徐平坤
(廣州耐火材料廠,廣東 廣州510300)
轉(zhuǎn)爐是煉鋼的重要設(shè)備,是一種不需要外加熱源,主要以熱態(tài)生鐵、廢鋼、鐵合金為原料的煉鋼爐。根據(jù)爐襯耐火材料性質(zhì)分為酸性轉(zhuǎn)爐和堿性轉(zhuǎn)爐,根據(jù)氣體吹入爐內(nèi)的部位分為底吹轉(zhuǎn)爐、頂吹轉(zhuǎn)爐、側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和頂?shù)讖?fù)合吹煉的轉(zhuǎn)爐。
轉(zhuǎn)爐煉鋼法歷史悠久,早在1856年英國人貝斯麥(Bessemer)就發(fā)明了底吹酸性轉(zhuǎn)爐,為近代煉鋼法的開端。1879年又出現(xiàn)了托馬斯堿性轉(zhuǎn)爐,可以處理高磷生鐵。1864年法國人馬丁利用蓄熱原理創(chuàng)立了平爐煉鋼法,一度成為世界上主要煉鋼設(shè)備,20世紀(jì)50年代,世界約有85%的粗鋼由平爐冶煉。1952年奧地利出現(xiàn)純氧頂吹轉(zhuǎn)爐,解決了鋼中氮和其他有害雜質(zhì)的含量問題,同時(shí)減少了隨廢氣損失的熱量,可以吹煉溫度較低的生鐵,節(jié)省了高爐焦炭消耗量,且能使用較多的廢鋼,煉鋼速度特別快(一爐鋼約10 min,而平爐要7 h),1968年又出現(xiàn)氧氣底吹法轉(zhuǎn)爐,1970年又發(fā)明了用碳?xì)浠衔锉Wo(hù)的雙層套管式底吹氧槍的底吹法,各種類型的底吹法(如OBM、Q-BOP、LSW等)在實(shí)際生產(chǎn)中顯示許多優(yōu)于頂吹之處。奧地利人于1973年研究頂?shù)讖?fù)吹煉鋼工藝,20世紀(jì)80年代初投入生產(chǎn),它比頂吹和底吹更優(yōu)越,有的國家基本淘汰了單純頂吹的轉(zhuǎn)爐。
在我國[1],1951年唐山鋼廠的空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法試驗(yàn)成功,1952年投產(chǎn),1954年開始小型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐試驗(yàn)成功,1962年首鋼把空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐改成3 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐,1964年投產(chǎn)兩座30 t頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐,隨著唐山、上海、杭州等地的鋼鐵廠先后改建3.5~5 t頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐,隨后一些大型鋼鐵企業(yè),如鞍鋼、武鋼等將平爐改為250~300 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐,1985年投產(chǎn),具有先進(jìn)技術(shù)的寶鋼也是采用300 t的大型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼,此后,我國基本上淘汰了平爐煉鋼。近年來[2],出現(xiàn)頂?shù)状祻?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐,滑板擋渣技術(shù),使冶煉時(shí)間縮短,鋼水成分和溫度更均勻,減少鋼中夾雜物,提高鋼水潔凈度等優(yōu)點(diǎn),我國一些鋼廠也普遍采用頂?shù)讖?fù)合吹煉技術(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),轉(zhuǎn)爐鋼占世界粗鋼總產(chǎn)量的70%以上,而我國占90%。
