1 前言

循環(huán)管為RH爐真空室最重要的組成部分，由于受到高速循環(huán)鋼液的劇烈沖擊和溫度的反復(fù)變化，加之結(jié)構(gòu)上的特殊性，導(dǎo)致真空室循環(huán)管耐火材料成為整個(gè)RH爐最薄弱的一個(gè)部位，真空室的使用壽命往往受到循環(huán)管的限制。

2 循環(huán)管的損毀及機(jī)理分析

該鋼廠具有多條RH爐生產(chǎn)線，配套不同的連鑄機(jī)。除此之外，其他條生產(chǎn)線RH爐設(shè)定容量均高于100 t。而目前鋼廠使用的100 t RH爐產(chǎn)能不足，采取間歇式生產(chǎn)方式，爐次之間的間歇時(shí)間較長，生產(chǎn)間歇真空室頂部頂槍由于機(jī)械故障無法進(jìn)行有效的烘烤，造成爐內(nèi)溫度波動(dòng)較大。該條生產(chǎn)線采用機(jī)械泵抽真空方式，極限真空度為36 Pa，為節(jié)省設(shè)備反應(yīng)時(shí)間，處理鋼液前機(jī)械泵會(huì)預(yù)抽壓力至30 kPa。在處理開始時(shí)，鋼液在預(yù)抽壓力的作用下迅速上升并發(fā)生劇烈反應(yīng)，高溫鋼液對(duì)循環(huán)管內(nèi)表面劇烈沖擊。通過對(duì)循環(huán)管的使用狀況進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)循環(huán)管第一環(huán)磚與浸漬管接觸部位剝落熔損異常形成環(huán)形凹槽，且凹槽在使用過程中逐漸擴(kuò)大加深，如圖1(a)和(b)所示。

圖1 循環(huán)管凹槽的使用狀況

正常情況下，循環(huán)管鎂鉻磚損毀分為結(jié)構(gòu)剝落和侵蝕，其損毀機(jī)理如表1所列。

表1 循環(huán)管的損毀機(jī)理

表1 循環(huán)管的損毀機(jī)理

拆解使用后的循環(huán)管，分別將正常部位和凹槽部位制成切片，如圖2(a)和(b)所示。兩個(gè)部位的殘磚均分為渣層、滲透層和原磚層。

圖2 正常部位和凹槽部位殘磚剖面圖

鎂鉻磚顯氣孔率較大，熔渣滲入鎂鉻磚基質(zhì)，在反應(yīng)過程中會(huì)形成高熔點(diǎn)復(fù)合尖晶石相使熔渣變黏，但其不能形成一個(gè)整體，不能有效阻止熔渣繼續(xù)滲入[1]。隨著熔渣的滲入，磚形成渣層和滲透層，渣層表面不平整，呈現(xiàn)黑褐色;滲透層厚度均勻，呈現(xiàn)青灰色。循環(huán)管正常部位使用70爐后分別測量渣層、滲透層、原磚層、殘磚厚度，其數(shù)據(jù)列于表2。循環(huán)管正常部位鎂鉻磚損毀速率為0.714 mm/爐。

mm

表2 循環(huán)管正常部位損毀數(shù)據(jù)

由圖2(b)可見，渣層、滲透層與原磚層之間存在明顯的、平行于受熱面的裂紋，并呈片狀剝落趨勢。熔渣向磚內(nèi)部侵蝕形成的滲透層與原磚層之間存在一定的密度差異;當(dāng)RH爐的溫度變化時(shí)，由于滲透層與原磚層的膨脹系數(shù)存在差異，在鎂鉻磚內(nèi)部產(chǎn)生一定的體積變化;加之滲透進(jìn)鎂鉻磚內(nèi)的鐵的價(jià)態(tài)隨溫度而變化[2]，受到鋼渣侵蝕后的鎂鉻磚受熱時(shí)內(nèi)部膨脹不一，使得渣層、滲透層與原磚層之間均有橫向裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致鎂鉻磚的結(jié)構(gòu)剝落。分別測量此部位渣層、滲透層、原磚層和殘磚厚度，其數(shù)據(jù)列于表3。此部位循環(huán)管鎂鉻磚損毀速率為1.714 mm/爐，明顯高于正常部位的損毀速率。

表3 循環(huán)管凹槽部位損毀數(shù)據(jù)

