前言
热轧加热炉的使用温度不高,其耐火材料的设计与选材是依照使用温度设置的,预热段、加热段、均热段一般按照800~900℃、1150~1400℃、1200~1300℃的温度范围控制,目前还没有国家标准或行业标准对加热炉耐火材料进行限定。武钢热轧总厂一热轧分厂、三热轧分厂各有2个加热炉用于轧制需要高温加热的钢种,由于步进梁、立柱粘渣,经常要定期停炉清理出渣检修,不仅耗时长,而且增加成本。
为了研究炉衬粘渣的原因,解决步进梁及立柱粘渣影响生产的问题,在热轧停炉检修期间,对各个加热炉内步进梁、立柱的破损情况进行了调查,分析了各部位炉衬材料的性能与结构,就此进行了分析与探讨。
立柱及步进梁用耐火材料的性能与侵蚀分析
从三热轧加热炉步进梁、立柱用耐火材料的基本情况看,其材质主要为浇注料,修补以可塑料为主。步进梁及立柱耐火材料的化学成分如表1所示。
表1加热炉步进梁及立柱用浇注料的化学组成/%
如图1和图2所示,加热炉中步进梁及立柱粘渣严重,沿步进梁的两侧形成以氧化铁为主要成分的挂渣层,呈柱状或者瀑布状,影响炉内的气流分布和温度分布。而立柱,尤其是活动梁的立柱,由于粘渣而变粗,进而影响步进梁的行程,阻碍生产的正常进行。粘渣严重也导致排渣不畅,造成炉内渣的堆积,最后不得不停炉清渣,导致检修周期缩短,成本增加。表2列出了加热炉步进梁及立柱用浇注料的性能。
表2加热炉步进梁及立柱用浇注料的性能
图1加热炉内的积渣与粘氧化铁相步进梁的情况
(a)积渣情况;(b)以氧化铁为主要相的步进梁
图3所示为加热炉中立柱耐火材料残余样的显微结构,炉衬最外层为磁铁矿带,以粒状磁铁矿为主,磁铁矿晶间有灰色粘接相,多孔[图3(a)];原砖带主要骨料为刚玉或矾土颗粒、莫来石,还有其它颗粒,试样中有少量气孔[图3(b)]。
图2热轧加热炉内立柱与步进梁状况
图3加热炉立柱残砖的显微结构
使用电子探针配合能谱技术分析了立柱残余样的结构与组成,如图4所示。图4(a)中显示局部放大后的磁铁矿组成为:w(Al2O3)14.97%,w(FeO)85.03%。图4(a)中1处组成为:w(SiO2)68.81%,w(Al2O3)23.28%,w(Na2O)1.17%,w(CaO)6.74%;深黑色部分处组成为单一的SiO2。图4(b)为渣与耐火材料界面间的结构,白色的物相为类似磁铁矿组成,但其中1处组成为:w(SiO2)69.88%,w(Al2O3)18.26%,w(Na2O)1.09%,w(K2O)2.58%,w(CaO)3.61%,w(FeO)4.59%。氧化铁渣相中溶解进来的氧化铝究竟是从耐火材料溶解侵蚀而来,还是由其它途径进入,值得考虑。炉窑积渣严重时,使用过铝化渣,但从结构分析看,炉衬中的氧化铝更加容易溶解进入氧化铁相,而氧化硅、氧化钙不易于与氧化铁共熔,因而采用这种技术的可能性会多些。
图4加热炉立柱残砖的结构与组成
图5为加热炉中步进梁耐火材料残余样的显微结构,炉衬最外层为磁铁矿带[图5(a)];原砖带主要骨料为刚玉、莫来石,还有其它颗粒,骨料与基质间结合致密[图5(b)]。
图5加热炉步进梁残砖的显微结构
使用电子探针配合能谱技术分析了步进梁残余样的结构与组成,如图6所示。图6(a)中白色磁铁矿的组成为:w(Al2O3)12.08%,w(FeO)87.92%;1处组成为:w(SiO2)51.34%,w(Al2O3)14.67%,w(Na2O)1.09%,w(CaO)16.35%,w(FeO)5.09%,w(P2O5)11.47%;深黑色部分处组成为单一的SiO2。但从水梁挂渣分析结果看,如图6(b),1处组成为:w(Na2O)0.56%,w(MgO)0.61%,w(FeO)98.83%。此分析结果表明:加热炉内耐火材料在氧化铁为主成分的渣相侵蚀下,氧化铝更容易与氧化铁形成共熔相,而黏度可能提高,因为氧化铝熔点高,从而降低了渣的流动性。
图6利用EPMA观察到的加热炉步进梁残砖的显微结构
从表2可以看出,立柱与步进梁浇注料的荷重软化开始温度变形量0.6%时为1319℃,而变形量达到2%时仅为1342℃,这个温度区间很狭窄,变形量却很大,如此会造成立柱表面发软,液相物质增加,容易粘结钢坯流下的氧化铁皮,也容易与氧化铁皮反应形成黏稠的挂渣物。
目前,加热炉用耐火材料没有国家标准,设计与施工依据是参照产品行业标准,如高强度浇注料(JC/T498-96)可用于加热炉,它只是规定氧化铝、氧化硅、氧化钙的含量分为两个等级;性能规定了110℃、1100℃、1500℃处理后的抗压强度、抗折强度、烧后线变化率、体积密度、耐火度,但这些指标同样说明不了炉衬的实际使用效果。对立柱及步进梁的组成、结构与性能进行分析,可为以后的选材提供依据。
结语
1)针对加热炉步进梁及立柱用耐火材料不能适应工艺要求的特点,建议在二加热段、均热段,所用耐火材料变形量0.6%时的荷软温度提高到1400℃以上,变形量2%的荷软温度提高到1500℃以上,以减少炉衬的粘渣,同时可减少氧化铁皮与炉衬的反应性,减少渣中氧化铝含量,控制渣的粘附性能。
2)加热炉中步进梁及立柱用耐火材料在使用过程中,氧化铁的挂渣层更容易与炉衬中的氧化铝形成共熔相,而氧化硅、氧化钙等杂质趋向于形成粘结相。解决粘渣问题,要从渣的组成及炉衬的组成综合考虑,避免渣的紧密粘附。
徐国涛、李继铮、张洪雷、何明生
武汉钢铁集团公司研究院资源与环境研究所
