新一代六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的研制與應(yīng)用

徐國濤 王志強(qiáng) 秦世民 劉 黎 張洪雷 張彥文 周旺枝

1）寶鋼股份中央研究院（武漢） 湖北武漢 430080

2）武漢鋼鐵集團(tuán)耐火材料有限責(zé)任公司 湖北武漢 430083

3）武漢鋼鐵有限公司煉鋼廠 湖北武漢 430081

隨著鋼鐵工業(yè)市場競爭的加劇，鋼鐵企業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品提高贏利的同時(shí)，追求極致能效以降低生產(chǎn)成本。鐵水或鋼水在運(yùn)輸過程中存在溫降，而鐵水包［1］、魚雷罐［2］、鋼包［3］、中間包［4］的材質(zhì)及其隔熱保溫與溫降密切相關(guān)。目前，多數(shù)廠家鋼包、中間包的保溫采用沿鋼殼內(nèi)表面貼絕熱板的方法［5］，但是絕熱板或納米保溫板在使用過程中存在粉化、收縮的問題，熱導(dǎo)率也隨之增加，隔熱效果變差。有的廠家使用輕質(zhì)隔熱磚作為保溫層［3］，但因?yàn)槠涿芏鹊?，氣孔多，在工作襯破損、永久層開裂的情況下，存在安全隱患；而且輕質(zhì)隔熱磚的厚度受到包容的限制不會(huì)太厚。含多孔球形莫來石或剛玉的半輕質(zhì)澆注料雖有研究報(bào)道［6］，但從實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1 000℃左右時(shí)半輕質(zhì)澆注料的熱導(dǎo)率比室溫時(shí)增加。日本制鐵的軋鋼加熱爐中水冷梁用耐火材料，由20世紀(jì)70年代的耐火磚發(fā)展到可塑料、陶瓷纖維和隔熱澆注料，再逐步發(fā)展到現(xiàn)在稱之為第四代隔熱材料的六鋁酸鈣澆注料及預(yù)制塊［7］，其主要理由是：六鋁酸鈣（CA6）質(zhì)隔熱耐火材料存在微米級(jí)氣孔，其熱導(dǎo)率從室溫至1 500℃均保持在較低水平，具有優(yōu)良的高溫體積穩(wěn)定性、抗熱震性、抗渣性等。但是我國鋼鐵行業(yè)中耐火材料多實(shí)行總包制，企業(yè)追求的是低成本高效益，在這種情況下，對(duì)于高性能但成本較高的六鋁酸鈣材料，其應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少。本研究中，針對(duì)某廠200 t鋼包的特點(diǎn)，采用絕熱板輔助六鋁酸鈣質(zhì)澆注料作為永久層材料，分析了鋼包永久層材料及結(jié)構(gòu)變化對(duì)減少鋼水溫降的影響，對(duì)其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和使用效果進(jìn)行了分析與探討。

1 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的制備及性能

以不同粒級(jí)（8～5、5～3、3～1、≤1 mm）的六鋁酸鈣為骨料，六鋁酸鈣細(xì)粉（≤0.074 mm）、Al2O3微粉（≤5μm）、添加劑細(xì)粉等為基質(zhì)，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑制備了六鋁酸鈣質(zhì)澆注料，其大致配比見表1。

表1 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的大致配比

按表1中稱取相應(yīng)粒度的六鋁酸鈣原料，混合均勻，粉碎至≤0.074 mm，檢測(cè)其化學(xué)組成（w）為：Al2O390.18%，CaO 7.42%，MgO 0.75%，SiO20.59%，Na2O 0.41%，F(xiàn)e2O30.12%，K2O 0.04%。選取粒度為8～5 mm的六鋁酸鈣原料進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，其形貌見圖1，可見，六鋁酸鈣有片狀或柱狀，對(duì)“＋1”處進(jìn)行EDS分析，其化學(xué)組成（w）為：Al2O392.90%，CaO 7.10%。

圖1 8～5 mm的六鋁酸鈣原料的顯微形貌

將六鋁酸鈣質(zhì)澆注料和取自生產(chǎn)現(xiàn)場的鋼包永久層用普通高鋁質(zhì)澆注料（外加水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%）制備成40 mm×40 mm×160 mm的條狀試樣和內(nèi)孔?30／20 mm×30 mm、邊長70 mm的正方體坩堝試樣，經(jīng)110℃保溫24 h烘干后再經(jīng)1 500℃保溫3 h熱處理。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體積密度和顯氣孔率（GB／T 2997—2015）、常溫耐壓強(qiáng)度（GB／T 5072—2008）、常溫抗折強(qiáng)度（GB／T 3001—2017）、加熱永久線變化（GB／T 5988—2007），其結(jié)果見表2。由表2可見，與高鋁質(zhì)澆注料相比，六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的體積密度大，加水量略高，1 500℃熱處理后的顯氣孔率高，加熱永久線變化為正，微膨脹。

