浸漬管在高鈦型釩鈦磁鐵礦冶煉中長壽化研究

盧 金，鄒宏軍

(攀枝花鋼城集團協力分公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

自20世紀50年代末期開始，RH的功能和精煉鋼種的范圍不斷擴大，已經發展成為多功能真空精煉技術，在爐外精煉中占主導地位。浸漬管是RH真空處理裝置的關鍵組成部件，其使用壽命直接影響RH真空處理裝置的作業率。目前，國內外各大型鋼廠均采用純凈鋼冶煉技術提高浸漬管的使用壽命，主要通過提高上一工序鋼水的純凈度控制、增加維護時間和減少處理周期等手段實現浸漬管使用壽命的提高，對浸漬管自身要求較低。然而，攀鋼煉鋼廠受原材料高鈦型釩鈦磁鐵礦的影響，在冶煉過程中，鋼渣流動性差、易結殼，導致浸漬管易粘渣，且難清理;另一方面，煉鋼生產節奏緊，每次處理完畢后，維護間隔僅10～15分鐘不等(國內外企業維護間隔1小時以上)。與此同時，RH處理周期長達25～30分鐘以上(國內外企業處理時間都在11分鐘以下)，上述因素加劇了浸漬管的損毀，降低了浸漬管的使用壽命。

煉鋼廠流程長，為補償過程溫降采用提高出鋼溫度，導致RH浸漬管受熔渣侵蝕嚴重。生產節奏緊，造成RH浸漬管維護時間明顯不足且不均勻。由此可見，攀鋼鋼鐵生產需對RH浸漬管的使用性能提出更高的要求。早期曾外購過國內較為先進的寶鋼浸漬管，在寶鋼使用次數高達120～140次，但在攀鋼釩鈦冶煉工藝中使用壽命僅40次左右，浸漬管使用壽命己成為制約攀鋼煉鋼廠RH真空精煉技術發展的難題。

2 工作原理

浸漬管由澆注料、鎂鉻磚和鋼結構組成，分為上升管和下降管。當鋼包移至處理工位時，浸漬管下端插入鋼液500～700 mm，啟動真空泵將真空室抽至100 mbar以下，產生的大氣壓力迫使鋼液從浸漬管流入真空室內(見圖1)。同時浸漬管上升管下部約三分之一處吹入Ar2，相對未吹Ar2的下降管產生較高的靜壓差，驅動鋼液通過真空室下部流向下降管，如此不斷循環反復。

圖1 浸漬管工作原理

3 損毀原因

浸漬管在使用過程中，內壁受高速氣流和鋼液的沖刷作用，外壁受熔渣的侵蝕和急冷急熱的作用，工作條件十分惡劣。此外，清理浸漬管外壁粘渣時機械損傷、澆注料與浸漬管鋼結構受熱后的熱膨脹系數不匹配等原因，也易導致浸漬管發生損毀現象［1］。目前攀鋼浸漬管損毀主要表現為掉料、襯磚剝落、穿孔和斷裂四種情況(見圖2)。通過跟蹤調研，損毀因素主要有以下幾方面:

圖2 浸漬管常見損毀情況

(1)振動時間長

攀鋼浸漬管澆注料為剛玉質耐火澆注料，趨于“速凝”類澆注料，加上施工現場溫度超過50℃，對澆注料振動時間要求較高，一般不宜超過10 min。而目前澆注料振動方式為人工用振動棒振動，平均振動時間長達20～30 min，致使流動性變差，為提高澆注料流動性，只有提高加水量，降低了澆注料強度。且時間過長易使澆注料產生分層，細粉浮在表面，骨料沉在底部，導致澆注料結合度降低而產生剝落。另在振動過程中，由于個人經驗水平不同以及操作責任心的差異，易造成澆注料振動不均勻而形成氣孔，導致澆注料的整體性能降低，在干燥時形成橫向裂紋。