轉(zhuǎn)爐基本上是由耐火材料筑成的,煉鋼用耐火材料成本約占煉鋼工序成本的9%~13%[3]。由于各國的鐵水成分及耐火原料資源不同,爐襯耐火材料的選擇也各有側(cè)重,歐美、俄羅斯等工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后從白云石質(zhì),鎂質(zhì)制品發(fā)展到現(xiàn)在的鎂碳磚,日本是最早使用鎂碳磚的國家。我國轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯經(jīng)過焦油白云石質(zhì)、焦油鎂質(zhì)、鎂白云石質(zhì)、鎂白云石碳磚到現(xiàn)在普遍使用鎂碳磚。由于鎂碳磚耐侵蝕、抗熱震、耐磨損、導(dǎo)熱性好、抗剝落、高溫下性能穩(wěn)定,各國轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯普遍采用。耐火材料的性能及質(zhì)量,直接影響轉(zhuǎn)爐的煉鋼方法及使用壽命,對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益有非常重要的意義,轉(zhuǎn)爐用耐火材料問題引起人們的重視,涌現(xiàn)出一些耐火材料的新技術(shù),如噴補(bǔ)技術(shù)、濺渣護(hù)爐技術(shù)、滑動(dòng)水口擋渣技術(shù)等。轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯壽命從過去的幾百爐次提高到成千上萬爐次,武鋼二煉鋼廠曾經(jīng)創(chuàng)造30 368爐次的高壽命記錄。
爐襯結(jié)構(gòu)可分成爐底、熔池、爐壁、爐帽、渣線、耳軸、爐口、出鋼口、底吹供氣磚等部分。轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯由絕熱層、永久層和工作層組成。絕熱層一般用石棉板或多晶耐火纖維砌筑,現(xiàn)在有些采用鎂砂填充層代替,爐帽絕熱層用樹脂鎂砂制成;永久層各部位不一樣,多用低擋鎂碳磚、或焦油白云石磚或燒結(jié)鎂磚砌筑;工作層全部用鎂碳磚砌筑。我國的鎂碳磚有三個(gè)牌號(hào)。轉(zhuǎn)爐不同部位使用的鎂碳磚對(duì)其性能有不同的要求,日本品川耐火公司開發(fā)出滿足不同部位要求的系列鎂碳磚產(chǎn)品,見表1。在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中,由于工作層直接受到加廢鋼的機(jī)械沖擊和磨損作用、與高溫鋼水熔渣直接接觸,受高溫熔渣和鋼水的滲透及侵蝕,以及受鋼水、熔渣和爐氣的沖刷等作用,工作條件十分惡劣,各部位的工作條件不同,而損毀程度也不同。在使用過程中,一般要反復(fù)拆除工作層,而永久層較完整,就不更換。
表1 系列鎂碳磚的性能
爐齡是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要技術(shù)指標(biāo)。提高爐齡不僅降低了生產(chǎn)成本,而且提高了生產(chǎn)效率。轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的耐火材料是影響爐齡的主要因素,近年來,通過科技人員的開發(fā)研究,內(nèi)襯的壽命得到顯著提高,耐火材料的單耗降低到2~0.38 kg/t鋼。具體措施如下。
