钢包(盛钢桶)用透气系统元件用耐火材料的材质更替与结构演变,由耐火材料厂家收集整理。
自20世纪60年代始,透气元件得以工业应用以来,其材质不断更替,产品多次更新换代。
20世纪七八十年代普遍采用高铝质和镁质耐火材料。自镁碳砖问世后,钢包内衬的寿命大幅攀升,促使透气元件的耐火材料材质往高端方向演变,越来越多地采用人工合成高纯原料,其服役寿命也显著增加。
20世纪90年代时刚玉质和铬刚玉质耐火材料逐渐替代高铝质和镁质耐火材料。2000年后刚玉尖晶石质和铬刚玉尖品石质渐渐成为主流材质。同时,伴随着高效减水剂和微粉的广泛应用,加水量从7%~8%降至4%左右,低水泥浇注料的各项高温使用性能均获得不同程度的跃升,常温强度和热态强度越来越高,抗钢液钢渣侵蚀性不断改善,抵抗高温钢液和高压氩气流的强力冲刷性能更加优越。
从总的进化路线来看,纯铝酸钙水泥含量不断下降,含硅刚玉体系逐渐被无硅体系取代,同时引入抗钢液浸润性能优异的氧化锆、氧化铬、尖晶石等高档人工合成耐火原料,高纯铬刚玉尖晶石质浇注料赋予透气元件更优异的高温使用性能。
透气元件技术进化路线是耐火材料材质与结构类型交替螺旋式上升,所以此处结合材质和结构类型来回顾透气元件的发展历程。弥散型透气元件最早被发明出来。弥散型元件内部有大量的非定向气孔,由液压机压制而成,受成型方式的制约,高度一般不超过270mm。
因高铝质或镁质耐火材料弥散透气元件的抗冲刷性能较差,且高度受限,渐渐不能满足使用周期需求。20世纪80年代,直通孔型透气元件问世,透气通道由许多连续的直通微孔构成,浇注成型,其使用周期比弥散型更长。
进入20世纪90年代,随着耐火材料不定型化的发展,低水泥铬刚玉耐火浇注料逐渐显现出更为优异的性能,直通孔型透气元件在底吹氩钢包应用中逐渐消失,被铬刚玉耐火浇注料制备的狭缝型透气元件取代。同期,与狭缝型透气元件有类似气道的拼缝型芯板透气元件也得到推广,主要使用刚玉莫来石浇注料制备。狭缝型热态强度高,使用周期长,而芯板型吹通率高,使用维护劳动强度低。
进入20世纪,透气元件技术进步的三个显著特征是:
1.材料制备和成型技术的进步,推动了单一型透气元件的飞速发展,狭缝型配方体系和生产工艺越发成熟,以Al2O3-MgO-CaO-(Cr2O3)系为主,生产效率高,使用周期长,普适性好,应用规模最大;Al2O3-SiO2-Cr2O3-ZrO2体系弥散型透气元件相对于早期的高铝质和镁质耐火材料材质,抗渗透性能和抗氧气清吹性能不可同日而语,在日本和韩同普遍被采用,寿命与狭缝型相当,但吹通率更高,氧气清洗的频率和劳动强度更低;芯板型在原来刚玉莫来石浇注料的基础上,引入了氧化锆,抗钢渣侵蚀性能得到提升,服役寿命有所延长,可实现吹通率和使用周期的同步提升,在欧洲和中东地区受到欢迎。
2.单一结构往复合结构方向发展。出现了狭缝+弥散型,芯板+弥散型,狭缝+直通微孔型等多种复合结构透气元件。在某些有特殊冶金要求的工况下,如高品质特种钢,复合结构透气元件的使用性能优于单一结构。
3.吹通率不断提高,使用和维护劳动强度降低。从每炉连铸后均需氧气清洗透气元件表面,到间歇式轻度烧氧,甚至免烧氧。
表1列举了几种不同结构类型透气元件的优劣、适用工况和钢种,典型材质的理化指标如表2所示。
表1 不同结构类型透气元件的优劣、适用工况和钢种
透气元件 | 优点 | 缺点 | 施工工况和钢种 |
狭缝型 | (1)流量调节范围宽。 (2)抗钢液港闸侵蚀性好。 (3)高温强度高,抗氧气清吹性强,耐冲刷磨损,使用周期较长。 | (1)在钢包不连续周转时,易出现横向断裂渗钢现象,吹通率低。 (2)氧气清吹透气芯时,劳动强度大。 | 转炉炼钢,普通碳钢。 |
直通孔型 | 材料致密,强度高,使用周期比高铝和镁质耐火材料弥散型长。 | (1)流量较小,不适合大容积钢包底吹氩工艺。 (2)后期易堵塞,流量变小甚至不透气。 | – |
弥散性 | (1)免烧氧、轻烧氧,使用维护劳动强度低。 (2)去除细小非金属夹杂物效果更佳。 | (1)后期需烧氧清洗,比前期蚀损速度明显加快。 (2)使用周期对烧氧清洗频率和强度很敏感。 | 转炉炼钢,电炉炼钢,现场无烧氧工位或轻烧氧、间歇烧氧的钢厂。 |
芯板型复合结构 | (1)吹通率高,烧氧时间仅为狭缝型的一半,使用维护时比弥散性强。 | 抗氧化清吹的能力较狭缝型稍弱 | 转炉炼钢,电炉炼钢,对吹通率要求很高的高品质钢,不锈钢、特钢等。 |
陶瓷棒型复合结构 | (1)陶瓷棒抗钢液亲润和渗透性佳,可实现免烧氧和轻烧氧。 (2)陶瓷棒提高了砖体整体强度,耐冲刷磨损,使用周期较长;避免透气元件整层横向断裂。 | 生产工艺比较复杂,制造成本较高。 | 普碳钢,特钢。 |
表2 不同结构类型透气元件中关键部件理化指标
项目 | 指标 | |||||
狭缝型透气元件 | 芯板型透气元件 | 弥散型透气元件 | 座砖 | |||
T-80 | T-85 | X-85 | M-85 | Z-80 | Z-85 | |
Al2O3/% ≥ | 80 | 85 | 85 | 85 | 80 | 85 |
(Al2O3+Cr2O3+MgO)/% ≥ | – | 92 | – | – | – | 92 |
显气孔率/% ≤ | 20 | 18 | 18 | 30 | 16 | 16 |
常温耐压强度/MPa ≥ | – | 80 | 60 | 40 | 40 | 50 |
0.2MPa荷重软化开始温度/℃ ≥ | 1650 | 1680 | 1680 | 1680 | 1620 | 1680 |
通气量(标准状态,压差0.1~1.0MPa)/m3·h-1 | 6~50 |
狭缝型透气元件最显著的优势在于高的热力学性能,耐冲刷磨损,寿命较长。新一代弥散型透气元件的突出特点是氧气清吹时,劳动强度最低,且去除细小非金属夹杂物效果最佳。芯板型复合结构透气元件可实现吹通率100%,适用于钢包周转较慢、热震条件苛刻的钢厂,尤其是不锈钢等高品质特殊钢。陶瓷棒型复合结构透气元件因为陶瓷棒对耐火浇注料本体的强化增韧作用,可避免透气元件整层横向断裂,陶瓷棒之于耐火浇注料本体,正类似于钢筋之予混凝土,加之陶瓷棒中微孔抗钢液浸润和渗透性强,可实现免烧氧或轻烧氧。然而,除直通孔型透气元件退出了钢包应用领域外,其他任何一种结构类型都是利弊共存的,可以预见在一定时期内,均有各自适用的工况,不会被另外一种完全替代。