剛玉-尖晶石鋼包料的研究與應(yīng)用

楊守成，謝大勇

（中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北武漢430081）

剛玉-尖晶石鋼包料的研究與應(yīng)用

楊守成，謝大勇

（中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北武漢430081）

隨著優(yōu)質(zhì)潔凈鋼、品種鋼等爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精煉包材料的要求也隨之提高，尤其是傳統(tǒng)材料在抗渣侵蝕及滲透方面的欠缺，采用低碳剛玉、鎂砂和富鋁尖晶石為主要原料，優(yōu)化組合各種原料、外加劑和結(jié)合劑，通過(guò)對(duì)尖晶石粒度的控制、SiO2微粉加人量的對(duì)比，結(jié)合劑的選擇以及抗渣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，得出新研制出的剛玉-尖晶石鋼包料具有熱膨脹率小、抗熱剝落性好、高溫強(qiáng)度高以及良好的抗渣和鋼水的侵蝕性和滲透性。此鋼包料可調(diào)配，分別用在包底、包壁及渣線部位，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剝落深度小，剝落速度慢，磨損速度也比傳統(tǒng)的澆注料減小30%之多。在成鋼80 t精煉包底和包壁上使用，取得了較好的使用效果。

精煉包；剛玉-尖晶石；鋼包料；杭渣侵蝕

隨著對(duì)優(yōu)質(zhì)潔凈鋼、品種鋼需求的增加，爐外精煉技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。爐外精煉法，是通過(guò)強(qiáng)化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件使鋼液在短時(shí)間內(nèi)得到高度凈化和均勻，從而達(dá)到精煉的目的。由于精煉高溫長(zhǎng)時(shí)間攪拌、強(qiáng)堿性熔渣的作用，以及鋼包運(yùn)轉(zhuǎn)的間隔性，使得鋼包內(nèi)襯作業(yè)條件變得十分苛刻［1］。為此，針對(duì)成鋼80 t精煉鋼包的作業(yè)條件，通過(guò)調(diào)整富鋁尖晶石及鎂砂的粒度組成和添加量，優(yōu)化澆注料的基質(zhì)組成，開(kāi)發(fā)出了具有優(yōu)良抗渣侵蝕性和抗剝落性的富鋁尖晶石鋼包澆注料，并在成鋼80 t精煉包底、包壁上使用，取得了較好的使用效果。

1　試驗(yàn)

1.1原料及配方

試驗(yàn)采用低碳剛玉、鎂砂和富鋁尖晶石為主要原料，因材料要求具有優(yōu)良的抗渣侵蝕性、抗渣滲透性和抗剝落性，所以采用超微粉和鋼包專用水泥結(jié)合。為滿足所需材料的各種理化性能指標(biāo)，保證其使用效果，確定原料最佳的臨界粒度為8 mm。試驗(yàn)用各種原料及化學(xué)組成見(jiàn)表1，試驗(yàn)用不同鋼廠精煉渣化學(xué)成分見(jiàn)表2，試樣的配料組成見(jiàn)表3。

表1　主要原料的化學(xué)組成（w/%）

表2　不同鋼廠精煉渣化學(xué)成分（w/%）

表3　試樣的配料組成（w/%）

1.2試樣制備和性能測(cè)試

按設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配方配料6 kg，攪拌均勻后澆注成160 mm×40 mm×40 mm的試樣6塊，剩余的料澆注成70 mm×70 mm×70 mm的柑堝試塊，室溫下自然養(yǎng)護(hù)24 h，脫模后繼續(xù)于室溫下養(yǎng)護(hù)24 h，放人電熱干燥箱中，以正常速度升溫至110℃保溫24 h。前6塊試樣在硅鑰棒電阻爐中于1 500℃保溫3 h鍛燒，冷卻后按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)其體積密度、燒后線變化率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度；后一塊采用靜態(tài)柑堝法進(jìn)行抗渣侵蝕試驗(yàn)，分別裝30 g的精煉渣，經(jīng)1 600℃×3 h高溫處理后，觀察其切面渣對(duì)耐火材料的侵蝕及滲透情況。

