氧化锆嵌件在转炉挡渣滑板上的应用有哪些?

2023-05-16 19:19 李翔

摘要:

在炼钢应用技术发展日新月异的今天,各种有利于提高效率、降低成本的配套设备及工艺设施推广的速度前所未见。而每当审视炼钢-连铸生产线时,转炉出钢口挡渣滑板总是因为寿命不理想和表现不稳定而成为那个让人揪心的环节。虽然镶嵌锆板和锆环的挡渣滑板在耐钢渣侵蚀方面有独特优势、在提高寿命方面深具潜力,但在实际使用中时常出现非正常损毁。如何充分发挥氧化锆嵌件的性能优势并彻底解决导致挡渣滑板寿命不稳定的问题关系到炼钢企业的生产效率、经济效益与生产安全。


关键词:挡渣滑板 锆板 锆环


前言


转炉挡渣滑板的应用对于转炉炼钢而言具有划时代的意义。与传统的挡渣锥、挡渣帽等产品相比,转炉挡渣滑板使得精准挡渣、高效挡渣成为现实。另一方面,挡渣滑板应用到转炉后,即刻面临着转炉高效运转的工况压力和吨钢承包价格逐年走低的市场环境。市场迫切需要挡渣滑板的寿命稳定提高、挡渣功能进一步完善及综合利用成本降低。高密度、高热震稳定性的氧化锆制品的应用,将为上述目标的实现提供保障。


一、转炉挡渣滑板的选材与使用性能


滑板作为控流元件,其最多的使用场景是钢包。从材质方面划分,滑板主要分为金属结合不烧滑板、埋碳烧成浸渍滑板、氮化烧成滑板。转炉挡渣滑板沿用了上述三种方案,并且增加了镶嵌锆板和锆环的滑板。


由于转炉挡渣滑板的工作环境与钢包滑板有所不同,导致钢包滑板的材质直接嫁接到转炉上使用寿命并不理想。一方面,转炉钢水过热度远超钢包,使得钢水和钢渣对滑板的侵蚀性剧增;另一方面,转炉滑板铸孔孔径与整板的宽度比例高使得滑板本体温度变化速率更高;第三,更高次数的连滑加剧了板面拉毛现象。


金属结合不烧滑板的特点是:以酚醛树脂碳化后形成的碳网为结合相,金属铝粉等作为还原物质以减缓石墨和树脂碳网的氧化。金属结合不烧滑板作为挡渣滑板使用,往往在**炉出钢时就会发生金属铝粉液化/汽化析出,进而碳网快速氧化失效,表现为滑板扩径快、表明拉毛严重。除此之外,在1650℃左右的出钢温度下,滑板的主要成分-烧结刚玉与转炉渣反应激烈,进一步加重了滑板扩径。


理论上,耐转炉渣侵蚀的耐火原料包括含锆原料(电熔氧化锆、电熔锆刚玉、电熔锆莫来石)和含镁原料(电熔镁砂、电熔镁铝尖晶石)。而还原气氛下烧结形成的碳化硅结合相的抗氧化性和抗冷热循环性能优于树脂固化后形成的碳网。实践中,以电熔锆莫来石为主要材料经过高温烧成的滑板砖也被证明在转炉出钢口上使用寿命长且一致性好。


镶嵌锆板和锆环一直都是挡渣滑板制造的重要方式之一。一方面,氧化锆作为最耐钢渣侵蚀的耐火原料,其在各种工况下使用都表现出无与伦比的耐侵蚀性能。另一方面,高密度嵌件中以氧化锆作为结合相,解决了非氧化物结合相易氧化和易溶于钢水的缺点。尽管当下镶嵌锆制品的挡渣滑板仍有一些不足,随着氧化锆嵌件性能的突破,其仍然是最具发展潜力的挡渣滑板。


二、氧化锆嵌件的生产工艺与使用性能


自1975年澳大利亚科学家R.G.Garvie以氧化钙为稳定剂制得部分稳定氧化锆,使得以纯氧化锆(含稳定剂)生产定型制品的方式得以实现。美国和日本等地区继而出现了镶嵌滑板用的氧化锆环和镶嵌中间包水口用的氧化锆芯,以及钢包和中包控流用氧化锆滑板。