表2 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料與普通高鋁質(zhì)澆注料的物理性能對(duì)比

按GB／T 5990—2006檢測(cè)六鋁酸鈣質(zhì)澆注料及高鋁質(zhì)澆注料在不同溫度下的熱導(dǎo)率，結(jié)果見圖2?？梢姡?00～1 000℃時(shí)六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的熱導(dǎo)率變化不大，在0.631 W·m-1·K-1左右，說明高溫下熱導(dǎo)率仍然較低；高鋁質(zhì)澆注料隨溫度增加，熱導(dǎo)率增加幅度較大，1 000℃時(shí)的熱導(dǎo)率為1.028 W·m-1·K-1；熱導(dǎo)率小，傳熱少，說明六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的保溫效果較好。

圖2 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料及高鋁質(zhì)澆注料的熱導(dǎo)率

按GB／T 8931—2007，將110℃保溫24 h干燥后的六鋁酸鈣質(zhì)澆注料及高鋁質(zhì)澆注料坩堝試樣進(jìn)行1 500℃保溫3 h的靜態(tài)抗渣試驗(yàn)，其剖面照片見圖3?？梢姡瑑煞N澆注料的渣滲透深度相差不大，六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的中心孔邊緣更加清晰，說明抗侵蝕性優(yōu)于高鋁質(zhì)澆注料的。

圖3 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料及高鋁質(zhì)澆注料抗渣試驗(yàn)后的剖面圖

采用SEM分析經(jīng)1 500℃保溫3 h熱處理后的六鋁酸鈣質(zhì)澆注料中骨料與基質(zhì)間的形貌，如圖4所示?？梢姡瑵沧⒘现械牧X酸鈣保留了圖1中原料的形貌，但是骨料與基質(zhì)間存在一定量的孔隙，結(jié)合相為Al2O3-CaO體系組成的不定形相。

圖4 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的顯微結(jié)構(gòu)

2 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料在鋼包永久層的應(yīng)用

某鋼廠200 t鋼包擴(kuò)容后，其永久層采用高鋁質(zhì)澆注料，從120 mm減薄到90 mm；包壁工作層用剛玉預(yù)制磚，包壁厚度由200 mm減薄到170 mm，渣線鎂碳磚厚度由220 mm減薄到190 mm。擴(kuò)容后的鋼包散熱量增大，鋼殼變形，鋼水溫降增加［8］。為改善鋼包的保溫效果，永久層厚度不變，其余不變化，只改變永久層的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，降低其熱導(dǎo)率，永久層靠鋼殼部位選用絕熱保溫板保溫，其內(nèi)采用六鋁酸鈣質(zhì)澆注料，其中絕熱保溫板的熱導(dǎo)率≤0.2 W·m-1·K-1，燒后無明顯裂紋、強(qiáng)度高，最高使用溫度為1 200℃。按照絕熱保溫板10 mm與澆注料80 mm的厚度匹配，進(jìn)行熱模擬計(jì)算。模擬結(jié)果顯示：采用80 mm厚的六鋁酸鈣質(zhì)澆注料＋10 mm厚的保溫板為永久層的單個(gè)鋼包的鋼水溫降為45℃，采用80 mm厚高鋁質(zhì)澆注料＋10 mm厚的保溫板為永久層的單個(gè)鋼包的鋼水溫降為49℃，僅采用90 mm厚高鋁質(zhì)澆注料、無保溫板為永久層的單個(gè)鋼包的鋼水溫降為86℃。因此，采用六鋁酸鈣質(zhì)澆注料＋保溫板作永久層比采用高鋁質(zhì)澆注料＋保溫板減少鋼水溫降4℃，比僅采用高鋁澆注料減少鋼水溫降41℃。

鋼包包殼內(nèi)壁粘貼絕熱保溫板后，先澆注底部永久層，然后安裝內(nèi)模板，再進(jìn)行直筒段六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的澆注，脫模后的永久層內(nèi)壁光潔，無裂紋，整體性較好。使用了一個(gè)工作層大修周期（170爐）后，檢查大修后的永久層內(nèi)壁，除少量不連續(xù)的裂紋外，沒有任何剝落破壞，可繼續(xù)使用。永久層使用低導(dǎo)熱六鋁酸鈣質(zhì)澆注料后，鋼包第1～3爐次的包壁外殼溫度為199℃，渣線溫度為251℃；第6爐次的包壁外殼溫度為224℃，渣線溫度為262℃；穩(wěn)定后的鋼包外殼溫度與原用高鋁質(zhì)澆注料永久襯比較，平均溫度降低30～50℃。跟蹤永久層采用六鋁酸鈣質(zhì)澆注料和采用高鋁質(zhì)澆注料的鋼包的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：永久層使用低導(dǎo)熱六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的鋼包真空處理過程溫降0.46℃·min-1；原用高鋁質(zhì)澆注料的鋼包真空處理過程溫降0.97℃·min-1，保溫效果明顯改善。

