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耐火材料行业知识

低碳镁碳砖用于不锈钢钢包生产实践

低碳镁碳砖用于不锈钢钢包生产实践

胡兴波,孙兆利,范晓坤

(山东烟台华新不锈钢有限公司    烟台   246006)


 要:讨论了在不锈钢冶炼过程中钢包工作层使用低碳镁碳砖取代富镁白云石不烧砖的可行性,并对钢水的增碳量以及钢包保温性的改善方面进行了探讨,证实低碳镁碳砖配合保温性能更好的永久层材料,可以取代富镁白云石不烧砖用于不锈钢的生产。

关键词:低碳镁碳砖;抗渣侵蚀性;增碳量;导热系数

中图分类号:TQ175    文献标识码:B     


The practice of that Low-Carbon MgO-C brick used in the ladle of stainless steel

Hu Xingbo Sun Zhaoli   Fan Xiaokun

(Yan Tai walsin Lihua Stainless Steel Co., LTD YanTai  246006)

Abstract:Discussed the feasibility in the stainless steel smelting process of the use of Low-Carbon MgO-C brick to replace magnesium dolomite unburned brick. And the increase of carbon for the molten steel as well as improve the insulation performance of the ladle are discussed in this paper, proven that Low-carbon MgO-C brick in concert with permanent layer with better insulation performance of material that can replace the magnesium dolomite unburned brick for the production of stainless steel.

Key words: Low-Carbon MgO-C, Resistance to steel slag corrosion, The increase of carbon for the molten steel, Thermal conductivity


前言

白云石系耐材因具有良好的耐高温性能、抗渣性、高温真空下良好的体积稳定性以及可以净化钢水等优点,在钢铁企业中得到了广泛的应用,同时亦存在着易水化性以及热稳定性差使用中开裂问题等[1]。我厂不锈钢钢包熔池及包底位置一直使用的是碳含量不超过5%的富镁白云石不烧砖。因无AOD炉,全程冶炼均在钢包内进行,钢水在钢包中的平均滞留时间长达6 h以上,同时,考虑到耗电成本问题,采用避高峰间歇式生产方式,导致钢包长时间处于烘烤保温状态。温度高、冶炼时间长、双吹氩砖氩气/氮气搅拌剧烈等因素导致钢包包龄较低。经过多次改善,钢包包龄虽有提升,但热态使用过程中熔池部位钢包砖依然有着大量开裂,存在较严重的安全隐患,限制着钢包包龄的提升。

目前低碳镁碳砖的研究主要集中在结合剂和碳素原料上[2],已经取得了一些突破式进展[3-4]。经了解,国内一些大型不锈钢厂钢包使用低碳镁碳砖取代富镁白云石不烧砖用于钢包熔池及包底位置,效果良好[5]。考虑到富镁白云石不烧砖使用寿命已经到达使用瓶颈,无较大的提升潜力,且存在着安全隐患,我厂决定试用低碳镁碳砖取代富镁白云石不烧砖用于钢包熔池及包底工作层。

2.炼钢工艺流程介绍

我厂冶炼工艺流程为三段式生产模式,主要以连铸坯为主,并辅以各尺寸模铸钢锭。产品包含低碳、低氮各系列钢种,主要有201/202303304/304L308/309316L/316Ti3182205347H310314430630T91。生产工艺流程简图如图1所示,钢包示意图如图2所示。

图片


1 生产工艺流程简图

Fig.1 The production process flow diagram

图片


2 钢包示意图

Fig.2 The schematic diagram of the ladle

设备参数如表1所示。

1 主要冶炼设备参数

Table 1 The parameters of the main smelting equipment



设备名称

主要参数

主要作用

电炉

公称容量60T,变压器额定容量45MVA

废不锈钢/合金熔化

LC/LF

公称容量60TLF变压器额定容量6300KVA

1LC工位吹氧初级脱碳并对钢水成分进行初步调整,出钢温度1720-1760℃;

2LF工位钢水温度/成分调整。

VOD

公称容量60T,极限真空度15Pa

真空吹氧脱碳、真空还原、成分微调


低碳镁碳砖使用分析

3.1 低碳镁碳砖抗渣性能测试

为了解低碳镁碳砖在不锈钢生产应用的可行性,上线试用之前对其进行抗渣性能测试,并与富镁白云石不烧砖进行对比。所测试低碳镁碳砖为采用高纯电熔镁砂和复合碳素作为主要原料,基质中添加复合抗氧化剂和增强剂,以酚醛树脂为结合剂,高压成型后经200 ℃烘烤处理而制备。所测试富镁白云石不烧砖为采用高纯电熔镁砂和回转窑煅烧白云石为主要原料,基质中添加复合抗氧化剂和增强剂,以改性液体沥青为结合剂,高压成型后经250 ℃烘烤处理而制备。所选择的两种样品砖的各项理化指标见表2


