镁碳砖的氧化与新型防氧化涂料的应用

发布时间:2020-06-30    来源:冶金耐材网    浏览量:9

目前钢包使用的工作衬,尤其是渣线部位多采用含碳耐火材料。新砌筑好的钢包,在投入盛装钢水使用前,须预先按照从小火、中火到大火的顺序进行烘烤,一般烘烤温度达到1000℃左右,整个烘烤过程,时间短的需要20-30小时,长则需要3-5天,有的甚至更长。目前,相当多的钢包使用现场并没有采取针对烘烤过程中含碳工作衬的防氧化措施,导致烘烤完毕待用时,工作层镁碳砖已经产生至少20mm左右的氧化脱碳层;也有少部分的钢包工作层镁碳砖在砌筑后涂刷防氧化涂料,但是防氧化效果并不能达到理想的效果。另外,涂料需要在现场加水调配,使用不方便,导致了大多数钢包使用现场放弃了采用防氧化涂料。为此,我们研发了一种预先调配好的、方便使用的新型防氧化涂料,并对其防氧化效果进行了相关试验。

1试验过程:

本试验的新型镁碳砖防氧化涂料是预先调配好的浆料,便于涂刷,附着性好,且浆性稳定,可以长时间存放。试验中选用MgO-C砖的化学成分(w)如下:MgO 80.97%,C 14.65%,Al2O3 2.68%,SiO2 1.04%,Fe2O3 0.64%。将选用的MgO-C砖切成60 mm×50 mm×70 mm的长方体备用。

将切好的MgO-C砖样块分别放到已经升温到800℃、900℃和1000℃的马弗炉内,经过不同时间(2-28小时)后取出样块,放到密封的匣钵中自然降温,然后测量其氧化脱碳层的厚度。对镁碳砖适用的热固性酚醛树脂在空气气氛下进行热重分析。

用毛刷将防氧化涂料均匀涂到切好的MgO-C砖样块的各表面上(含3个原始砖面和1个切割面),只留样块的底面和一个侧面的中心部分不涂刷,用来作为对比面。涂刷厚度0.5 mm-1 mm。自然放置5小时后,放入电炉内,在空气气氛下从常温经24小时匀速升温到1100℃,并保温3小时。然后,自然降温后取出样块。

2结果与分析

图1是热固性酚醛树脂在空气气氛热重和差热曲线。从图中可以看出,从500℃开始,有一显著失重,伴随着在537℃左右出现一显著放热峰,说明酚醛树脂快速被氧化,并且在570℃时树脂被完全氧化。

图1酚醛树脂热重和差热分析曲线

MgO-C样块经800℃、900℃和1000℃烧4小时后,完全脱碳层的厚度见表1。从表1可以看出,镁碳砖800℃已经明显被氧化,随着温度的升高,氧化速度增加明显。

表1 MgO-C砖样块在不同温度下烧4小时后的氧化情况

氧化温度/

800

900

1000

完全脱碳层厚度/mm

4

5

6


图2是MgO-C样块1000℃烧不同的时间后,氧化脱碳层的厚度和平均氧化速度。从图2可以看出,随着氧化脱碳层厚度的增加,氧化速度逐渐降低。这是由于MgO-C砖样块被氧化部分不会自然脱落,这可以减缓环境中的O2向内层的扩散,从而对未被氧化的部分也能起到一定的防氧化保护作用,所以,随着氧化层厚度的不断增加,MgO-C样块被氧化速度会越来越小。

图2 MgO-C砖样块在1000℃下不同时间的氧化情况

图3是涂有防氧化涂料的样品块在1100℃处理后的样块外观及横切面照片。可以看出,样块烧后,没有涂料的部分有明显的完全脱碳层:黑色褪去,结构松散;而涂刷涂料部分的松散层和脱碳层几乎为零。

 

图3MgO-C砖样块1100℃烧后外观(a)及横切面外观(b)

分析以上现象,当温度超过570℃时,MgO-C砖的结合剂酚醛树脂就会完全氧化,这会导致MgO-C砖的强度明显降低。镁碳砖料中的石墨在800℃以上时也会显著氧化,导致镁碳砖的气孔率大幅增加,结构松散。镁碳砖的碳含量越高,氧化后,气孔率增加的越明显,结构也越松散。而刷涂料的部分与样块内部通体为均匀的黑色,没有出现松散现象和脱碳现象,说明涂料在1100℃及以下各个温度点对镁碳砖中的树脂和石墨都起到的良好的防氧化作用。