3 六鋁酸鈣質(zhì)澆注料在永久層應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

由于鋼鐵企業(yè)競爭激烈，需要降低生產(chǎn)成本，開發(fā)低碳零碳的產(chǎn)品，于是鋼包就承載了加廢鋼、擴(kuò)容等壓力。但是多加廢鋼，會(huì)導(dǎo)致鋼水溫降，需要補(bǔ)熱或預(yù)熱廢鋼；從企業(yè)的角度，減少鋼水溫降，可以多加廢鋼，減少補(bǔ)熱，降低成本。通過LF工藝，電極加熱鋼水，預(yù)計(jì)每噸鋼升溫1℃耗電0.4 kWh，噸鋼升溫1℃成本約0.3元；相比較而言，減少鋼水溫降1℃，則降低噸鋼成本0.3元。以200 t鋼包為例，按照現(xiàn)有的永久層大修爐役計(jì)算，采用絕熱保溫板＋六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的噸鋼成本約0.49元，采用高鋁質(zhì)澆注料的噸鋼成本約0.25元，因此增加噸鋼成本0.24元。對(duì)于鋼廠來說，采用新型永久層材料（保溫板＋六鋁酸鈣質(zhì)澆注料）進(jìn)而降低鋼水溫降是其有利的選擇，例如，按計(jì)算可減少鋼水溫降4℃，則降低噸鋼成本1.2元，扣除新材質(zhì)的噸鋼成本0.49元，比采用高鋁質(zhì)澆注料的噸鋼成本0.25元，還是要節(jié)約噸鋼成本0.46元，對(duì)鋼廠十分有利。但對(duì)耐火材料供應(yīng)商來說，如果沒有價(jià)格補(bǔ)償，其并不積極采用新型永久層材料。

本試驗(yàn)的六鋁酸鈣質(zhì)澆注料的體積密度為2.82 g·cm-3，如采用適度輕質(zhì)骨料，將體積密度降低到2.0～2.5 g·cm-3，成本約降低11% ～29%；而密度適度降低，澆注料的熱導(dǎo)率也會(huì)下降；作為永久層的安全性也會(huì)提高。就保溫層而言，采用更低體積密度（如0.8～1.5 g·cm-3）的骨料作為噴涂層使用，其價(jià)格會(huì)更低，此種條件下，可以淘汰掉納米保溫板或絕熱板。通過用量和結(jié)構(gòu)變化的方式采用六鋁酸鈣材質(zhì)的永久層配合隔熱層耐火材料的噸鋼成本預(yù)期可降為0.32～0.39元，其與采用高鋁質(zhì)澆注料作永久層的噸鋼成本0.25元接近。再加上減少鋼水溫降的效益，鋼廠與耐火材料供應(yīng)商就可以雙贏。因此，六鋁酸鈣質(zhì)材料有良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）永久層用六鋁酸鈣質(zhì)澆注料在500、800、1 000℃時(shí)的熱導(dǎo)率為0.631 W·m-1·K-1左右，溫度變化的影響較??；高鋁質(zhì)澆注料的熱導(dǎo)率隨溫度增加而增加，1 000℃時(shí)的熱導(dǎo)率為1.028 W·m-1·K-1；高溫下六鋁酸鈣質(zhì)澆注料比高鋁質(zhì)澆注料的隔熱保溫效果好。

（2）200 t鋼包永久層采用低導(dǎo)熱六鋁酸鈣質(zhì)澆注料＋絕熱保溫板使用后，鋼包包壁外殼及渣線的溫度與原用高鋁質(zhì)澆注料永久襯比較，平均降低溫度30～50℃。

（3）預(yù)期六鋁酸鈣質(zhì)澆注料通過采用的骨料適度輕量化，可使體積密度降低到2.0～2.5 g·cm-3，成本會(huì)降低11%～29%，密度降低也可降低熱導(dǎo)率；通過骨料適度輕量化可減少材料用量，再配合結(jié)構(gòu)變化，預(yù)期可將六鋁酸鈣質(zhì)隔熱材料成本降低20% ～35%，同時(shí)減少了鋼水溫降，增加了效益，協(xié)同作用可大幅度降低鋼廠的生產(chǎn)成本。