中间包具有承接来自钢包的钢水并向结晶器分配、控制连铸速度的作用, 其重要性随着时间的推移日益增加, 如今已被公认为是一个冶金反应器, 部分精炼操作甚至也可以在中间包内安全、高质量进行。中间包结构设计的方向是延长钢水停留时间、消除短路和搅拌死区以使得夹杂物充分上浮, 保护热量和化学元素不从熔融的液体中流失, 同时为钢铁用户提供优异的质量和经济效益。同样耐火材料提供商也将是该转变过程的参与者, 需要不断开发新产品来更好的满足冶炼工艺的需要。
目前市场上不同类型的产品均可以作为中间包工作层使用, 钢铁用户可以充分结合自身冶炼工艺需要选择不同的产品。湿式喷涂料、热固化干式料以及自硬化干式料都是当前市场上可供选择的产品。
本文的目的就是充分考虑用户现实需要, 比较各种材料技术的优缺点, 了解各类中间包工作层的使用成本, 阐释当前的一些使用误区。
2 喷涂料
在上世纪80年代, 湿式喷涂料的出现成为中间包工作层的一大突破性飞跃。这种材料由于含有特殊的添加剂可使体积密度达到1.1g·cm-3, 隔热性好, 同时施工方便、性能优异、成本低廉, 使得这项技术的应用非常成功。为了准确评估各种材料的使用情况, 在2016年展开了一项针对南美45个大中型钢铁企业的市场调查。结果表明, 年约38 500t的中间包工作层使用量中喷涂料占了78%的比例。
虽然喷涂料的消耗量巨大, 但事实上使用时需要添加约25%的水却一直是人们所关注的问题。加入大量的水带来的第1个问题就是涂料烘干过程中要消耗大量的燃气。这种材料通常情况下至少需要3h的时间将温度升高到550℃以排除水分。图2给出了一个推荐性烘烤曲线, 可根据客户具体需要调整。值得庆幸的是, 还可以使用高炉煤气代替天然气以降低成本。
第2个人们所关注的问题点是向钢水增氢的可能性。氢元素对于钢材是有害的, 通常会导致裂纹生成和钢材材质变脆。然而在钢水的冶炼和二次精炼过程中有许多氢元素的来源, 包括残留钢水、搅拌气体、脱碳剂、潮湿的合金、钢包渣、空气以及喷涂料。当与熔融钢水接触时, 耐火材料气孔里的水蒸气就会急速分解, 形成的氢原子便溶解到钢水里。这是由于具有较强迁移性的氢原子很容易进入到铁的晶体网络结构里, 氢的原子半径大约相当于铁原子半径的1/6 (rH=25×10-12m;rFe=140×10-12m) 。
为了进一步验证喷涂料里面的水对钢水造成污染的可能性, 我们开展了中间包烘烤监控试验。试验采用在工作层和永久层之间放置3个热电偶。
数据表明, 当中间包温度达到稳定以后每个监控点的温度都达到了100℃以上。当温度超出100℃以后, 工作层中的所有水分都会变成水蒸气并且非常容易沿喷涂料的孔隙逸出。因此可以得出结论, 合理的烘烤曲线可以保证水分的有效排除, 从而保证钢铁生产工艺质量。需要注意的是中间包烘烤仅是保证自由水的排除。人们通常相信系统中还存在结合水, 但量非常少, 因为中间包在使用过后已经彻底被干燥, 并且也没有足够的时间形成水镁石。即便形成了水镁石, 结合水也将在中间包的加热过程中彻底消除。
除了喷涂料施工时要使用大量的水以外, 另外一个人们所关注的点是喷涂料中所添加的二氧化硅微粉在冶炼过程中产生的氧化铝夹杂。能够解释喷涂料中游离二氧化硅含量减少是由于和钢水中溶解的金属铝发生了反应, 由此还导致产生了氧化铝夹杂。
根据埃林汉姆图, 生成氧化铝的自由能比生成二氧化硅的自由能要小。尽管这种担心是基于喷涂料中的游离二氧化硅, 但前人的研究结果表明, 由于二氧化硅被还原而导致的氧含量升高和与空气接触后的再氧化相比是微不足道的, 氧化铁亦是如此。
为了最大限度的降低氧化铁的影响, 当前使用的原材料都是高纯耐火原材料, 因此这种氧源也可以被消除。
综上所述, 由于水使钢水增氢以及由于二氧化硅而产生氧化铝夹杂都不能成为选择喷涂料作为中间包工作层的障碍。
3 热固化干式振动料
干式振动料的开发是以减少甚至消除外加水和降低燃气消耗, 同时提升中间包周转效率为目的的。的确, 采用这种材料可以大幅度降低燃气消耗, 因为这种材料不需要加水。这种材料为了能使树脂固化, 通常仅仅需要烘烤到300℃左右即可。
一份来自南美不同钢厂的数据表明, 采用不同材料时所需的施工时间是不一样的, 当采用干式料时能够使得中间包的准备时间减少70min。以一个钢厂每天的中间包准备时间为4h为例, 则每月可以节省131h。
虽然干式料可以降低燃气消耗和减少中间包准备时间, 但这种材料目前在南美仅有少数钢厂在使用。其中一家钢厂之所以选择干式料是因为天然气价格较高。另外两家是寄希望于改善钢材的质量, 尽管没有证据表明喷涂料不能满足其质量要求。这么少的钢厂选择干式料还是由于其自身存在一些无法克服的劣势。
