长寿命中频炉工作衬用捣打料的研制与应用

1、长寿命中频炉工作衬用捣打料长寿命中频炉工作衬用捣打料的研制与应用的研制与应用中国钢研科技集团有限公司中国钢研科技集团有限公司 特种陶瓷与耐火材料北京市重点实验室特种陶瓷与耐火材料北京市重点实验室 报告人：王秉军报告人：王秉军（高级工程师）（高级工程师）主要内容主要内容1 12 23 3实验原料及实验方法实验原料及实验方法实验结果与讨论实验结果与讨论现场使用情况现场使用情况4 4结论结论1/23实验背景实验背景 随着经济的发展，中频感应炉冶炼已经越来越普随着经济的发展，中频感应炉冶炼已经越来越普遍，其已成为铸造行业、不锈钢冶炼行业以及特遍，其已成为铸造行业、不锈钢冶炼行业以及特种合金冶炼的主要冶

2、炼设备之一。中频感应炉炉种合金冶炼的主要冶炼设备之一。中频感应炉炉衬质量的好坏直接决定其使用寿命以及生产效率衬质量的好坏直接决定其使用寿命以及生产效率的高低。中频炉冶炼相比其它冶炼工艺具有流程的高低。中频炉冶炼相比其它冶炼工艺具有流程短，生产调节方便的特性，但是中频炉结构复杂，短，生产调节方便的特性，但是中频炉结构复杂，感应线圈通水冷却，对中频炉捣打料质量要求较感应线圈通水冷却，对中频炉捣打料质量要求较高。如果干式捣打料质量不好，极易出现漏钢、高。如果干式捣打料质量不好，极易出现漏钢、爆炸等安全事故。随着短流程炼钢以及不锈钢冶爆炸等安全事故。随着短流程炼钢以及不锈钢冶炼的快速发展，对高质量的中

3、频炉干式捣打料需炼的快速发展，对高质量的中频炉干式捣打料需求量越来越大。求量越来越大。2/231实验原料与方法实验原料与方法实验原料实验原料 实验方法实验方法 3/231.1 实验原料实验原料 刚玉熔点高，热膨胀系数小，热态体积稳定性好，刚玉熔点高，热膨胀系数小，热态体积稳定性好，且具有优良的耐蚀性。由于刚玉在高温下与镁砂且具有优良的耐蚀性。由于刚玉在高温下与镁砂反应生成尖晶石，产生体积膨胀，从而可有效抑反应生成尖晶石，产生体积膨胀，从而可有效抑制刚玉基炉衬的龟裂。使用刚玉制刚玉基炉衬的龟裂。使用刚玉- -氧化镁质捣打料氧化镁质捣打料作炉衬材料，受炉衬热面龟裂现象明显得到控制，作炉衬材料，受炉

4、衬热面龟裂现象明显得到控制，微裂纹明显减少。微裂纹明显减少。目前，铝镁质捣打料逐渐成为目前，铝镁质捣打料逐渐成为中频炉炼高品质钢的首选炉衬材料。中频炉炼高品质钢的首选炉衬材料。 本文以电熔棕刚玉、白刚玉、板状刚玉、镁砂为本文以电熔棕刚玉、白刚玉、板状刚玉、镁砂为颗粒料，镁砂细粉、刚玉细粉为粉体，添加高温颗粒料，镁砂细粉、刚玉细粉为粉体，添加高温复合促烧剂，硼酸作为外加剂，通过调节颗粒级复合促烧剂，硼酸作为外加剂，通过调节颗粒级配，将各原料混合均匀，制成捣打料试样。配，将各原料混合均匀，制成捣打料试样。4/231.2 实验方法实验方法 将硬纸卷成将硬纸卷成60mm60mm80mm80mm的纸筒，

