提高中间包用铝硅质浇注料的耐用性
发布日期:2014-10-29 09:15:27
发布日期:2014-10-29 09:15:27
1 前言
中间包用浇注料主要是使用铝硅系材质。其损毁形态有如下几种:①发生裂纹和剥落;②渣线部的熔损;③包壁部的塌陷;④涂层料的烧结等。
为提高浇注料的耐热震性,以往采取的措施是抑制涂层料发生烧结和减小工作面与背面的强度差等。虽然这些措施取得了一定的效果,但仍不理想。原因是没有搞清浇注料的损毁机理,因为它决定着中间包的使用寿命。因此,为再次研究对中间包寿命起决定作用的浇注料的损毁机理,在实机上调查了浇注料的损毁状况,并对使用后的浇注料进行取样分析。结果可知,决定中间包寿命的浇注料的损毁是因渣渗透造成浇注料剥落而产生的。据此,开发了以抑制渣的渗透为目的的浇注料材质。
2 实验方法
2.1 试料
实验用的A浇注料是Al2O353mass%、SiO243%、CaO2mass%的铝硅系中间包用浇注料,以水泥作粘结剂。
2.2 在实机上的损毁形态和回收耐火材料的分析
根据以往在实机上使用的10多例耐火材料的观察结果,对中间包浇注料的损毁形态进行了归纳,在此基础上研究了决定中间包寿命的浇注料的损毁形态,并对损毁严重的部位进行重点研究等。另一方面,从在实机上使用了214炉后的中间包壁的上部(距粉末线大约100mm的下部)、中部和下部(包底与包壁的接合角部),沿壁面高度方向的3点回收试样,对各试样的截面进行观察。另外,为了解渣的渗透及其物理参数的变化,沿厚度方向在35mm间距的地方切开进行化学分析,并在同一间距的地方测定了气孔率、弹性模数和耐压强度。
2.3 改良品的试制
为抑制渣的渗透,有效的办法是使气孔径细化和提高渣的粘度,因此试制增加SiO2 粉末添加量的材质。A材质的SiO2粉末添加量为αmass%。以A材质为基础,又试制了B、C材质,其SiO2 粉末添加量分别为2αmass%和3αmass%。
对这些试料的气孔径分布、强度、抗腐蚀性和渣的渗透深度进行了调查。采用旋转式渣侵蚀试验法对浇注料的抗腐蚀性和渣的渗透深度进行了评价。使用的中间包粉末为Al2O320mass%、SiO24.5%、CaO65mass%。试验条件为1600℃×3h、旋转速度为9rpm。根据综合评价的结果,将被认为是最好的改良品在实机上进行试用。
3 结果
3.1 损毁图形模式图的制作
对实机使用的观察结果进行系统归纳后整理出中间包浇注料典型的损毁变化形态,调查了前述的何种损毁形态会对浇注料寿命起决定性的影响作用,可归纳为如下几点:
①随着中间包使用次数的增加,与工作面垂直的裂纹会增加。
②浇注料从裂纹的交差部位发生剥落。
③中间包的纵向两壁发生的裂纹形态没有差异,但顶部没有紧固件的部位容易发生包壁的倒塌。
④裂纹和剥落大多发生在包底与包壁连接的包壁下部。
⑤包壁的使用寿命主要取决于浇注料剥落的程度。
3.2 使用后的分析结果
3.2.1 截面的观察
回收试样的剩余厚度上、下部为100~120mm左右,下部为70mm左右,但由于下部发生的裂纹很多,从工作面到背面为一体物,所以无法取样。将试样切开观察发现,在距工作面大约50mm深的位置上发生了与工作面平行的裂纹。
3.2.2 分析结果
从渗透渣的成分CaO在深度方向的变化来看,在工作面侧0~35mm处,CaO的浓度上升。另一方面,距工作面35mm以上背面侧的分析值则接近原来材料的分析值。由此可知,在工作面侧0~35mm处发生了渣的渗透。另外,在损毁严重的包壁下部,渣的渗透量增大。
从气孔率的变化来看,在工作面侧0~35mm部位,气孔率减小,越靠近损毁严重的包壁下部,气孔率的减小越明显,与35~70mm部位的差增大。气孔率减小的原因可以看作是渣渗透的影响。
从弹性模数的变化来看,在0~35mm处,工作面的弹性模数比背面的增大。可以认为这是渣的渗透形成致密化后产生的影响所致。另外,在包壁下部,由于0~35mm处的弹性模数比上中部的大,35~70mm处的弹性模数减小,因此渣的渗透产生的物理性能的差异进步扩大,而耐压强度的变化与弹性模数几乎成正比。
3.3 改良品的试制
