提高中頻爐石英砂爐襯壽命的工藝實踐

周 吉

(攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 引言

攀枝花市高晶釩鈦汽車板簧有限公司擁有20噸中頻爐2套，每套2個爐體，共4個爐體，主要使用石英砂爐襯材料，平均爐襯壽命為20爐左右。針對爐襯經(jīng)常出現(xiàn)裂紋導致壽命過低、噸鋼成本居高不下、設(shè)備利用率不高的問題，擬通過分析原料性質(zhì)、調(diào)整粒級、確定硼矸加入量，以期達到延長中頻爐爐襯壽命的目的。

2 爐襯裂縫分析

中頻爐搗打料裂縫產(chǎn)生的主要原因是石英砂在燒結(jié)過程中發(fā)生體積膨脹產(chǎn)生較大的線變化引起的。由于原料粒級不合理，硼矸加入量過低造成燒結(jié)層厚度不夠，爐襯強度偏低，烘烤時石英砂晶相轉(zhuǎn)變不完全，在1600 ℃使用過程中石英砂晶相快速轉(zhuǎn)變使體積過快膨脹造成裂縫，因此本次實驗室主要研究內(nèi)容如下：

(1)分析主要原料石英砂性質(zhì)。

(2)確定搗打料粒度級配；

(3)研究硼矸加入對搗打料性能的影響；

(4)研究烘烤溫度對搗打料性能的影響。

3 實驗室研究

3.1 石英砂性質(zhì)

作為感應爐的爐襯材料，對石英砂的化學成分和結(jié)晶狀況有特殊要求。石英砂化學成分見表1。

石英砂在加熱過程中會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生體積膨脹。結(jié)晶相大的石英處于低能量狀態(tài)，它要發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變就需要高的能量，即較高溫度。而當溫度高時，搗打料中已存在液相，這時產(chǎn)生的體積膨脹會被液相吸收，而不會對爐襯發(fā)生傷害。由此可知我們需要的石英砂是，化學成分滿足表1要求，粒級要搭配合理，并且在烘爐時晶型轉(zhuǎn)變徹底，防止在正常使用過程中發(fā)生晶相變化出現(xiàn)體積膨脹造成爐襯裂縫。

SiO2在升溫過程中，573 ℃以下為β-石英石穩(wěn)定相，自然界或低溫下穩(wěn)定存在的都是β-石英。β-石英在升溫至573 ℃時迅速轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，當溫度超過870 ℃時轉(zhuǎn)化為α-鱗石英并伴有16%的體積膨脹，α-鱗石英在1470 ℃轉(zhuǎn)化為α-方石英，α-方石英在1470-1713 ℃穩(wěn)定存在，當溫度高于1713 ℃開始緩慢融化。

3.2 粒級確定

根據(jù)高云琴等人的研究成果[2]，實驗結(jié)果表明：粒度分布對搗打料的各項性能有較大的影響。由Andreasen方程知道，當最大粒徑Dpmax一定時，粒度分布系數(shù)q是決定粒度分布的唯一因素，實際上就是研究粒度分布系數(shù)q的變化對其性能的影響。在搗打料的配比選擇過程中，不能唯一追求達到最大的體積密度(q=0.33時，見圖1)，而應綜合考慮顆粒和細粉組成對燒結(jié)性能的影響，選取適當?shù)牧６确植迹共牧霞饶塬@得較緊密的顆粒堆積，又具有好的燒結(jié)性能。依據(jù)Andreasen 方程，粒度分布系數(shù)q的取值為0. 30 時，搗打料在900 ℃×3 h烘烤后的耐壓強度最好，見圖2。

(1)

式中：UDp——累計篩下百分數(shù)，%；

Dpmax——最大粒徑，mm；

Dp——粒徑，mm；

q——粒度分布系數(shù)。

物料在搗打情況下，大粒度的物料要變成小粒度的，因此為了達到q=0.3時的粒級情況再結(jié)合模擬搗打的試驗研究，對大粒度的比例適當往上調(diào)整，確定以表3的粒度級配為基礎(chǔ)進行其它相關(guān)試驗項目研究。