(2)烘烤時間短

浸漬管中水分主要為吸附水和結晶水，吸附水是指吸附在耐火材料表面和縫隙中的自由水，結晶水是指在耐火材料結晶構造中占有固定位置的水分。其中吸附水在加溫至100～110℃時可全部從耐火材料中逸出，而結晶水需加溫至300℃以上才可逸出［2］。由于攀鋼生產節奏緊張，浸漬管烘烤時間僅40小時，其中0～110℃升溫時間為10小時，恒溫18小時，能夠充分排除吸附水;110～300℃升溫時間為12小時，無恒溫時間，結晶水無法及時排除，造成內存水汽壓力過高而在耐火材料表面形成裂紋，在浸漬管使用過程中，裂紋逐漸擴大直至被鋼渣侵蝕造成熱剝落，進而導致掉料甚至整體垮料。另外由于升溫過快，澆注料的中心與表面溫度差越來越大，出現溫度梯度誘導熱應力的產生，從而導致浸漬管表面開裂、凸起、脫落。

(3)焊接性能差

錨固件是將耐火材料與鋼結構連接起來的構件，一般焊接在一定位置上，以抵消靜荷載、熱應力、機械轉動或震動的作用，有助于預防浸漬管在使用過程中產生塌陷，并使收縮性均勻分散，避免浸漬管形成大而集中的裂紋。目前錨固件材質為1Cr20Ni14Si2不銹鋼，而鋼結構材質為20g，錨固件與鋼結構之間的焊接屬異種鋼焊接(化學成分對比見表1)，焊接后需進行熱處理以消除應力，但由于廠家選用的焊條與錨固件材質相近，焊接后未進行熱處理。且錨固件為圓形，在焊接時錨固件與鋼結構之間為點接觸，焊接處強度較差，在使用過程中由于溫度的急劇變化變化導致熱應力作用造成錨固件脆化而脫落;同時在使用過程中，澆注料受熱應力的作用，裂紋擴展加深、延長，當裂紋相互連接時，澆注料就被分割成塊，再加上錨固件蝕損后澆注料無依托，很容易出現垮料。

表1 錨固件和鋼結構化學成分對比(%)

(4)熔渣蝕損

以高鈦型釩鈦磁鐵礦為原料冶煉的高溫金屬熔體，在煉鋼過程中熔渣中的 V2O5、TiO2含量較高，使鋼渣具有熔化溫度低、粘度小的特點，對鎂鉻磚的滲透能力遠大于普通鋼渣。加上鎂鉻磚存在一定的氣孔，含釩熔渣極易滲入，并在磚內形成了變質層，導致變質層與未變質層之間產生了與工作面平行的龜裂以致剝落而造成提前損毀。同時，滲入的熔渣中富含 Si4+、Ca2+、AL3+與鎂鉻磚中的方鎂石固溶體反應形成低熔點硅酸鹽相，使磚熱面結構疏松，強度降低，破壞了顆粒間脫落的直接結合，再加上高速流動的鋼水沖刷作用極易使顆粒脫落而損毀［3］。浸漬管鎂鉻磚共4環，連接處均存在一定的縫隙，在處理鋼液時易被熔渣滲入，特別是第二環磚和第三環磚接縫處，經常在表面形成30～50 mm深，35～45 mm長的滲透層，滲入熔渣較多且深。

4 改進措施

(1)改進振動方式

澆注料成型后的充填密度與振動器數量、振動頻率有密切關系。為使澆注料振動均勻，振動器數量須≥2臺;為提高充填密度，振動頻率應在50 Hz以上［4］。目前攀鋼模具為“三瓣”式模具，在每瓣模具外壁上安裝一臺功率1.1 kW，額定頻率為50 Hz的振動電機，振動電機不直接與澆注料接觸，通過模具振動而提高澆注料致密性，將振動方式優化為自動振動。

原先澆注料需全部加至模具后方能開始振動，優化后可邊加料邊振動，料全部加完后，再振動3～4 min，總體振動時間控制在8～10 min，滿足了需求。且澆注料振動均勻，耐火骨料和粉料結合緊密，使體積密度提升。同時因澆注料流動性較好，加水量由原先7%縮至4%，避免因加水量過多導致澆注料成型后內部氣孔率高，材料強度降低的現象。

