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转炉装料炉墙损伤速度过快怎么办?高韧性断裂镁碳砖

发布日期: 2019-11-05 08:48:29    阅读量(135)    作者:张红

钢铁生产的现状是大量地使用煤作为主要原料,因此排放大量的CO₂气体。在日本CO₂总排放量中,钢铁业占约12%,其中高炉的排放量最多,占整个行业的40%。为了减排CO₂,采取转炉装入废钢进行精炼的措施。转炉的废钢投入量逐年增加。

装入转炉的废钢直接冲击的部位称为装料炉墙。如图1所示,转炉装料炉墙位于装入的废钢和铁水接触的部位。因此,装料侧炉墙受废钢下落所致的机械性冲击和磨损的影响,废钢装入量越多,损伤比一般炉墙严重。此外,废钢中还有称为重废料的单重500kg以上的重件,随着重废料使用量的增加,损伤速度加快。

▲图1 转炉装料炉墙废钢冲击损伤示意图

因此,这次使用镁碳砖进行冲击试验,确认了砖的损伤情况。由此对工业炉有可能发生的砖的损伤进行了推测,并开发出新材质,在工业炉进行了试验。

一、废钢下落冲击试验

1、试验方法

使用镁碳砖进行了废钢下落冲击试验,试验简图示于图2,外观示于图3。试验是使用于1200℃,3h还原烧成的高强度砖。形状是100mm×80mm×400mm,20块砖组合使用。砖用铁板固定,12kg的长方体铁块当作废钢,从2m的高度下落至倾斜30°角的面上,通过这种试验观察了砖的状态。

▲图2 废钢下落冲击试验示意图

▲图3 废钢冲击试验的外观

2、试验结果及分析

试验后砖表面的照片示于图4,铁块冲击部位出现缺损状态。铁块冲击的砖的外观照片示于图5。从图中可知,裂纹从缺损部位向砖内部扩展。

根据该结果,可以认为装料炉墙所使用的镁碳砖在废钢冲击时产生了裂纹,并由于裂纹扩展以及连接而损伤。要降低这种损伤有两种办法:一是抑制裂纹的发生,即提高强度;二是抑制裂纹扩展,也就是提高断裂韧性。基于这种假设,对装料炉墙材质进行了高强度化和高断裂韧性化的研究。

▲图4 试验后砖表面的照片

▲图5 试验后砖的外观

二、装料炉墙用镁碳砖

1、添加金属的高强度材质

提高镁碳砖的强度,通过增加金属添加物的量是有效的方法。但是,增加金属添加量会导致抗热震性降低,所以希望用所需的最小限度金属添加量,有效地发挥金属的添加效果。

图6示出了添加了金属种类和数量均相同的镁碳砖,得到了添加物分布组织不同而导致高温抗折强度不同的评价结果。高强度镁碳砖就是使用该方法,通过均质分布添加金属,为了有效发挥金属添加效果而对组织进行了改质。

▲图6 镁碳砖的金属分布形态对高温抗折强度的影响

2、 强化基质组织的高断裂韧性材质

通过强化基质组织,控制所发生的裂纹发展,能够提高对断裂的抵抗性,即提高断裂韧性。图7示出了在抗折试验后的试样观察到的裂纹扩展路径。基质组织强化砖的裂纹扩展为锯齿状路径,宏观性裂纹的扩展被抑制。一般认为这是由于断裂时裂纹出现分支和石墨出现拉伸的效果。

▲图7 弯曲试验后镁碳砖观察到的裂纹扩展路径

3、强化碳结合的高断裂韧性材质

从图7可知,裂纹的扩展就是把MgO颗粒与石墨之间以及空隙等基质组织非常弱的部分连接起来。因此,认为强化基质组织结构上的弱结构,可以提高对裂纹扩展的抵抗性。为此,利用沥青增强碳结合是有效的方法。

图8示出了添加适量沥青来强化组织的状态照片。沥青渗透到MgO颗粒和石墨间以及空隙,可以观察到碳化的状态。这种增强碳结合砖,由于在MgO颗粒和石墨之间形成了碳结合,强化了结构上的弱面,使断裂韧性提高。

表1列出了上述的3种镁碳砖的典型性能,所有试样所用原料的纯度都是相同的。

▲图8 强化碳结合

▲表1 镁碳砖的性能

三、荷重-位移曲线测定

1、测定

方法用荷重-位移曲线求出的静态断裂能对断裂韧性进行了评价。高温抗折强度是由荷重-位移曲线的最大值求出。用三点弯曲试验进行测定,在跨度100mm,十字头速度0.1mm·min-1的条件下进行。测定荷重的同时,用激光式位移计测定试样中央(荷重点正下方)的弯曲位移量,求出荷重-位移曲线。试样是在焦粉中1200℃烧成3h后,切割成40mm×15mm×150mm形状进行使用,三点弯曲试验是在Ar气氛800℃的高温下进行。

2、测定结果

根据测定求出的荷重-位移曲线示于图9。相对于荷重增加,位移增加程度相当于静弹性模量,曲线的顶点表示断裂的开始点。镁碳砖含有大量扁平状的鳞片石墨,所以对裂纹扩展的抵抗性比一般的氧化物系砖大。因此,一般的氧化物系耐火砖在断裂后荷重急剧释放,而镁碳砖在裂纹发生后荷重缓慢减少。荷重-位移曲线的面积相当于裂纹发生和扩展所需的断裂能,面积大的材料,其断裂韧性就高。

高强度品到发生裂纹为止的最大荷重,也就是高温抗折强度是最大的。强化基质组织品、强化碳结合品与高强度品相比,虽然抗折强度低,但裂纹发生后荷重是缓慢减少的。图10示出了通过测定求出的高温抗折强度,图11是由荷重-位移曲线的裂纹扩展区域的面积求出的断裂能。强化基质品、强化碳结合品都是断裂能变大,是断裂韧性优良的镁碳砖。

▲图9 三点弯曲试验获得的荷重-位移曲线

▲图10 镁碳砖的高温抗折强度

▲图11 镁碳砖的断裂能

四、工业炉使用的结果

根据研究结果所开发的产品用于工业炉的装料侧炉墙,其评价结果示于图12。图13示出了各产品的损伤速度指数与高温抗折强度的关系。图14示出了损伤速度指数与断裂能的关系。损伤速度指数与高温抗折强度的相关性小,但如果断裂能变大,则直线降低。据此得出结论,对于工业炉的损伤,与其通过提高强度来控制破坏,还不如通过增大断裂韧性来控制裂纹扩展更加有效,高断裂韧性镁碳砖适合用于转炉装料炉墙。

▲图12 磨损率指数

▲图13 磨损率指数与高温抗折强度之间的关系

▲图14 磨损指数与断裂能之间的关系

五、结语

为了弄清转炉装料炉墙损伤的主要原因,进行了废钢下落冲击试验。根据试验结果,认为装料炉墙损伤的主要原因是废钢冲击导致裂纹发生和扩展以及裂纹的连接而产生破损。进而,开发了抑制裂纹发生的高强度品和抑制裂纹扩展的高断裂韧性镁碳砖。开发的镁碳砖通过在工业炉上的使用评价结果可知,高断裂韧性品效果良好,能够有效控制裂纹扩展。

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