上述锆制品的主要原材料是电熔钙稳定氧化锆。制备中以-40目~-325目粒度的电熔锆进行合理的颗粒级配,添加适量单斜锆细粉或氧化锆除尘粉以求保证热震稳定性的前提下尽量提高产品的体积密度。该种以电熔氧化锆颗粒制备的产品的密度难以突破5.1g·cm-3,在使用中的损毁形式是颗粒的逐层剥落。以该工艺生产的锆芯用于中间包快换上水口,扩径速率超过0.1mm/h,用于转炉挡渣滑板扩径速率也很快,与烧成滑板相比优势不明显。


为了进一步提高氧化锆制品的结合强度以获得更佳的抗侵蚀性,生产商发明了纯细粉制备的产品:以破碎的轻烧砖坯为骨料(0.1-0.5mm),配以D50<3um的微粉为基质,使得产品的密度可以达到5.25-5.30g·cm-3同时具备良好的热震稳定性(图1)。这种材质的氧化锆制品用于水口和滑板嵌件寿命较电熔颗粒制品提高50%左右。也有的生产商利用烧结性能更好的电熔镁稳定氧化锆和电熔镁钇复合稳定氧化锆制备了耐侵蚀性更佳的颗粒型制品,只不过性价比不及纯细粉制备的产品。


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图1.轻烧造粒+细粉制品(德国产)


近几年,氧化锆相变增韧机理开始被深入研究并应用到耐火材料领域,氧化锆嵌件的密度已经可以超越5.5g·cm-3,产品的气孔率<5%。这种致密度级别的氧化锆制品,抗侵蚀性能较之前二者有了极大的提高。实操中发现,沥青浸渍工艺都难以将其浸透,故而得名“陶瓷型氧化锆制品”(图2)。“陶瓷型嵌件”已经大量用于中间包水口,也正在推广到转炉挡渣滑板上。从使用效果看,其抗热冲击性仍然有待提高。与水口使用环境相比,转炉滑板的使用环境要求材料不仅要有优良的耐急冷急热性能,更要有良好的热震循环强度保持率。


陶瓷型氧化锆制品(青岛赛莱欧).png

图2.陶瓷型氧化锆制品(青岛赛莱欧)


三、挡渣滑板的结构设计建议


为了满足快速出钢的要求,转炉滑板的孔径一般不低于140mm。而为了避免挡渣机构过大影响转炉操作,转炉滑板的宽度通常不超过320mm。所以挡渣滑板的铸孔孔径与板面宽度的比例较大。从钢包滑板的使用经验看,普通材质滑板(不烧碳结合和烧成碳结合)的铸孔尺寸与板面宽度的比例越大越不利于连滑寿命的提升。因为铸孔比例越大,滑板的密封性越低,钢渣和钢水对板面的侵蚀性随着密封性降低而大幅度提高。于是,镶嵌高耐侵蚀性的氧化锆嵌件成为提高挡渣滑板使用寿命的优选方案。


然而在使用中,高密度氧化锆制品的热膨胀量与滑板母体相差较大。这将导致滑板受热后氧化锆嵌件与母体砖高度不同、镶嵌部位离缝,进而在开关过程中产生机械损伤(图3)。如果将下板止滑区镶嵌锆板,上下板的铸孔部位都镶嵌锆环(图4)将会充分发挥锆制品耐侵蚀的特点,对钢水和钢渣流经的范围进行全面保护,同时也避免了整体大锆板(图5)因尺寸大、结构异形导致的意外开裂和掉块。


铸孔周围锆板碎裂.png

图3.铸孔周围锆板碎裂


镶嵌锆件的结构设计.png

图4.镶嵌锆件的结构设计


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图5.整体锆板


当下,国内已经出现了超过十家电熔氧化锆生产企业,电熔氧化锆材料产量大且种类繁多。据统计,三祥新材和蚌埠中恒、东方锆业三家上市企业的电熔氧化锆产能均超过一万吨,电熔氧化锆行业的产品涵盖了电熔脱硅锆、半化学法电熔活性锆等单斜锆制品和各种稳定剂/复合稳定剂的电熔稳定氧化锆。氧化锆原料市场的蓬勃发展为氧化锆耐火材料制品的发展提供了丰富的原料池。由于钢铁企业不断向智能化和高效化方向发展,市场急需高性能、高可靠性耐火材料制品。在这种背景下,氧化锆耐火材料制品正在进行着快速的迭代升级。相信,用氧化锆嵌件组装的挡渣滑板将以其性能优异、绿色低碳、节省人工的特点获得长足的发展,成为最具竞争力的挡渣滑板产品。


2023年5月1日星期一