5、放入内的纸筒，放入内径为径为84mm84mm87mm87mm的刚玉坩埚内，纸筒与的刚玉坩埚内，纸筒与坩埚之间填满坩埚之间填满1-0.5mm1-0.5mm的白刚玉细颗粒。将的白刚玉细颗粒。将混合均匀的干式料倒入纸筒内，捣打密实，混合均匀的干式料倒入纸筒内，捣打密实，制成制成60mm60mm60mm60mm干式捣打料试样。干式捣打料试样。 捣打料试样制备捣打料试样制备5/231.2 实验方法实验方法捣打料堆积密度测试方法捣打料堆积密度测试方法将混合均匀的干式捣打料放入将混合均匀的干式捣打料放入钢桶内，在振动台上震动钢桶内，在振动台上震动1min1min后，移去钢圈，刮平表面，测后，移去钢圈，刮平表

6、面，测定捣打料堆积重量。定捣打料堆积重量。 钢圈钢圈钢桶钢桶 m/V 计算公式计算公式 ：捣打料堆积密度：捣打料堆积密度g/cmg/cm3 3；m m：桶内捣打料质量：桶内捣打料质量g g；V V：桶内体积：桶内体积cmcm3 3. .6/232实验结果与讨论实验结果与讨论颗粒级配对干式捣打料性能颗粒级配对干式捣打料性能的影响的影响 复合高温促烧剂对干式捣打复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响料性能的影响 7/232.1颗粒级配对干式捣打料性能的影响颗粒级配对干式捣打料性能的影响（n=0.37为最紧密堆积为最紧密堆积）nfncnfnddddCNPFd df f：粉体中最小的颗粒尺寸；：粉体中最

7、小的颗粒尺寸；d dc c：最大的颗粒尺寸；：最大的颗粒尺寸；d d：某颗粒尺寸；：某颗粒尺寸；CNPFCNPF：小于该尺寸的颗粒的累积百分数。：小于该尺寸的颗粒的累积百分数。Dinger 模型模型 合理的颗粒级配使干式捣打料施工后致密度高，烧结时体积变化小，合理的颗粒级配使干式捣打料施工后致密度高，烧结时体积变化小，强度高，抗热震性好，不易产生裂纹。合理的颗粒级配可以提高捣打料强度高，抗热震性好，不易产生裂纹。合理的颗粒级配可以提高捣打料的抗热震性能以及抗化学侵蚀性能，捣打料粒度配比也关系到施工后中的抗热震性能以及抗化学侵蚀性能，捣打料粒度配比也关系到施工后中频炉工作衬的烧结质量。频炉工作衬

8、的烧结质量。 1234567020406080100 含量含量/%颗粒粒度颗粒粒度/mmd dc c为为6mm6mm，d df f为为0 0的的DingerDinger的模型的模型理论粒度分布曲线图理论粒度分布曲线图8/232.1颗粒级配对干式捣打料性能的影响颗粒级配对干式捣打料性能的影响以以DingerDinger理论分布为依据，对颗粒级配做微调整，理论分布为依据，对颗粒级配做微调整，配制干式捣打料配制干式捣打料 原料原料粒度（粒度（mmmm）1#1#2#2#3#3#4#4#5#5#6#6#7#7#8#8#棕刚玉、白刚玉棕刚玉、白刚玉61614242424242424242424242424

9、2424242白刚玉白刚玉10.110.111111212131314141515161617171717板状刚玉板状刚玉10.110.111111212131314141515161617171717电熔镁砂电熔镁砂10.110.1121210108 86 64 42 20 00 0电熔镁砂电熔镁砂0.100.100 02 24 46 68 8101012120 0刚玉细粉刚玉细粉0.0740.07422.522.520.520.518.518.516.516.514.514.512.512.510.510.522.522.5复合高温促烧剂复合高温促烧剂0.0050.0051.51.51.5

10、1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.5H H3 3BOBO3 3外加外加0.100.100.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.39/232.1颗粒级配对干式捣打料性能的影响颗粒级配对干式捣打料性能的影响123456782.52.62.72.82.9堆积密度/gcm-3试验编 号各组试样堆积密度各组试样堆积密度试样试样1 1号号8 8号振号振动堆积密度为动堆积密度为2.8g/cm2.8g/cm3 3左右，左右，差别不大差别不大 10/232.1颗粒级配对干式捣打料性能的影响颗粒级配对干式捣打料性能的影

