閆 芳
(新疆八鋼佳域工貿總公司)
鎂砂是一種高級耐火材料,鎂砂的用途隨著鎂砂工業(yè)的發(fā)展越來越受到人們的重視。中檔燒結鎂砂在中間包涂抹料中已被廣泛應用,但近年來由于礦石品位下降和燃料價格上漲,中檔燒結鎂砂質量有所下降且價格逐年攀升,中間包涂抹料成本日益增高。為了降低中間包涂抹料成本,一些生產廠嘗試用重燒鎂砂替代中檔鎂砂。重燒鎂砂是選用天然菱鎂礦石,經高溫豎窯煅燒加熱至1400~1800℃時,Mg(CO3)完全分解生成方鎂石,成為堅硬紅褐色的重燒鎂砂,它具有很高的耐火度,主成分MgO和主要雜質成分CaO、SiO2。主要組成位于MgO-CaO-SiO2三元系中。形成的共存礦物為方鎂石(MgO)、鎂橄欖石(M2S)、鈣鎂橄欖石(CMS)、鎂硅鈣石(C3MS2)、硅酸二鈣(C2S)、鎂鋁尖晶石(MA)。如果 n(CaO)/n(SiO2)>2,還可能有硅酸三鈣等。方鎂石對含CaO和鐵氧的堿性渣有很強的抵抗性,是生產不定型耐火材料的理想原料之一。
結合重燒鎂砂良好的使用性能,也可在中間包涂抹料中添加鎂橄欖石,鎂橄欖石礦物與MgO發(fā)生反應,形成更多的橄欖石相(M2S),針狀結晶,晶格強度大,熔點為1890℃,高溫強度高,鎂橄欖石發(fā)生再結晶過程并形成粗大的鎂橄欖石骨架,改善高溫使用性能,對含鐵堿性渣穩(wěn)定性好[1-4]。為降低生產成本八鋼佳域保溫材料廠采用重燒鎂砂和鎂橄欖石,并對中間包涂抹料生產的工藝進行了優(yōu)化。
中間包涂抹料在使用過程中會發(fā)生一定的熱負荷反應,導致涂抹料燒結,中間包翻包困難,永久層壽命降低,增加耐火材料的綜合消耗。為了降低熱負荷反應,要求涂抹料在接觸鋼水的瞬間迅速燒結,形成堅固的整體結構,耐鋼水沖刷和侵蝕又不污染鋼水。涂抹料在使用時產生燒結,主晶相為低熔點的鈣鎂橄欖石(CMS),所以選用重燒鎂砂(主晶相為方鎂石)時,嚴格控制氧化鈣含量,要求小于2.0%,氧化硅大于1.6%,氧化鎂為93%、C/S比小于0.5,既滿足迅速形成燒結層,又具有高的耐火度。
方鎂石常呈立方體、八面體或不規(guī)則粒狀,立方體解理完全,密度 3.56~3.65g/cm3,硬度為 5.5,熔點為2800℃,在1800~2400℃顯著揮發(fā):
MgO(s)=Mg(g)+1/2O2(g)
MgO(s)=MgO(g)
在高溫時(1540℃)氧化鎂和各種耐火材料之間不起反應或弱反應,對含有CaO和FeO的堿性渣有極好的抵抗性。
純凈的鎂橄欖石熔點為1890℃。鎂橄欖石結構中各向鍵力相差不大,在形態(tài)上大致呈三向等長莊,解理差。常見的形態(tài)為粒狀集合體或塊狀體。顏色為白、淡黃、淡綠。硬度大 (6.5~7),密度3.22~3.33g/cm3,熔點高(1890℃),并且從常溫至熔點間無晶型轉變,晶型穩(wěn)定,是耐火材料的良好組成礦物。主晶相除M2S外(含量65%~75%),還有相當數(shù)量約0~15%的鐵酸鎂及其他礦物,強烈影響橄欖石高溫性能,鐵橄欖石熔點較低(1205℃)含量不宜過高,以FeO(質量分數(shù))計不宜超過10%。M2S的結晶顆粒很大并形成結構骨架。其他礦物不以結合物形式存在,而是以包裹的形式存在于鎂橄欖石晶體的裂縫之中,加之游離的SiO2存在。因此選擇天然、優(yōu)質的鎂橄欖石做耐火材料時,在原料中加入鎂砂可以獲得良好的礦物組成-鎂橄欖石。重燒鎂砂與天然鎂橄欖石在1450℃時發(fā)生以下反應(如果加熱產物中有SiO2,還可發(fā)生反應),