振動方式改進后，從顯微結構看(見圖3)，人工振動后的澆注料致密性較差，顆粒與顆粒之間存在較多白色的氣孔;而自動振動后的澆注料顆粒密集地充填于每個角落，致密性較強，白色氣孔大幅降低;當插入鋼水后，可有效阻止鋼渣對澆注料的侵蝕，阻止鋼渣持續滲透。

圖3 澆注料振動后顯微結構

從外觀質量來看(見圖4)，澆注料在額定頻率的振動作用下，加強了流動性，顆粒之間相互撞擊、摩擦，將空氣排擠出去。外部橫向或縱向裂紋明顯減少，無明顯氣孔或坑洞，光滑度也有所增加，改善了澆注料的抗熱震性，達到了提高使用壽命的目的。

圖4 澆注后澆注料表面質量

振動方式改變后，振動時間由20～30 min減至8～10 min，提高了澆注料料動性和致密性;加水量降至4%，氣孔率降低，體積密度升高。成型后的澆注料生成的水化物較少，在加熱烘烤時隨著溫度提高而逐漸燒結，強度也逐漸提高。無論從顯微結構還是從外觀質量看，整體性能均有大幅提高，避免在使用過程中鋼水沿裂紋滲入熔化錨固件，使澆注料失去支撐而掉料，或鋼水沿裂紋滲入蝕損鋼結構而燒穿。

(2)優化升溫曲線

浸漬管在干燥過程中，如果升溫過快，聚集在耐火材料中的內部水分無法及時排除，當水分壓力超過了耐火材料的極限強度，就會造成平行于工作面的層裂和表面剝落。這種內部層裂會導致在使用過程中出現大面積脫落和粘鋼，從而使浸漬管使用壽命下降。因此，升溫曲線應遵循“宜長不宜短，宜慢不宜快”的原則，既要使干燥速度盡可能快，而又不在浸漬管內產生大于破壞力的應力［5］。為徹底排除耐火材料中吸附水和結晶水，將烘烤時間延長至76小時，升溫曲線劃分為3個階段(升溫曲線見圖5):

①脫去吸附水階段:0～110℃升溫時間為10小時，恒溫12小時;

②脫去結晶水階段:110～300℃升溫時間為12小時，恒溫18小時;

③調整階段:由300℃緩慢降溫至0℃，降溫時間為24小時。

圖5 延長后烘烤升溫曲線

升溫曲線優化后，充分排除了耐火材料中的吸附水、結晶水和有機雜質等，促進了耐火材料的致密化。從烘烤后浸漬管澆注料和鎂鉻磚外觀來看(見圖6)，表面無橫向或縱向裂紋，提升了浸漬管耐磨性、抗氧化性和抗侵蝕性。

充分的養護時間以及合理的烘烤升溫曲線，讓浸漬管的內部水分得以充分排除而不產生惡性裂紋(如橫裂紋)，提高了耐火材料強度及抗熱震性能，最大限度地確保了浸漬管的使用壽命。

圖6 烘烤后浸漬管表面質量

(3)優化錨固件

針對錨固件存在的問題，結合鋼結構的形狀、澆注料的厚度、使用溫度和使用條件等，此次優化主要分為三個部分:

①攀鋼浸漬管鋼結構材質為20 g，用鋼結構本體材質替代原錨固件材質1Cr20Ni14Si2不銹鋼，使其線膨脹系數、屈服強度和抗拉強度相同，具有易焊接、相容性好、連接性強和冷熱膨脹匹配的優點。

②錨固件形狀優化為“波浪形”(見圖7)，長度為6～8 mm，為澆注料厚度的2/3，以免受高溫作用而融化和氧化;整體呈扁平狀，側面為鋸齒狀，以增大其與澆注料的接觸面積并起支撐作用;為了防止錨固件在加熱過程中有較大膨脹而使澆注料內產生過大的張應力，故而在錨固件表面涂上防腐漆，這些涂層在加熱過程中分解融化或燒掉，調節澆注料與錨固件之間的膨脹差別，從而減少裂紋和剝落。

圖7 錨固件優化后形狀

③金屬錨固件形狀優化為“Y”型，焊接方式改為坡口焊(見圖8)，增強焊接強度，加大對澆注料拉力，避免垮料情況的發生。將錨固件行內間距優化為200 mm，行與行之間間距為100 mm，錨固件最高高度不得超過澆注高度的80%，這樣使錨固件既具有足夠的支撐強度又不會導致耐火材料在熱脹冷縮過程中產生較大長度的裂紋。

