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炼钢转炉修补用投入型热态修补料

投入型热态修补料是利用人力或者废料溜槽以投入方式进行施工的混合料。修补对象几乎都是炼钢转炉。而作为特殊的情况,也曾报道过以酚醛树脂为结合剂的投入型修补料用于修补钢包包底的例子。
修补转炉的部位主要是炉底、装料俩炉壁和出钢侧炉壁等损耗部位。由于修补转炉的这些部位是在出钢后的热态中进行的,因此将这类修补料称为投入型热态修补料。
对转炉炉底、装料侧炉壁和出钢侧炉壁进行热态修补是保证转炉正常运转,提高炉子使用寿命的一项重要技术措施。
投入型热态修补料在炼钢转炉中的应用非常普遍,仅次于喊性喷补料,居修补料中的第2位。
炼钢转炉修补用投入型热态修补料的介绍
投入型热态修补料是利用人力或者废料溜槽以投入方式进行施工的混合料。修补对象几乎都是炼钢转炉。而作为特殊的情况,也曾报道过以酚醛树脂为结合剂的投入型修补料用于修补钢包包底的例子。
修补转炉的部位主要是炉底、装料俩炉壁和出钢侧炉壁等损耗部位。由于修补转炉的这些部位是在出钢后的热态中进行的,因此将这类修补料称为投入型热态修补料。
对转炉炉底、装料侧炉壁和出钢侧炉壁进行热态修补是保证转炉正常运转,提高炉子使用寿命的一项重要技术措施。
投入型热态修补料在炼钢转炉中的应用非常普遍,仅次于喊性喷补料,居修补料中的第2位。
2.1投入型热态修补料的由来及其发展
转炉用耐火材料要交替经受化学腐蚀的两个阶段:
(1)前期酸性熔渣的侵蚀阶段。该阶段主要是由于SiO2的侵蚀作用,低熔点硅酸盐入侵后向耐火材料的内部迁移,首先通过基质进行渗透。
(2)末期碱性熔渣的侵蚀阶段。该阶段主要是高温下氧化铁的侵蚀作用,FeO与GaO反应形成低熔点的铁酸盐,使耐火材料受到严重侵蚀。
这种严酷的操作条件,只有含碳耐火材料才能与之相适应。
因此,在LD转炉炼钢的初期,采用不烧焦油/沥青结合的白云石砖作为转炉衬,这在一定程度上适应了当时转炉的操作条件,解决了当时的迫切问题。然而,由于这种耐火材料的高温强度有限,其耐磨性和抗冲刷能力不好,在转炉装料侧由于高温钢水的强力冲刷和废钢的机械撞击而产生起前损毁。为了解决转炉装料侧炉壁超前损毁的问題,耐火材料生产厂家和用户共同开发了与不烧成的焦油/沥青结合白云石砖化学-矿物组成相同的混合料,修补转炉装料侧炉壁损毁的部位,提高了转炉的使用寿命。
当时的焦油/沥青-白云石质混合料的结合剂是由30% ~40%焦油和60%〜70%沥青组成的。混合料的制备方法是将加热到 120~140℃的焦油/沥青加入到已预热到160〜180℃的白云石颗粒料中,混合并加入白云石/镁砂细粉,再混合均匀。这种混合料与转炉用不烧成焦油/沥青结合白云石砖的不同之处,只是增加了焦油/沥青的用量。
修补施工是通过利用入力或废料溜槽把修补料投入炉内需要修补的部位,并利用炉子的高温使混合料流动扩展并烧结,在获得坚硬的覆盖层之后,便可启动炉子进行生产。
由此可见,焦油/沥青-白云石质混合料作为转炉装料侧炉壁热态修补料,其应用历史几乎和LD-转炉炼钢历史一样长。
焦油/沥青-白云石质混合料的高温流动性良好,烧结时间也比沥青结合的混合料短,而且资源丰富,价格便宜,因而曾经被广泛地应用,甚至现在国内有些钢厂仍在使用。
选用焦油/沥青作为结合剂的原因是由于其稠度适中,并含有较理想的残碳量。
焦油/沥青-白云石质混合料的缺点主要是需要在热态条件下混合,冷却后又成为团块状。当将它投入炉内之后,由于其受热面积有限,需要较长时间进行熔化,限制了生产率的提高。