3.3 硼矸加入量對搗打料性能的影響

石英砂搗打料中硼矸主要起助燒作用，它是由硼砂加熱脫水生成，其分子式為B2O3，熔點為450 ℃[3]。硼矸的加入量對系統(tǒng)出現(xiàn)液相的溫度是比較敏感的，SiO2與B2O3形成共晶物的熔點只有372 ℃，也就是說石英質(zhì)的干式料用硼矸做助燒劑在372 ℃就會出現(xiàn)液相有助于燒結(jié)，但是硼矸的加入量過多SiO2-B2O3的共晶物會使搗打料強度變低。硼矸的另一個作用就是產(chǎn)生的液態(tài)抵消一部分石英砂在870 ℃產(chǎn)生的16%的體積膨脹，使線變化率減小。

因此考察在不同硼矸加入量下，在900 ℃保溫3 h的線變化情況，得到表4線變化數(shù)據(jù)。

從表4中可以看出當硼矸加入量大于0.9%時，線變化減小明顯變慢，加入量超過0.9%試樣有較好的體積穩(wěn)定性。

將表4中6個配比同時做抗渣和常溫抗壓試驗，結(jié)果見表5。

從表5可以看出隨著硼矸加入量達到0.9%常溫耐壓強度最大，加入量達到1.1%時熔渣浸蝕厚度最小，6個試樣均有較好的燒結(jié)層厚度。

綜合表4、表5，為了保證試樣有較好的體積穩(wěn)定性，又不至于因為產(chǎn)生過多的SiO2-B2O3共晶體使試樣強度變低，因此確定硼矸的加入量為0.9%比較合適。

3.4 烘烤曲線對搗打料性能的影響

通過對石英砂性質(zhì)的分析可以看出，出現(xiàn)最大體積膨脹是870 ℃α-石英轉(zhuǎn)化為α-鱗石英時發(fā)生的，因此在900 ℃(略高于晶相轉(zhuǎn)化溫度)進行保溫使石英砂晶相緩慢變化，本實驗考察在900 ℃時保溫多長時間才能徹底完成晶相轉(zhuǎn)變。通過對最終配方的試樣經(jīng) 900 ℃保溫1 h、2 h、3 h、4 h，然后在1600 ℃保溫1 h，考察線變化情況見表6。

從線變化數(shù)據(jù)來看900 ℃保溫1 hα-鱗石英晶相未變化徹底，導致溫度升高后α-鱗石英加速生成，體積過快膨脹，造成線變化率變大。在900 ℃保溫維持2～4 h，1600 ℃保溫1 h線變化趨于穩(wěn)定，說明在900 ℃條件下晶相已大部分緩慢轉(zhuǎn)變成α-鱗石英，即使有未轉(zhuǎn)變的晶相也不影響爐襯的體積穩(wěn)定。因此確定了烘烤曲線：在正常150 ℃/h的升溫速度不變，在900～1000 ℃時保溫2 h，繼續(xù)以150 ℃/h的升溫速度升溫至1600 ℃繼續(xù)加入小塊鐵料融化，保證滿包鋼水保溫1 h出鋼。

4 實驗室試驗方法

4.1 小樣的制備

按設(shè)計的各種配比，首先分別稱取顆粒以及燒結(jié)劑，攪拌均勻。攪拌均勻后的物料倒入水泥成型用40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模具中，采用振動臺搗打成型，平鋪一層搗實一層，逐層平鋪直至加滿為止。成型后的試樣加入少量水玻璃，放置24 h，脫模。