从浇注料特性值的比较可知,在1500℃烧成后的气孔率随SiO2粉末添加量的增加而减小,但气孔径几乎没有变化。机械强度可用耐压强度来表示,随着SiO2粉末的增加,机械强度有略为下降的趋势,但可以说变化不大。另一方面,采用旋转式渣侵蚀法的熔损量随SiO2粉末添加量的增加会有若干增大,C材质的侵蚀量是A材质的120%。
从采用旋转式渣侵蚀法的渣的渗透深度来看,随着SiO2粉末添加量的增加,渣的渗透深度明显减小。
4 研究
4.1 裂纹和剥落产生的原因
通过整理浇注料在使用过程中的观察结果可知,决定中间包寿命的损毁是耐火材料的剥落。由于耐火材料在使用过程中会发生剥落,因此必然发生与工作面平行的裂纹。在使用后的浇注料分析中能看见在距工作面大约50mm深的位置上发生了与工作面平行的裂纹。另一方面,由于渣的渗透深度为大约35mm,因此可以认为裂纹的发生位置与渣的渗透深度基本相同。另外,由于渣的渗透,因此工作面形成了低气孔率、高弹性模数和高强度的状况。根据这些结果可以认为,由于渣的渗透,在工作面侧和背面侧完整层之间会产生物理性能的差异,发生了与工作面垂直的拉伸应力,由此发生了与工作面平行的裂纹。这就是所谓的结构性剥落。
接着,对包壁下部发生剥落多的原因进行研究。对包壁上部和下部温度 变化比较后发现,由于上部的温度变化比下部的小,因此难以认为这是由于温度变化而产生的单纯热态剥落。另一方面,还得出了包壁下部渣的渗透量会增大的结果。一般认为渣的渗透越多,越容易发生剥落。因此可以认为包壁下部渣的渗透量增多,剥落的发生会更明显。渣渗透增大的原因可以认为是由于钢水静压大、剩余钢水积留,且长时间暴露于高温中等因素的影响。
根据以上分析可以认为,剥落的产生原因是由于渣的渗透而引起结构性剥落的。因此抑制渣渗透能有效提高中间包浇注料的寿命。
4.2 抑制渣的渗透
为提高中间包浇注料的寿命,必须抑制渣的渗透,浇注料材质的改进应以抑制渣渗透为重点。为抑制渣的渗透,有效的办法就是使气孔径细微化和提高渗透渣在气孔中的粘度。
基于上述原因,因此通过增加SiO2粉末的添加量,有望达到使气孔径细微化和提高渗透渣在气孔中的粘度这两方面的效果,结果能减小渣的渗透深度。
但是,关于气孔径细微化的问题,各种试样都没有差别,达不到所期待的结果。由此得出这样一个结论:在本实验中渣渗透的减小并不是因为减小气孔径的作用。
另一方面,关于提高渣粘度的问题,进行了以下研究。从分析值来看,气孔中的渣可以看作是由SiO2-Al2O3-CaO-MgO这4种成分系所构成的。但是,由于4种成分系的渣粘度没有已知的数据,所以用Al2O3-CaO系的3种成分的已知数据来代用。随着硅添加量的增加,粘度有增大的趋势。
对渗透渣在气孔中的组成变化和伴随这种变化的粘粘度变化情况进行了推定。在渣渗透的部位几乎看不到5~10mm以下的颗粒,所以可以认为5~10mm以下的颗粒大体上已与渣产生反应变成液相,使渣的组成发生变化。另外,在构成耐火材料的颗粒中,虽然细小的颗粒会很快与渣产生反应,但大的颗粒仅最表面发生反应。因此,假设浇注料中所含的15μm以下的颗粒和采用前述的旋转式渣侵蚀法的渣在浇注料中的渗透达到15mass%就后产生反应,对反应变化后的渣的组成进行了推定。渣渗透量为15mass%是根据用过浇注料的分析值计算而来的。
5 实机试验
在中间包使用过程中,因为通常在浇注料的表面涂上保护料,因此抗腐蚀性虽然不是值得重视的内容,但万一涂料发生熔损脱落时,就有可能产生重大事故。考虑到这一点,因此在实机试验中采用了CaO20%、Al2O350%、SiO230%的材质(B材质)。
以往品的寿命为200炉左右,而B材质将寿命延长至242炉。操作过程中,B材质的剥落少,状况良好。在回收使用后的试样分析中发现,渣的渗透深度减小。由此可以认为实验室的研究结果已在实机上得到确认。
6 结束语
对于中间包用浇注料的损毁机理,根据使用后的材料分析,得出以下结果,并据此对材料进行了改进。
(1)决定中间包寿命的浇注料损毁主要是由于渣的渗透引起浇注料发生结构性剥落所致。
(2)为抑制渣的渗透,开发了增加SiO2粉末添加量的材料,我们认为它能有效抑制渣的渗透。其原因可以归纳为,增加SiO2粉末的添加量可以提高渣在气孔中的粘性。
