摘    要：为了降低某钢厂中间包耐材成本消耗, 本文以价格低廉的天然镁橄榄石为主要原料, 通过采用不同粒度级配、不同结合剂对镁橄榄石干式料的耐压强度、抗侵蚀性能等进行研究, 并在某钢厂进行了40个包次的工业应用。结果表明:所研制的镁橄榄石干式料与传统的镁质干式料相比其抗渣性能好、耐压强度高、成本降低20%以上, 且在该钢厂的使用过程中最高使用寿命达到14 h以上 (20炉次以上) , 完全满足该钢厂的工业使用要求。

1 引言

中间包是钢铁连铸过程中的关键装置之一, 它用来接收钢包的钢水并将其连续、均匀、稳定地注入结晶器, 而且还起着调整钢水流和除去非金属夹杂物、洁净钢水等作用[1]。因此选用适合的耐火材料对提高中间包的寿命非常重要。目前, 连铸中间包工作层用耐火材料主要为镁质干式料, 该干式料具有较好的抗高铁和碱性熔渣侵蚀、使用寿命长、不污染钢液、施工方便、易脱包翻包等特点[2]。但由于当前钢铁行业处于供大于求, 市场不景气, 大部分钢铁企业为了降低成本开始逐步对耐材进行保质降价, 这就对我们耐火材料行业提出了更高的要求。

为此, 我们对镁橄榄石进行了一系列的试验和研究, 成功开发出了一种成本低廉、使用效果好的中间包用镁橄榄石干式料。该干式料在某钢厂连铸中间包工作层的使用过程中, 使用寿命达到了14 h以上, 且易翻包, 完全达到钢厂的使用要求, 同时降低了其耐材成本消耗。

2 试验

2.1 原料

2.1.1 镁橄榄石

镁橄榄石主要物相为2Mg O·Si O2, 其次含有少量的Mg3Si O4O10 (OH) 2和Mg3Si3O5 (OH) 4, 其耐火度可达到1700℃以上, 熔点高, 晶型稳定, 具有良好的高温性能[3,4,5]。根据干式料性能要求, 本试验选用河南某地灼减在3%以下的天然镁橄榄石为主要原料进行相关试验研究。该镁橄榄石粒度级分别为3~1 mm和5~3mm, 价格约为电熔镁砂价格的1/4~1/3, 理化指标见下表。

表1 镁橄榄石理化指标

2.1.2 电熔镁砂

为了进一步提高镁橄榄石在干式振动料中的应用性能, 试验选用了1~0 mm和≤0.088 mm粒度级别的电熔镁砂进行配合使用, 其主要理化指标见表2。

表2 电熔镁砂理化指标

2.1.3 改性剂及结合剂

试验选用的GM改性剂为含Cr2O3的炼钢废弃二次资源;结合剂为无机环保SN型和复合性XG型结合剂进行试验研究。

2.2 研究内容

(1) 研究不同粒度级配对干式料不同温度耐压强度的影响;

(2) 研究改性剂对干式料抗侵蚀性的影响;

(3) 研究不同结合剂及加入量对干式料低温烘烤强度等的影响。

2.3 试样制备及研究方法

图1 抗渣性检测坩锅

按照试验设定的配比将材料混合均匀, 在三联式模具内捣打成型, 与钢模具一起放入烘箱内按250℃×30min进行烘烤, 脱模后即为40 mm×40 mm×160 mm试样, 再将试样分别按照1000℃×3 h、1550℃×3 h烧成, 随炉自然冷却后, 进行相关物理指标。其中体积密度按照YB/T5200进行检测;常温耐压强度按照GB/T5072进行检测;线变化按照YB/T5203进行检测[6]。

抗渣性检测采用实验室静态坩埚法, 试验熔渣采用某工厂生产现场中间包熔渣。抗渣试样采用不定形用坩埚模具成型, 尺寸为70 mm×70 mm, 内孔 (φ40 mm×40 mm) 。将试样连同模具一起放入烘箱250℃×30 min烘烤, 冷却后脱模;然后在孔中装入100 g试验熔渣, 经1550℃保温3 h, 取出样块, 待冷却后将样块从中间切开, 测量截面侵蚀厚度和渗透厚度, 厚度越大, 表明抗渣性越差, 如图1所示。

3 结果与讨论

3.1 粒度级配对干式料性能的影响

表3 试验配比

为了研究原料粒度级配对干式料强度的影响, 我们在实验室设计了三组不同粒度级配的配方进行研究。如表3所示, 其中骨料包括5~3 mm、3~1 mm和1~0 mm三级颗粒级配;基质料为≤0.088 mm细粉, 在添加适当的结合剂干混后进行低温烘烤成型和高温耐压强度检测。