2 低碳镁碳砖和富镁白云石不烧砖各项理化指标对比

Table 2 Composition comparison of the physical and chemical indicators between Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick



类型

低碳镁碳砖

富镁白云石不烧砖

MgO(%)

91.15

60.8

CaO(%)

1.25

37.4

C(%)

5.8

3.6

显气孔率(%)

2.9

12.8

体积密度(g/cm3)

3.15

2.94

耐压强度(Mpa)

112

96.2

导热系数(W/m·k)

5.0

3.23


通过静态坩埚法对两种样品砖进行抗渣试验,测试条件1650 ℃×3 h,试验钢渣为我厂冶炼某特殊钢种的VOD钢渣,其化学成分如表3所示。

3 我厂某VOD钢渣的化学成分

Table 3 The chemical composition of some kind of VOD slag

Table 3 The chemical composition of some kind of VOD slag


化学成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

MnO

含量/%

2.94

19.82

0.3

63.34

6.69

0.17


由表3化学成分可知其主要成分为CaOAl2O3,通过X射线衍射仪鉴定该钢渣的主要物相为CaO和七铝酸十二钙(7Al2O312CaOAC12),因AC12的熔点处于1415~1495 之间,在钢水精炼过程中呈低粘度液相,对耐火材料有很强的侵蚀性和渗透性。

两种样品砖静态坩埚法抗渣试验后的剖面照片见图3,测得低碳镁碳砖和富镁白云石不烧砖的侵蚀宽度分别1.10 mm1.05 mm,说明二种样品抗侵蚀性基本相当。此外,观察两种样品砖坩埚中的残渣,发现低碳镁碳砖中的残渣量比富镁白云石不烧砖多,即低碳镁碳砖比富镁白云石不烧砖具有更好的抗渣渗透性能,这与低碳镁碳砖具有更大的致密度是分不开的。

图片


(a) 低碳镁碳砖                    (b) 富镁白云石不烧砖

3 低碳镁碳砖和富镁白云石不烧砖抗渣性试验后的剖面照片

Fig.3 The sectional photos of Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick after slag resistance test

经由对比测试可知,该低碳镁碳砖可以在我厂钢包上进行试用。


3.2 低碳镁碳砖的试用

2013年年底,引进浙江某耐火材料厂生产的两套低碳镁碳砖用于我厂60T钢包包底及熔池部位,其平均包龄为17.5次,同期富镁白云石不烧砖钢包包龄为14.4次,提高3.1次,同时下线残存低碳镁碳砖要较富镁白云石不烧砖提高15 mm。安全性和包龄都得以提升。

富镁白云石不烧砖在线使用中即可观察到有开裂情况,中修/大修时开裂缝有进一步扩大现象,并且裂缝内有夹渣,说明在线使用中该处缝隙并非表面裂纹;低碳镁碳砖在线使用中发现无开裂问题,而下线中修/大修的冷却过程中会出现冷缩缝开裂,其开裂缝宽度最大处约10 mm。二者相比较可以看出,低碳镁碳砖在使用安全性方面要较富镁白云石不烧砖高,但低碳镁碳砖下线冷却过程中的开裂问题导致钢包无法中修处理,难以满足灵活生产需求。

根据分析,低碳镁碳砖中碳含量降低以后,砖的热导率下降,弹性模量增大,从而使砖的抗热震稳定性变差,使熔渣及钢水与低碳镁碳砖的润湿性增强,抗熔渣及钢水的渗透性变差[6],导致低碳镁碳砖在使用过程中出现开裂问题。而碳含量过高会造成钢水增碳等问题,难以满足低碳不锈钢生产需求[7]

供应低碳镁碳砖的耐火材料厂商随后在抗氧化剂以及镁砂等方面进行了改善,使得下线冷却过程中的开裂问题明显减少。我厂至2015年全部使用改善后的低碳镁碳砖,下线冷却过程中未再出现较大的开裂缝,亦无剥落问题出现,钢包平均寿命已经达到18.4次,较改善前提升27.7%

3.3 低碳镁碳砖增碳分析

2表明富镁白云石不烧砖碳含量分布在3.0 %- 4.0 %,低碳镁碳砖碳含量分布在5.5%-6.5 %,因而理论上来说低碳镁碳砖相较于富镁白云石不烧砖可能存在着较多的增碳问题。在测试低碳镁碳砖的同时,跟踪VOD破空至连铸取样区间内,未添加高碳合金情况下的钢水增碳量,其数据如图4所示。

图片


4 富镁白云石不烧砖和低碳镁碳砖对钢水增碳量对比

Fig.4 Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick increase of carbon for the molten steel