針對(duì)爐襯不同部位的侵蝕狀況不同,選擇3~6個(gè)不同檔次的鎂碳磚,分別砌筑在渣線、耳軸、爐壁、熔池等部位,以求最好的經(jīng)濟(jì)效益。侵蝕最嚴(yán)重的部位,砌筑質(zhì)量最好的磚。內(nèi)襯都采用鎂碳磚干法砌筑,或者泥砌一些含碳的鎂白云石磚,這些磚在高溫下有不同程度的膨脹性,不必砌得過分緊密。各部位的工況大致如下:(1)爐口溫度變化劇烈、熔渣和高溫爐氣沖刷厲害、加料和清理殘鋼殘?jiān)鼤r(shí),爐口受到?jīng)_擊,因此,要求鎂碳磚有較高的抗熱震性和抗渣性,且不易粘渣;(2)爐帽受熔渣侵蝕最嚴(yán)重,同時(shí)受溫度急變和廢氣沖刷的影響,要用熱震穩(wěn)定性和抗渣性好的鎂碳磚;(3)裝料側(cè)爐襯在吹煉過程中除受鋼水、熔渣的沖刷和化學(xué)侵蝕外,還受廢鋼裝入和鐵水兌入的撞擊與沖蝕,要求砌筑高抗渣性、高強(qiáng)度、高抗熱震性的鎂碳磚;(4)出鋼側(cè)爐襯主要是出鋼時(shí)受鋼水的熱沖擊和沖刷作用,損壞速度低于裝料側(cè),如兩側(cè)用同樣的鎂碳磚,可以稍薄些;(5)渣線在吹煉過程中爐襯與熔渣長(zhǎng)期接觸,特別是排渣側(cè)受到熔渣的強(qiáng)烈侵蝕,爐襯損毀較嚴(yán)重,要用抗渣性良好的鎂碳磚;(6)耳軸部位爐襯表面無保護(hù)渣覆蓋層,鎂碳磚中的碳素極易被氧化,并難以修補(bǔ),所以要砌筑抗渣性良好、抗氧化性強(qiáng)的高級(jí)鎂碳磚;(7)熔池和爐底雖然受鋼水的沖蝕,但與其他部位相比損毀較輕,可砌筑含碳量較低的鎂碳磚。若是頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐,爐底中心部位容易損毀,可砌筑與裝料側(cè)相同質(zhì)量的鎂碳磚。
前面已經(jīng)說明,鎂碳磚具有抗熱震、耐侵蝕等優(yōu)異性能,廣泛用于轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯。但在使用過程中發(fā)現(xiàn),由于鎂碳磚易氧化,導(dǎo)致抗熱震、抗侵蝕性能變差。研究人員探索出一種抗氧化自修復(fù)新型復(fù)合抗氧化劑:采用金屬Al、Si粉或Al-Si復(fù)合粉為抗氧化劑,經(jīng)熱處理或高溫服役時(shí)原位生成SiC、AIN等高抗侵蝕物相;還有的是添加各種預(yù)合成納米碳,如炭黑、納米石墨氧化物復(fù)合粉,選擇合適的過渡元素(Fe、Co、Ni)無機(jī)或有機(jī)化合物作為催化劑,酚醛樹脂裂解產(chǎn)生CO、C2H2、CH4等氣體,在過渡金屬催化作用下,形成碳納米管、納米碳纖維等低維石墨化碳。通過這些技術(shù)使鎂碳磚保持良好的耐侵蝕、抗熱震性能。
為了提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯使用壽命,對(duì)于局部損毀部分進(jìn)行隨時(shí)修補(bǔ)。應(yīng)用新型不定形耐火材料及修補(bǔ)技術(shù)[4],大幅提高了轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的使用壽命,普遍在8 000爐次以上,有的在20 000爐次以上。目前,普遍采用大面熱修補(bǔ),對(duì)加料側(cè)、爐底和出鋼側(cè)進(jìn)行維護(hù)。對(duì)熔池圓角和耳軸用噴補(bǔ)料,在轉(zhuǎn)爐出鋼口更換時(shí)采用灌漿料填縫及出鋼口區(qū)域的維護(hù)。