案例研究 - 铬铝 DVC 衬里

挑战

磷对无芯感应炉低碳钢的影响

我们的无芯感应炉脱磷解决方案

铁和磷之间有很强的相互作用,它们的氧化还原特性非常相似,以至于它们通常同时被还原。 这就是为什么从高炉出来的生铁或海绵铁中磷含量通常很高的原因。

幸运的是,还可以通过使用高碱度炉渣通过氧化来消除磷,其中 P2O5 即使在非常高的浓度下,活性仍然很低 [3] [4]。 一旦碱度指数(即CaO/SiO2) 大于 2。

用于脱磷(简称 dephos)工艺的典型炉渣通常基于石灰和氧化铁 (II)。 也可以使用基于钡的替代炉渣。 此外,像苏打水或 spath fluor 的混合物很常见。

磷实际上对钢的最终性能具有各种负面影响。 基本上,由于铁素体固溶体的增强,它往往会增加抗拉强度。

通过感应炉生产的钢铁产量约占印度钢铁总产量的三分之一。 无芯感应炉 [3] 的主要优点在于其多功能性、必要时可以停炉、熔化和处理过程中的温度控制非常好、能够熔化任何种类的合金,包括低碳钢.

用于使用感应炉生产低碳钢的典型炉料在很大程度上取决于当地原材料的可用性,但它通常由不同比例的废钢、生铁和 DRI(直接还原铁)组成。 这会导致输出钢中的磷含量发生变化,可能高达 0.1%。

尽管有上述优点,但无芯炉存在一些缺点和局限性,尤其是在潜在的脱磷过程方面。 首先,由于熔池表面/体积比小,容器的形状不能完全适应任何类型的炉渣处理。 然而,这可以通过熔体的电磁搅拌来平衡,也可以通过相对容易实施的吹氧和/或惰性气体鼓泡来平衡。 其次,钢感应炉中使用的传统耐火炉衬不适合长期抵抗高碱性炉渣。 基于结晶二氧化硅的酸性衬里不能承受与脱磷渣的接触,即使是短时间。 相反,以氧化镁为基础的碱性耐火材料不适应形成酸性渣时的熔化过程,并且它们对热冲击和吸湿的敏感性使其不适于不连续过程。

基于尖晶石结合氧化铝的 NRM(中性捣打料)在该段上的发展确实使脱磷成为可能,同时与替代干捣打材料相比,在标准熔化操作下显着提高了炉衬寿命 [7]。 与使用低磷废料相比,使用圣戈班 NRM 衬里已经证明其在 DRI 钢脱磷方面具有成本效益。 然而,NRM 炉衬寿命的降低以及与脱磷渣相关的额外腐蚀速率对钢铁制造商产生了强烈的经济影响,并且严重阻碍了这种无芯感应炉工艺的发展。

尖晶石结合的中性捣打料的替代产品

尽管 NMR 在钢感应炉中的腐蚀和热冲击之前提供了一个有趣的折衷方案,包括可能的脱磷过程,但它们也表现出与其固有设计和微观结构相关的一些局限性。 他们的粘合系统基于 原位 尖晶石在高温下形成,众所周知,它具有良好的耐腐蚀性。 然而,尖晶石的形成伴随着显着的体积膨胀,这往往会限制烧结层的机械强度,并且由于获得良好的捣打能力和合适的保质期所必需的颗粒大小而不会真正导致小孔。 MgO 细粉的反应性)。 尖晶石陶瓷结合剂的发展被认为发生在 1200°C [7][8],但主要来自氧化镁的各种杂质和热烧结层膨胀产生的压应力倾向于提供固结一旦温度超过 900-1000°C,背面的材料就会分层。

此外,尽管是碱性氧化物,但 MgO 在典型的脱磷渣中远非惰性。 MgO 在 CaO-FeO-CaF 中的溶解度2 1550°C 的炉渣约为 4%,但在渐进 SiO 后会迅速增加 10% 以上或更多2 渣在脱磷过程中的富集 [7]。 下表显示了在衬有 85% MgO 基本炉衬的实验室无芯炉中脱磷渣的演变示例。 值得注意的是,随着时间的推移,MgO 的大幅增加。

 