Mg SiO3+MgO→Mg2SiO4
SiO2+2MgO→Mg2SiO4
鎂橄欖石Mg2SiO4的形成發(fā)應在1450℃基本完成,再經過1650℃~1700℃高溫后,鎂橄欖石會有再結晶過程并形成粗大的鎂橄欖石骨架,達到更好的耐高溫效果。中間包涂抹料的主要原料化學成分見表1。
表1 中間包涂抹料主原料化學組成,%
表1 中間包涂抹料主原料化學組成,%
原料 MgO SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 灼減重燒鎂砂 93.51 3.85 1.71 0.23鎂橄欖石 37.84 44.49 4.9硅微粉 93.34 2.46
主料設備參數(shù):10m3儲氣罐2臺、倉泵2臺、15m3主料倉10個、傳感式稱量斗2個,750型混合機2臺,自動包裝線2條。添加劑設備:5m3儲氣罐1臺、倉泵1臺、添加劑秤倉8個。生產線2條:1#、2#線。涂抹料生產工藝流程如圖1所示。
圖1 涂抹料生產工藝流程圖
涂抹料前期的生產工藝采用單一的攪拌機混合,人工配料、稱料,用電動葫蘆上料,手工加料,因整個生產過程中勞動強度大,粉塵污染嚴重,生產效率較低。改進后的中間包涂抹料的生產工藝采用工業(yè)自動化控制,配料系統(tǒng)使用三菱系列PLC可編程控制器配合工控機端MCGS模擬畫面,實現(xiàn)自動化電腦控制。通過兩個主料加料口向系統(tǒng)發(fā)送倉加主料,加料口安裝除塵器,可以有效減少拆袋加料時產生的灰塵。加料口裝有過濾網,可以避免原料中的結塊或其它異物進入輸送系統(tǒng)造成堵塞。輸送系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)氣罐所儲存的壓縮空氣提供打料氣源。多臺空壓機的設計保證了氣源的穩(wěn)定。分別用1#、2#生產線生產鎂質和鎂橄欖石質涂抹料,利用壓縮空氣將主要生產原料及添加劑通過發(fā)送倉分別輸送至各個生產線對應料倉,采用壓力傳感器式稱量斗依次進行主料的累計稱量配重,添加劑料倉采用倉秤自稱量式料倉,使用減重式配料方案。當主料進入混合機后,添加劑料倉立即啟動,添加劑料倉利用星形卸料閥進行減重式配料,通過星形卸料閥直接進入混合機與主料進行混合,通過行星式攪拌機混勻后進入過渡料倉,采用自動包裝線,根據(jù)使用需要選擇噸袋和小袋包裝。整個生產過程流暢有序,涂抹料配料混合無縫銜接,低污染,精度高,成品合格率高,保證了其穩(wěn)定的使用性能。
為了達到更好的使用效果,原料的粒度組成起到至關重要的作用。通過細化配方粒度級配,試驗了多組不同原料組成和粒度級配試樣,對理化性能和施工性能進行研究分析,最終確定涂抹料的最佳粒度級配。根據(jù)以往生產涂抹料的經驗,設計兩組配方,分別由主原料、結合劑、外添加劑組成,結合劑選用微米級的硅微粉和廣西白泥,使涂抹料具有良好的活性、可塑性。廣西白泥為軟質粘土,在水中易分散,有較高的可塑性。涂抹料的結合系統(tǒng)主要是加入了木質素磺酸鈣,利用其減水性有效改善粘結性,并加入膨潤土與之進行陽離子交換,有效形成膠體,防止龜裂,增加自然干燥強度;加入磷酸二氫鋁調節(jié)酸堿度,PH保持在6.5~7,改善涂抹料的硬化效果,提高附著率,減少坍塌。添加有機纖維,防止干燥時發(fā)生裂紋、烘烤時發(fā)生爆裂。根據(jù)煉鋼工藝需要,分別研制了以重燒鎂砂為主料的鎂質涂抹料和以重燒鎂砂和鎂橄欖石為主的鎂橄欖石質涂抹料。