可以看出低碳镁碳砖对钢水的增碳量要比富镁白云石不烧砖的增碳量略高,但大部分炉次增碳量在50ppm以下,基本可以满足低碳钢种的生产需求。

3.4 钢包保温问题

低碳镁碳砖的导热系数为5.0 W/m·k,较富镁白云石不烧砖(3.23 W/m·k)高出许多,在使用过程中发现钢包外壳温度过高,甚至出现过钢包外壳发红的现象。为保护钢包外壳,提高使用安全性,需要对钢包保温性能进行配套改善。未测试低碳镁碳砖前钢包的保温层为一层厚度为32 mm的轻质保温隔热砖,永久层为一层厚度为64 mm的烧成镁砖,为提高保温性能,考虑使用保温性能更好的高铝浇注料、叶腊石砖搭配镁硅质轻质保温板,烧成镁砖、高铝浇注料和叶腊石砖导热系数如表4所示。

4 各永久层材料在不同温度下的导热系数(W/m·k)

Table 4 Thermal conductivity of different insulation materials at different temperatures (W/m·k)



T()

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

烧成镁砖

8.49

7.37

6.36

5.48

4.71

4.07

3.56

3.15

2.87

2.7

高铝浇注料

1.89

1.93

1.98

2.02

2.07

2.11

2.155

2.2

2.25

2.29

蜡石砖

1.09

1.1

1.12

1.13

1.15

1.16

1.18

1.19

1.21

1.22

由表4可以看出镁砖的导热系数最高,说明该改善具有一定的可行性 。为此制定了如下五组对比测试,测试方案及说明如表5所示。

5 测试方案说明

Table 5 The narrative of test program

方案编号

保温层

永久层

工作层

1

32mm厚轻质保温隔热砖

64mm厚烧成镁砖

低碳镁碳砖

2

10mm厚轻质保温板

86mm厚高铝浇注料

低碳镁碳砖

3

32mm厚轻质保温隔热砖

64mm厚烧成镁砖

富镁白云石不烧砖

4

10mm厚轻质保温板

30mm厚叶腊石砖和64mm厚高铝砖

低碳镁碳砖

5

10mm厚轻质保温板

30mm厚叶腊石砖和64mm厚高铝砖

富镁白云石不烧砖

对比方法为测量钢包浇注结束后相同熔池部位钢包外壳的温度变化曲线,测量仪器为同一把红外测温枪(XT-672),变化曲线如图5所示。

图片


5 钢包外壳温度分布图

Fig.5 Temperature distribution of the ladle shell

由图表数据分析可得,保温性能未改善以前的方案1钢包外壳温度最高,方案二和方案三钢包外壳温度基本相同,方案4相较于未测试低碳镁碳砖以前的方案2,钢包外壳温度要低约50 ℃。结合安全性、使用寿命、保温性能以及成本等问题,决定保温层采用10mm轻质保温板,永久层采用30mm厚叶腊石砖和64mm厚高铝砖。

结论

综合数据分析可以看出,低碳镁碳砖配合保温性能更好的高铝浇注料和叶蜡石砖永久层,可以取代富镁白云石不烧砖用于冶炼低碳不锈钢作业,具体表现为:


1)使用低碳镁碳砖后钢包平均包龄明显提升,降低了钢包砖耐材成本;

2)低碳镁碳砖较富镁白云石不烧砖对钢水的增碳量稍高10-20ppm,可以满足不锈钢冶炼需求;

3)低碳镁碳砖使用过程中较富镁白云石不烧砖收缩开裂明显减少,显着提升了钢包使用安全性。

   

[1] 姜茂华.不锈钢冶炼用镁钙质耐火制品的国内生产与使用现况[G],耐火材料2003,37(2)111-114.

[2] 曾存峰,田守信.徐延庆.国外低碳镁碳耐火材料的研究进展[G].河南冶金,2006,14(3):3-38.

[3] 王志强,朱伯铨等.B4CSi组合抗氧化剂对低碳MgO-C砖抗氧化性能的影响[G].耐火材料,2008,42(3):161-164.

[4] 朱强,孙勇,于景坤等。SiC-Al2O3复合粉体的合成以及在低碳镁碳砖中的应用[G].材料与冶金学报,2008,7(2):118-121.

[5] 石永午,贾新军,魏鹏程.低碳镁碳砖的研制和应用[G],包钢科技,2012,38(1):17-19.

[6] 朱伯铨,张文杰.低碳镁碳砖的研究现状与发展[G].武汉科技大学学报.2008,31(3):233-237.

[7] 杨红,孙加林,谭莹.钢包用低碳MgO-C砖开发与应用[G].冶金能源,2009,28(3):47-50.


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