其中大面修補(bǔ)料主要有MgO-SiO2質(zhì)(也稱水基大面料)、MgO-C質(zhì)、MgO-CaO質(zhì)等;噴補(bǔ)料主要有MgO質(zhì)、MgO-CaO質(zhì)、MgO-Cr2O3質(zhì)等。這些不定形耐火材料按結(jié)合劑分為無水修補(bǔ)料(主要是瀝青、煤焦油及瀝青粉、樹脂等)和水系修補(bǔ)料(MgO-SiO2-H2O結(jié)合和磷酸鹽結(jié)合)。修補(bǔ)料的種類及性能特征見表2。
表2 高溫修補(bǔ)料種類及性能特征
使用煤焦油、瀝青、樹脂等有機(jī)物作為結(jié)合劑,有污染環(huán)境,燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng),不耐侵蝕等問題。秦巖等人[5]開發(fā)了一種用高純鎂砂粉(MgO97.02%)和中擋鎂砂(MgO94.80%)顆粒為主要原料,SiO2超微粉(SiO2=97.02%)為結(jié)合劑的無碳環(huán)保型大面修補(bǔ)料。這種水基大面修補(bǔ)料,采用濕式直流澆注的方式,高溫鋪展性好,高溫?zé)Y(jié)過程中不產(chǎn)生有害氣體,形成陶瓷結(jié)合,燒結(jié)時(shí)間縮短50%以上,結(jié)構(gòu)致密,抗氧化、耐沖刷,經(jīng)過多家使用,現(xiàn)場(chǎng)無煙塵,使用壽命延長(zhǎng)2~3倍。大面修補(bǔ)料的具體配料情況見表3。
表3 大面修補(bǔ)料顆粒配比 (w%)
對(duì)于容易損毀的耳軸及渣線等部位采用噴補(bǔ)的方法。目前國內(nèi)普遍使用鎂質(zhì)噴補(bǔ)料[6],使用壽命比較低。有人開發(fā)出鎂碳質(zhì)噴補(bǔ)料,主要原料為3~0 mm鎂砂(MgO95.2%),3~0 mm碳(C=94.2%),瀝青A(固定C=46.3%,軟化點(diǎn)140~160℃),瀝青B(固定C=43.5%,軟化點(diǎn)100~120℃)以及添加劑等。經(jīng)過實(shí)際使用得出其反彈率低、附著性好、燒結(jié)強(qiáng)度高,使用壽命較鎂質(zhì)噴補(bǔ)料提高30%,減少了轉(zhuǎn)爐修補(bǔ)次數(shù)。
還有鐵塊渣補(bǔ)爐技術(shù),是利用鐵塊與高溫液體渣的快速換熱,而高效冷固粘合,對(duì)局部薄弱部位修補(bǔ),節(jié)省了補(bǔ)爐料成本,留渣操作節(jié)省了造渣料消耗,減少緩了爐襯侵蝕,提高了金屬收得率,延長(zhǎng)了爐襯壽命。福建三安鋼鐵公司[7]通過控制爐渣堿度、MgO含量、FeO含量等參數(shù),出鋼后利用適量的生鐵塊加速爐渣冷卻,使?fàn)t渣混合生鐵塊冷凝粘結(jié)在轉(zhuǎn)爐廢鋼、鐵水沖擊區(qū)域,達(dá)到補(bǔ)爐的目的。此方法能利用生產(chǎn)間隙進(jìn)行補(bǔ)爐,一次只需10 min,較常規(guī)補(bǔ)爐節(jié)省1 h以上,而且非常環(huán)保。
為了解決爐口、爐帽的粘渣問題,采用一種防粘渣噴補(bǔ)料,是用用后鎂碳磚的再生料為主要原料,通過半干法噴補(bǔ)施工,噴補(bǔ)層厚度35~50 mm,附著率80%以上,取得了較好的使用效果[8]。
日本品川耐火公司開發(fā)出可快速硬化的MgOC質(zhì)噴補(bǔ)料(見表4),硬化時(shí)間大幅度縮短。
表4 快速硬化的MgO-C質(zhì)噴補(bǔ)料性能
