温钢水(16001700)直接接触，受到高温钢水及不断流出的冷气流的影响，透气砖要承受巨大的温差作用，并将产生较大的热应力，而造成透气砖剥落损毁；3、钢水翻腾中，当底吹氩气进入正常喷射状态时，强烈的气泡组成气体喷射束，喷射束加强了钢包底部钢水的搅拌

4、，气相和液相相互作用形成卷流，底吹透气砖受到激烈的磨损；4、吹氩结束后，钢水有再度渗透到透气砖狭缝中的可能；5、浇铸完毕后受到钢渣的侵蚀作用；6、当下次再次进行底吹前，要用氧洗掉钢水渗透层，底吹透气砖受到显著的损毁；实施炉下钢包底吹氩工艺，由于吹氩时间相对延长，使用次数增加，透气砖蚀损也将可能随之增大，与钢包内衬寿命不相匹配，直接影响钢包包龄和钢包的正常周转，造成提前甩包，或增加小修次数。因此，必须考虑采取一定的措施来预防由于透气砖寿命与钢包内衬寿命不匹配而造成的钢包整体使用寿命的降低。2.2 透气修补料关于透气砖修补料，检索的相关文献中，仅发现三份描述武钢一、三炼钢厂修补转炉透气元件和钢包透

5、气砖的试验文献。其修补料以镁砂为主，核心技术是通过添加增孔剂，使修补料烧结后产生贯通的气孔，达到能透气的目的，并采用半干法喷补方式将修补料补在透气砖芯及其周围的耐材上(而实地的调研显示当时武钢的透气砖修补料是采用投补的方式进行，而且，由于后来钢包透气砖改为外装式，透气砖热修补随之停止)，利用钢包余热短暂烧结。与未实施喷补的透气砖相比，喷补后的透气砖侵蚀速率降低0.4mm/次。关于修补材料的透气性，有关浇注料抗爆裂性方面的研究会为我们提供一些帮助。如：Canon等人研究发现浇注料的透气性受连通性气孔的影响，而不是产生的气孔的数量和大小的影响；最大透气性的增加发生在含3mm纤维的样品中，透气性增加

6、机理由纤维添加所引起，与透气路径的产生有关；另外，添加乳酸铝，在基质中产生微小裂纹；以及使材料颗粒间形成不紧密堆积状态，也是增大材料的透气率的可考虑方案。根据透气砖材质(刚玉Cr2O3质/铝镁质)及镁质材料的特性，分析认为，在钢包透气砖部位使用镁质修补料是不尽合理的。因为在这里渣侵蚀不似钢包渣线那样为主要矛盾，镁质材料不仅不能充分体现其优良的抗渣侵蚀性，反而可能由于与基体材料热膨胀系数差异及温度骤变而产生剥落，加快修补料的蚀损。况且文献所述的透气砖修补料中还使用了部分含Cr的材料，对环境不友好。因此，试验拟采用镁铝(/尖晶石)质材料。修补方式拟试验热态湿式喷射修补与投射修补两种模式。三热修补材

7、料及工艺研究根据同一性原则，本试验的修补料原材料选择与钢包衬/透气砖相同/近似的铝镁质材料。先期试验的是喷射型修补料，但后期工业试验中发现无论在试验室试验还是现场试验，其透气性能只能达到精炼站底吹要求流量的65% (428ml/min)，因此弃之改而研制投射型修补料。投射型透气砖修补料的是按照颗粒不紧密堆积原则配制的，其透气通道是利用不紧密堆积的颗粒间的缝隙，5.3 试验室试验结果3.3.1热态湿式喷射修补材料的配制以矾土、镁砂为主要原材料，进行修补料的试验室调配试验。分别考察了结合剂、粒度分布、镁砂、透气性改良剂等因素对修补料施工性、透气性和基本物理性能的影响。图14是对影响透气砖修补料性能