经验。 时间 0 20分钟 1小时
CaO 63.6 59.6 31.8
Fe2O3 27.2 6.3 3.9
Al2O3 5.7 6.7 6.4
SiO2 2.3 16.0 16.8
移动网络 3.9 9.9
Cr2O3 0.3 0.5
MgO 6.3 29.6
表 1:随着时间的推移脱磷渣的演变(煅烧产品上的重量百分比氧化物)。

 

在此框架内,使用高级铬氧化铝干式耐火材料为基于尖晶石键合的 NRM 提供了一种有趣的替代方案。 铬-氧化铝材料由于其高耐火度和在各种环境中的优异耐腐蚀性,已成功应用于各种炼钢操作数十年来。 然而,它们在无芯感应炉中作为干水泥的用途并不广泛。 MgO 与氧化铬和氧化铝结合使用仍然是可能的,从而产生各种尖晶石化合物,但实际上应该尽量减少。 SAINT-GOBAIN 提交了一项专利申请,涉及一种新的耐火材料解决方案,特别适用于无芯感应炉中的脱磷,并基于铬-氧化铝系统。 该材料的定义如下,以氧化物相对于整体材料重量的重量百分比表示:

  • 超过 50% 铝2O3,最好超过 85%,
  • 超过 4% Cr2O3,优选大于 7% 且小于 15%,
  • 小于 20% MgO,优选小于 1%,
  • 小于 5% CaO,优选小于 0.5%,
  • 小于 3% SiO2,优选小于 0.5%,
  • 小于 5% Fe2O3,优选小于 1%,
  • 小于 30% 氧化锆2,优选小于 5%,
  • 小于 10% 的二氧化钛2,优选小于 2%,
  • 铝的总和2O3+铬2O3+铁2O3+氧化锆22 占材料重量的 80% 以上,优选超过 97%。

首选的解决方案实际上是一种新的铝铬干振动水泥, 由于其优化的粒度分布和陶瓷粘合系统,它为无芯炉中的钢脱磷提供了独特的解决方案。

结果 新的 Al-Cr DVC

新的 Al-Cr 粘合系统基于铬-氧化铝固溶体 [9],它对铁合金和炉渣具有非常高的抵抗力。 烧结过程中略微正的永久膨胀提供了合适的致密化,而不会打开孔结构或改变衬里的热面强度。 初始粒度分布和烧结机制导致微孔结构限制任何熔融金属或炉渣渗入衬里。

 

1,600°C烧制后的特性 新型Al-Cr DVC 典型的 NRM
容重 3.4 2.8
开孔率 (%) 15 25
中值孔径 μm <1 6
冷压强度(MPa) 85 20
永久线性变化(%) 0.1 4
表 2:新型 Al-Cr DVC 和用于钢无芯炉的典型尖晶石结合 NRM 烧制后的比较性能

 

磷实际上对钢的最终性能具有各种负面影响。 基本上,由于铁素体固溶体的增强,它往往会增加抗拉强度。

 

 

所选的原材料和陶瓷结合剂的性质导致高温烧结,最大限度地减少烧结厚度并使大部分耐火衬里保持在非烧结粉末形式,从而提高了衬里的抗裂性和隔热性,尽管烧结区域的热导率较高。 图3说明了分别的比较烧结行为 新型铝铬 DVC 和典型的尖晶石键合氧化铝 NRM 都暴露在 1,600°C 和环境大气之间的热梯度中。 标准 NRM 的陶瓷结合在 1,360°C 左右完成,而最终烧结 新型铝铬 DVC 仅在 1,450°C 时发生。 初级固结也有类似的 100°C 差异。

Performance Ceramics & Refractories 是Saint-Gobain 陶瓷材料的一个分支

图 3:Al-Cr DVC 和典型 NRM 在热梯度下烧结。

图 4 显示了在 NRM 和铬氧化铝情况下通过钢无芯炉衬的热分布的估计比较。 这说明了铬-氧化铝的优点——尽管具有更高的热导率——利用更高的烧结温度来减少通过衬里的整体热损失。

 

磷实际上对钢的最终性能具有各种负面影响。 基本上,由于铁素体固溶体的增强,它往往会增加抗拉强度。

图 4(右):通过衬里的热剖面图。 NRM 和新的铝铬 DVC。

就脱磷渣的腐蚀而言,铬-氧化铝系统的好处是非常明显的。 将直径为 70 mm 的大圆柱形样品浸入高频无芯炉中,该炉含有 200 kg Mn 钢增强钢,掺杂 0.0.8% P 和 10 kg 具有表 3 中给出的成分的脱磷渣。然后以 30 rpm 的速度旋转 20 分钟。 在整个测试过程中,温度保持在 1,580°C 至 1,620°C 之间。