3现场应用与讨论

为验证该防氧化涂料的实际使用效果,我们在三个钢厂分别进行了现场试验。采用钢包渣线镁碳砖的局部涂刷和侵蚀最严重处的整体涂刷两种方式,来评价防氧化涂料起到的作用。局部涂刷的现场,观察钢包烘烤结束后渣线镁碳砖的外观,测量钢包下线后涂刷部分的残余厚度,对比未涂刷涂料且与涂刷涂料部分处在相同使用环境的渣线镁碳砖残余厚度(结果见图4和图5)。侵蚀最严重处整体涂刷的现场,新砌钢包烘烤时间为120小时,最高烘烤温度1000℃,选定侵蚀最严重的部位作为研究对象,对比涂刷前后该处镁碳砖残余厚度和使用寿命。

(a)

(b)

图4钢包烘烤后外观

图5钢包下线后镁碳砖残余厚度

从图4可以看出,烘包结束后,没有涂刷涂料的炉衬外观已经被氧化而变色,用钢管轻轻一捅,镁碳砖的脱碳层便脱落;而涂刷涂料的部分表面,涂料已经形成密致保护层,且保护层分布均匀,与镁碳砖结合紧密,没有脱落现象,说明涂刷起到了良好的防氧化效果。图5是钢包下线后的照片。经测量残余镁碳砖厚度,涂刷涂料的镁碳砖使用下线后残余厚度约100 mm,相同使用条件下未涂刷涂料镁碳砖的残余厚度约为75mm,涂刷涂料的残厚比不涂刷的残厚多25 mm左右。

侵蚀最严重处整体涂刷的现场,钢包涂刷前后对比照片见图6。从图6可以开出,未涂涂料时,钢包烘烤后,由于长时间的烘烤,镁碳砖氧化严重,氧化层松散,几乎没有强度;而涂刷涂料的镁碳砖烘烤后表面仍为黑色,且强度仍然很高,没有松散现象。钢包下线后,侵蚀最严重的几环处的残余厚度明显比涂刷前高出很多。渣线未涂刷涂料前,渣线镁碳砖使用寿命为28-32次,侵蚀最严重部位镁碳砖的残余厚度为80 mm左右。渣线整体涂刷涂料后,渣线镁碳砖使用寿命为29次(因为透气砖而下线),侵蚀最严重部位镁碳砖的残余厚度为120mm,说明涂料保护了之前因为长时间烘烤而氧化的40 mm的镁碳砖。


图6. 侵蚀最严重的部位涂刷前后对比

从以上对比结果可以看出,在新砌筑钢包烘烤过程中,温度到达800℃以上时,镁碳砖中的石墨和树脂氧化速度很快。随着氧化层厚度的不断增加,镁碳砖被氧化速度会逐渐减缓。整个烘包的过程会导致含镁碳砖有至少20 mm左右完全脱碳层,烘烤时间越长,氧化脱碳层越深。脱碳层的特点是几乎没有结合强度、高气孔率和结构疏松。当盛装钢水时,在钢水和渣的冲刷和侵蚀作用下,该脱碳层很快就会脱落,该部分的炉衬材料几乎是白白浪费。

一般钢包新砌筑工作炉衬的厚度200 mm左右,下线后残余工作衬一般为60 mm左右,再减去被氧化的20 mm,工作衬的有效消耗厚度为120 mm左右。其被氧化的部分的厚度占有效消耗部分的15%左右。通过涂刷防氧化涂料可以将镁碳砖有效消耗厚度在原有基础上提高20 mm左右,相当于将炉衬的使用寿命提高15%左右。

4.结论

(1)新型防氧化涂料在1100℃及以下各个温度点对镁碳砖中的树脂和石墨都起到的良好的防氧化作用,使其松散层和脱碳层几乎为零。

(2)现场使用,可以非常有效地防止镁碳砖在钢包烘烤过程中的氧化,提高了镁碳砖的有效消耗厚度从而可以显著提高其使用寿命。

(3)能有效降低钢包耐火材料的吨钢消耗,对节约资源有显著意义。

(4)该新型防氧化涂料可以应用于钢包其他含碳工作衬在烘烤过程中的防氧化。


责任编辑:蒋林佚

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