鋼包包齡和安全防護的優化改進與實踐

發布日期：2024-12-10 作者：李健1,張文祥1,武曉陽1,王愛東1,李學民1 瀏覽次數：2615

核心提示：摘要:通過對影響鋼包包齡和安全性能的因素分析,采取鋼包磚耐材材質優化,鋼包砌筑重點部位防護,在線鋼包耐材殘厚精準測量,優化鋼包精煉頂渣成份結構,鋼包安全防護技術應用等措施提高鋼包包齡和安全防護性能。鋼包總包齡平均達到了185次,其中最高包齡達到202次,較之前平均112次提高了73次,耐材和鋼包投入成本均大幅下降。鋼包使用事故率由0.6次/萬噸鋼降低到0.05次/萬噸鋼以下,為鋼包包齡的提升提供了有利保證。關鍵詞:鋼包;包齡;安全防護;優化實踐

鋼包包齡和安全防護的優化改進與實踐

李健¹,張文祥¹,武曉陽¹,王愛東¹,李學民¹

(1.唐山鋼鐵集團有限責任公司,河北唐山 063000)

摘要:通過對影響鋼包包齡和安全性能的因素分析,采取鋼包磚耐材材質優化,鋼包砌筑重點部位防護,在線鋼包耐材殘厚精準測量,優化鋼包精煉頂渣成份結構,鋼包安全防護技術應用等措施提高鋼包包齡和安全防護性能。鋼包總包齡平均達到了185次,其中最高包齡達到202次,較之前平均112次提高了73次,耐材和鋼包投入成本均大幅下降。鋼包使用事故率由0.6次/萬噸鋼降低到0.05次/萬噸鋼以下,為鋼包包齡的提升提供了有利保證。

關鍵詞:鋼包;包齡;安全防護;優化實踐

鋼包根據使用的耐火材料不同,可分為澆注料鋼包和鎂碳磚鋼包。澆注料鋼包因其渣線抗鋼水氧化性差,在 LF、VD等精煉過程中渣線會嚴重侵蝕, 使用壽命低,因此不適合轉爐—LF、VD—連鑄工藝路線的精煉鋼種使用。而鎂碳磚鋼包內襯主要用中性 Al₂O₃ - MgO-C 磚和 MgO-C 磚筑成。在CaO-SiO₂系熔渣中,MgO-CaO-C 磚具有較髙的抗侵蝕能力,Al₂O₃-MgO-C 磚和 MgO-C 磚具有良好的耐高溫及抗組織剝落性,良好的抗鋼水和熔渣的侵蝕性以及良好的殘余膨脹,甚至在更高溫度下,磚的接縫處也不會出現裂紋。因此在全部精煉鋼種和一定比例的精煉鋼種時廣泛使用。

目前唐鋼公司使用鎂碳磚鋼包,鋼包容量為120t,精煉比例60%~70%。為適應市場形勢,唐鋼公司對產品結構進行調整,開發新品種,涉及的品種有:硬線系列,H08,70S-6,77B,82B等。大多數品種鋼需要進行 LF 爐精煉。LF 爐惡劣的工作環境對鋼包有很大的侵蝕性,對鋼包的材質、修徹工藝和安全防護有很高的要求。隨著精煉比例的不斷提高,鋼包存在著渣線浸蝕嚴重,包壁磚結縫處與包壁磚的中間部位浸蝕嚴重不同步,鋼包平均包齡為112次,同時鋼包使用過程中安全事故頻發，在月產量 20萬噸的情況下,鋼包事故達到1 0~ 1 2 次, 事故率在0.4次/萬噸鋼以上。為此,通過對鋼包包齡和安全防護的優化改進,為轉爐煉鋼高效化生產提供保證。

1 影響鋼包包齡和安全性能的因素

1.1 鋼包包底磚斷裂

鋼包在使用過程中,頻繁出現鋼包包底磚斷裂的現象,相比鋼包渣線、包壁等其他部位耐材損壞存在較大差異,如圖1所示。

包底磚斷裂會對鋼包的安全使用造成極大的隱患,分析認為斷裂原因如下:(1)鋼包養護時間短。大修包烘烤前需要養護24小時,小修包烘烤前需要靜養12小時,在養護不充分的情況下,鋼包包底溫度迅速上升,導致包底未能及時排氣,出現包底磚膨脹炸裂。(2)鋼包在線使用停備次數多。因連鑄產量波動大,連鑄機經常在1~3臺之間切換,鋼包處于“上線—停用—再上線—再停用”的使用模式,包底磚達到了熱震極值,造成熱震斷裂。(3)冶煉鋼種品種多,出鋼溫度、精煉時間差別大,包底磚熱震性能適應性差,造成斷裂^[1,2]。