 

炉渣成分 重量%
CaO 58.8
氧化铁皮 30.3
氟化钙2 10.6
表 3:用于腐蚀试验的炉渣成分

 

表 4 显示了在测试结束时在各种耐火样品上获得的结果。 优越的性能 新型Al-Cr DVC 在这些侵蚀性测试条件下,无论是外观还是腐蚀速率都清晰可见。 铬2O3 试验结束时炉渣中的铬含量接近 0.5%,这与未与含铬耐火材料接触时获得的浓度相似。

 

煅烧产品的材料化学分析 新型Al-Cr DVC
87.5% Al2O3
7.9% Cr2O3
氧化镁0.4%
3.0%二氧化钛2
0.6% 二氧化硅2
0.2% 氧化钙
0.1% 铁2O3
0.3% 钠2O

NRM
86.7% Al2O3

氧化镁12.5%

0.2% 二氧化硅2
0.2% 氧化钙
0.1% 铁2O3
0.3% 钠2O

基本夯击质量
氧化镁83.9%

13.9% Al2O3

0.9% 二氧化硅2
0.9% 氧化钙
0.2% 铁2O3
0.2% 钠2O
测试后的样品外观
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铬氧化铝DVC产品
铬氧化铝DVC产品
渣线直径减少量 (%) 5% 29% 11%
渣面以下体积损失(%) 4% 20% 35%
表 4:脱磷条件下的实验室腐蚀测试结果

 

价值主张

圣戈班 新型铝铬 DVC 是用于无芯感应炉脱磷的耐火溶液。 其独特的陶瓷结合可为任何炉渣提供出色的耐腐蚀性,尤其是在脱磷工艺中遇到的高腐蚀性碱性炉渣。 这 新型铝铬 DVC 还表现出更高的烧结温度,这有助于保持厚的未烧结层。 主要的积极结果是更好地抵抗裂纹扩展和翅片化、延长使用寿命和更容易提取坩埚。 高机械强度和低永久膨胀 新型铝铬 DVC 与传统 NRM 等替代耐火材料相比,烧结后形成具有优异耐磨性和抗冲击性的致密硬质热面。

优异的耐腐蚀性
延长使用寿命
高机械强度和低永久膨胀
卓越的耐磨性和抗冲击性

參考資料

  1. Briant, CL., Banerji, SK., 磷在超高强度钢中引起 350°C 脆化, Metallurgical Transactions A, vol.10, pp.123-126, 1979.
  2. 混凝土加固用高强度变形钢筋和线材, 印度标准 IS 1786:2008 4th 修订版 – 1 年 2012 月 XNUMX 日修订。
  3. 普罗希特,A., 在感应炉中对海绵铁生产的钢进行脱磷, 硕士学位论文, 国立鲁克拉理工学院, 2014 年 XNUMX 月。
  4. 盖伊, H., & al., Traitements metal – Laitier pour l'élaboration d'aciers de qualité, 会议 « Elaboration des matériaux métalliques massifs », Fédération Française des Matériaux, 巴黎, 2002。
  5. 马森,JM。, Elaboration de l'acier moulé – 分析金属过程, Techniques de l'Ingénieur M3624, ed。 工程师技术,巴黎,2007 年。
  6. Olette, M., Gatellier, C., Lamarque, G., 冶金二级, Techniques de l'Ingénieur M7750, ed。 工程师技术,巴黎,2008 年。
  7. Goswami, J, & al., 新一代无芯感应炉用耐火炉衬, 杂志 29th AIIFA 的 AGM 和会议,新德里,第 17-23 页,2015 年 XNUMX 月。
  8. Sako, EY., Braulio, MAL., Pandolfelli, VC, 原位MgAl2O4形成机理及其与含尖晶石耐火浇注料耐蚀性的相关性研究,耐火材料世界论坛,第 6 卷,第 79-83 页,2014 年。
  9. Emblem HG., & al., 铝铬耐火材料的固态化学, J. of Materials Science Letters, vol.11, pp.820-821, 1992.

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