圖8 優化錨固件排列方式

優化后的錨固件與鋼結構之間線膨脹系數、屈服強度和抗拉強度匹配，易于焊接;增加了與澆注料的接觸面積，支撐能力也隨之增加，有效減少了浸漬管在加熱過程中產生的熱應力;且調節了澆注料與錨固件之間的膨脹差別，膨脹系數與耐火材料相近，消除了因熱膨脹不匹配而產生的開裂、剝落。

(4)改進磚型

原 有 浸 漬 管 由 45FIC、45JICB7B、45JICB7A、45FIC24S四環磚構成(見圖9)，現將45JICB7A、45JICB7B合并為一環磚，合并后厚度為460 mm，氬氣管A距45FIC24S環磚縫高度為 110 mm，氬氣管 B距45JICB7A環磚縫高度為85 mm，下降管與上升管相同(只是不帶氬氣孔)。

圖9 改進后磚型

改進后試制了12套浸漬管，其中4環磚試制6套，3環磚試制6套。從試驗結果看(見表2)，3環磚浸漬管平均侵蝕深度僅13.78 mm，較4環磚浸漬管減少27.85 mm;蝕損率由2.53%降至1.24%，降低了1.29%，效果極其明顯。

表2 浸漬管殘磚蝕損情況

3環鎂鉻磚型減少了間隙，表面形成較光滑的致密層，既強化了材料性能，減少了粘鋼的數量，又堵住了氣孔，阻止鋼渣的進一步滲透，表現出優異的抗渣性能。

5 實施效果

2012年8月試制了12套優化后浸漬管，于2012年9月至12月在攀鋼煉鋼廠2#方坯進行了試驗，使用壽命見圖8。最低使用壽命75次，最高使用壽命84次，平均使用壽命80.17次，浸漬管使用壽命大幅提高且穩定，達到攀鋼冶煉技術要求75次/套。

圖10 優化后浸漬管使用壽命

從下線后浸漬管顯微結構看(見圖11)，浸漬管在高溫使用過程中形成了大量白色的鎂鋁尖晶石，緩沖了耐火材料內部的熱應力，提高了熱震穩定性。同時由于澆注料中存在大量的鎂鋁尖晶石，顆粒與顆粒之間充填致密，體積密度高，黑色熔渣明顯減少，阻止了熔渣的進一步滲透，抗渣性明顯提升。

圖11 下線浸漬管顯微結構

優化后的浸漬管，不論是熱震穩定性、抗渣性還是使用壽命，與以前比均有大幅提高。特別是浸漬管使用壽命由40次/套提升至80．17次/套，減少了更換頻次，保證了攀鋼生產組織的正常運行。目前，本技術成熟，應用穩定，并已成為攀鋼煉鋼廠提升RH真空處理裝置作業率的一種新方法。

6 結論

①改進后的澆注料抗剝落性和耐侵蝕性能優良，能夠滿足RH真空精煉爐的使用要求。

②襯磚平均侵蝕深度由41.67 mm減至13.78 mm，蝕損率由2.53%降至1.24%，有效阻止鋼渣的進一步滲透，抗渣性優異。

③浸漬管使用壽命由40次/套提升至80.17次/套，減少了更換頻次，保證了攀鋼生產組織的正常運行。

［1］ Innocentini M D M．Cardoso F A，Akyioshi M M，etc．Drying stages during the heating of highalumina，ultra-low-cement refractory castables［J］．Journal of the american ceramic society，2003，86(7):1146-1148．

［2］ Gong Z X，Mujumdar A S．Review of R＆D in drying of refractories［J］．Drying technology，2007(25):1917-1925．

［3］ 程家國．RH插入管的技術改進［R］．太原:鋼鐵集團公司，2003．

［4］ 顧立德．特種耐火材料［M］．北京:冶金工業出版社，1982．

［5］ 王維邦．耐火材料工藝學［M］．北京:冶金工業出版社，1984．