高炉铁口无水炮泥强度及其特性的分析试验.pdf

第33卷 第1期 2011年2月 山东冶金 Shandong Metallurgy Vol.33 No.1 February 2011 摘要 材料选用某钢厂高炉无水炮泥， 通过模拟铁口试验装置， 对此种无水炮泥在多梯度温度状态下焙烧后的强度及微 观组织结构进行了分析， 结果表明， 试样在200 ℃2 h烘干后的耐压强度及抗折强度最大， 800 ℃2 h煅烧后的耐压强度 及抗折强度最小， 在1 100 ℃2 h煅烧后的显气孔率相比800 ℃2 h煅烧后的显气孔率明显较低； 试样在1 400 ℃时微观 组织结构密实均匀稳定。 关键词 高炉； 铁口； 炮泥； 耐压强度； 抗折强度； 显气孔率 中中图分类号号 TF573.6文献标识码 A文章编号 1004-4620 （2011） 01-0038-03 􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀧄 试验研究试验研究 1前言 随着炼铁技术的进步与高炉强化冶炼的需求， 人们逐渐认识到了炮泥质量对高炉正常生产的重 要性， 炮泥经过多年的研究、 试用和改进， 发展迅 速。高炉炮泥从有水炮泥发展成为无水炮泥， 炮泥 的强度、 耐渣铁侵蚀性能都有了很大提高， 满足了 高炉安全顺行的需求和高炉进一步强化冶炼的要 求。同时新型合成材料低毒、 低污染结合剂的出 现， 紧跟现代化钢铁企业对技术、 质量、 环保和安全 的需要， 以及高炉大型化后高风温、 高顶压和出铁 次数减少对炮泥提出了新的需求。对于高炉所用 炮泥， 常规状态下的各种理化指标都能测定， 但进 入高炉铁口内部， 无水炮泥烧结后的高温矿相组织 不能直接研究和测试， 因而对多梯度温度变化情况 下， 复合配比材料 （炮泥） 的强度及其特性进行分析 研究， 对炮泥的使用尤为重要。 本研究通过模拟铁口多梯度试验装置， 探讨了 高炉无水炮泥在多梯度温度下的性能及显微组织 机构， 分析了在多梯度温度下无水炮泥形成的微观 组织机构， 以期为改进炮泥配比及铁口钻削理论提 供指导。 2试验原料与方法 1） 炮泥组成。炮泥是一种不定形耐火材料， 其 组成可分为两个部分 耐火骨料和结合剂。耐火骨料 指刚玉、 莫来石、 焦宝石等耐火原料和焦炭、 云母等 改性材料。这些材料按一定的粒度及重量组成基 质， 在结合剂的调和下使炮泥具有一定的可塑性， 在微粉添加剂的强化下使炮泥组织结构具有一定 的致密性， 以提高炮泥的强度和高温性能。试验选 用某钢厂高炉无水炮泥， 炮泥的主要原料组成见表1。 高炉铁口无水炮泥强度及其特性的分析试验 杨士岭 1， 2， 董 英 2 （1 山东大学 机械工程学院， 山东 济南 250061； 2 济南钢铁股份有限公司 炼铁厂， 山东 济南 250101） 收稿日期 2010-06-08 作者简介 杨士岭， 男， 1968年生， 1990年毕业于燕山大学流体传动 与控制专业。现为济钢炼铁厂设备厂长， 高级工程师， 山东大学机 械制造及自动化专业在读博士， 从事设备管理与维修及技术开发 工作。 焦粉 14 （＜1 mm） 黏土 10 （＜0.074 mm） 云母 6 （＜0.074 mm） SiC 8 （＜0.074 mm） 刚玉 22 （＜3～0.074 mm） 12 （＜0.074 mm） 氮化硅铁 10 （＜0.074 mm） 高铝土 14 （＜0.074 mm） 沥青 4 （＜1 mm） 焦油 18 表1某大型高炉无水炮泥配比 2） 试样的制备及处理。将无水炮泥放入电炉 中加热到100 ℃左右， 加热软化后置于160 mm40 mm40 mm的试样模具中， 将模具固定在小型压力 机上， 操作压力机， 使炮泥压入模具内， 压力为10 MPa。压过的试样表面要经过平整处理， 之后脱去 模具。制成几组试样， 放入自制的匣钵内， 四周埋 入0～l mm的焦炭粉， 分别放入烘干炉及电炉内， 进 行200 ℃24 h及500 、 800、 1 100、 1 400 ℃， 时间均 为2 h烘干、 锻烧， 自然冷却后检测其常温性能指标。 3） 多梯度温度铁口模拟试验。通过模拟多梯 度铁口温度， 自行设计铁口孔道， 选取 4 段φ40 mm120 mm石墨套筒， 模拟高炉铁口打入炮泥时 处于不同温度梯度的情况， 将无水炮泥在30 MPa压 力机上注入石墨套管， 石墨套管两头堵上石墨塞 子， 再将石墨套筒固定在架子上， 分别将4段石墨套 管放入电炉内进行煅烧， 温度分别为200、 500、 800、 1 100 ℃， 煅烧时间均为2 h。自然冷却后截取石墨 套管内无水炮泥， 在显微镜下观察无水炮泥的显微 组织结构。此种模拟铁口孔道试验装置能够将较 长的整段铁口孔道分段研究分析， 此种装置具有与 高炉铁口相似的还原气氛， 同时无水炮泥在石墨套 筒中具有与高炉铁口相似的焙烧温度和焙烧压力， 焙烧后的高温相显微组织结构与实际铁口中高温 相组织结构相差甚小。 38 3试验结果及分析 无水炮泥煅烧、 自然冷却后检测的常温性能见 表2。由表2可以看出， 随着试样烧成温度的不同， 在200 ℃24 h烘干后的耐压强度及抗折强度最 大。因为这时炮泥内部靠焦油和沥青及黏土结合 在一起， 各相之间由于加热温度低， 尚未起化学反 应， 试样中不存在新的结合相， 说明加入焦油和沥 青后， 可以保证炮泥有足够的常温强度， 保证生产 初期的正常使用。 表2无水炮泥在不同条件下烘干、 煅烧自然冷却后的性能 烘干、 煅烧 条件 200 ℃24 h 500 ℃2 h 800 ℃ 2 h 1 100 ℃ 2 h 1 400 ℃ 2 h 耐压强 度/MPa 10.97 10.54 9.95 10.35 10.65 抗折强 度/MPa 5.62 5.52 5.15 5.50 5.63 体积密度/ （g cm-3） 2.14 2.02 1.99 1.98 1.96 显气孔 率/ 1.56 15.65 27.20 26.40 27.45 线变化 率/ -0.08 -0.13 -0.17 -0.20 -0.26 模拟铁口孔道试验试样显微组织结构见图1。 