(3)实机使用这种材质后,已证明使用寿命提高了。
中间包用浇注料主要是使用铝硅系材质。其损毁形态有如下几种:①发生裂纹和剥落;②渣线部的熔损;③包壁部的塌陷;④涂层料的烧结等。
为提高浇注料的耐热震性,以往采取的措施是抑制涂层料发生烧结和减小工作面与背面的强度差等。虽然这些措施取得了一定的效果,但仍不理想。原因是没有搞清浇注料的损毁机理,因为它决定着中间包的使用寿命。因此,为再次研究对中间包寿命起决定作用的浇注料的损毁机理,在实机上调查了浇注料的损毁状况,并对使用后的浇注料进行取样分析。结果可知,决定中间包寿命的浇注料的损毁是因渣渗透造成浇注料剥落而产生的。据此,开发了以抑制渣的渗透为目的的浇注料材质。
2 实验方法
2.1 试料
实验用的A浇注料是Al2O353mass%、SiO243%、CaO2mass%的铝硅系中间包用浇注料,以水泥作粘结剂。
2.2 在实机上的损毁形态和回收耐火材料的分析
根据以往在实机上使用的10多例耐火材料的观察结果,对中间包浇注料的损毁形态进行了归纳,在此基础上研究了决定中间包寿命的浇注料的损毁形态,并对损毁严重的部位进行重点研究等。另一方面,从在实机上使用了214炉后的中间包壁的上部(距粉末线大约100mm的下部)、中部和下部(包底与包壁的接合角部),沿壁面高度方向的3点回收试样,对各试样的截面进行观察。另外,为了解渣的渗透及其物理参数的变化,沿厚度方向在35mm间距的地方切开进行化学分析,并在同一间距的地方测定了气孔率、弹性模数和耐压强度。
2.3 改良品的试制
为抑制渣的渗透,有效的办法是使气孔径细化和提高渣的粘度,因此试制增加SiO2 粉末添加量的材质。A材质的SiO2粉末添加量为αmass%。以A材质为基础,又试制了B、C材质,其SiO2 粉末添加量分别为2αmass%和3αmass%。
对这些试料的气孔径分布、强度、抗腐蚀性和渣的渗透深度进行了调查。采用旋转式渣侵蚀试验法对浇注料的抗腐蚀性和渣的渗透深度进行了评价。使用的中间包粉末为Al2O320mass%、SiO24.5%、CaO65mass%。试验条件为1600℃×3h、旋转速度为9rpm。根据综合评价的结果,将被认为是最好的改良品在实机上进行试用。
3 结果
3.1 损毁图形模式图的制作
对实机使用的观察结果进行系统归纳后整理出中间包浇注料典型的损毁变化形态,调查了前述的何种损毁形态会对浇注料寿命起决定性的影响作用,可归纳为如下几点:
①随着中间包使用次数的增加,与工作面垂直的裂纹会增加。
②浇注料从裂纹的交差部位发生剥落。
③中间包的纵向两壁发生的裂纹形态没有差异,但顶部没有紧固件的部位容易发生包壁的倒塌。
④裂纹和剥落大多发生在包底与包壁连接的包壁下部。
⑤包壁的使用寿命主要取决于浇注料剥落的程度。
3.2 使用后的分析结果
3.2.1 截面的观察
回收试样的剩余厚度上、下部为100~120mm左右,下部为70mm左右,但由于下部发生的裂纹很多,从工作面到背面为一体物,所以无法取样。将试样切开观察发现,在距工作面大约50mm深的位置上发生了与工作面平行的裂纹。
3.2.2 分析结果
从渗透渣的成分CaO在深度方向的变化来看,在工作面侧0~35mm处,CaO的浓度上升。另一方面,距工作面35mm以上背面侧的分析值则接近原来材料的分析值。由此可知,在工作面侧0~35mm处发生了渣的渗透。另外,在损毁严重的包壁下部,渣的渗透量增大。
从气孔率的变化来看,在工作面侧0~35mm部位,气孔率减小,越靠近损毁严重的包壁下部,气孔率的减小越明显,与35~70mm部位的差增大。气孔率减小的原因可以看作是渣渗透的影响。
从弹性模数的变化来看,在0~35mm处,工作面的弹性模数比背面的增大。可以认为这是渣的渗透形成致密化后产生的影响所致。另外,在包壁下部,由于0~35mm处的弹性模数比上中部的大,35~70mm处的弹性模数减小,因此渣的渗透产生的物理性能的差异进步扩大,而耐压强度的变化与弹性模数几乎成正比。
3.3 改良品的试制
