提高中頻爐石英砂爐襯壽命的工藝實(shí)踐

周 吉

(攀枝花鋼城集團(tuán)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(gè)爐體，共4個(gè)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(duì)爐襯經(jīng)常出現(xiàn)裂紋導(dǎo)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(jí)、確定硼矸加入量，以期達(dá)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(jí)不合理，硼矸加入量過低造成燒結(jié)層厚度不夠，爐襯強(qiáng)度偏低，烘烤時(shí)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(shí)驗(yàn)室主要研究?jī)?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(jí)配；

(3)研究硼矸加入對(duì)搗打料性能的影響；

(4)研究烘烤溫度對(duì)搗打料性能的影響。

3 實(shí)驗(yàn)室研究

3.1 石英砂性質(zhì)

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

石英砂在加熱過程中會(huì)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(dāng)溫度高時(shí)，搗打料中已存在液相，這時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹會(huì)被液相吸收，而不會(huì)對(duì)爐襯發(fā)生傷害。由此可知我們需要的石英砂是，化學(xué)成分滿足表1要求，粒級(jí)要搭配合理，并且在烘爐時(shí)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(shí)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，當(dāng)溫度超過870 ℃時(shí)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(dāng)溫度高于1713 ℃開始緩慢融化。

3.2 粒級(jí)確定

根據(jù)高云琴等人的研究成果[2]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粒度分布對(duì)搗打料的各項(xiàng)性能有較大的影響。由Andreasen方程知道，當(dāng)最大粒徑Dpmax一定時(shí)，粒度分布系數(shù)q是決定粒度分布的唯一因素，實(shí)際上就是研究粒度分布系數(shù)q的變化對(duì)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(dá)到最大的體積密度(q=0.33時(shí)，見圖1)，而應(yīng)綜合考慮顆粒和細(xì)粉組成對(duì)燒結(jié)性能的影響，選取適當(dāng)?shù)牧６确植?，使材料既能獲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(shí)，搗打料在900 ℃×3 h烘烤后的耐壓強(qiáng)度最好，見圖2。

(1)

式中：UDp——累計(jì)篩下百分?jǐn)?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(dá)到q=0.3時(shí)的粒級(jí)情況再結(jié)合模擬搗打的試驗(yàn)研究，對(duì)大粒度的比例適當(dāng)往上調(diào)整，確定以表3的粒度級(jí)配為基礎(chǔ)進(jìn)行其它相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目研究。

3.3 硼矸加入量對(duì)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(diǎn)為450 ℃[3]。硼矸的加入量對(duì)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(diǎn)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(huì)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(huì)使搗打料強(qiáng)度變低。硼矸的另一個(gè)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(dāng)硼矸加入量大于0.9%時(shí)，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(gè)配比同時(shí)做抗渣和常溫抗壓試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

從表5可以看出隨著硼矸加入量達(dá)到0.9%常溫耐壓強(qiáng)度最大，加入量達(dá)到1.1%時(shí)熔渣浸蝕厚度最小，6個(gè)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?yàn)楫a(chǎn)生過多的SiO2-B2O3共晶體使試樣強(qiáng)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(duì)搗打料性能的影響

通過對(duì)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(shí)發(fā)生的，因此在900 ℃(略高于晶相轉(zhuǎn)化溫度)進(jìn)行保溫使石英砂晶相緩慢變化，本實(shí)驗(yàn)考察在900 ℃時(shí)保溫多長時(shí)間才能徹底完成晶相轉(zhuǎn)變。通過對(duì)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(dǎo)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(shí)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法

4.1 小樣的制備

按設(shè)計(jì)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(dòng)臺(tái)搗打成型，平鋪一層搗實(shí)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(cè)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(gè)重要因素，也是判定耐火材料性能優(yōu)劣的一個(gè)主要指標(biāo)。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(xué)性能和物理性能、材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及使用溫度等?？乖缘膬?yōu)劣主要與耐火材料的化學(xué)、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(cè)定方法有熔錐法、坩鍋法、浸漬法、轉(zhuǎn)動(dòng)浸漬法、撒渣法和回轉(zhuǎn)渣蝕法等。本實(shí)驗(yàn)采用的是坩鍋法。

(1)渣樣制備

試驗(yàn)采用的渣樣來自于板簧公司中頻爐鋼渣，經(jīng)破碎、磨細(xì)至0.1 mm以下。按照試驗(yàn)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(dá)到1600 ℃保溫1 h，隨爐自然冷卻后，測(cè)定材料的相關(guān)物理指標(biāo)。

(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

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

(3)試驗(yàn)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(yàn)用試樣中預(yù)留一根塞棒。烘烤后，拔去干式振動(dòng)料試樣中預(yù)留的塞棒，在試樣中留下的空洞即是作為抗渣試驗(yàn)的坩鍋。試樣中的渣坑的尺寸為Φ12 mm×20 mm。

把制備好的殘?jiān)Q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(yàn)后的坩鍋從中間切開，觀察并測(cè)量侵蝕深度。對(duì)各種不同的試樣侵蝕深度加以比較，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5 應(yīng)用試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究成果，確定以表7所示配方為工業(yè)實(shí)驗(yàn)配方。

試驗(yàn)前中頻爐共下線5個(gè)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(yàn)料共進(jìn)行5個(gè)中頻爐爐襯試驗(yàn)，在硼矸加入量、粒級(jí)和烘烤工藝發(fā)生變化后中頻爐共下線5個(gè)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(shí)，爐襯有最佳體積密度。

(2)硼矸的加入量為0.9%時(shí)，爐襯在保證一定強(qiáng)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(jí)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(jì)效益。

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