随着冶炼技术的发展,特别是转炉应用顶底复合吹炼技术进行炼钢之后,转炉需要进行投入型修补的部位已不再局限于装料侧炉壁,而且炉底和出钢侧炉壁也需要进行修补来延长炉子的寿命。于是,转炉用投入型热态修补料也就随着转炉顶底复合吹炼操作而得到迅速发展,许多新的材料纷纷而世。
概括来讲,作为转炉用投入型热态修补料可以归纳为水系和无水系两大类型,后者又分为沥青系和树脂系两类混合料(由于它们都念有碳,所以又称为碳系),这两大类型投入型热态修补料的性能见表2-1。
表2-1投入型热态修补料性能的比较
采用投入型热态修补工艺对转炉进行修补,已经成为提高转炉寿命的一项重要技术,现在正在广泛应用中。
2.2投入型热态修补料的特征
以转炉为对象的投入型热态修补料,必须具备如下特点:
(1) 高温流动性好;
(2) 硬化时间短;
(3) 耐用性能高。
不论是水系或者是无水系投入型热态修补料,在高温初期都 应当是流动性材料。水系投入型热态修补料主要是以含结晶水的磷酸盐为结合剂,加热则流动。无水系(碳系)投入型热态修补料是以沥青和树脂为结合剂,在高温下也都具有流动性。
用磷酸盐结合的水系投入型热态修补料以及用沥宵和树脂结 合的无水系投入型热态修补料的硬化时间如图2-1所示,它们的 高温抗折强度以及附着强度如图2-2所示。水系投入型热态修补 料具有非常优异的流动性,其硬化时间相当短,但高温抗折强度却 很低,附着强度也较低;相反,沥青结合的流动性较差,但高抗折强度却很高;综合性能则以树脂结合的投入型热态修补料煨好,实用结果表明,其耐用性也好。
(高温抗折强度在1400℃,附着强度在1000℃)
2.3典型投入型热态修补料
在表2-1中列出了转炉用几类典型的投入型热态修补料。
2.3.1磷酸盐结合的投入型热态修补料
在水系投入型热态修补料中,有用混练机等事前加水混练后装入袋内准备的混合料和利用含结晶水的结合剂结合的粉状混合料。采用含结晶水的磷酸盐作为结合剂的MgO质和MgO-CaO质干式混合料,加热之后即流动。这种投入型热态修补料主要用于修补转炉底部,装料侧炉壁和出钢侧炉壁,也用于修补炉子的头部区域。
尽管磷酸盐结合的投入型热态修补料在加热后流动性优异, 对作业环境危害比较小,但因其高混强度和附着强度都比较低,(见图2-2),因而难以延长炉子的使用寿命。现在己经很少使用。
2.3.2沥青结合的投入型热态修补料
为了克服以焦油/沥青为结合剂的投入型热态修补料在混合时为泥料状、冷却就固化为团块状材料的缺点,将焦油/沥青结合剂改为粉状沥青结合剂后材料就变为粉状。为了提高抗蚀性则向混合料中配加炭素,其碳源可以添加石磨,也可以配入一定数量废镁碳砖。这样生产的沥青-镁砂-碳质投入型热态修补料具有在高温下扩展性高,耐用性优异等特点。然而,它仍然存在硬化时间长的问题。因此,在以粉状沥青为结合剂生产投入型热态修补料时, 应当主要致力于解决硬化时间问题,使之具有高结合强度和快硬的特点。
应当指出,沥青类型对投入型热态修补料的流动性和硬化性是有影响的。
采用表2-2所示的3种不同软化点沥青为结合剂,研究沥青-MgO质混合料在1000℃时,沥青加入量与热态流动性、硬化时间和厚度之间的关系。如图2-3、图2-4和图2-5所示。从这3幅图看出,沥青的高混流动性随着软化点的下降而上升,硬化时间则随软化点的下降而缩短,试样厚度也随着软化点的下降而变薄。这表明低软化点沥青具有易于促进碳化的特点。这就是说,低软化点沥青具有容易扩散,试样变薄和快硬等优点,因而认为它最适宜用作投入型热态修补料的结合剂。但是也存在当贮存温度高时容易使混合料结成团块状的问题。