4.2 抗渣性性能檢測方法

耐火材料抗渣侵蝕性能的好壞是影響耐火材料使用壽命長短的一個重要因素，也是判定耐火材料性能優(yōu)劣的一個主要指標。耐火材料在使用過程中抗渣侵蝕性能受多種因素的影響。其中包括材料的種類和材質(zhì)、材料的化學性能和物理性能、材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及使用溫度等。抗渣性的優(yōu)劣主要與耐火材料的化學、礦物組成及組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與熔渣的性質(zhì)及其相互作用的條件有關(guān)。耐火材料抗渣性能測定方法有熔錐法、坩鍋法、浸漬法、轉(zhuǎn)動浸漬法、撒渣法和回轉(zhuǎn)渣蝕法等。本實驗采用的是坩鍋法。

(1)渣樣制備

試驗采用的渣樣來自于板簧公司中頻爐鋼渣，經(jīng)破碎、磨細至0.1 mm以下。按照試驗設(shè)定的配比將材料混合均勻，在三聯(lián)式模具內(nèi)搗打成型，加入少許水玻璃，脫模后即為40 mm×40 mm×160 mm試樣，再將試樣分別升溫至900 ℃保溫3 h，再升溫達到1600 ℃保溫1 h，隨爐自然冷卻后，測定材料的相關(guān)物理指標。

(2)試驗模型

由于本次試驗的主要目的是研究中頻爐熔渣對中頻爐搗打料的侵蝕。根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件和設(shè)備，研究方法仍采用靜態(tài)坩鍋法。

(3)試驗步驟

抗渣侵蝕用的試樣與其它試樣一樣，在水泥用三聯(lián)模具成型，不同的是抗渣試驗用試樣中預留一根塞棒。烘烤后，拔去干式振動料試樣中預留的塞棒，在試樣中留下的空洞即是作為抗渣試驗的坩鍋。試樣中的渣坑的尺寸為Φ12 mm×20 mm。

把制備好的殘渣稱取5 g(容量較小)分別放入坩鍋內(nèi)，將試樣隨各組試樣一起在電爐中按升溫曲線升溫，爐渣熔化。

試驗后的坩鍋從中間切開，觀察并測量侵蝕深度。對各種不同的試樣侵蝕深度加以比較，進行數(shù)據(jù)分析。

5 應用試驗

根據(jù)實驗室研究成果，確定以表7所示配方為工業(yè)實驗配方。

試驗前中頻爐共下線5個包，平均壽命為20.6爐。其中兩爐出現(xiàn)了明顯的裂紋最終使用壽命為18爐、17爐。

使用表7配比的試驗料共進行5個中頻爐爐襯試驗，在硼矸加入量、粒級和烘烤工藝發(fā)生變化后中頻爐共下線5個包沒有出現(xiàn)裂縫情況，平均壽命29.8爐。

6 結(jié)論

(1)粒度分布為(0-0.074 mm)∶(0.074-1 mm)∶(1-3 mm)∶(3-5 mm)=30∶25∶25∶20時，爐襯有最佳體積密度。

(2)硼矸的加入量為0.9%時，爐襯在保證一定強度的情況下有較好的燒結(jié)性能。

(3)爐襯在900 ℃烘烤2 h以上，α-鱗石英的轉(zhuǎn)變緩慢并且較徹底，有效的防止了因體積過快膨脹造成的裂縫現(xiàn)象。

(4)在硼矸加入量、粒級和烘烤工藝優(yōu)化后，爐襯未出現(xiàn)裂縫情況，使用壽命從20.6爐提升到29.8爐，具有良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 李楠，顧華志，趙惠中. 耐火材料工藝學[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012：185-186.

[2] 高云琴，薛群虎，段鋒，等. 粒度分布對干式搗打料性能的影響[J]. 西安建筑科技大學學報( 自然科學版)，2008，40(6)：764-767.

[3] 饒東生. 硅酸鹽物理化學[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1980：21-37.

[4] 陳曉勇譯. 無鐵芯式感應爐耐火材料問題[J]. 國外耐火材料，1992(12)：1-6.

[5] 李濟玉．中頻電爐濕法筑爐的實踐[J]. 鑄造技術(shù)，2006，27(3)：208-211.