1.2 鋼包包壁和渣線侵蝕嚴重

目前鋼包包壁和鋼包渣線部位均采用鎂碳磚進行砌筑。鎂碳磚是一種復合耐火材料,以高熔點堿性氧化物氧化鎂和難以被爐渣侵潤的高熔點碳素材料作為原料,添加各種非氧化物添加劑,其具有優異的抗熱震性能、抗渣侵蝕性能和抗渣滲透性能,廣泛應用于鋼包的渣線部位;但傳統的鎂碳磚具有較高的碳含量,一般在10%~20%之間,使用過程中存在鋼水大量增碳、氧化失效等問題,隨著碳含量的降低,鎂碳磚的耐侵蝕、抗渣滲透性能、熱震穩定性能等均受到影響^[3,4]。

在轉爐出鋼和 LF 精煉煉鋼期間,渣線磚均會受到鋼水在鋼包內的劇烈流動和沖刷。同時主要受到轉爐渣和精煉渣的化學侵蝕。唐鋼公司品種鋼精煉渣主要成分為:CaO 38% ~40%,SiO₂ 31% ~ 34%,Al₂O₃ 4.5% ~10.5%,MgO 9.5% ~12.5%,FeO 0.86%~1.2%,R(堿度)1.1~1.3。鋼的精煉過程中都要造渣脫硫。脫硫劑主要成分含有螢石,屬CaF₂-CaO-Al₂O₃ 系。CaF₂ -CaO-Al₂O₃一般都會在鋼液中保留一定時間,以達到較好脫硫效果。

而 CaF₂-CaO-Al₂O₃渣熔點較低流動好,但對耐火材料的侵蝕與滲透較為嚴重。圖2為渣線部位侵蝕嚴重照片。

1.3 鋼包熱態狀態下檢查

目前鋼包熱態狀態下的檢查是依據崗位操作職工的經驗來判斷的,采用這種方式對崗位職工要求相對較高,需要有一定的工作經驗。采用目測檢查的方法,無法做到對鋼包包底、包壁和渣線等關鍵部位的剩余殘厚做出準確的判斷。特別是連鑄平臺剛下線的鋼包,或者是鋼包內未折盡的鋼渣懸掛在鋼包包壁和渣線等情況,嚴重影響崗位職工的判斷視線,不能及時發現鋼包磚的缺陷等問題^[5,6]。由于各個崗位職工工作經驗的差異,導致對鋼包狀況進行誤判,使得鋼包過早停用,甚至出現鋼包異常侵蝕造成的鋼包穿包、漏包現象,輕則造成生產中斷,重則導致鋼水燒壞相關設備,對生產造成嚴重影響。

2 提高鋼包包齡和安全防護措施

2.1 鋼包磚耐材材質優化

優化鎂碳磚材質,通過以耐高溫性、抗渣侵蝕性良好的電熔鎂砂顆粒、電熔鎂砂細粉為主要成分,采用具有多種作用的改性酚醛樹脂作結合劑,將各原料組分牢固結合在一起,得到具有良好的高溫強度、抗氧化性及抗侵蝕性低碳鎂碳磚,延長低碳鎂碳磚的使用壽命。

鎂碳磚生產過程中添加苯胺類復合改性劑,分子中含有剛性苯環基團、亞磷酸酯基團及通過硅烷化學鍵相連的氧化鋁,利用復合改性劑中的苯胺基,參與苯酚、甲醛在堿性催化劑作用下的縮聚反應,成功實現了對酚醛樹脂的改性,這樣所制得的改性酚醛樹脂分子鏈上含有苯環基團、亞磷酸酯基團及通過化學鍵連接的氧化鋁,其中剛性苯環基團能夠提高酚醛樹脂的高溫穩定性及強度,亞磷酸酯基團的耐高溫性好,還能起到輔助抗氧化作用,通過化學鍵連接的氧化鋁也具有耐高溫、抗氧化性、抗侵蝕性好的特點,極大提高酚醛樹脂的耐高溫、抗氧化及抗侵蝕性能,從而提高了低碳鎂碳磚的高溫強度、抗氧化性及抗侵蝕性。

2.2 鋼包砌筑重點部位防護

推廣應用非均衡砌筑工藝,優化鋼包修砌參數, 使鋼包各個部位達到均勻侵蝕。鋼包侵蝕嚴重部位包括,上渣線、下渣線、包壁倒渣面(大面)、包底沖擊區。針對以上部位,對鋼包磚尺寸進行調整,如表1所示,此部位的侵蝕狀況得到了有效的改善,達到了鋼包各部位均勻侵蝕的效果。如圖3所示磚包倒渣面磚形加厚,精煉渣線磚加厚和包底加厚改進。