表4 试验结果

从表4中可以看出, 当细粉比例较大时 (方案1) , 其低温烘烤强度相对较低将不利于施工脱模, 且经高温煅烧后易收缩;而当骨料比例较大时 (方案3) , 虽然体密有所增加, 但其高温强度明显降低, 且试验过程经观察发现其表面粗糙, 这主要是由于混料过程中易发生颗粒偏析所造成的。通过对比可知方案2由于其粒度搭配适当, 其各项指标最佳。

根据以上的试验研究结果, 本项目的粒度级配确定以方案2的粒度级配为基础进行其它相关试验项目研究。

3.2 结合剂的影响

干式料结合剂的主要作用是提高低温和中温烘烤强度, 以满足施工过程中的脱模和浇钢使用前的中温预烘烤需要。为此, 我们采用镁橄榄石、电熔镁砂为主要原料, 其它原料保持不变, 分别添加等量的无机环保SN型和复合XG型结合剂进行试验研究。试验结果如表5所示。  

表5 不同结合剂对试样性能的影响
 

图2 结合剂加入量对耐压强度的影响

可以看出, 试SN型试样在250℃×30 min和1000℃×3 h热处理后耐压强度分别为10.38 MPa和18.58 MPa, 能够满足炼钢的施工需要, 表明SN型结合剂具有良好的结合性和中温强度。而XG型试样相关指标明显较差。这主要是由于SN型结合剂的硬化温度区间基本在220~270℃, 保证在250℃的温度下烘烤能够有足够的强度, 可使脱模、中温烘烤顺利进行。而XG型试样由于低温烘烤冷却后强度较低, 在脱模和烘烤过程中容易发生垮包事故, 所以本试验确定采用SN型结合剂。

固定其它原料不变, 分别添加2%、3%、4%、5%、6%的SN型结合剂进行试样强度变化的研究。

由图2可知, 随着SN结合剂加入量增加, 在经低温和中温烘烤后试样的耐压强度均呈升高趋势, 但加入量再5%以上强度不再升高。综合考虑, 选取5%为最佳加入量。

3.3 改性剂的影响

改性剂主要是为了有效地提高干式料的抗渣蚀性能[7]。本试验选用的GM改性剂为含15%~20%Cr2O3的炼钢废弃二次资源, 固定其它原料配比不变, 通过改变改性剂的加入量研究其抗渣性, 试验结果如表6所示。

表6 试验结果

注:a约为0.2%。

由以上试验结果可知, 随着改性剂配加量的逐渐增加试样的侵蚀层和渗透层厚度减小, 表明其抗渣性能增加。综合考虑选择改性剂加入量为3a。

同时为了研究渗透层的内部组织, 我们对渗透层进行了电镜分析和X射线微区分析, 其结果如图3所示。

图3 扫描电镜形貌 (1) 1#-镁橄榄石

(2) 2#-GM改性剂; (3) 3#-被钢渣渗透的镁橄榄石

图4 1#微区EDS分析结果

图5 2#微区EDS分析结果

图6 3#微区EDS分析结果  

表7 渗透层各微区能谱分析

/%

由图4~6, 表7的分析可知, 3#浅灰色区域铁含量达到了15%以上, 表明该处受到了钢渣的渗透;1#灰色区域未被渗透的是镁橄榄石;2#白色区域为GM改性剂, 可有效的附着在镁橄榄石骨料上, 对钢渣的侵蚀和渗透起到了一定的保护渣作用。

3.4 研制的镁橄榄石干式料理化性能  

表8 镁橄榄石干式料理化性能指标

4 工业应用情况

工业应用试验在某钢厂40吨的中间包容量上进行, 自2012年5月1日到6月10日共计试验中间包40个, 用镁橄榄石干式料190 t。施工烘烤制度按照现有工序进行:施工完后先在250~300℃下, 烘烤25~30min, 冷却3 h后脱模, 再吊到平台烘烤至1000℃左右保温3 h后即可投入使用。

在整个施工烘烤及使用过程中新型镁橄榄石干式料未发生膨胀、爆裂垮塌事故, 且使用完后干式料与永久层接触部位疏松未烧结, 易翻包。在连续浇注过程中平均使用寿命达到20炉次以上 (14 h以上) , 与现有的镁质干式料使用效果相当 (该钢厂因水口使用等原因, 要求干式料连续浇注料时间不超过15 h) 。

由于采用镁橄榄石作为新型干式料的骨料, 其生产成本比原镁质干式料降低20%以上, 可大大降低炼钢生产中的耐材消耗成本。

5 结论

(1) 通过采用镁橄榄石作为骨料对改性剂、结合剂的研究, 成功研制出了成本低廉、性能优异的新型镁橄榄石干式料;

(2) 所研制的镁橄榄石干式料不仅能够满足某钢厂的生产要求, 同时还可大幅度降低炼钢生产成本。