11、响123456780.00.51.01.52.0直 径线变 化率/%试验编 号123456780.00.20.40.60.81.01.21.41.6高度线变 化率/%试验编 号1234567816182022242628气孔 率/%试验编 号123456781.61.82.02.22.42.62.83.03.2体积密度/gcm-3试验编 号1234567820253035404550耐压强度/MPa试验编 号16003h烧后烧后烧后试样直径线变化率烧后试样直径线变化率烧后试样高度线变化率烧后试样高度线变化率烧后试样气孔率烧后试样气孔率烧后试样体积密度烧后试样体积密度烧后试样耐压强度烧后试样耐压

12、强度经过经过100010003h3h后，试样都没有脱模强度，说明在后，试样都没有脱模强度，说明在10001000时试时试样不会烧结。样不会烧结。各试样经过各试样经过120012003h3h后有一点脱模强度，后有一点脱模强度，8 8号几乎没有强度，号几乎没有强度，在在12001200时试样会产生少量的烧结，但烧结强度很低。时试样会产生少量的烧结，但烧结强度很低。各试样经过各试样经过135013503 h3 h后，具有一定的烧结强度，后，具有一定的烧结强度，8 8号强度最号强度最低，其余试样强度基本按照低，其余试样强度基本按照1717组试样的强度在增加，说明在组试样的强度在增加，说明在135013

13、50时试样已经产生了部分烧结。烧结强度随着镁砂细粉含时试样已经产生了部分烧结。烧结强度随着镁砂细粉含量的增加而增大，试样只是部分烧结。量的增加而增大，试样只是部分烧结。经经160016003 h3 h烧后，没有添加镁砂的烧后，没有添加镁砂的8 8号试样体密最大，材料号试样体密最大，材料的线变化最小，烧结强度较低，可以看出镁砂对于捣打料的烧的线变化最小，烧结强度较低，可以看出镁砂对于捣打料的烧结强度贡献较大。干式捣打料中，增加粗颗粒添加量可以提高结强度贡献较大。干式捣打料中，增加粗颗粒添加量可以提高试样抗热震性，但是粗颗粒添加比例过高会降低试样烧结性能试样抗热震性，但是粗颗粒添加比例过高会降低试

14、样烧结性能和烧后强度。细颗粒可保证试样经高温烧结后内部气孔较少且和烧后强度。细颗粒可保证试样经高温烧结后内部气孔较少且尺寸较小，使试样具有良好的致密性，但是细颗粒添加比例过尺寸较小，使试样具有良好的致密性，但是细颗粒添加比例过高会使试样烧后产生较大裂纹，试样收缩率过大会降低抗热震高会使试样烧后产生较大裂纹，试样收缩率过大会降低抗热震性。性。综合各配比情况，第综合各配比情况，第4 4组配方综合性能较好。组配方综合性能较好。 2.1颗粒级配对干式捣打料性能的影响颗粒级配对干式捣打料性能的影响12/232.2复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响 改变复合高温促烧剂

15、的加入量，其它配比不变改变复合高温促烧剂的加入量，其它配比不变, ,进行配料进行配料 原料原料粒度（粒度（mmmm）A AB BC CD DE EF F颗粒颗粒6-0.106-0.10767676767676767676767676细粉细粉0.0740.074212121.521.5222222.522.5232323.523.5复合高温促烧剂复合高温促烧剂0.010.013.03.02.52.52.02.01.51.51.01.00.50.5H H3 3BOBO3 30.100.100.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.30.313/232.2复合高温促烧剂对干式捣

16、打料性能的影响复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响 13503h烧后，烧后，再经再经1600 3h烧制烧制ABCDEF0.00.20.40.60.81.01.21.4直 径线变 化率/%试验编 号ABCDEF0.00.20.40.60.81.01.21.4高度变 化率/%试验编 号ABCDEF2425262728气孔 率/%试验编 号ABCDEF2.802.822.842.862.882.90体积密度/gcm-3试验编 号ABCDEF0102030405060耐压强度/MPa试验编 号烧后试样直径线变化率烧后试样直径线变化率烧后试样高度线变化率烧后试样高度线变化率烧后试样气孔率烧后试样气孔率烧