200 ℃500 ℃800 ℃1 100 ℃ 图1不同温度下2 h煅烧后试样的显微组织 温度在500 ℃以下时， 主要是沥青和结合剂 （焦 油） 碳化形成结合强度的过程。其中沥青则是通过 熔融状态由中间相不断长大， 以液相形式碳化， 该 过程进行到600 ℃时碳化基本结束。沥青、 焦油等 液相碳化的碳因黏度高， 结晶难于发育， 炮泥显微 组织易形成镶嵌结构， 结晶发育好的则呈流动式结 构 ［1］。流动式的组织结构和完全镶嵌结构的碳， 经 过500 ℃的中温烧成后， 耐压强度和抗折强度都有 所降低。 当达到800 ℃的中温烧成后， 试样的耐压强度 和抗折强度明显降低， 说明800 ℃中温烧成后炮泥 的显微结构发生了变化。氮化硅铁是氮化硅和铁 的混合体， 氮化硅因自身是强共价键， 800 ℃的温度 下， 仍保持化学稳定， 没有发生烧结现象， 故对试样 强度不产生增强作用。金属铁在800 ℃温度下不会 熔化， 也不与其他相发生化学反应， 故对强度的影 响不大。刚玉、 焦粉等在800 ℃的温度下， 化学性质 也保持稳定， 因此试样中温强度降低主要是由沥 青、 焦油的变化引起的， 同时黏土的主要矿物相为 高岭石， 因此黏土的加热变化即高岭石的加热变化 以及高岭石与杂质矿物之间发生的理化反应过 程。当加热到100～110 ℃时， 高岭石失去吸附水， 温度升高到450～600 ℃则失去结构水， 为吸热反 应， 其反应式为 Al2O3 2SiO2 2H2OAl2O3 2SiO＋2H2O （偏高岭石） 。 当加热到600～650 ℃时， 耐火黏土开始收缩， 在800 ℃以前黏土矿相组织未发生变化， 仅是放出 吸附水或结构水， 因而只会造成试样结构疏松， 降 低试样强度， 特别是在加热到800 ℃时更甚 ［2］。这 也是炮泥试样在800 ℃时强度降低的一个原因。而 到1 100 ℃时， 试样的耐压强度和抗折强度显著增 加， 当温度达到1 400 ℃时， 试样的耐压强度和抗折 强度与1 100 ℃相比更有所提高， 主要原因是组成 无水炮泥的氮化硅铁、 轻质黏土、 焦粉、 刚玉、 蓝晶 石、 绢云母等组分之间发生系列的化学反应， 生成 新的矿相， 这些新的矿相相互交接在一起， 对无水 炮泥的强度产生影响。因此造成试样高温强度比 中温强度提高的因素主要是组成无水炮泥的各组 分之间发生了化学反应。 从图1中可以看到， 炮泥的显气孔率发生两次 明显的升高。第一次变化是随着炮泥温度的升高， 炮泥结合剂中有机物的挥发、 碳化及其沥青碳化， 导致炮泥的显气孔率急剧增大， 这时炮泥形成多空 体物质。第二次变化发生在高温阶段， 炮泥中 Fe-Si3N4在高温下反应放出微量气体［3］， 由于 Fe-Si3N4的加入， 炮泥的气孔率先降低后增大， 在高 温下Fe3Si以液相形式存在， 在1 100 ℃时液相量增 加并填充气孔， 而α-Si3N4相转化成β-Si3N4相带来 的巨大生长推动力 ［4-5］， 促进了烧结的进行， 致密化 的影响超出了Si3N4分解气体排出的影响， 使炮泥显 气孔率比800 ℃时有所变小。当温度达到1 200 ℃ 时， 物系中开始产生如下反应 9Fe＋Si3N43Fe3Si＋2N2， 3Fe＋Si3N4＋CFe3Si＋2SiC＋2N2， 产生少量氮气； 当温度达到1 400 ℃时， 上述反应急 剧进行， 产生大量的氮气， 使炮泥显气孔率比1 100 ℃时增大 ［6］。 4结论 4.1在高炉长寿顺行中， 炮泥有一个逐步改进的过 高炉铁口无水炮泥强度及其特性的分析试验杨士岭等2011年第1期 39 山东冶金2011年2月第33卷 程。炮泥在不同温度梯度下的性能指标及微观组 织结构可直接反应炮泥的应用效果好坏， 此种高炉 炮泥在800 ℃下的耐压强度和抗折强度最低。为进 一步提高铁口孔道炮泥的整体强度， 可对炮泥原料 高铝土进行二次煅烧。 4.2通过测定不同温度梯度下炮泥的耐压强度和 抗折强度， 炮泥的最大抗压强度为10.97 MPa， 最大 抗折强度为5.63 MPa， 此项数据说明高炉开铁口机 钻削高炉无水炮泥时只需冲击压力13 MPa和旋转 压力10 MPa。 4.3通过测定不同温度梯度下无水炮泥的耐压强 度和抗折强度， 可得到无水炮泥在铁口孔道内部焙 烧后耐压强度和抗折强度的变化趋势， 有利于在无 水炮泥中添加相应的原料来提高无水炮泥的抗渣 铁侵蚀性和冲刷性， 改善高温烧结强度， 从而达到 提高铁口孔道的整体强度、 防止铁口断裂的目的。 参考文献 ［1］ 郭海珠， 余森.实用耐火原料手册 ［M］ .北京 中国建材工业出 版社， 2000 551. ［2］ 李军希.氮化硅铁在无水炮泥中作用机理的研究 ［D］ .北京 北 京科技大学， 2004 45-47. ［3］ 杜明玺.氮化硅铁在高炉出铁口用炮泥料中的性状 ［J］ .国外 耐火材料， 1998， 23 （12） 41-44. ［4］ 陈俊红， 孙加林， 洪彦若， 等.铁元素在氮化硅铁中的存在状态 ［J］ .硅酸盐学报， 2004， 32 （11） 1 347-1 350. ［5］ 曹永革， 葛昌纯， 周张健.β- Si3N4纤维及柱晶的制取 ［J］ .北京 科技大学学报， 1997， 19 （6） 571-575. ［6］ Cheng Laifen， Xu Yongdong， Zhang Litong， etal. 