冶金窑炉耐火材料使用性能改善技术分析
决定冶金耐火材料使用寿命的是其使用性能,在钢水、熔渣或两者综合作用下耐火材料逐渐发生侵蚀,侵蚀速率的大小决定了使用寿命的高低。
一般通过现场试验可直接检测出耐火材料的使用寿命,但存在的不确定因素较多,容易影响钢铁生产,甚至产生安全等问题,尤其对于功能耐火材料来说对钢铁的生产影响更大。
针对制约冶金耐火材料使用寿命短板,通过对关键部位耐火材料相组成、显微结构高温演变优化调控,有效降低了蚀损速率,显著提高了使用寿命。
氧化物-碳复合耐火材料中,碳来源于石墨及作为结合相的酚醛树脂热裂解产生的非晶态碳等,不同碳源及分布对耐火材料性能有重要影响。
非晶态碳在使用条件下易氧化且易溶于钢液,导致耐火材料结构弱化强度下降,抗高温钢液与熔渣侵蚀性劣化;
高碳含量使钢液增碳,影响高品质钢生产。因此,为改善含碳功能耐材的使用性能,必须减少碳含量并提高其抗氧化性。
但是,低碳耐火材料抗热震性低、抗渣渗透性差。提高树脂残碳率并石墨化、优化组成和微结构防止碳氧化以及改善抗侵蚀性,是提升功能耐材关键使用性能必须解决的核心技术。
1.低维增强、抗氧化、自修复新型抗氧化剂复合体系:
依据使用环境下耐火材料的反应热力学及优势区相图,通过研究优化抗氧化剂组成,采用Al-Si、Fe-Si复合金属微纳米粉体、聚硼硅烷、ZrB2前驱体(ZrO2-B2O3-Al)。
通过热处理或处在高温环境时抗氧化剂的物相演变,获得AIN、ZrB2等高抗侵蚀、高导热物相或具有低维结构的SiC晶须等特定陶瓷相,填充细化气孔,可实现碳与高温陶瓷的复相结合,并提高耐火材料高温力学性能,抑制熔渣渗透,改善抗侵蚀性;
添加Al4SiC4等,处在高温环境时氧化生成Al2O3、SiC及C,产生196.2%的体积膨胀,细化气孔抑制碳氧化和熔渣渗透,提高抗侵蚀性,可实现耐火材料使用过程中在线自增强与修复。
2.低维石墨化碳在冶金耐火材料中的应用新技术:
KCl等催化剂可提高热处理时酚醛树脂的残碳率并能催化酚醛树脂裂解生成低维碳纳米管或碳纤维,改善了树脂结合碳的脆性和强度,减少碳在钢液中的溶解;
通过高能球磨,制备出纳米碳包覆氧化铝复合粉体,创新了低维碳引入与分散方式,高度分散的低维石墨化碳不仅可抵抗高温熔渣侵蚀,而且可发挥纳米碳能量耗散、应力吸收作用,弥补碳减少对耐火材料热物理、力学性能及抗热震性能的不利影响,解决了低碳耐火材料的抗热震性差和抗侵蚀性劣化等技术难题。
通过上述技术可研发出关键使用部位增强的系列耐火材料包括浸入式水口低碳ZrO2-C渣线耐火材料、适应不同钢种的低碳塞棒耐火材料MgO-C质、MgAl2O4-C质等,为开发高性能的功能耐火材料提供了技术保障。