钢铁冶金用耐火材料.ppt

1,一、钢铁冶炼过程二、炼铁用耐火材料三、转炉炼钢用耐火材料四、电炉炼钢用耐火材料五、炉外精炼用耐火材料六、连铸用耐火材料,主要内容,2,一、钢铁冶炼过程,3,1焦炉使用寿命40年的目标可以实现（只是从技术角度而言）。2一座高炉一般要配备34座热风炉、热风炉的寿命应该是高炉寿命的两倍、高炉长寿预期20年、热风炉寿命预期应该是40年。3热风炉预期的寿命40年、高炉寿命是20年。目前差距很大（只是从技术角度而言）。,为了适应现代化大型高炉日益苛刻的操作条件，必须选用合适的耐火材料，才能达到高产长寿之目的。,4,炼铁过程工艺示意图,5,2.1.1高炉,高炉炉体由上而下依次为：炉喉400炉身4001100炉腰11001200炉腹12001450炉缸炉底14501600,6,2.1.2炉料在炉内分布（状态）,固相区（块状带）：固体料软融前所分布的区域。软融区（软融带）：炉料从开始软化到融化所占的区域。滴落区（滴下带）：渣、铁全部融化滴落，穿过焦炭层下到炉缸的区域。回旋区（燃烧带）：风口前燃料燃烧的区域。炉缸区（渣铁带）：形成最终渣、铁的区域。,7,2.1.2炉料在炉内分布,8,2.1.3高炉炉衬用耐火材料的使用条件：,（1）在高温下，不熔化、不软化、不挥发；（2）应具有能在高温、高压条件下保持炉体结构完整的强度；（3）耐热冲击，耐磨损；（4）具有对铁水、炉渣和炉内煤气等的化学稳定性；（5）具有适当的导热率，同时又不影响冷却效果。,高炉用耐火材料，必须对炉内的反应保持物理和化学上的稳定，应达到以下要求：,9,我国高炉用耐火材料的发展,中国高炉用耐火材料的发展：1、二十世纪八十年代以前：Al2O3-SiO2系统天然矾土为主；Si3N4-SiC开始试用。2、二十世纪九十年代：Al2O3-CAl2O3-SiCSi3N4-SiC开始使用3、2000年以后：Sialon系列产品全面实现工业化生产中国高炉用耐火材料技术路线：1、二十世纪八十年代随着宝钢全面建设开展。所有材料均来自日本。2、二十世纪九十年代宝钢高炉大修时逐步采用欧洲的技术路线：即强调耐火材料也非常重视水冷技术。3、日本高炉用耐火材料也在改进，但步伐不大，至今仍很少用Sialon系统材料，但非常重视水冷技术。高炉寿命很长超过20年。,10,我国高炉长寿发展历程,宝钢高炉本体用耐火材料历程对中国大型高炉用耐火材料发展具有重要意义宝钢初期耐火材料全部是日本体系。我们通过引进消化吸收国产化的历程、实现一次跨越。从日本模式转变到欧洲模式、材质也出现重大变化、走向赛隆结合碳化硅和赛隆结合刚玉体系。,11,2.1.3.1炉身上部和中部用耐火材料,在炉身上部，其破损机理主要是由于布料和炉料下降带来的机械冲刷和随上升气流而在此聚集的碱金属所产生的化学侵蚀。在炉身中部，主要是热震破坏，其次是机械冲刷。,炉身上部和中部侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,选用耐火材料：粘土砖、硅线石砖、致密粘土砖、高铝砖等。