干式料的第1个劣势就是结合系统。这种材料一般采用酚醛树脂做结合剂。酚醛树脂的应用有如下缺点:较高的价格, 树脂聚合产生的刺鼻性气味以及向钢水增碳。尤其是向超低碳钢的增碳将严重影响钢材质量和特性。尽管目前有环境友好型的结合剂可供选择, 但其高昂的价格和向钢水增碳问题依然存在。Krausz等人曾对比了不同材料, 结果发现喷涂料相对于干式料而言对钢水增碳的影响要小得多, 这点充分验证了干式料在冶炼超低碳钢时被限制使用的原因。
干式料与喷涂料 (1.1g·cm-3) 相比, 另外一个缺点是较高的体积密度, 可达1.7g·cm-3, 这就意味着同样厚度条件下消耗得更多。来自巴西某钢厂的数据表明, 当采用干式料代替喷涂料时消耗用量大约增加了30%。
综合考虑由于结合剂较高的价格带来的成本升高和由于体积密度的增加而带来的高消耗两方面因素, 同一个中间包当采用干式料时相比喷涂料成本大约增加56%。
除了较高的体积密度带来的高消耗, 随着永久层服役时间的持续和蚀损, 同样会使干式料的消耗增加 (见图7) , 这是由于模具和永久层之间的空隙越来越大。尽管可采用具有调节功能的模具但依然不能保持消耗的稳定。来自巴西客户的数据表明, 到了永久层的服役后期, 干式料的消耗甚至翻倍。所以有些时候, 提前更换永久层比一味的增加工作层的消耗更加经济。
图7 随着中间包永久层轮廓的变形干式料的消耗随之增加
干式料虽然有着较高的成本和消耗, 但在两种情况下使用也具有可行性:一是中间包包壳数量较少和中间包的准备时间严重影响钢厂的生产节奏;二是浇钢时间特别长。干式料由于具有较高的体积密度, 因此其相应具有较低的侵蚀速率。来自巴西一家钢厂的数据表明, 干式料的侵蚀速率大约为0.016mm·min-1, 而喷涂料为0.025mm·min-1。需要着重指出的是一些钢厂必须严格遵守用电高峰限制, 因此不得不限制浇钢时间, 而通过喷涂合适厚度的喷涂料也可以使用30h之久。
4 自硬化材料
由于持续降低能源消耗和提升中间包周转效率的需要, 自硬化材料应运而生。这种材料采用硅酸钠溶液做结合剂, 同时配合使用一种酯。在施工时这两种液体和干式料一直处于搅拌状态, 然后填充到永久层和模具之间的空隙里。和热固化干式料相比, 这种材料的应用需要配套较为复杂的装备, 必须具有液体的泵送系统和搅拌装置。因此与前两种材料相比, 这种材料的使用需要更高的成本投资。
在这个材料体系里, 酯和硅酸钠溶液发生反应, 去除系统中的Na2O, 相应的提高了系统中的Si O2/Na2O的比例, 形成了结合相并可使材料在室温下硬化。尽管这种材料使用液体结合, 但溶液中存在的水在硬化反应过程中被消耗了。因此这种材料不需要烘干, 进而可以彻底消除燃气的消耗。
不再使用燃气是客户选择这种材料的重要因素。那些没有燃气可用或者需要面对高昂燃气价格的客户对自硬化材料最感兴趣。
这种中间包的准备时间比干式料缩短60min, 可施工时必须使得永久层的温度降低到40℃以下。若温度高于40℃, 将提高反应动力, 而材料便具有坍塌的趋势。因此施工省下来的时间需要花费在等待永久层降温的过程中。
另外与干式料一样, 这种材料相比喷涂料而言同样具有以下劣势:高体积密度、高消耗和高成本。正是因为这些缺点, 所以这种材料的市场份额在南美洲仅仅占小部分。
5 结论
本文的主要目的是讨论当前南美洲中间包工作层的使用现状。总体来说, 这3种材料都可以满足钢厂对钢材质量的要求。每种材料技术的优缺点列于表3, 钢铁用户可以结合自身实际情况选择。起初干式料由于不再使用水确实引起了市场轰动, 同时可以降低甚至省去燃气消耗引起了一些钢厂的广泛关注, 在一些冬季无天然气可用或者天然气价格昂贵的国家最为实用。另外一个选择干式料的原因是因其能够提高中间包的周转效率以及可长时间连续浇钢。尽管干式料具有诸多的优点, 但整个中间包工作层市场一直是喷涂料占主导地位, 要理解这种状况需要了解每个钢厂对生产工艺真正的要求和需要。
表3 3种材料技术的优缺点对比
总体来讲, 投资和成本是客户选择工作层材料的重要出发点。从这点考虑, 喷涂料是最佳选择, 低成本, 低投资, 低消耗, 具有其他材料不具有的隔热性能, 同时也可以满足钢厂对钢材质量的要求。从另外一点考虑, 南美这些钢厂都有足够的中间包包壳可用, 相对较短的浇钢时间和可供使用的高炉煤气都最大限度的降低了干式料的使用。
综上所述, 喷涂料可满足南美洲绝大多数钢厂的需要, 干式料对于一些特殊客户或者有特殊工艺要求的客户也具有重要意义。
上一篇：工业窑炉砌筑用耐火泥浆的相关规 下一篇：高岭土做复合硅酸铝保温材料
TAG标签：
耐火砖
河南耐火砖
高铝砖
刚玉砖
耐火砖价格
河南耐火材料厂