17、后试样体积密度烧后试样体积密度烧后试样耐压强度烧后试样耐压强度 在通常情况下，镁铝尖晶石开始形成温度为在通常情况下，镁铝尖晶石开始形成温度为14001400，到，到15001500时才大量形成。而要形成尖时才大量形成。而要形成尖晶石网络，烧结温度要大于晶石网络，烧结温度要大于16001600。通过实验。通过实验可以看出加入适量硼酸后，在可以看出加入适量硼酸后，在13501350时已有尖时已有尖晶石形成，硼酸可以在较低温度下促进尖晶石晶石形成，硼酸可以在较低温度下促进尖晶石形成，形成，16001600时镁砂细粉已完成大部分尖晶石时镁砂细粉已完成大部分尖晶石的转变，并充分发育，形成网络包围着刚玉颗

18、的转变，并充分发育，形成网络包围着刚玉颗粒，从而提高了炉衬的耐压强度粒，从而提高了炉衬的耐压强度。2.2复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响 15/23 C C组试样的中、高温强度较高，线变化率比较合理，组试样的中、高温强度较高，线变化率比较合理，该配比试样在该配比试样在10001000以下为粉状，以下为粉状，12001200下稍微下稍微有点强度，在有点强度，在13501350下材料有一定的强度，在下材料有一定的强度，在16001600下有较高的烧结强度，可以满足中频炉捣下有较高的烧结强度，可以满足中频炉捣打料各方面要求，接触钢水部位有较高的强度，打料各方面

19、要求，接触钢水部位有较高的强度，达到了致密烧结。在使用过程中，与钢水或渣接达到了致密烧结。在使用过程中，与钢水或渣接触的工作面材料中的镁砂细小颗粒可以持续和基触的工作面材料中的镁砂细小颗粒可以持续和基质中氧化铝细粉反应生成尖晶石，可以改善材料质中氧化铝细粉反应生成尖晶石，可以改善材料的抗钢水或渣的渗透，同时可以抵消材料在烧结的抗钢水或渣的渗透，同时可以抵消材料在烧结时的收缩，减少材料烧结层与半烧结层之间的结时的收缩，减少材料烧结层与半烧结层之间的结构应力，增强材料的抗剥落性能。构应力，增强材料的抗剥落性能。 因此选择因此选择C C组配比作为工业现场实验用料的配比组配比作为工业现场实验用料的配比

20、。2.2复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响复合高温促烧剂对干式捣打料性能的影响 16/233现场使用情况现场使用情况干式捣打料现场施工干式捣打料现场施工 使用后结果分析使用后结果分析 17/23 按照按照c c组试样的配比生产出一批干式捣打料在某厂组试样的配比生产出一批干式捣打料在某厂8 8吨中频吨中频炉上试用。炉上试用。 现场施工工艺：现场施工工艺： 1 1）打结炉衬前，首先将绝缘层破损部位修补平整，然后在）打结炉衬前，首先将绝缘层破损部位修补平整，然后在炉子线圈绝缘层内铺设一层石棉布。炉子线圈绝缘层内铺设一层石棉布。2 2）打结炉底：先固定好炉底透气塞透气装置，再以透气砖）打结炉底：先固

21、定好炉底透气塞透气装置，再以透气砖为中心放置适当直径的圆筒，圆筒内放入透气炉底捣打料，为中心放置适当直径的圆筒，圆筒内放入透气炉底捣打料，捣打致密，圆筒周围填入普通捣打料。炉底分多次填砂，捣打致密，圆筒周围填入普通捣打料。炉底分多次填砂，一般填砂厚度不大于一般填砂厚度不大于100mm/100mm/每次，打结时注意保证施工后每次，打结时注意保证施工后各处密度均匀，预防烧结后炉衬密度差别较大引起开裂。各处密度均匀，预防烧结后炉衬密度差别较大引起开裂。3.1 干式捣打料现场施工干式捣打料现场施工 18/23 3 3）打结炉壁：炉壁承受着高温钢液静压力、冲刷力、内）打结炉壁：炉壁承受着高温钢液静压力、