,12,2.1.3.2炉身下部、炉腰,炉身下部、炉腰侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,从炉身下部到炉腰的砖衬，既受下降炉料和上升高温高压煤气的磨损以及温度变化引起的热冲击，又受高FeO高碱度初渣的化学侵蚀，更为严重的是碱金属和锌蒸气造成的碳素沉积和化学反应，使耐火砖组织脆化，失去强度。,选用耐火材料：,铝炭砖、碳化硅砖、热压小块炭砖及半石墨化炭-碳化硅砖等。,13,2.1.3.3炉腹用耐火材料,炉腹带侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,炉腹处砌砖在冷却壁的冷却作用下，可以形成渣皮，起保护作用。,选用耐火材料：,高铝砖、铝碳砖、半石墨化碳-碳化硅砖、热压小块碳砖、Si3N4结合SiC砖等。,14,2.1.3.4炉缸、炉底用耐火材料,内衬侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,炉缸侧壁砌体出铁口以上受到铁渣的侵蚀作用，出铁口以下为”死铁层”,长期受铁水侵泡，在炉缸壁与炉底的交界处受到铁水环流的冲刷作用。因此要求砌体具有良好的抗铁渣、铁水侵蚀能力和抗机械冲刷能力。目前国内大、中型高炉炉缸、炉底大多采用碳砖和碳砖陶瓷杯复合炉缸两种。,15,陶瓷杯结构示意图,高炉风口区示意图,16,高炉用陶瓷杯：,最早的陶瓷杯结构是法国沙佛埃公司的炉缸结构。其特点如下：在大块碳砖的内侧砌筑刚玉-莫来石质的陶瓷杯；陶瓷杯与碳块之间留有一定的间隙，用特制的捣打料充填，防止因材质的热膨胀率不同而造成结构应力的破坏。,我国有多座大型高炉应用了法国的陶瓷杯，使用效果普遍较好，炉底炉缸寿命大幅提高，在高冶炼强度的条件下，炉底炉缸能确保安全生产。,国产陶瓷杯砖如刚玉莫来石砖，刚玉碳化硅砖等在大、中型高炉上广泛应用。由于陶瓷杯砖的导热系数较小，对炉缸的铁水有保温作用，因而能提高铁水温度，降低能源消耗，炉缸热量充足又利于高炉操作，提高铁水质量，因而陶瓷杯炉底炉缸结构得到迅速发展。,17,2.2高炉炉前用耐火材料,18,2.2.1高炉出铁口炮泥,炮泥的发展：1.水性炮泥、2.焦油炮泥3.高性能焦油炮泥4.树脂炮泥,炮泥是用来封堵出铁口的耐火材料，可分为有水炮泥和无水炮泥两大类。,19,出铁口炮泥：,随着高炉尺寸和容积的增大，炮泥用耐火材料已由硅质变为高铝质；同样根据环境的要求，对传统的煤焦油成分进行改进，以改善炉前作业环境；,为了延长出铁时间，研究者在炮泥中加入SiC、Si3N4和含有特殊碳的矾土质、电熔氧化铝质原料，使炮泥的性能有了极大的提高，出铁条件稳定，出铁口不扩径，铁水和渣稳定流出，但是由于强度高，需要特殊的钻孔机才能打开铁孔。,20,2.3铁水预处理用耐火材料,1.出铁沟用耐火材料；2.鱼雷混铁罐车和铁水包用耐火材料3.喷枪用耐火材料4.铁水搅拌器用耐火材料,21,1）铁水预处理,铁水预处理是对炼钢用铁水进行脱硅、脱磷和脱硫处理（简称为“三脱”），主要在出铁沟、鱼雷式混铁车、铁水包和混铁炉中进行。脱硅主要使用铁磷（氧化剂）和石灰系处理剂；脱磷主要使用石灰系和苏打灰系处理剂；脱硫主要使用石灰系处理剂和镁电石系处理剂。高炉出铁沟分为主铁沟、铁沟和渣沟,石灰,22,2）铁水预处理对耐火材料的作用与要求,铁水预处理剂对耐火材料的作用：高温铁水和炉渣的强烈冲刷磨损作用；各种预处理剂的化学侵蚀作用；炉渣的渗透和侵蚀作用；间歇操作带来的温度聚变作用。