賈江議 楊雪瑞 王小軍

(1.河南科技大學(xué) 2.鞏義通達(dá)中原耐火技術(shù)有限公司)

鎂質(zhì)中間包工作襯的研制與影響因素分析

賈江議1楊雪瑞1王小軍2

(1.河南科技大學(xué) 2.鞏義通達(dá)中原耐火技術(shù)有限公司)

針對目前所用的鎂質(zhì)干式料的不足,研制出以電熔鎂砂為主要原料,二氧化硅微粉和粘土為結(jié)合劑,活性三氧化二鋁細(xì)粉為燒結(jié)劑的鎂質(zhì)干式料,討論了結(jié)合劑和燒結(jié)劑對干式料性能指標(biāo)的影響。試驗(yàn)表明:研制的干式料性能優(yōu)良,施工方便,平均使用壽命可達(dá) 47 h,滿足中間包使用要求。

電熔鎂砂 鎂質(zhì)工作襯 中間包

0 前言

中間包冶煉技術(shù)是連鑄工藝的一個(gè)重要組成部分。中間包不僅可以降低鋼水靜壓、保證連鑄過程平穩(wěn)進(jìn)行的功能,而且還要求具有潔凈鋼水的功能[1]。近年來,隨著中間包快速更換水口技術(shù)的迅速推廣,中間包使用壽命獲得大幅度提高,這就對中間包工作襯的性能提出了更高的要求。目前國內(nèi)使用的中間包工作襯主要為鎂質(zhì)涂料和鎂質(zhì)干式料兩種。涂料在使用時(shí)需加 10%～15%的水,增加了烘烤時(shí)間,引起了涂料的氣孔率增加,降低了涂料的強(qiáng)度和高溫抗侵蝕性;干式料的結(jié)合劑多為固體樹脂,使用時(shí)不需加入水分,但施工時(shí)灰塵較大,且固體樹脂在高溫碳化后易導(dǎo)致鋼水增碳,對產(chǎn)品質(zhì)量不利。針對上述情況,本文研究了使用時(shí)無需加水和固體樹脂的鎂質(zhì)干式振動(dòng)料,以便提高材料的強(qiáng)度和避免鋼水增碳。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用主要原料為電熔鎂砂、粘土、三氧化二鋁粉及二氧化硅微粉,化學(xué)分析見表 1。

以電熔鎂砂為骨料和基質(zhì)。骨料與基質(zhì)料的質(zhì)量比為 65∶35。其中骨料包括 5 mm～3 mm、3 mm～1 mm和 1 mm～0 mm三級顆粒級配;基質(zhì)料包括粒徑≤0.044 mm和≤0.088 mm兩種細(xì)粉。加入結(jié)合劑、燒結(jié)劑干混后,在 160 mm ×40 mm ×40 mm三聯(lián)模中成型長方體試樣;成型后將試樣連同模具一起放入烘箱在 100℃～150℃之間烘烤,冷卻后脫模即可;然后將試樣在 450℃×3 h、1000℃×3 h和 1550℃×3 h條件下加熱處理。

表1 原料化學(xué)分析結(jié)果 %

測定試樣的抗渣蝕性能,以評定試樣的使用性能。測定試樣熱處理后的耐壓強(qiáng)度,以評定試樣的結(jié)合性能和燒結(jié)性能。測定試樣熱處理前后的尺寸變化百分率,以評定試樣的高溫體積穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性三氧化二鋁細(xì)粉對抗渣性的影響

選用活性劑的目的是為了有效地改善產(chǎn)品的抗渣蝕性能?？乖阅苡脷?jiān)叨群驮稚疃缺硎?殘?jiān)叨仍礁?、渣侵深度越小表明材料的抗渣能力越?qiáng),熔渣滲透主要通過材料中的氣孔進(jìn)行滲透。本試驗(yàn)按活性三氧化二鋁細(xì)粉的加入量為 1%、3%、5%、7%、9%和 11%進(jìn)行了抗渣試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示。

圖1 抗渣性與三氧化二鋁細(xì)粉加入量的關(guān)系

由圖 2可以看出,當(dāng) Al2O3加入量小于 5%時(shí),隨著Al2O3加入量的增加,試樣的抗渣性能逐漸提高;當(dāng)Al2O3加入量大于 5%時(shí),抗渣性能又有所下降。

基質(zhì)中的MgO和 Al2O3在 850℃高溫下可反應(yīng)生成尖晶石,并伴有 8%左右的體積膨脹[2]。其反應(yīng)式為:

當(dāng) Al2O3加入量小于 5%時(shí),反應(yīng)引起的膨脹量較小,較小的膨脹可以充填材料中的氣孔使材料結(jié)構(gòu)致密化,熔渣不易滲透,試樣的抗渣性能好;但當(dāng)Al2O3加入量大于 5%時(shí),隨著 Al2O3加入量的增加,反應(yīng)生成的尖晶石量逐漸增多,反應(yīng)引起的膨脹量逐漸增大,過分膨脹又會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)疏松,試樣的抗渣性能變壞。同時(shí)根據(jù) Al2O3-MgO-SiO2三元相圖可知[3]:隨著基質(zhì)中 Al2O3細(xì)粉加入量的增加,其低共熔點(diǎn)溫度逐漸升高 (由 1578℃升至 1710℃),即燒結(jié)液相出現(xiàn)溫度不斷提高,也就是說Al2O3含量越少的試樣在相同的燒結(jié)溫度下 (1500℃×3 h)出現(xiàn)的液相量就越多,液相充填材料中的氣孔引起燒后收縮就較大;而 Al2O3含量較多的試樣由于出現(xiàn)液相的溫度較高,液相量相對較少,而由其充填氣孔引起的燒后收縮也較小。

當(dāng)Al2O3細(xì)粉加入量小于 5%時(shí),低共熔點(diǎn)溫度較低,液相量相對較多,液相充填引起材料致密化作用強(qiáng);同時(shí)由于 Al2O3含量相對較少,生成尖晶石引起的膨脹量少,以氣孔充填作用為主,二者作用的結(jié)果是:隨著 Al2O3含量的增加,材料結(jié)構(gòu)致密度逐漸提高、氣孔率逐漸降低、體積密度逐漸增大,有效阻止了熔渣的滲透,材料抗渣性逐漸提高。

當(dāng) Al2O3細(xì)粉加入量大于 5%時(shí),隨著 Al2O3含量的增加,即液相出現(xiàn)的溫度升高,在相同的條件下產(chǎn)生的液相量會(huì)有所減少,液相充填引起材料致密化作用減弱;而此時(shí)由于 Al2O3含量相對較多,生成尖晶石引起的膨脹量大,造成材料造成結(jié)構(gòu)疏松。二者作用的結(jié)果是:材料的體積膨脹比較明顯,氣孔數(shù)量明顯增加,結(jié)構(gòu)松散,使渣的侵蝕通道暢通,促進(jìn)了渣的侵蝕滲透,降低了材料的抗渣性能。

本試驗(yàn)中活性Al2O3細(xì)粉的合適加入量為 5%。

2.2 二氧化硅微粉對干式振動(dòng)料性能的影響

2.2.1 二氧化硅微粉加入量對耐壓強(qiáng)度的影響

加入粘土作結(jié)合劑主要是為了利用其在 420℃分解產(chǎn)生的自由水與基質(zhì)中的二氧化硅微粉結(jié)合形成 -Si-OH基,提高材料低溫強(qiáng)度[4]。但其熔點(diǎn)低,在高溫下易形成液相,對材料的高溫性能不利,加入量不宜過多,試驗(yàn)證明 3%～5%合適。以電熔鎂砂為原料,固定粘土的加入量 4%,二氧化硅微粉的加入量按:0%、2%、4%、6%、8%遞增,試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。

圖2 耐壓強(qiáng)度與二氧化硅微粉加入量的關(guān)系

由圖 2可以看出,在 450℃×3 h,隨著二氧化硅微粉加入量的增加,耐壓強(qiáng)度逐漸升高。在 1000℃×3 h,二氧化硅微粉含量 <4%時(shí),隨著二氧化硅微粉加入量的增加,耐壓強(qiáng)度逐漸升高;二氧化硅微粉含量 >4%時(shí),隨著二氧化硅微粉加入量的增加,耐壓強(qiáng)度逐漸降低。原因?yàn)檎惩林械母邘X土礦物在加熱過程分解釋放出水[5],其反應(yīng)式為:

硅微粉屬于無定形 SiO2,遇水容易形成 -Si-OH基 (即硅醇基)。在燒成過程中,隨著溫度的提高,硅醇基脫水聚合形成牢固的 -Si-O-Si-結(jié)合的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),加強(qiáng)材料的結(jié)合,有助于強(qiáng)度的提高。而這種三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一直可持續(xù)到700℃[6],即在小于 700℃時(shí),隨著硅微粉含量的增加,形成牢固的 -Si-O-Si-結(jié)合的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增多,材料強(qiáng)度逐漸升高。所以在 450℃×3 h,隨著二氧化硅微粉加入量的增加,耐壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。

在 1000℃×3 h,粘土分解出的偏高嶺石 860℃繼續(xù)分解形成莫來石和二氧化硅 (反應(yīng)式 3),分解形成的二氧化硅和加入的二氧化硅微粉在 900℃時(shí)開始與MgO反應(yīng)形成鎂橄欖石 (反應(yīng)式 4),產(chǎn)生體積膨脹[7]。在二氧化硅微粉加入量 <4%時(shí),反應(yīng)形成鎂橄欖石的量相對較少,產(chǎn)生體積膨脹可以充填材料氣孔,使材料結(jié)構(gòu)致密化,提高材料強(qiáng)度。當(dāng)二氧化硅微粉含量 >4%,反應(yīng)形成鎂橄欖石的量相對較多,產(chǎn)生體積膨脹較大,引起結(jié)構(gòu)疏松,不利于材料的燒結(jié)致密化,反而引起耐壓強(qiáng)度下降。