22、冲刷力、内外温差应力以及钢液的渗透与侵蚀作用等，打结炉壁时特外温差应力以及钢液的渗透与侵蚀作用等，打结炉壁时特别要注意保证料的密度均匀、避免引起分层。炉底打结达别要注意保证料的密度均匀、避免引起分层。炉底打结达到所需高度时刮平，放入钢制型模，对准中心后固定型心到所需高度时刮平，放入钢制型模，对准中心后固定型心开始打结炉壁。调整周边间隙相等后用三个木楔卡紧，中开始打结炉壁。调整周边间隙相等后用三个木楔卡紧，中间吊重物压上，避免炉壁打结模具产生位移。要求炉壁捣间吊重物压上，避免炉壁打结模具产生位移。要求炉壁捣打时每次填料不超过打时每次填料不超过12cm12cm，每一层打结要求均匀、致密，每一层打结

23、要求均匀、致密，每层打结完后炉料表面要刮毛，使打结后的炉衬不会产生每层打结完后炉料表面要刮毛，使打结后的炉衬不会产生明显的分层，这样烧结后才可能得到优良的工作面。明显的分层，这样烧结后才可能得到优良的工作面。 3.1 干式捣打料现场施工干式捣打料现场施工 打结密实的中频炉炉底与炉壁打结密实的中频炉炉底与炉壁 19/23 4 4）烘烤与烧结：炉衬打结完成后在钢模具内加入废钢以）烘烤与烧结：炉衬打结完成后在钢模具内加入废钢以增强感应圈加热作用，钢模具留在炉内，化钢时同废钢一增强感应圈加热作用，钢模具留在炉内，化钢时同废钢一同熔化。第一次使用在加热时，控制升温速度，防止炉衬同熔化。第一次使用在加热时

24、，控制升温速度，防止炉衬在烧结时产生裂纹。通过低功率送电产生较为平稳的电磁在烧结时产生裂纹。通过低功率送电产生较为平稳的电磁力，使炉衬上下受热均匀。从室温至力，使炉衬上下受热均匀。从室温至16301630共烘烤了共烘烤了10h10h，烘烤良好，钢水液面已经达到正常工作液面。烘烤良好，钢水液面已经达到正常工作液面。1630-1630-17101710升温升温1h1h，17001700左右保温左右保温1 h1 h，冶炼期间最高温度超，冶炼期间最高温度超过过17301730，出钢后观察炉衬。使用后的炉衬表面光滑，烧，出钢后观察炉衬。使用后的炉衬表面光滑，烧结良好。结良好。 捣打料的使用寿命已达到该厂

25、历史上最好的使用炉次。接捣打料的使用寿命已达到该厂历史上最好的使用炉次。接着使用，捣打料的使用效果仍然很好，完全满足了工厂生着使用，捣打料的使用效果仍然很好，完全满足了工厂生产的要求。产的要求。 3.1 干式捣打料现场施工干式捣打料现场施工 20/231 1）据拆炉后观察，未烧结层、半烧结层、烧结层界限分明，未）据拆炉后观察，未烧结层、半烧结层、烧结层界限分明，未烧结层有烧结层有3 35cm5cm厚，炉衬总体强度很好，炉衬表面比较光滑，厚，炉衬总体强度很好，炉衬表面比较光滑，在使用中形成尖晶石产生的膨胀与烧结产生的收缩相匹配，在使用中形成尖晶石产生的膨胀与烧结产生的收缩相匹配，炉壁几乎没有从底部长起，损毁也比较均匀，拆炉时没有发炉壁几乎没有从底部长起，损毁也比较均匀，拆炉时没有发现炉衬有明显的裂纹。现炉衬有明显的裂纹。2 2）使用后拆下的炉壁与钢水接触部位