2　結(jié)果與分析

2.1尖晶石粒度對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料性能的影響

通過(guò)對(duì)同一組方中各尖晶石粒度加人量的改變，試樣在不同溫度處理后的性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）隨著配料中尖晶石顆粒含量的增加，試樣的燒后耐壓強(qiáng)度呈先升高后降低趨勢(shì)，而烘后耐壓強(qiáng)度變化不明顯；燒后收縮逐漸減少，試樣橫截面的裂紋細(xì)小。

表4　尖晶石粒度對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料性能的影響

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加人尖晶石骨料后，試樣的抗侵蝕性變好，并隨著尖晶石加人量的增加，抗侵蝕性進(jìn)一步得到改善，而且尖晶石骨料的顆粒越小，抗侵蝕性越好，當(dāng)尖晶石的顆粒尺寸小于1 mm，且達(dá)到某添加量時(shí)，它的抗侵蝕性達(dá)到最好。這是由于尖晶石顆粒和細(xì)粉在基質(zhì)中均勻分布，使結(jié)構(gòu)更加致密所致。此時(shí)材料的抗?jié)B透性也最佳，這主要是因?yàn)樵蛣傆?尖晶石材料接觸，Al2O3顆粒和CaO、尖晶石和渣中的FeO、MnO形成固溶體，使渣的粘度變大，熔點(diǎn)升高，阻止了渣的滲透［2］。

（3）由抗渣結(jié)果可知，對(duì)于高堿度渣，尖晶石顆粒加人量較多的試樣抗侵蝕性較好；對(duì)于低堿度渣，尖晶石細(xì)粉加人量較多的試樣抗侵蝕性和抗?jié)B透性均較好。

2.2SiO2微粉對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料性能的影響

早期一般認(rèn)為SiO2微粉加人到澆注料中，能通過(guò)高溫在其表面形成一個(gè)致密層，達(dá)到增加抗渣的目的。而后有研究則認(rèn)為SiO2含量為0～2.0%的澆注料，發(fā)現(xiàn)SiO2微粉的加人不能抑制渣侵蝕，但增加了結(jié)構(gòu)的耐剝落性。SiO2微粉加人量＞0.5%導(dǎo)致重?zé)€變化是負(fù)值。還有研究發(fā)現(xiàn)SiO2微粉加人量為0.5%的澆注料，其高溫抗折強(qiáng)度急劇下降，而荷重軟化點(diǎn)卻基本上穩(wěn)定；高溫抗折強(qiáng)度從沒(méi)加硅微粉的14 MPa減小到加人量為0.5%時(shí)的2 MPa。在荷重軟化點(diǎn)的試驗(yàn)中，在0.2 MPa荷載下加熱到1 660℃的熱膨脹對(duì)于沒(méi)加硅微粉的澆注料是正值，而對(duì)于加人0.5%硅微粉的澆注料則是負(fù)值。而且Al2O3-尖晶石澆注料的高溫抗折強(qiáng)度隨著溫度從1 300℃上升到1 500℃而不斷增加，而且比高鋁澆注料的還要高得多［3］。但在我們所研究的剛玉-尖晶石體系的鋼包料中，其SiO2微粉的加人量在此基礎(chǔ)上則要更加嚴(yán)格控制，否則其烘后、燒后性能指標(biāo)會(huì)變化很大。SiO2微粉對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料物理性能的影響見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　SiO2微粉加入量對(duì)鋼包料強(qiáng)度的影響圖

圖2　SiO2微粉加入量對(duì)鋼包料線變化的影響圖

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）剛玉-尖晶石鋼包料常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在SiO2微粉加人量＜0.5%處。