铁水预处理用耐火材料的要求：高温强度大，耐磨损；耐各种处理剂的侵蚀；抗炉渣的侵蚀性好；热震稳定性好。便于现场施工，对环境污染小。,23,3）预处理剂对耐火材料的作用,（1）苏打粉（Na2CO3）熔点852，生成的Na2O会与耐火材料中的SiO2、Al2O3等生成低熔点的偏硅酸钠等低熔物。（2）石灰（CaO）氧化钙可与耐火材料中的SiO2、Al2O3等反应生成长石类晶体和铝酸钙及玻璃相等物质。（3）氧化铁是一种两性氧化物，对酸性材料来说，它作为强碱的FeO起作用，生成FeO-Al2O3-SiO2低熔物。（4）电石（CaC2）它的侵蚀作用来源于氧化后生成的CaO的侵蚀。（5）萤石（CaF2）是强溶剂，可降低炉渣的熔点和黏度，加速对耐火材料的侵蚀，分解生成的CaO也对耐火材料发生侵蚀。,24,1.1高炉出铁沟用耐火材料的性能和施工要求,出铁主沟由于要经受周期性熔渣的化学侵蚀，炉前沟衬耐火材料必须满足如下性能要求：,1、具有优良的高温耐磨性，耐铁水和熔渣的冲刷能力强；2、耐熔渣的化学侵蚀性和渗透性好，抗氧化能力强；3、具有良好的抗热震性，抗爆裂性好；4、重烧体积变化小，具有致密均匀的结构。,根据高炉炉前施工和使用要求，出铁沟耐火材料必须满足以下条件：,1、良好的施工性能，可进行快速施工；2、能够快速烘烤而不炸裂；3、在施工和使用中不产生有害气体，不污染环境；4、不粘渣铁，便于解体和修补。,25,1.2高炉出铁沟用耐火材料的发展历程,初期捣打料,Al2O3-SiC-C系(ASC)捣打料,ASC浇注料,ASC预制块,优质ASC浇注料,优质ASC捣打料,ASC喷补料,ASC干式振动料,无搅拌ASC浇注料,高温喷涂料,ASC自流浇注料,26,1.3优质ASC浇注料的特点,采用了高纯原料；物料的组成和粒度得到了调整；具有快速烘干和防暴裂性能；加入少量的金属Al粉；加入少量的有机发泡剂加入少量的有机纤维；具有较好的抗氧化性；加入少量的Si粉；加入氮化硅铁；加入了高效反絮凝剂。加入少量的聚磷酸盐。,27,1.4ASC浇注料各原料的作用,出铁沟用ASC浇注料一般为低水泥或超低水泥浇注料，主要由Al2O3骨料，SiC、碳、水泥及各种添加剂配合而成。（1）Al2O3骨料Al2O3骨料主要包括电熔刚玉、棕刚玉、亚白刚玉、烧结氧化铝和高铝矾土熟料，使用时应根据材料的使用条件选定，高档材料选用电熔致密刚玉，中档选用棕刚玉、低档用烧结刚玉。（2）SiC（1）可以有效地防止碳的氧化；（2）SiC膨胀系数低，可以防止ASC浇注料加热冷却过程的开裂；（3）SiC的导热率高，可以提高ASC浇注料的热震稳定性；（4）SiC氧化后产生的SiO2、CO和CO2可以有效的抑制材料的氧化；（5）SiC可以有效地提高材料的抗冲涮性能；,28,1.4ASC浇注料各原料的作用,（3）碳可以阻止熔渣相材料内部的渗透；提高材料的抗侵蚀性；可以提高材料的热导率，提高材料的热震稳定性，减轻材料的结构剥落和开裂。碳可以选用石墨、碳黑、沥青焦等原料加入。