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The apparent porosity of the sample roasted at 1 100 ℃2 h is lower clearly than that of the sample roasted at 800 ℃2 h. The microstructure of the sample roasted at 1 400 ℃ is dense, uni and stationary. Key wordsKey words blast furnace; tapping hole; taphole clay; compressive strength; flexural strength; apparent porosity Forecast Model of Mechanical Properties of H Beam Based on SPSS ZHANG Jie, SONG Yu-qing, LI Chao, WANG Yuan-chun, YANG Zhi-jie （The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China） AbstractAbstract By the comparison of properties forecasting s, appropriate model building s were chose according to the production conditions of Laiwu Steel. The data of H-beam steel smelting and rolling progress gathered from plant were ran regression analysis by using SPSS analysis. Forecast model of mechanical properties was built up and its veracity was tested. The results showed that it could satisfy the present requirement of industry. The process optimization can be conducted by applying the model, with the prediction accuracy significantly increasing, shortening the cycle of new product development, and reducing the cost of the new product development. Key wordsKey words H-beam; mechanical property; forecast model; regression analysis 􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣 （上接第37页） （上接第35页） ［10］ 王有铭.钢材的控制轧制和控制冷却 ［M］ .北京 冶金工业出 版社， 1995 63. ［11］ Antonio Augusto GORNI， Celso Gomes CAVALCANTI ［C］ //7th International Conference on Steel Rolling 1998. Chiba The Iron and Steel Institute of Japan， 1998 629-633. Discussion on the Characteristics and Genesis of Mixed Grain Structure for Q460C Plate WANG Qian1, JIANG Min-feng2, FENG Yong1, FENG Rui3 （1 Jinan Iron and Steel Group Corporation, Jinan 250101, China; 2 Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China; 3 School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China） AbstractAbstract The microstructure and grain size distribution of Q460C plate were researched and the characteristics of mixed grain structure for several steel plates were analyzed with quantitative metallography. The results showed that micro-area composition segregation and improper rolling process are important reasons for mixed grain structure of Q460C plate. Rational controlling of the deation temperature and deation degree, also avoiding rolling in the austenite part-recrystalization region can effectively improve the mixed grain problem of plates. Key wordsKey words Q460C plate; mixed grain structure; composition segregation; recrystallization 􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣 40