可以通過良好的操作來保護(hù)爐襯。20世紀(jì)90年代美國開發(fā)成功轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù),就是在出鋼結(jié)束后,爐內(nèi)液體爐渣不倒掉,并向爐內(nèi)加一些輕燒鎂球或白云石料,使渣的熔點(diǎn)和黏度升高,通過氧槍向爐內(nèi)放氮?dú)?,使液體爐渣飛濺到爐襯上,因?yàn)闋t渣的成分有MgO,對(duì)爐襯有好處。我國推廣濺渣護(hù)爐后,爐齡提高3~4倍,普遍在20 000爐次以上,噸鋼耐火材料消耗降低0.2~1.0 kg,補(bǔ)爐料消耗減少0.5~1.0 kg/t,轉(zhuǎn)爐利用系數(shù)提高2%~3%。濺渣護(hù)爐比補(bǔ)爐成本低,但使用效果沒有補(bǔ)爐好,也不穩(wěn)定。
通過低部吹氣攪拌熔池,提高鋼水收得率和鋼水質(zhì)量。供氣元件分噴嘴型和磚型兩大類。其中磚型是應(yīng)用的主流,磚型主要有彌散型、環(huán)縫型和直通孔型。直通孔型供氣阻力小、氣流調(diào)節(jié)范圍大、氣密性好、不易漏氣、金屬管對(duì)磚有增強(qiáng)作用,使磚不易剝落、開裂等優(yōu)點(diǎn),是發(fā)展的主流。洛耐院[9]用高純鎂砂、鱗片狀石墨為主要原料,加Al、Si粉和B4C抗氧化劑,用熱固性瀝青改性樹脂作為結(jié)合劑,加適量瀝青粉的配料,泥料攪拌均勻后,用等靜壓成型制備MgO-C質(zhì)供氣元件,使用結(jié)果是:侵蝕速率為0.28 mm/爐次,最高使用壽命達(dá)2 113爐次。為了降低不銹鋼管的滲碳速度,提高使用壽命,表面涂大于1 mm的涂層,使之在不銹鋼表面形成熱穩(wěn)定,抗碳還原的致密保護(hù)隔離層。
日本品川耐火公司開發(fā)出具有較高斷裂韌性,抗熱震性優(yōu)異的透氣磚,見表5。在220 t轉(zhuǎn)爐上使用,與傳統(tǒng)透氣磚相比,損耗速率降低約40%,轉(zhuǎn)爐運(yùn)行4 000爐沒有更換透氣磚。
表5 轉(zhuǎn)爐供氣元件性能
宣鋼集團(tuán)煉鋼廠[10]采用金屬管型鎂碳質(zhì)透氣磚,每塊磚嵌入30根不銹鋼管,用300 t壓磚機(jī)沖壓成型。透氣磚在80 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐低部吹入N2、Ar氣體,轉(zhuǎn)爐爐齡達(dá)5 000爐次,低部供氣與爐齡同步,力爭(zhēng)10 000爐次同步。
滑板擋渣技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的新技術(shù)[11-12]?;鍝踉O(shè)備是將類似鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)系統(tǒng)移植到轉(zhuǎn)爐出鋼口部位,以機(jī)械或液壓控制方式開啟或關(guān)閉出鋼口,達(dá)到擋渣的目的?;瑒?dòng)水口擋渣技術(shù)對(duì)提高鋼水收得率,減少鋼中夾雜物,提高鋼水潔凈度,減少鋼包粘渣,延長(zhǎng)鋼包壽命等方面有突出的優(yōu)勢(shì)。
出鋼口內(nèi)水口連接出鋼口磚末端,下接出鋼口上滑板,而外水口連接出鋼口下滑板。內(nèi)/外水口及滑板要有較好的抗渣侵蝕、高溫抗氧化、抗熱震等性能,滑板還要有耐磨性。目前外水口主要有不燒鎂碳質(zhì)、不燒鋁鋯碳質(zhì)和氧化鋯質(zhì)(鑲嵌內(nèi)芯)制品,其理化指標(biāo)及使用壽命見表6,不燒水口大都經(jīng)過瀝青浸漬處理,使用壽命30~90爐次。
表6 外水口的材質(zhì),理化指標(biāo)和使用壽命