（4）水泥加入水泥是为了维持材料的低温和中温强度；加入水泥时，会带入少量的CaO，不利于材料的抗侵蚀性；同时水泥的加入量增加，材料的需水量增加，浇注料的气孔增加，抗侵蚀性也下降，所以目前浇注料的发展趋势是低水泥和超低水泥ASC浇注料。（5）硅粉（硅素）加入硅粉可以与材料中的碳生成SiC，一方面可以提高浇注料的高温强度，另一方面可以提高浇注料的抗氧化性和抗渣性。,29,1.4ASC浇注料各原料的作用,（6）金属铝粉由于金属铝粉可以和浇注料中的水反应生成H2排除，留下细小的排气孔，可以脱掉部分游离水，同时可以防止在烘烤时产生爆裂。水化反应中产生的热量可以加速脱水速度，加速浇注料的凝结硬化，提高浇注料的强度；金属铝粉的加入量不宜过多，否则会使得材料的结构疏松，强度降低，抗侵蚀性变差。（7）有机纤维防止浇注料在烘烤的过程发生爆裂。（8）聚磷酸钠具有分散减水效果，提高材料的体积密度，降低气孔率，提高强度，改善施工性能等作用；选用的聚磷酸钠主要为三聚磷酸钠和六偏磷酸钠等。,30,1.5出铁沟耐火材料的损毁,铁水和炉渣的机械冲刷和磨损以宝钢4000m3的高炉为例。日出铁量为1万吨，出渣量为3200吨，出铁速度为57t/min；所以耐火材料受到了高温铁水和炉渣的机械冲刷和磨损非常严重。提高材料的高温抗折强度可以有效地提高材料的机械冲刷和磨损。化学侵蚀作用上渣线部位为熔渣和空气中的O2的化学反应和侵蚀；下渣线部位为铁水和其中FeO对耐火材料的反应和侵蚀。热震损毁使用过程中材料会承受5001500温度的循环作用，这会使得材料内部产生横向和纵向裂纹；产生的裂纹在熔渣和铁水的作用下将加速材料的侵蚀，冲刷和损毁。,31,1.6出铁沟耐火材料的修补,目的：最大限度的发挥出铁沟耐火材料的潜力，降低耐火材料消耗，降低单位成本。喷补流程：,喷补形式：全面喷补：对主要易损坏的部位，采取有计划的预防性全面喷补以取得均衡的损坏。局部喷补：对出铁沟的渣线、铁线等处因为龟裂、剥落、侵蚀等原因形成局部损坏后进行的修补方法。注意事项：喷补层的密度低，容易损耗；同时会产生喷补料粘结不牢和玻璃现象。,32,在未进行铁水预处理时，采用致密粘土砖砌筑，渣线部位使用莫来石砖，内衬寿命为700次。在进行铁水预处理后，改用Al2O3-SiC-C砖砌筑，寿命达到了1700次,33,2.1鱼雷混铁罐车用耐火材料的发展,以日本为例：1972年代以前，不进行铁水预处理时，使用的是优质粘土砖；1972年以后，由于脱硫处理的需要：改为高铝砖、高铝-SiC砖、高铝-SiC-C砖、莫来石砖、刚玉砖、白云石砖、红柱石砖和镁碳砖等。上世纪80年代后，由于脱硫、脱硅和脱磷需要：改为ASC不烧砖，并在此基础之上在ASC砖中加入ZrO2、石墨、Al等金属粉、硼硅酸盐玻璃、Si3N4、Al2O3、AlON、硅线石族矿物和叶蜡石等，进一步提高了ASC砖的耐蚀性等性能。,34,2.2ASC不烧砖的特点,ASC不烧砖为氧化铝、碳化硅和碳组成的树脂结合不烧砖。氧化铝为砖的主要成分，对苏打和氧化铁型炉渣具有很强的抗侵蚀性能，但是耐热震损伤性较差；碳可以有效地防止炉渣的渗透和侵蚀，可以改善材料的热震稳定性，但是易氧化。碳化硅可以后效的防止碳的氧化，同时可以提高材料的耐磨性和耐冲涮性。采用树脂结合可以提高材料的施工性能，可以有效地将原料结合在一起，同时高温烧成后的残碳，可以提高材料的抗侵蚀性能。