在沥青添加量与硬化时间的关系中,基本上是随着沥青添加量的增加,硬化时间延长。然而,伴随扩展性的提高,受热面积则扩大,会促进燃烧和碳化,因而硬化时间又会变短。显然,最终的硬化时间由以上二者决定。
为了进一步提高粉状沥青结合的投入塑热态修补料的流动性和缩短硬化时间,可以通过并用具有缩聚作用的添加物或者作为润湿剂的高挥发性有机溶剂来实现缩短硬化时间的目的。
此外,通过添加在高温下能降低液化沥青粘度的有机物也可缩短沥青系投入型热态修补料的硬化时间,如图2-6所示。它表明,与熔融沥青具有相容性的有机物可使硬化时间缩短约10% ~ 20%,甚至更高。
为了进一步实现沥青溶液低粘性化,应当添加流动促进剂。图2-7〜图2-9是加入(见表2-3)两种与沥青C(低软化点)熔液具有相容性的有机流动促进剂(也称流化剂见表2-3)之后的结果。这3幅图表明,在沥青系投入型热态修补料中加入一定量的流动促进剂之后,沥青C的流动性增强,如图2-7所示。硬化时间缩短。
流动促进剂类型与流动性的关系如图2-7所示,熔点稍高的Y的扩展性高。
流动促进剂的添加量与硬化时间的关系如图2-8所示,随着流动促进剂添加量的增加,硬化时间缩短。在两种流动促进剂中,X的硬化时间比Y短。
高温下的结合强度如图2-9所示,流动促进剂X、Y在添加量为2r时结合强度都变得最大。不管添加量比2r多或少,结合强度都降低,在添加量多的领域(X时为4r,Y时为3〜4r),结合强度比不添加制品还低。在比较流动促进剂X与Y时,X表示出了高的结合强度。
综合分析上述结果,在增加流动促进剂的添加量时,由于沥青的量减少,所以硬化时间都缩短。通过将流动促进剂添加到一定程度,达到与沥青均匀溶合,实现低粘性化,而使扩展性和结合性提高。但是,在超过适宜的添加量时,流动促进剂便先行熔融、蒸发、燃烧、与提高扩展性失去联系,而且由于沥青浓度降低,所以不能充分形成碳结合,使结合性能降低。
在比较流动促进剂X和Y时,熔点低的X由于快速熔融,与沥青熔合,达到低粘性化,所以能被快速扩展、硬化。仅以快速被加热,就足以促进沥青的碳化,缩短硬化时间。然而,由于充分扩展之前就完全硬化,所以认为与提高扩展性没有太大关系。
另一方面,关于结合性。由于熔点低的流动促进剂更容易使沥青熔液达到低粘性化,所以认为在微细的领域,增加与基底的结合面积,提高了结合强度。
由此看来,改进粉状沥青结合的MgO-C质投入型热态修补料的关键是使用有机物质作为流化剂,降低高温熔融沥青的粘性,从而在常温下使这类修补料从泥料状材料改为干粉状材料,并在投入炉内后利用其潜热即能迅速产生流动扩展、并迅速硬化。
采用粉状沥青并添加复合流化剂的MgO-C质投入型热态修补料具有流动性好,硬化快,附着强度大等优异性能,估计会获得高耐用性。
如果向这类投入型热态修补料中再添加金属铝粉时,见表2-6, 即可进一步提高其性能,如图2-10和图2-11所示。图2-10表明,加入5%Al的MgO-C质投入型热态修补料在温度不低于1200℃时能进一步缩短硬化时间;图2-10则表明,这种修补料在1000℃以上具有更高的粘结强度,估计其耐用性亦会得到进一步提高。
根据赤井哲等最近的研究结果,认为乙内酰胺是沥青结合MgO-C质投入型热态修补料最有效的流化剂。因为其TG-DTA测定结果表明,其重量喊少10%和80%的温度比未加乙内酰胺的沥青低很多:
当添加15%沥青和4%乙内酰胺时,即可制得烧结时间非常短的优质MgO-C质投入型热态修补料。


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