目前國內(nèi)擋渣滑板的材質(zhì)、理化指標(biāo)及使用壽命見表7。使用壽命偏低,有研究表明,引人膨脹石墨、Si粉能夠促進(jìn)磚中形成SiC晶須,提高滑板韌性,抵抗裂紋擴(kuò)展,提高滑板的抗熱震性,延長(zhǎng)使用壽命。
表7 不同材質(zhì)滑板理化指標(biāo)和使用壽命
洛耐院總結(jié)了擋渣滑板損毀原因,發(fā)現(xiàn)上滑板與鋼水接觸,主要是侵蝕擴(kuò)孔損毀,下滑板與外界空氣接觸,主要是熱震裂紋擴(kuò)展損毀。因此,通過上滑板鑲嵌鋯環(huán),下滑板鑲嵌鋯板工藝,提高了鋯環(huán)鋯板的抗侵蝕及抗熱震性,使滑板的壽命穩(wěn)定在20爐次左右。開發(fā)3個(gè)系列產(chǎn)品,滿足不同工況的需求(見表8)。
表8 滑板鋯環(huán)、鋯板的理化指標(biāo)和性能
轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了耐火材料的技術(shù)進(jìn)步,但有些部位的耐火材料的使用壽命及使用方法仍不盡人意,今后的發(fā)展趨勢(shì)是:(1)開發(fā)高性能,耐磨損、抗熱震低碳鎂碳磚;(2)開發(fā)快速燒結(jié),無污染的環(huán)保型熱修補(bǔ)料,長(zhǎng)壽噴補(bǔ)料以及好的修補(bǔ)方法;(3)開發(fā)火焰噴補(bǔ),大面水基半干噴補(bǔ)料雖然無煙塵,但有水分,易產(chǎn)生蒸汽,給工作面的粘結(jié)及使用留下隱患,而火焰噴補(bǔ)與工作面馬上熔融燒結(jié)成一體,時(shí)間短,使用壽命長(zhǎng);(4)開發(fā)爐體冷卻工藝,進(jìn)一步提高爐襯壽命,濺渣護(hù)爐,爐齡升高,但爐襯減薄,會(huì)使?fàn)t殼變形,冷卻技術(shù)能抑制爐殼變形,使?fàn)t殼壽命提高到10~15年;(5)開發(fā)長(zhǎng)壽復(fù)合吹煉供氣元件,如復(fù)合型供氣元件,優(yōu)化底風(fēng)口結(jié)構(gòu)布置,適應(yīng)頂?shù)讖?fù)吹、低氧出鋼、低部噴粉、低部供氧、低部吹CO2等先進(jìn)技術(shù);(6)改進(jìn)擋渣滑板性能與結(jié)構(gòu),如復(fù)合型滑板等,延長(zhǎng)使用壽命,減少更換次數(shù);(7)開發(fā)輕量節(jié)能型并具有良好高溫性能的耐火材料;(8)研究開發(fā)長(zhǎng)壽水冷煙罩、煙道等附屬設(shè)備。
轉(zhuǎn)爐是一種不需外加熱源的重要煉鋼設(shè)備,有悠久的歷史,幾經(jīng)改造,是目前運(yùn)用最廣泛的煉鋼方法之一。隨著煉鋼工藝的進(jìn)步,推動(dòng)了耐火材料的發(fā)展,現(xiàn)在爐襯普遍使用耐侵蝕、抗熱震的鎂碳磚,根據(jù)不同部位的使用條件,均衡砌筑不同檔次的鎂碳磚。當(dāng)轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)合吹煉技術(shù),轉(zhuǎn)爐爐齡下降,為了提高爐齡采用自流修補(bǔ)料對(duì)前后大面進(jìn)行修補(bǔ),對(duì)耳軸及其他部位進(jìn)行噴補(bǔ),可使?fàn)t齡達(dá)8 000爐次以上。采用濺渣護(hù)爐技術(shù),爐襯壽命可達(dá)20 000爐次以上,武鋼曾創(chuàng)造30 368爐次的記錄。另外,頂?shù)讖?fù)吹供氣元件(透氣磚)的壽命短,影響復(fù)吹效果;滑動(dòng)水口擋渣技術(shù)的滑板系統(tǒng)易損毀問題,有待進(jìn)一步提高。