3 循環(huán)管損毀原因分析 3.1 材料原因

拆解下線后的循環(huán)管，發(fā)現(xiàn)同一塊循環(huán)管鎂鉻磚只有和浸漬管對(duì)接面的附近熔損異常，其他部位均正常，這說明鎂鉻磚材質(zhì)無質(zhì)量問題，需要從結(jié)構(gòu)上尋找原因。

3.2 爐次間歇無法下頂槍烘烤

該條RH爐生產(chǎn)線產(chǎn)能不足，爐次之間間歇時(shí)間長，該RH爐頂槍頻繁上下運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)卡槍故障使生產(chǎn)中斷。因此目前爐次之間選擇不下槍烘烤，但這會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)溫度快速下降，下一爐冶煉開始后爐內(nèi)溫度又快速上升，溫度發(fā)生大較的波動(dòng)，滲透層與原磚層的邊界會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，這些應(yīng)力就導(dǎo)致一些平行于熱面的裂紋產(chǎn)生，從而使材料開裂、剝落[3]。

3.3 循環(huán)管磚上浮及浸漬管磚下沉

循環(huán)管磚上浮主要存在以下3個(gè)原因。

(1)循環(huán)管磚密度為3.3 g/cm3，鋼液密度為7 g/cm3，密度差較大，循環(huán)管磚受到鋼液的浮力，存在上浮趨勢。

(2)砌筑循環(huán)管和下部槽時(shí)，第一環(huán)磚與真空室底部耐火磚間的預(yù)留間隙小。耐火磚受熱膨脹，在底部槽磚和第一環(huán)磚之間產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即使受到較小的向上的外力作用也易誘發(fā)中部向上隆起，即表現(xiàn)為第一環(huán)磚上浮[4]。

(3)高速向上流動(dòng)的鋼液對(duì)上升管循環(huán)管磚產(chǎn)生向上的摩擦力，會(huì)導(dǎo)致上升管循環(huán)管磚上浮。

浸漬管磚下沉主要因?yàn)榻n管組裝工藝存在缺陷，缺少托磚板或磚與鋼膽之間澆注料的澆注工藝存在缺陷，在使用過程中產(chǎn)生擠壓應(yīng)力而導(dǎo)致其下沉。

經(jīng)現(xiàn)場拆解浸漬管和循環(huán)管部位，未發(fā)現(xiàn)循環(huán)管磚上浮或浸漬管磚下沉的現(xiàn)象，使用后浸漬管磚上表面依然保持與法蘭面水平，循環(huán)管磚內(nèi)部未見分層現(xiàn)象，如圖3和圖4所示。

圖3 浸漬管上表面情況

圖4 循環(huán)管內(nèi)部情況

3.4 熱膨脹

將該批次鎂鉻磚制成試樣，測得其室溫至1 500℃的線膨脹率，示于圖5。由圖可見，鎂鉻磚線膨脹率隨溫度升高而增加，1 450℃時(shí)達(dá)到1.69%。

圖5 鎂鉻磚線膨脹率

鎂鉻磚在高溫下膨脹產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，造成循環(huán)管與浸漬管接觸面擠壓，循環(huán)管磚邊角開裂。受鋼液沖刷剝落，在冷熱交替的使用過程中，凹槽逐漸發(fā)展，導(dǎo)致其提前損毀。

4 解決循環(huán)管凹槽缺陷的方法

(1)合理調(diào)配生產(chǎn)，提高RH爐的使用效率，增加精煉爐次，縮短間歇時(shí)間，并在間歇期間采取下頂槍烘烤的措施，減少爐內(nèi)溫度波動(dòng)。

(2)監(jiān)控循環(huán)管凹槽部位熔損狀態(tài)，在兩爐次之間的停歇期間進(jìn)行噴補(bǔ)維修，以減緩凹槽發(fā)展速度。

(3)循環(huán)管和下部槽施工時(shí)在局部留有合理膨脹縫隙，以減緩因鎂鉻磚膨脹擠壓而造成的局部剝落。具體措施如下:①循環(huán)管與浸漬管之間填2～3 mm鉻剛玉火泥;②循環(huán)管與工作層第一層之間填5～7 mm鎂鉻搗打料;③筋板以下工作層由干砌改為濕砌;④筋板與工作層之間空隙由搗打料填充改為纖維棉填充。

通過采用以上方法，循環(huán)管在使用過程中不再出現(xiàn)凹槽，每套真空室壽命由70爐提升至100爐左右，延長了耐材使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語

分析了RH爐循環(huán)管的損毀原因及機(jī)理，找到了解決循環(huán)管凹槽缺陷的方法。對(duì)這一問題的成功解決，延長了真空室的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。