提高中频炉石英砂炉衬寿命的工艺实践

周 吉

(攀枝花钢城集团有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 引言

攀枝花市高晶钒钛汽车板簧有限公司拥有20吨中频炉2套，每套2个炉体，共4个炉体，主要使用石英砂炉衬材料，平均炉衬寿命为20炉左右。针对炉衬经常出现裂纹导致寿命过低、吨钢成本居高不下、设备利用率不高的问题，拟通过分析原料性质、调整粒级、确定硼矸加入量，以期达到延长中频炉炉衬寿命的目的。

2 炉衬裂缝分析

中频炉捣打料裂缝产生的主要原因是石英砂在烧结过程中发生体积膨胀产生较大的线变化引起的。由于原料粒级不合理，硼矸加入量过低造成烧结层厚度不够，炉衬强度偏低，烘烤时石英砂晶相转变不完全，在1600 ℃使用过程中石英砂晶相快速转变使体积过快膨胀造成裂缝，因此本次实验室主要研究内容如下：

(1)分析主要原料石英砂性质。

(2)确定捣打料粒度级配；

(3)研究硼矸加入对捣打料性能的影响；

(4)研究烘烤温度对捣打料性能的影响。

3 实验室研究

3.1 石英砂性质

作为感应炉的炉衬材料，对石英砂的化学成分和结晶状况有特殊要求。石英砂化学成分见表1。

石英砂在加热过程中会发生晶型转变，产生体积膨胀。结晶相大的石英处于低能量状态，它要发生晶型转变就需要高的能量，即较高温度。而当温度高时，捣打料中已存在液相，这时产生的体积膨胀会被液相吸收，而不会对炉衬发生伤害。由此可知我们需要的石英砂是，化学成分满足表1要求，粒级要搭配合理，并且在烘炉时晶型转变彻底，防止在正常使用过程中发生晶相变化出现体积膨胀造成炉衬裂缝。

SiO2在升温过程中，573 ℃以下为β-石英石稳定相，自然界或低温下稳定存在的都是β-石英。β-石英在升温至573 ℃时迅速转变为α-石英，当温度超过870 ℃时转化为α-鳞石英并伴有16%的体积膨胀，α-鳞石英在1470 ℃转化为α-方石英，α-方石英在1470-1713 ℃稳定存在，当温度高于1713 ℃开始缓慢融化。

3.2 粒级确定

根据高云琴等人的研究成果[2]，实验结果表明：粒度分布对捣打料的各项性能有较大的影响。由Andreasen方程知道，当最大粒径Dpmax一定时，粒度分布系数q是决定粒度分布的唯一因素，实际上就是研究粒度分布系数q的变化对其性能的影响。在捣打料的配比选择过程中，不能唯一追求达到最大的体积密度(q=0.33时，见图1)，而应综合考虑颗粒和细粉组成对烧结性能的影响，选取适当的粒度分布，使材料既能获得较紧密的颗粒堆积，又具有好的烧结性能。依据Andreasen 方程，粒度分布系数q的取值为0. 30 时，捣打料在900 ℃×3 h烘烤后的耐压强度最好，见图2。

(1)

式中：UDp——累计筛下百分数，%；

Dpmax——最大粒径，mm；

Dp——粒径，mm；

q——粒度分布系数。

物料在捣打情况下，大粒度的物料要变成小粒度的，因此为了达到q=0.3时的粒级情况再结合模拟捣打的试验研究，对大粒度的比例适当往上调整，确定以表3的粒度级配为基础进行其它相关试验项目研究。

3.3 硼矸加入量对捣打料性能的影响

石英砂捣打料中硼矸主要起助烧作用，它是由硼砂加热脱水生成，其分子式为B2O3，熔点为450 ℃[3]。硼矸的加入量对系统出现液相的温度是比较敏感的，SiO2与B2O3形成共晶物的熔点只有372 ℃，也就是说石英质的干式料用硼矸做助烧剂在372 ℃就会出现液相有助于烧结，但是硼矸的加入量过多SiO2-B2O3的共晶物会使捣打料强度变低。硼矸的另一个作用就是产生的液态抵消一部分石英砂在870 ℃产生的16%的体积膨胀，使线变化率减小。

因此考察在不同硼矸加入量下，在900 ℃保温3 h的线变化情况，得到表4线变化数据。

从表4中可以看出当硼矸加入量大于0.9%时，线变化减小明显变慢，加入量超过0.9%试样有较好的体积稳定性。

将表4中6个配比同时做抗渣和常温抗压试验，结果见表5。

从表5可以看出随着硼矸加入量达到0.9%常温耐压强度最大，加入量达到1.1%时熔渣浸蚀厚度最小，6个试样均有较好的烧结层厚度。

综合表4、表5，为了保证试样有较好的体积稳定性，又不至于因为产生过多的SiO2-B2O3共晶体使试样强度变低，因此确定硼矸的加入量为0.9%比较合适。

3.4 烘烤曲线对捣打料性能的影响

通过对石英砂性质的分析可以看出，出现最大体积膨胀是870 ℃α-石英转化为α-鳞石英时发生的，因此在900 ℃(略高于晶相转化温度)进行保温使石英砂晶相缓慢变化，本实验考察在900 ℃时保温多长时间才能彻底完成晶相转变。通过对最终配方的试样经 900 ℃保温1 h、2 h、3 h、4 h，然后在1600 ℃保温1 h，考察线变化情况见表6。