鎂質涂抹料采用三級配料(見表 2),分別為1~2.5mm、0.088~1mm、小于 0.088mm。
表2 鎂質涂抹料試樣配比
鎂橄欖石質涂抹料采用四級配料(見表3),分別為1~3mm、0.5~1.0mm、0~0.5mm、小于 0.088mm。
按照表2、表3配方分別制作相應的試樣,試樣編碼為1#、2#和3#。先稱量2kg物料、混合均勻;再量取適量水加入拌和均勻,加水量約18%~25%,加水時根據(jù)原料吸水性及干濕加入,以不粘抹子為標準。用抹子取少量涂抹料在與地面傾角60°的耐火磚上涂抹,涂抹厚度約70~80mm,靜置10分鐘觀察是否塌料,觀察其涂抹性能和附著性能。
按表2配方制作的涂抹料試樣,2#加入膨潤土,涂抹時附著性比1#和3#改善,不回落,不坍塌。用1#、2#和3#涂抹料試樣分別制作成160mm×40mm×40mm的樣快,室溫養(yǎng)護24h后脫模,觀察對比試樣強度,木質素加入后2#試樣常溫干燥強度比 1#、3#明顯改進。
同樣按表3配方制作的160mm×40mm×40mm樣快,試樣編碼為1#、2#和3#。經110℃24h烘烤后檢測抗折強度,對比檢測結果,加入磷酸二氫鋁后3#配方抗折強度最高0.8 MPa(1#配方試樣抗折強度0.68MPa、2#配方試樣抗折強度0.7MPa)。
對表2、表3的試樣檢測結果進行分析,最終確定表2中2#配方、表3中3#配方為最佳生產配方,用于生產鎂質、鎂橄欖石質涂抹料。
表3 鎂橄欖石試樣配比
經工藝改進的中間包涂抹料主要用于八鋼煉鋼連鑄中間包工作內襯,起到了凈化鋼水,吸附鋼水中的氧化物和去除P、S夾雜物的作用。涂抹施工方便,涂抹時不坍塌;烘烤時不鼓包、不爆裂;耐高溫、抗渣侵蝕性能良好。
采用優(yōu)化工藝生產的中間涂抹料用于八鋼煉鋼連鑄生產,此中間包涂抹料的抗渣侵蝕性良好,使用后渣結侵蝕厚度為10~20mm。對八鋼煉鋼連鑄作業(yè)區(qū)中間包澆注鋼水后的10個中間包的翻包情況統(tǒng)計見表4,使用效果見圖2。
表4 中間包的翻包情況
圖2 使用后的中間包
八鋼煉鋼連鑄生產使用結果表明,此涂抹料可以滿足煉鋼連鑄生產工藝要求。中間涂抹料年需求量約1.08萬t,月最高用量1000t,使用壽命最長可達 13~14h。
(1)用重燒鎂砂替代中檔鎂砂,結合重燒鎂砂良好的使用性能,在中間包涂抹料中添加鎂橄欖石,鎂橄欖石礦物與MgO發(fā)生反應,形成更多的橄欖石相(M2S),分別研制出以重燒鎂砂為主料的鎂質涂抹料和以重燒鎂砂和鎂橄欖石為主料的鎂橄欖石質涂抹料。既降低了涂抹料的生產成本,又可滿足中間包使用壽命。
(2)涂抹料的生產采用新型潔凈能源—壓縮空氣輸送原料,并在加料口安裝除塵器,減少了粉塵。綠色環(huán)保、省時省力、生產效率大幅提高。基于工業(yè)自動化的理想,結合理論實踐精神,并且出于對環(huán)境保護,人身安全的理解。采用該技術方案,并且獲得了較為理想的效果。
(3)根據(jù)生產涂抹料的經驗,結合系統(tǒng)采用了木質素磺酸鈣,利用其減水性有效改善粘結性,并加入膨潤土與之進行陽離子交換,有效形成膠體,防止龜裂,增加自然干燥強度;加入磷酸二氫鋁調節(jié)酸堿度,PH保持在6.5~7,改善涂抹料的硬化效果,提高自然干燥及烘烤強度。
(4)經工藝改進后,涂抹料生產成本降低170元/t,累計降低成本476萬元。減輕了產品制造成本壓力,增強了企業(yè)的市場競爭力。