（2）剛玉-尖晶石鋼包料在1 500℃×3 h的燒后線變化隨著SiO2微粉加人量的增大，先增加后減小。而燒后耐壓強(qiáng)度的峰值則在SiO2微粉加人量0.5%處。

2.3結(jié)合劑的選擇對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料的影響

為了盡可能的減少鋼水中的雜質(zhì)含量，提高鋼水的潔凈度，我們對(duì)結(jié)合劑的選擇尤為慎重，通過(guò)CA-80、CA-70、ρ-Al2O3、ρ-Al2O3改性、鋼包專用水泥、復(fù)合結(jié)合劑的對(duì)比，選擇性能最好，最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的結(jié)合劑。結(jié)合劑對(duì)剛玉-尖晶石鋼包料物理性能的影響見(jiàn)圖3、圖4。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）普通的CA-80、CA-70水泥結(jié)合劑，雖然強(qiáng)度等各方面的指標(biāo)都很好，但其在1 500℃高溫?zé)蟮木€變化太大，主要因?yàn)椴牧现械拟}含量過(guò)高，高溫形成的CA6，導(dǎo)致材料的氣孔率增大，線變化率增大，試樣斷面有明顯疏松感，尤其影響其抗渣性能。

（2）常規(guī)的ρ-Al2O3、ρ-Al2O3改性結(jié)合劑，使得澆注料的基質(zhì)更純凈，避免了中溫下CAS2（鈣斜長(zhǎng)石）、C2AS（鈣黃長(zhǎng)石）和S（方石英）的生成而造成高溫性能的降低［5］。雖然常規(guī)和改性后的ρ-Al2O3結(jié)合的試樣表面和斷面都很致密，且燒結(jié)良好，但強(qiáng)度較低，尤其是常溫強(qiáng)度很低，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆注施工、脫模等工序很不利。

圖3　結(jié)合劑對(duì)鋼包料強(qiáng)度的影響圖

圖4　結(jié)合劑對(duì)鋼包料線變化的影響圖

（3）復(fù)合結(jié)合劑和鋼包專用水泥相比較，其各種性能指標(biāo)都很理想，尤其是復(fù)合結(jié)合劑的抗渣侵蝕性和抗渣滲透性都優(yōu)于鋼包專用水泥，但對(duì)于廠家既經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，又在質(zhì)量上相對(duì)穩(wěn)定，且能保證長(zhǎng)期供貨的條件下，我們最終選擇了鋼包專用水泥。

2.4新研制剛玉-尖晶石鋼包料的抗渣性能研究

本次研發(fā)的剛玉-尖晶石鋼包料的熱膨脹率小，抗熱剝落性好，高溫強(qiáng)度高，并且通過(guò)添加超細(xì)尖晶石粉，極大地改善了鋼包料的抗侵蝕和抗?jié)B透性，又通過(guò)配人部分尖晶石顆粒使得剛玉-尖晶石鋼包料的抗渣性能進(jìn)一步的提高。

新研制的剛玉-尖晶石澆注料在鋼包上使用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剝落深度小，剝落速度慢，磨損速度也比傳統(tǒng)的澆注料減小30%之多［6］。本次研發(fā)新產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

對(duì)于新研發(fā)的剛玉-尖晶石鋼包料，我們采用靜態(tài)柑堝法于1 600℃×3 h進(jìn)行抗渣侵蝕試驗(yàn)，分別用武鋼精煉渣、成鋼精煉渣和浦項(xiàng)精煉渣，樣塊切面抗渣侵蝕結(jié)果如圖5所示。

由圖5同一材質(zhì)，不同精煉渣的侵蝕、滲透結(jié)果可知，我們新研制的剛玉-尖晶石鋼包料對(duì)于不同堿度渣，均體現(xiàn)出良好抗侵蝕性和抗?jié)B透性。

表7　剛玉尖晶石澆注料主要理化性能指標(biāo)

