有效提高钢包座砖使用寿命的研究

为提高钢包座砖的使用寿命，以板状刚玉、α-Al2O3微粉、烧结镁砂、电熔尖晶石为主要原料，铝酸钙水泥为结合剂，采用高效减水剂制备了钢包座砖试样。研究了烧结镁砂加入量(加入质量分数分别为0、4%、5%、6%)和MgO引入形式对钢包座砖常规物理性能、高温抗折强度、抗侵蚀性和抗热震性的影响。结果表明：当2.5%的烧结镁砂和9.5%的电熔尖晶石以复合的形式引入时，试样强度提高，抗侵蚀性改善，其综合性能最好。以此配方制备的钢包座砖现场使用寿命由原来的40炉提高到50炉，实现了与钢包同步，有效提高了钢包的平均使用寿命。
　　在冶炼品种钢使用时，传统刚玉质和刚玉尖晶石质钢包座砖普遍出现使用寿命低、难以和钢包同步的现象。经分析，钢包座砖损毁的主要原因是钢水的冲刷、侵蚀及热震损毁。因此，通过材质优化开发精炼钢用高性能、高寿命钢包座砖是解决钢包使用寿命的主要途径。本工作中，在刚玉质座砖的基础上，首先以烧结镁砂的形式引入一定量的MgO，以期原位生成尖晶石来提高座砖的抗渗透性，并研究MgO加入量的变化对座砖性能的影响。由于单独加入镁砂可能会因为镁砂原位生成尖晶石发生体积效应而对产品的性能有不利影响，因此，随后改变MgO的引入方式，研究其对座砖综合性能的影响。
　　试验
　　1.1原料及试样制备
　　试验用原料有板状刚玉(8～5、5～3、3～1、≤1和≤0.044mm)、烧结镁砂(≤0.088mm)、电熔尖晶石(≤0.088mm)、α-Al2O3微粉，结合剂为铝酸钙水泥，采用高效减水剂。主要原料的化学组成见表1。
　  首先将干料混合均匀，然后加入高效减水剂和适量的水，搅拌均匀后振动成型为40mm×40mm×160mm的条样和外部尺寸为100/90mm×100mm、内孔尺寸为50/44mm×60mm的坩埚，脱模后自然养护24h，经110℃保温24h烘干后，再分别在1100和1550℃保温3h热处理。
　　表2试验配方
　　1.2 性能检测
　　对烘干和热处理后的条形试样，按照YB/T5200—1993测其显气孔率和体积密度，按GB/T3001—2007测常温抗折强度，按GB/T5072—2008测常温耐压强度，按GB/T5988—2007测加热永久线变化，按GB/T3002—2004测高温抗折强度(1550℃保温1h)。
　　抗渣试验:采用静态坩埚法。坩埚装入一定量的转炉渣，在空气气氛下于1550℃保温5h热处理，剖开后观察渣的渗透和侵蚀情况，以渗透深度和侵蚀指数(侵蚀面积÷侵蚀前试样面积×100%)表征抗渣性的优劣。渣的化学组成(w)为:CaO50.34%，SiO29.93%，Al2O325.16%，MgO8.42%，T.Fe1.20%。
　　抗热震性:将1550℃保温3h热处理后的条形试样经过1100℃保温20min后，风冷15min。重复此过程3次后，测试计算试样的抗折强度保持率(热震后抗折强度÷热震前抗折强度×100%)。
　　结果与讨论
　　2.1 烧结镁砂加入量对座砖性能的影响
　　2.1.1烧结镁砂加入量对座砖物理性能的影响
　　烧结镁砂加入量对座砖物理性能的影响
　　(1) 随着烧结镁砂加入量的增加，成型加水量呈增加趋势。这一方面是因为板状刚玉的吸水率比烧结镁砂的高，另一方面是因为烧结镁砂会发生水化而导致加水量增加。烘干和热处理后试样的体积密度均呈下降趋势，显气孔率均呈增加趋势。一方面因为加水量的增加，另一方面因为热处理过程中生成尖晶石时产生体积膨胀导致微裂纹的产生。
　　(2) 烘干后试样的强度呈现缓慢增加的趋势，主要是因为MgO水化后生成具有结合性能的Mg(OH)[8]2;热处理后，引入适量的烧结镁砂能有效地提高试样的强度，主要因为加入一定量的烧结镁砂在热处理过程中会生成适量尖晶石;但是，当烧结镁砂加入量超过4%(w)时，由于尖晶石生成量过多，致使微裂纹部分扩展成破坏性裂纹，导致试样强度明显下降。
