KR脱硫搅拌器长寿命综合技术的研究与应用

1KR脱硫搅拌器长寿命综合技术的研究与应用欧阳德刚1刘守堂2李具中2（1、武钢研究院2、武钢炼钢总厂）[摘要]根据KR脱硫搅拌器的破损形式，分析了搅拌器金属芯结构、工作衬耐火材料、现场维护热修料与热修工艺多因素对搅拌器使用寿命的影响关系，从搅拌器制备到使用全过程控制的观念，制定了延长搅拌器使用寿命的综合技术方案。通过三方面技术研究、多方面技术综合以及工业性试验，获得了可靠的长寿命综合技术，并在实际生产应用，使搅拌器使用寿命稳定在730次/支以上。关键词：铁水脱硫搅拌器破损形式金属芯寿命ApplicationandresearchontheLongLifeTechnologyofstirrerinKRdesulphurizationOuyangDegang1LiuShoutang2LiJuzhong21.RrsearchandDevelopmentCenterofWuhanIronandSteel（group）Corp2.Steel-makingGeneralFactoryofWuhanIronandSteel（group）Corp[Abstract]AftertheanalyzingofthedamageformsofstirrerinKRdesulphurization,theinfluenceofthemetalcore’sconfiguration,refractoryofworkliner,2heatmendingmaterialandmendingtechnologyonthelifeofstirrerwasparticularlydiscussedinthispaper.Basedontheconcepttocontrolthewholecoursefromstirrer’smanufacturetousing,theintegratingtechnologytoprolonglifeofstirrerissetdown.Heretheintegratingtechnologywithnewdevelopedcastables,themetalcore’sconfiguration,mendingmaterialandrepairingtechnicswereusedontheimprovedstirrerintheindustry,whichprolongthelifeofstirrerto730timessuccessfully.Keywords:desulphurizationofhotmetal,stirrer,damageform,metalcore,life1、引言KR搅拌脱硫以其脱硫效率高，脱硫剂消耗少，作业时间短，金属耗损低等特点受到了钢铁冶金科技工作者的广泛关注[1，2]。随着系统设计、设备制造、操作工艺与现场维护等技术的不断完善，使KR搅拌脱硫的技术特征得到不断的展现[1-4]，成为钢铁冶金企业铁水脱硫预处理的投资热点[1,3,4]。我国自武钢第二炼钢厂（现炼钢总厂二分厂）上世纪70年代引进新日铁KR搅拌脱硫技术后，先后有昆钢、济钢、川威钢厂、上钢三厂、上钢五厂、华西钢厂、海鑫集团、马钢、泰安钢厂、柳钢、曹妃甸、3防城港等钢铁企业已投产或计划新上由国内自行设计制备的KR搅拌脱硫生产线，开拓了我国铁水脱硫技术发展的新格局【5，6】。然而，对于影响脱硫成本与耐火材料消耗技术经济指标的重要因素之一的搅拌器使用寿命，虽然国内外学者从耐火材料性能或现场热修维护工艺方面开展了有益的研究工作，并使搅拌器使用寿命得到明显提高，但从搅拌器的金属芯与耐火材料工作衬构成的复合体结构与恶劣的搅拌工艺过程角度考虑，单方面地技术改进难以达到综合改善搅拌器使用性能与有效延长搅拌器使用寿命的目的。因此，武钢从2005年开展了延长搅拌器使用寿命综合技术的研究，并在实际生产中搅拌器使用寿命稳定在730次/支以上的优良效果。2、延长搅拌器使用寿命综合技术方案的研究搅拌器是由金属搅拌芯与耐火材料工作衬组成的复合体，图1为搅拌器外形结构示意图。由搅拌脱硫工艺可见，搅拌器插入铁水罐液面下一定深度旋转搅拌，铁水液面形成“V”形漩涡，脱硫剂在漩涡的卷吸作用下，吸入搅拌器浆叶之间，在旋转离心力与浮升力的作用下，脱硫剂沿浆叶径向排出上浮，通过与铁水的混合接触完成脱硫反应【4，6】。