8、的几个因素的考察。3.3.2 对线变化率的影响图1、图2分别是矾土、镁砂对铝-尖晶石质透气砖修补料和铝镁质透气砖修补料线变化率的影响。之所以关注修补料的烧后线变化率，是不希望出现镁质材料容易发生的烧后膨胀严重现象；因为分析认为，透气砖修补料若出现严重的膨胀，则透气通道内表面也将向通道内膨胀，会导致透气通道缩小，而影响材料的透气性。试验结果显示，随着镁砂的减少或矾土的增加，试样的线变化都是从膨胀逐渐变为收缩，所以要控制修补料的线变化必须控制矾土和镁砂的加入量或二者的搭配比例。另外，造孔剂也对修补料的线变化有影响，如图3 所示。3.1.2 对中温强度的影响结合剂对透气砖修补料中温强度的影响示于图4

9、，其中T15、T22为无机结合剂A；T18、T33为无机结合剂B；T29、T36、T37为凝聚结合剂。测试结果显示，三种类型的结合剂体系均能为透气砖修补料提供足够高的中温强度，但无机结合剂A和凝聚结合剂结合试样的中温强度稳定性相对高。考虑到无机结合剂通常是以钠盐形式提供，不可避免会使修补料中易形成低熔点矿相，控制不好会产生过烧结，所以，若修补过程中修补料的粘附性没有问题的话，应尽量选择凝聚结合剂体系，这对保障修补料基质纯度和修补料的高温使用性能有利。3.1.3对透气性的影响修补料透气性的改善主要通过添加造孔剂实现，造孔剂是不同丝径的纤维A和B的复合。图5显示了透气性改良剂对透气砖修补料透气性的

10、影响。该透气性试验是通过收集、测定透气试样出口排出的气体当压力达到2kg/cm2所需要的时间来间接地反映试样的透气性优劣，数值越低，说明达到2kg/cm2所需要的时间越短，则透气性越好。由图5可知，随着A:B比值的减小，修补料试样的透气性逐渐提高。通过收集透过试样的气体，测定了风压12kg/cm2时，试样透气量在260290 l/min。由于透气量不足，又试验了两种食品级的造孔材料和四种有机造孔材料以及化学发气造孔剂。试验发现，食品级的造孔材料由于遇水后具有膨胀性，易造成修补材料烘烤涨裂或烧成溃散，认为不宜将其用于透气砖修补料的造孔剂。四种有机造孔剂分别呈丝状、粒状和片状，其中粒状的有机造孔剂

11、也有遇水发涨的特性，致使试样开裂或溃散，无法简单地用于透气砖修补料。丝状的两种直径分别为0.5mm和0.81.0mm的造孔剂，可用于修补料中，但必须控制加入量不能过大，否则会影响修补材料的泵输送性。因此，在保证修补材料泵送性前提下，其加入量和透气量的提高都受到了限制。进一步的考察发现，两种丝径的造孔剂中丝径小的造孔剂由于形成的透气孔较小，因此对透气量的影响不甚明显，丝径大的则可有效地提高修补料的透气量，在试验的加入量下，修补料的透气量达到336357 ml/min(相当于精炼站透气量的5155%)。片状的有机造孔剂在三种新的有机造孔剂中透气效果最好，由1000烧后的试样断面看，由于其扁片形状且

12、相对较大，使其在修补料内形成了截面积相对较大的透气狭缝，与丝状造孔剂复合使用，可形成较为理想的透气通道。透气量达到了428ml/min(相当于精炼站透气量的65%)。即通过调整，修补料的透气量提高了1015%(表1)，表1 丝状有机造孔剂与片状有机造孔剂A1A2A13A14A15A16造孔剂掺 量丝状1.35a1.35aaa片状2aa4a3a流量,m3/min0.3660.3360.230.3570.3350.428流量,l/min3663362303573354283.1.4 热态湿式喷射喷补设备的开发由于20012003年开发的国产DX-PZS-1型喷射浇注机在喷枪前部加入压缩空气来实现材