从浇注料特性值的比较可知,在1500℃烧成后的气孔率随SiO2粉末添加量的增加而减小,但气孔径几乎没有变化。机械强度可用耐压强度来表示,随着SiO2粉末的增加,机械强度有略为下降的趋势,但可以说变化不大。另一方面,采用旋转式渣侵蚀法的熔损量随SiO2粉末添加量的增加会有若干增大,C材质的侵蚀量是A材质的120%。
从采用旋转式渣侵蚀法的渣的渗透深度来看,随着SiO2粉末添加量的增加,渣的渗透深度明显减小。
4 研究
4.1 裂纹和剥落产生的原因
通过整理浇注料在使用过程中的观察结果可知,决定中间包寿命的损毁是耐火材料的剥落。由于耐火材料在使用过程中会发生剥落,因此必然发生与工作面平行的裂纹。在使用后的浇注料分析中能看见在距工作面大约50mm深的位置上发生了与工作面平行的裂纹。另一方面,由于渣的渗透深度为大约35mm,因此可以认为裂纹的发生位置与渣的渗透深度基本相同。另外,由于渣的渗透,因此工作面形成了低气孔率、高弹性模数和高强度的状况。根据这些结果可以认为,由于渣的渗透,在工作面侧和背面侧完整层之间会产生物理性能的差异,发生了与工作面垂直的拉伸应力,由此发生了与工作面平行的裂纹。这就是所谓的结构性剥落。
接着,对包壁下部发生剥落多的原因进行研究。对包壁上部和下部温度 变化比较后发现,由于上部的温度变化比下部的小,因此难以认为这是由于温度变化而产生的单纯热态剥落。另一方面,还得出了包壁下部渣的渗透量会增大的结果。一般认为渣的渗透越多,越容易发生剥落。因此可以认为包壁下部渣的渗透量增多,剥落的发生会更明显。渣渗透增大的原因可以认为是由于钢水静压大、剩余钢水积留,且长时间暴露于高温中等因素的影响。
根据以上分析可以认为,剥落的产生原因是由于渣的渗透而引起结构性剥落的。因此抑制渣渗透能有效提高中间包浇注料的寿命。
4.2 抑制渣的渗透
为提高中间包浇注料的寿命,必须抑制渣的渗透,浇注料材质的改进应以抑制渣渗透为重点。为抑制渣的渗透,有效的办法就是使气孔径细微化和提高渗透渣在气孔中的粘度。
基于上述原因,因此通过增加SiO2粉末的添加量,有望达到使气孔径细微化和提高渗透渣在气孔中的粘度这两方面的效果,结果能减小渣的渗透深度。
但是,关于气孔径细微化的问题,各种试样都没有差别,达不到所期待的结果。由此得出这样一个结论:在本实验中渣渗透的减小并不是因为减小气孔径的作用。
另一方面,关于提高渣粘度的问题,进行了以下研究。从分析值来看,气孔中的渣可以看作是由SiO2-Al2O3-CaO-MgO这4种成分系所构成的。但是,由于4种成分系的渣粘度没有已知的数据,所以用Al2O3-CaO系的3种成分的已知数据来代用。随着硅添加量的增加,粘度有增大的趋势。
对渗透渣在气孔中的组成变化和伴随这种变化的粘粘度变化情况进行了推定。在渣渗透的部位几乎看不到5~10mm以下的颗粒,所以可以认为5~10mm以下的颗粒大体上已与渣产生反应变成液相,使渣的组成发生变化。另外,在构成耐火材料的颗粒中,虽然细小的颗粒会很快与渣产生反应,但大的颗粒仅最表面发生反应。因此,假设浇注料中所含的15μm以下的颗粒和采用前述的旋转式渣侵蚀法的渣在浇注料中的渗透达到15mass%就后产生反应,对反应变化后的渣的组成进行了推定。渣渗透量为15mass%是根据用过浇注料的分析值计算而来的。
5 实机试验
在中间包使用过程中,因为通常在浇注料的表面涂上保护料,因此抗腐蚀性虽然不是值得重视的内容,但万一涂料发生熔损脱落时,就有可能产生重大事故。考虑到这一点,因此在实机试验中采用了CaO20%、Al2O350%、SiO230%的材质(B材质)。
以往品的寿命为200炉左右,而B材质将寿命延长至242炉。操作过程中,B材质的剥落少,状况良好。在回收使用后的试样分析中发现,渣的渗透深度减小。由此可以认为实验室的研究结果已在实机上得到确认。
6 结束语
对于中间包用浇注料的损毁机理,根据使用后的材料分析,得出以下结果,并据此对材料进行了改进。
(1)决定中间包寿命的浇注料损毁主要是由于渣的渗透引起浇注料发生结构性剥落所致。
(2)为抑制渣的渗透,开发了增加SiO2粉末添加量的材料,我们认为它能有效抑制渣的渗透。其原因可以归纳为,增加SiO2粉末的添加量可以提高渣在气孔中的粘性。
(3)实机使用这种材质后,已证明使用寿命提高了。