,35,2.3ASC不烧砖的损毁机理,ASC砖的改进措施：提高砖的致密度；改善砖的结合程度；添加适量的防氧化剂。,36,2.3铁水包用耐火材料,铁水包用耐火材料：1、高铝砖（Al2O36070）；2、Al2O3-SiC-C浇注料使用寿命得到提高，原因：工作衬表面平滑不挂渣，耐热震性能好，不产生剥落。,相对于鱼雷式混铁车而言，铁水包是一种适合于近距离运输的铁水预处理装置。,37,3.喷枪用耐火材料,喷枪为铁水预处理的重要装置，在铁水预处理时，喷枪浸入铁水中，预处理剂通过喷枪以氧气、氮气为载气吹入铁水中，与铁水充分混合和反应。,铁水预处理喷枪的损毁因素及对耐火材料的要求,使用的耐火材料为高铝质不定形耐火浇注料。,38,喷枪用耐火材料的损毁,熔渣和铁水的侵蚀和冲刷；反复的加热和冷却，引起的热剥落和龟裂；喷枪的摇动和振动等机械作用引起的剥落。改进方法：改善材料的基质，使用热震稳定性好的材料；添加耐热钢纤维；在钢管和浇注料之间留出膨胀缝隙。,39,KR铁水脱硫搅拌器用耐火材料,使用的耐火材料为高铝质不定形耐火浇注料。损毁的原因是：铁水和熔渣的冲刷磨损与侵蚀，脱硫剂的侵蚀，以及间歇操作带来的热震损伤。,40,3热风炉用耐火材料,热风炉有四种形式：内燃式、外燃式、顶燃式和球式热风炉四种。,内燃式热风炉,外燃式热风炉,外燃式热风炉优点：蓄热室内温度场分布较均匀，燃烧室内燃烧完全，结构稳定。缺点：投资高、结构复杂和占地面积大。,41,3.2热风炉炉衬损毁机理,因热风炉的结构形式不同，炉衬的损毁情况也有差异，内燃式热风炉最易损毁的部位是隔墙；外燃式热风炉则是燃烧室和蓄热室的拱顶、两室的连接过桥等高温部位。综合损毁原因主要有以下三点：,1.热应力作用：热风炉炉衬和格子砖总是处于冷热交变的状态下，受热应力的作用，极易导致砌体产生裂纹、剥落、砌体松动等破坏因素。,2.化学侵蚀：由于燃烧用煤气和助燃空气中含有一定的碱性氧化物（氧化铁、氧化锌等），这些物质附着于砌体表面，并向内部渗透，逐渐与耐火材料发生化学反应，生成低熔物，降低了耐火材料的高温使用性能。,3.机械载荷作用：热风炉是一种较高的建筑物，蓄热室下部格子砖承受的最大载荷高达0.8MPa，燃烧室下部衬体承受的载荷也达0.5MPa左右，在长期受热的状态下，砌体容易产生较大的收缩变形，严重影响热风炉的使用寿命。,42,3.3热风炉耐火材料的性能要求,根据目前热风炉的使用情况，热风炉对蓄热材料的要求主要有以下几点：1)具有很好的体积稳定性，即在高温使用中不至因为内部晶相结构变化造成永久性过大的膨胀与收缩，使蓄热砖、砌筑体有很好的体稳定性。2)抗高温荷重蠕变性能好。3)有高的蓄热性能，这要求材质有高密度、高比热容。4)有较高的导热系数，使蓄热砌体在换热器周期中能以最高速度与效率进行吸放热。,43,3.4热风炉使用的主要耐火材料,1）拱顶及大墙高温区：硅砖、莫来石砖、硅线石、红柱石砖或低蠕变高铝砖；2）蓄热室：蓄热室上部采用硅质格子砖，蓄热室中部采用低蠕变高铝砖、莫来石砖、硅线石、红柱石砖等，蓄热室下部一般采用黏土砖。3）燃烧室：硅砖、莫来石砖、或低蠕变高铝砖、黏土砖。4）陶瓷燃烧器：莫来石质或堇青石莫来石质,