　　(3)随着烧结镁砂加入量的增加，加热永久线变化呈增加趋势，因为热处理过程中尖晶石生成会产生体积膨胀。
　　2.1.2烧结镁砂加入量对座砖抗热震性的影响
　　烧结镁砂加入量对座砖抗热震性(1100℃，风冷3次)的影响如图1所示。可以看出，随着烧结镁砂加入量的增加，抗折强度保持率呈逐渐增加的趋势。因为烧结镁砂原位生成尖晶石发生体积膨胀而产生微裂纹，微裂纹一方面能有效地缓冲试样在温度急剧变化过程中产生的热应力，另一方面能阻碍裂纹的扩展。
　　2.1.3烧结镁砂加入量对座砖抗渣性的影响
　　烧结镁砂加入量对座砖抗渣性的影响如表4所示。从表4可以看出，随着烧结镁砂的增加，试样的侵蚀指数呈现先降低后急剧增加的趋势，渗透深度逐渐减小。根据CaO-SiO2-MgO三元相图可知，MgO和熔渣中的CaO、SiO2共融温度较高，难以形成低熔点物;同时，原位生成的尖晶石活性较高，能快速吸收熔渣中的氧化铁形成尖晶石固溶体，降低了熔渣中的铁含量，从而提高了熔渣的黏度，熔渣的渗透减弱，进而使抗侵蚀性有所提高。当烧结镁砂加入量过多时，由于体积效应过大，试样内部裂纹过多而疏松，引起抗侵蚀性急剧降低。综合考虑试样的抗侵蚀性和抗渗透性，烧结镁砂加入量5%(w)时抗侵蚀性能最好。
　　综上所述，当烧结镁砂加入量为5%(w)时试样的综合性能较好，此时，MgO含量为4.8%(w)。
　　2.2 MgO引入形式对座砖性能的影响
　　MgO引入形式对座砖物理性能的影响
　　(1) 烘干和中温处理后，以电熔尖晶石的形式引入MgO试样Z4的体积密度最大，显气孔率最小。主要是因为电熔尖晶石和烧结镁砂相比显气孔率较低。
　　(2) 烘干后试样由于烧结镁砂的水化作用导致单独加入烧结镁砂的试样烘干强度稍高。复合加入电熔尖晶石和烧结镁砂试样的热处理后强度较高。与单独加入尖晶石相比，电熔镁砂原位生成尖晶石，增强了基质的结合强度，导致强度较高;与单独加入烧结镁砂相比，原位生成尖晶石的体积效应较小，由于体积效应产生的微裂纹较小，强度较高。
　　(3)单独加入烧结镁砂试样Z2的抗折强度保持率最高。主要是原位生成尖晶石的体积效应产生微裂纹，消弱了由于温度变化而产生的热应力。
　　(4)复合加入烧结镁砂和电熔尖晶石试样Z5的抗侵蚀性和抗渗透性最好，主要是因为复合加入形式能原位生成尖晶石，促进烧结，同时和外加的尖晶石相比具有更好的均匀性和活性，吸收熔渣中氧化铁的速度更快，熔渣的黏度变化更迅速;与单独加入烧结镁砂相比，内部微裂纹较少，基质和骨料的结合更致密。
　　综上所述，复合加入烧结镁砂和电熔尖晶石能有效地改善试样的综合性能。
　　现场使用
　　根据以上的试验结果分析，选取综合性能较好的配方Z5进行生产，在南方某钢厂进行试验。该钢厂钢包容量为150t，钢水在钢包停留时间为4.5h左右，精炼时间为40min左右，钢水浇铸时间为50min左右，LF精炼比占30%，LF+RH精炼比占70%，所炼钢种都为精炼钢，试验钢种为铆螺钢。
　　使用结果表明，钢包座砖使用寿命由原来的40炉提高到50炉，实现了与钢包同步，有效提高了钢包的平均使用寿命。
　　结论
　　(1) 在刚玉质座砖中引入MgO，虽然会降低试样的体积密度，提高其显气孔率，但是MgO的引入能显著地提高试样的强度，并随着MgO加入量的增加呈现先增大后减小的变化，试样的抗热震性和抗渣性均有所改善。
　　(2) 选择配方Z5，即烧结镁砂和电熔尖晶石以复合的形式引入时，试样的强度提高，抗侵蚀性提高，其综合性能最好。
　　(3)按照Z5配方进行实际生产试验，经过现场使用表明，烧结镁砂和电熔尖晶石复合引入时，座砖的使用寿命有明显提高。