圖5　精煉渣抗渣侵蝕結(jié)果圖

為此，韓國(guó)浦項(xiàng)就我們新研制的樣品，自行做渣和鋼水的侵蝕檢測(cè)對(duì)比，新研制的鋼包料渣和鋼水侵蝕結(jié)果如圖6所示，浦項(xiàng)公司鋼包料渣和鋼水侵蝕結(jié)果如圖7所示。

由圖6、圖7渣侵和鋼水侵蝕結(jié)果可知，新開(kāi)發(fā)的剛玉-尖晶石鋼包料的抗渣侵蝕與滲透均好于浦項(xiàng)料，且樣塊致密均勻，燒結(jié)裂紋和應(yīng)變裂紋很少且很細(xì)小，有絕對(duì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3　應(yīng)用

我們新研發(fā)的剛玉-尖晶石鋼包料熱膨脹率小，抗熱剝落性好，高溫強(qiáng)度高，具有良好的抗渣、鋼水的侵蝕性和滲透性。此鋼包料可調(diào)配，分別用在包底、包壁及渣結(jié)部位，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剝落深度小，剝落速度慢，磨損速度也比傳統(tǒng)的澆注料減小30%之多。在成鋼80 t精煉包底、包壁上使用，取得了較好的使用效果。在浦項(xiàng)等公司試用中，均滿足客戶的使用要求，并得到一致好評(píng)。

圖6　新研制鋼包料渣、鋼水侵蝕結(jié)果圖

圖7　浦項(xiàng)公司鋼包料渣、鋼水侵蝕結(jié)果圖

［1］張啟東，潘洪濤，余西平，等.LF精煉鋼包用鋁尖晶石澆注料的研制與應(yīng)用［J］.耐火材料，2001，35（6）：340-341.

［2］韓斌，王會(huì)先，趙世杰，等.尖晶石粒度對(duì)高純剛玉-尖晶石澆注料性能的影響［J］.耐火材料，2002，36（4）：187-189.

［3］劉亞茹.二氧化硅微粉對(duì)氧化鋁-尖晶石澆注料性能的影響［J］.國(guó)外耐火材料，2003，28（3）：37-40.

［4］馬軍強(qiáng)，周磊，陳路兵，等.鋼包包底用剛玉-尖晶石-方鎂石澆注料的研制與應(yīng)用［J］.耐火材料，2003，34（5）：272-273，278.

［5］唐贛，陳小紅.p-Al2O3微粉在高純鋁鎂澆注料中的應(yīng)用［J］.江西冶金，2003，23（3）：17-19.

［6］李光輝.Al2O3-尖晶石澆注料抗侵蝕性的改進(jìn)［J］.耐火材料，2002（2）：73.

Research and Application of Corundum-Spinel Refractory Material for Ladle

YANG Shoucheng，XIE Dayong
（Wuhan Metallurgical Construction Research Institute Co.，Ltd，MCC Group，Wuhan 430081，China）

With the progress of the external refining technology of clean steel and steel grades and so on，higher requirements are put forward to the refining ladle，especially the traditional materials is not satisfied with the resistance to penetration and erosion of slag.The low carbon corundum，magnesia，high alumina spinel are used as main raw materials，to optimize additive and binding agent，control the size of spinel and the quantity of SiO2micro powder added to develop a kind of corundum-spinel steel ladle material which have a low thermal expansion，high strength at high temperature，good resistance to thermal shock and to corrosion and penetration of slag and liquid steel.It can be widely used in bottom，wall and slag line of refining ladle through formula adjustment.And the practice has proved that the material is stable in structure，little and slow peel off，rate of wear less 30%than traditional material.It has a good using effect when the materials are used in bottom and wall of refining ladle in Cheng Steel Plant.

refining ladle；corundum-spinel；steel ladle material；corrosion resistance of slag

TQ175

A

1001-6988（2016）03-0069-04

2016-03-08

楊守成（1980—），男，工程師，主要從事耐火材料生產(chǎn)相關(guān)工作.