13、料喷射，所以不适合用于热态的修补，必须改进。采用湿式喷射技术实施透气砖热修补，喷枪要伸入到钢包的底部，所以，喷枪的长度至少需要7m以上，喷射时压缩空气入口就不便设置在喷枪的头部，随喷枪进入钢包内了。原因有二：一是如果以软管送风，伸入钢包内显然是不可行的；二是如果以钢管送风，则会加重喷枪的重量，不便操作。但如果将压缩空气由喷枪尾部引入，根据已进行过的冷试结果，存在难以稳定地输送修补料的问题，而且有无法泵送材料的现象发生。所以，简单地照搬浇注料湿式喷射工艺和设备是不能实现热态修补的。改进后的透气砖热修补设备，修补料在一小型搅拌机内搅拌成能够输送的泥料，由螺杆泵将其输送至喷枪，在喷枪内物料被压缩空气

14、输送到待修补的透气砖表面。此工艺不使用絮凝剂。3.2投补型透气砖修补料的配制为了保证修补料的透气性，进行了投补型修补试验料的配制试验，取得较好的效果。试验料按照颗粒不紧密堆积的原则配料，并采用热固型结合剂，利用颗粒间的不紧密堆积，在修补料颗粒间留下大量的孔隙，并形成通道，以帮助实现透气性。试验室试验结果(表2和表3)显示，配制的投射型修补料具有较高的强度，且透气量较喷射型修补料有大幅度提高，接近三炼钢精炼站实测透气流量。表2 现场试验用投补型修补料基本性能抗折强度，Mpa线变化，%体密，g/cm3透气量，ml/min400×30min3.302.05582646(相当于三炼钢钢包透气

15、砖在精炼站实测透气流量的8898%)1000×3h5.101.981500×3h12.20-1.192.08表3 细粉加入量变化对投补型修补料透气性能的影响中细粒度材料量,%15+a10+a5+aa透气量, l/min260428558603与精炼站相比,%39.765.385.292.1细粉含量对透气性的影响试验结果显示，修补料的透气性随着细粉含量的降低而提高，可使投补型修补料的透气量稳定地达到三炼钢精炼站要求透气量的8892，即修补料由密不透气逐渐过渡到疏通透气状态，透气性能大增(表3)。因此，在配制修补料时，需严格检测所使用原料中10.088mm颗粒内的细粉含量，以使

16、修补料的透气性能达到试验室标准。四试验效果及分析4.1喷射型透气砖修补料喷射修补试验在一待修的热钢包透气砖上进行。喷射修补前，用氧气吹扫清理了透气砖表面的残钢渣，同时确认透气砖能够透气。然后，用改进的热修补喷射机对该包内的两块透气砖实施了喷射修补。修补后，待钢包自然冷却，检查修补情况。检查显示喷射型透气砖修补料粘附性良好，喷补层可满足修补需要；修补材料与喷补设备匹配性良好，能够顺畅地实施喷补施工。但采用丝状造孔剂的由于直径较小，透气量相对较低，仅达到三炼钢钢包透气砖在精炼站实测透气流量的4044%左右。采用片状有机造孔剂的修补料进行第二次透气砖喷射修补试验。修补料粘附性仍然良好，喷补层厚度达到

17、6080mm，最厚之处达到了110mm。但据剖开修补料观察内部状况发此，在热修钢包的时间内，修补料内部不能达到烧烬造孔剂的温度，使得造孔剂仍有部分残留于修补料内，以致用于透气的孔隙并未按预想的达到65%的效果，透气性不佳。4.2 投补型修补料的现场试验投补型透气砖修补料试验在小修包的新透气砖表面进行，修补料铺覆厚度3050mm，试验料临界粒度有5mm、8mm之分，并随小修后的钢包进行烘烤，在面压测试处检查透气性。根据观察，随着临界颗粒的增大，透气性能提高，且气体的喷出距离加大。而且按这种最不紧密堆积原则配制的修补料的热处理强度没有降低，能够保证修补料牢固地粘附于透气砖表面，起到保护透气砖的作用。投补型透气砖修补料在热钢包透气砖表面投补试验，通过专门设计的测量装置测量，其透气量可达到透气砖在精炼站透气量的81%。认为能够基本满足吹氩的要求。修补料由于是弥散型透气方式，其排气的方向和距离与目前直通狭缝型透气砖不一样。前者由于透气的通道无方向性，所以气体排出的方向在四面八方各个方向都有。且气体的喷射距