从线变化数据来看900 ℃保温1 hα-鳞石英晶相未变化彻底，导致温度升高后α-鳞石英加速生成，体积过快膨胀，造成线变化率变大。在900 ℃保温维持2～4 h，1600 ℃保温1 h线变化趋于稳定，说明在900 ℃条件下晶相已大部分缓慢转变成α-鳞石英，即使有未转变的晶相也不影响炉衬的体积稳定。因此确定了烘烤曲线：在正常150 ℃/h的升温速度不变，在900～1000 ℃时保温2 h，继续以150 ℃/h的升温速度升温至1600 ℃继续加入小块铁料融化，保证满包钢水保温1 h出钢。

4 实验室试验方法

4.1 小样的制备

按设计的各种配比，首先分别称取颗粒以及烧结剂，搅拌均匀。搅拌均匀后的物料倒入水泥成型用40 mm×40 mm×160 mm三联模具中，采用振动台捣打成型，平铺一层捣实一层，逐层平铺直至加满为止。成型后的试样加入少量水玻璃，放置24 h，脱模。

4.2 抗渣性性能检测方法

耐火材料抗渣侵蚀性能的好坏是影响耐火材料使用寿命长短的一个重要因素，也是判定耐火材料性能优劣的一个主要指标。耐火材料在使用过程中抗渣侵蚀性能受多种因素的影响。其中包括材料的种类和材质、材料的化学性能和物理性能、材料的微观组织结构及使用温度等。抗渣性的优劣主要与耐火材料的化学、矿物组成及组织结构有关，也与熔渣的性质及其相互作用的条件有关。耐火材料抗渣性能测定方法有熔锥法、坩锅法、浸渍法、转动浸渍法、撒渣法和回转渣蚀法等。本实验采用的是坩锅法。

(1)渣样制备

试验采用的渣样来自于板簧公司中频炉钢渣，经破碎、磨细至0.1 mm以下。按照试验设定的配比将材料混合均匀，在三联式模具内捣打成型，加入少许水玻璃，脱模后即为40 mm×40 mm×160 mm试样，再将试样分别升温至900 ℃保温3 h，再升温达到1600 ℃保温1 h，随炉自然冷却后，测定材料的相关物理指标。

(2)试验模型

由于本次试验的主要目的是研究中频炉熔渣对中频炉捣打料的侵蚀。根据现有的试验条件和设备，研究方法仍采用静态坩锅法。

(3)试验步骤

抗渣侵蚀用的试样与其它试样一样，在水泥用三联模具成型，不同的是抗渣试验用试样中预留一根塞棒。烘烤后，拔去干式振动料试样中预留的塞棒，在试样中留下的空洞即是作为抗渣试验的坩锅。试样中的渣坑的尺寸为Φ12 mm×20 mm。

把制备好的残渣称取5 g(容量较小)分别放入坩锅内，将试样随各组试样一起在电炉中按升温曲线升温，炉渣熔化。

试验后的坩锅从中间切开，观察并测量侵蚀深度。对各种不同的试样侵蚀深度加以比较，进行数据分析。

5 应用试验

根据实验室研究成果，确定以表7所示配方为工业实验配方。

试验前中频炉共下线5个包，平均寿命为20.6炉。其中两炉出现了明显的裂纹最终使用寿命为18炉、17炉。

使用表7配比的试验料共进行5个中频炉炉衬试验，在硼矸加入量、粒级和烘烤工艺发生变化后中频炉共下线5个包没有出现裂缝情况，平均寿命29.8炉。

6 结论

(1)粒度分布为(0-0.074 mm)∶(0.074-1 mm)∶(1-3 mm)∶(3-5 mm)=30∶25∶25∶20时，炉衬有最佳体积密度。

(2)硼矸的加入量为0.9%时，炉衬在保证一定强度的情况下有较好的烧结性能。

(3)炉衬在900 ℃烘烤2 h以上，α-鳞石英的转变缓慢并且较彻底，有效的防止了因体积过快膨胀造成的裂缝现象。

(4)在硼矸加入量、粒级和烘烤工艺优化后，炉衬未出现裂缝情况，使用寿命从20.6炉提升到29.8炉，具有良好的经济效益。

参考文献：

[1] 李楠，顾华志，赵惠中. 耐火材料工艺学[M]. 北京：冶金工业出版社，2012：185-186.

[2] 高云琴，薛群虎，段锋，等. 粒度分布对干式捣打料性能的影响[J]. 西安建筑科技大学学报( 自然科学版)，2008，40(6)：764-767.

[3] 饶东生. 硅酸盐物理化学[M]. 北京：冶金工业出版社，1980：21-37.

[4] 陈晓勇译. 无铁芯式感应炉耐火材料问题[J]. 国外耐火材料，1992(12)：1-6.

[5] 李济玉．中频电炉湿法筑炉的实践[J]. 铸造技术，2006，27(3)：208-211.