2.2.2 二氧化硅微粉加入量對燒后線變化的影響

二氧化硅微粉加入量對燒后線變化的影響如圖3所示。

圖3 燒后線變化與二氧化硅微粉加入量的關(guān)系

由圖 3可以看出,在 450℃×3 h,隨著二氧化硅微粉加入量的增加,燒后線變化出現(xiàn)收縮 (負(fù)值),變化幅度不大,整體上收縮呈增大趨勢。因?yàn)樵?450℃×3 h下,材料內(nèi)部只發(fā)生粘土中高嶺土礦物的脫水和 -Si-OH基 (即硅醇基)的形成,脫水會(huì)引起材料收縮,但由于粘土量是定值,所以收縮的變化幅度不大。整體收縮呈增大的趨勢可能是因?yàn)殡S著二氧化硅微粉加入量的增加,形成的 -Si-OH基 (即硅醇基)增多,硅醇基脫水聚合形成的 -Si-O-Si-的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增多,導(dǎo)致材料間的作用力增大,從而引起線變化呈增大趨勢。

在 1000℃×3 h,燒后線變化均呈膨脹,當(dāng)二氧化硅微粉含量 <2%時(shí),隨著二氧化硅微粉加入量的增加,燒后膨脹逐漸減小。當(dāng)二氧化硅微粉含量 >2%,隨著二氧化硅微粉加入量的增加,燒后膨脹逐漸增大。在二氧化硅微粉含量 <2%時(shí),粘土脫水引起的收縮占主導(dǎo)因素,反應(yīng)形成的鎂橄欖石量相對較少且又充填在材料的氣孔內(nèi),材料的體積膨脹效應(yīng)不明顯,整體表現(xiàn)為膨脹逐漸減小;二氧化硅微粉含量 >2%時(shí),粘土脫水引起的收縮不變,而反應(yīng)形成鎂橄欖石的量逐漸增多,體積膨脹效應(yīng)逐漸占主導(dǎo)因素,引起燒后膨脹逐漸增大。

綜合二氧化硅微粉的影響,本試驗(yàn)中二氧化硅微粉的合適加入量為 4%～6%。

2.4 研制的中間包干式料理化性能

根據(jù)以上的試驗(yàn)情況,以電熔鎂砂為原料,4%～6%二氧化硅微粉為結(jié)合劑,5%活性三氧化二鋁細(xì)粉為燒結(jié)劑,研制的鎂質(zhì)中間包干式料性能指標(biāo)見表 2:

表2 中間包干式振動(dòng)料理化性能

3 鋼廠中試情況

干式料在某鋼廠連鑄機(jī)上于 2008年 11月進(jìn)行中試,中間包容量為 40 t,中包澆注溫度 1520℃～1570℃,每爐澆注時(shí)間 35 min,中間包底部沖擊區(qū)厚 100 mm～120 mm,包底厚 60 mm～70 mm,包壁厚 70 mm～80 mm。烘烤溫度 400℃～500℃,時(shí)間大于 3 h,冷卻 3 h后脫模,調(diào)到平臺(tái)上烘至 1000℃左右。烘烤中未發(fā)現(xiàn)膨脹、爆裂和脫落現(xiàn)象。共使用 5個(gè)包,平均使用壽命達(dá)到 47 h,最高一個(gè)包達(dá)到54 h。料與鋼水接觸部位抗鋼水沖刷能力強(qiáng),與永久襯接觸部位為未燒結(jié)疏松層,使用完畢后,翻包解體性較好。

4 結(jié)論

通過對結(jié)合劑和燒結(jié)劑的種類、加入量研究分析,研制出以電熔鎂砂為主要原料的中間包干式料,中試平均壽命可達(dá) 47 h以上,提高了中間包的使用壽命。研制的干式料由于不用水和樹脂做結(jié)合劑,避免了現(xiàn)行干式料的強(qiáng)度低、高溫抗侵蝕性差和鋼水增碳等現(xiàn)象。

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DEVELOPM ENT OF THEM gO WORKING L INING FOR TUND ISH AND STUDY ON THEMAJOR INFLUENC ING FACTORS

Jia Jiangyi1Yang Xuerui1Wang Xiaojun2

(1.Henan University of Science&Technology; 2.Gong Yi TongDa Zhong Yuan Refractory Technology Charge Co,,Ltd)

At present,the applying drymagnesite refractory for clean steel has a lot of defect,the drymagnesite refractory is developmentwith fusedmagnesite asmain raw materials,microsilica and clay as binders,and activeAl2O3 powder as sintering promoter.The influences of binders and agent of sintere on the properties of the dry magnesite refractory is discussed.The exper iment shows that themagnesia dry refractory has characteristics such as convenient construction,long service life(more than 47 h)and good properties.It can satisfy the application ruirements of tundish.

fused magnesite MgO working lining tundish

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2009—12—9