2.3 在線鋼包耐材殘厚精準測量

2.3.1 包底測量標尺設計

為準確測量包底、透氣磚殘厚,制作了一種鋼包包底耐材殘厚測量工具,通過簡易測量方法,實現了包底在線精確測量。過程如下:將鋼包放在防輻射擋板前面。測量人甲,在鋼包口正面將鋼包包底殘厚測量工具伸入到鋼包內部(如下圖 4)。觀察人乙,在鋼包側面觀察標尺與鋼包口平面的相對位置。如果標尺在鋼包口平面的內側或者正好位于鋼包口平面的上,說明包底殘厚小于或等于設定的最低值,此時鋼包應下線修砌;相反,如果標尺在鋼包口平面的外側,說明包底殘厚大于設定的最低值,此時鋼包可以繼續使用。此種測量標尺可控制包底殘厚測量精度達到±10mm。

2.3.2 鋼包蓋優化設計

為提高測量的準確性,改進鋼包蓋設計。原包蓋觀察孔位于包蓋中心,鋼包處于測量包底位置時, 觀察孔與包底中心處于同一高度,保證包底測量值的準確性。但觀察孔與透氣磚存在400mm 的高度差,造成了透氣磚測量存在較大誤差,如圖5所示。因此,將包蓋增加了兩個測量觀察孔,與兩個透氣磚處于同一高度,保證了透氣磚殘厚測量的準確性。原來包蓋中心的觀察孔用于測量包底沖擊區,增加的觀察孔用于測量透氣磚。可提高包底殘厚測量精度。如下圖6所示。

2.4 優化鋼包精煉頂渣成份結構

優化鋼包精煉頂渣的成份結構,減少渣對精煉磚的渣線浸蝕。鋼水在精煉過程中都要造渣脫硫。脫硫劑主要由螢石與石灰構成,屬CaF₂ -CaO-Al₂O₃系。CaF₂-CaO-Al₂O₃ 一般都會在鋼液中保留一定時間,以達到好的脫硫效果。而 CaF₂ - CaO-Al₂O₃渣熔點較低流動好,但對耐火材料的侵蝕與滲透很厲害,MgO 或 MgO-CaO 材料在抗CaF₂-CaO-Al₂O₃渣熔蝕方面需要調整。針對不同精煉鋼種,采用不同結構的 LF爐精煉爐渣,適當提高精煉爐渣堿度,調整螢石用量,每爐用量由100公斤下降到50公斤,減少對鋼包渣線磚的浸蝕性。精煉渣堿度提到了1.4以上,對渣系進行調整如表2。

2.5 鋼包安全防護技術應用

2.5.1 防止機構打開裝置開發與應用

由于鋼包滑動水口機構的運動方向與出鋼作業中出鋼車的運動方向一致,如果出鋼車下部存在鋼渣等雜物,鋼渣會剮蹭鋼包下水口,帶動滑動水口機構移動,打開滑板,造成鋼包漏鋼事故。因此發明研制了一種防止鋼包滑動水口機構意外打開的保護裝置如圖7所示,可以方便地安裝在滑動機構里面,杜絕了出鋼完畢后出鋼車開出過程中,渣鋼渣皮剮蹭滑動機構造成滑板打開,造成鋼包漏包事故。具體操作:鋼包熱修完畢將滑板關閉,摘出液壓缸。確認拖座及拖座滑道無殘渣,將頂緊專用工具裝入機構拖座滑道內,頂住機構拉桿。此時機構處于鎖死不能滑動狀態。連鑄開澆之前,將此裝置取下,安裝液壓缸進行安缸操作。

2.5.2 鋼包下水口防炸裂

鋼包下水口使用過程中處于冷熱交替的工作狀態,且高溫狀態下受到大包機械手中的長水口壓力,時常出現下水口斷裂問題,因此,通過優化下水口指標,提高水口高溫抗折強度。包括增加配料中的活性反應物(Al、Si等)的活性和質量,增加高溫下的這些物質與碳反應的速率和反應產物,使反應產物在微觀下呈纖維狀態,增強基質與顆粒的連接,增加材質的高溫韌性,提高高溫抗折強度^[7-9]。

2.5.3 包底磚斷裂缺陷控制

控制包底磚斷裂重點是,原料合理級配,加大成型壓力,提高制品的燒結程度。降低氣孔率,增加耐壓強度,提高碳含量,提高強度、抗侵蝕性、抗熱震性。同時增加三套磚周圍的縫隙,由50mm 調整為60~80mm,減少鋼包磚和透氣磚相互之間的熱應力影響。

3 優化改進后的鋼包包齡和事故率

通過對影響鋼包包齡和安全性能的因素分析并制定相應的措施,鋼包總包齡平均達到了185次,其中最高包齡達到202次,較之前平均112次提高了73次。鋼包使用事故率由 0.6次/萬噸鋼降低到0.05次/萬噸鋼以下。

4 結語

鋼包包齡提高后,耐材成本、烤包煤氣成本、出鋼溫度成本均大幅下降,指標對比如下表5所示。按照2023年唐鋼公司年產鋼量260萬噸計,年產生效益:260 ×(20.20-16.66)=920.4萬元。同時通過鋼包技術優化,鋼包安全性增加,漏包穿鋼事故杜絕,生產組織狀況明顯好轉,為全廠穩定生產提供了有利的保證。