图2为铁水搅拌脱硫流场分布示意图。由此可见，搅拌脱硫过程中，浆叶旋转线速度大，铁水冲刷磨损最剧烈，致使搅拌器的破损主要集中在搅拌器4浆叶上，搅拌轴只是轻微的熔渣侵蚀和铁水磨损。根据现场观察，浆叶的主要破损形式主要表现为耐火材料工作衬的结构剥落、裂纹沟槽、孔眼熔损、局部凹坑脱落，龟裂、棱边磨损、粘渣侵蚀等。图1搅拌器外形结构示意图图2铁水搅拌脱硫流场示意图通过对搅拌器工作衬破损的形成与发展的总结，工作衬的破损以裂纹的形成为起点，以裂纹的数量的增加与扩张为5发展过程，以结构剥落、热应力脱落为主要表现形式，以浆叶缺损引起的搅拌器旋转动平衡失稳和浆叶严重磨损引起的搅拌强度骤降而终止使用。针对KR脱硫的间歇式搅拌工艺特点，对工作衬耐火材料提出了如下性能要求：(1)热震稳定性能优良，以抵御高低温频繁交替骤变引起的温差热应力破损；(2)致密高强，以抵御铁水的剧烈冲刷磨损；（3）抗渗透、抗渣蚀性能优良，以抵御高温铁水与脱硫渣的渗透、侵蚀引起的破损。针对搅拌器的金属芯与工作衬耐火材料的复合体结构特征，由于两种材料之间性能的巨大差异以及脱硫过程中不同阶段搅拌器热物理状态的显著区别，导致脱硫过程中搅拌器复合体内应力交替变化。此外，锚固件的结构形式、布置方式、结构尺寸的不合理将直接影响到搅拌器复合体间的衔接强度。因而对搅拌器金属芯结构提出了缓解内应力与增强整体性的要求。搅拌器的热修可有效地填充工作衬上的破损缺陷，因而，作为一项常规的延长搅拌器使用寿命的手段在国内外铁水搅拌脱硫过程中的到广泛的应用，并作为一项考核内容引入生产操作规程。然而，搅拌器频繁的冲刷、渗透与侵蚀，引起工作衬耐火材料性能不断变化，导致修补层粘合强度低、高温收缩脱落严重。此外，常规的包裹修补方式只是避免了破损缺陷的外露，未能达到破损缺陷的致密填充与破损6愈合的修复目的。因而，对修补料与热修工艺提出了施工适应性强、结合强度高、体积稳定性好、热震稳定性优以及热修填充密实的技术要求。3、延长搅拌器使用寿命综合技术的研究与应用根据上述研究提出的延长搅拌器使用寿命综合技术措施，分别按照分析制定的技术要求进行了搅拌器工作衬耐火浇注料、搅拌器金属芯结构、热修材料与工艺的研究。3.1搅拌器工作衬耐火浇注料的研究选择普通电熔莫来石为主要原料，粒度为8～5mm、5～3mm、3～1mm、＜1mm的骨料和0.088mm的粉料，＜1mm的焦宝石为组合骨料，特级高铝熟料0.088mm为主要粉料，0.108mm蓝晶石为高温膨胀材料，Al-80水泥和а-Al2O3微粉、SiO2微粉为复合结合剂，耐热钢纤维为增强材料[7]。表1为几种主要原材料理化性能。利用电熔莫来石弹性模量低的性能，改善浇注料的热震稳定性能；利用焦宝石低熔点杂质促进烧结、抵御渗透；利用蓝晶石的高温不可逆膨胀性能，改善浇注料的烧后线变化，缓解搅拌器复合体内应力；利用高纯微粉与水泥复合结合剂，提高浇注料的耐火性能与抗侵蚀性能；利用耐热钢纤维的拉拔增韧效应，增进浇注料的力学性能与抗磨损性能。通过实验室的配方调整与理化性能检测，按照确定的浇注料性能改进要求，完成了浇注料的配方优化，表2为研制浇注料的理化性能检验结果。由表可见，7研制的浇注料常温、中温与高温结合强度大，烧后线变化率合理，热震稳定性优良，化学成分合理，达到了确定的工作衬耐火材料综合性能要求。表1各种主要原材料理化性能指标Table1Chemicalcompositionandpropertiesofmainrawmaterials原料化学组成（w）%真密度/（g·㎝-3）Al2O3SiO2CaOFe2O3K2O+Na2O普通电熔莫来石71.7220.652.84蓝晶石55.7240.680.141.130.44致密刚玉细粉≥98.5≤0.5≤0.2≥3.6焦宝石≥42≤0.7≤3.5Al-80水泥79.770.1619.110.16а-Al2O3微粉99.050.080.140.303.95SiO2微粉≥928表2浇注料理化性能对比Table2Chemicalcompositionandpropertiesofcastabless项目现场浇注料研制浇注料化学组成（w）/%Al2O3≥6065.91SiO230～3525.18体积密度/（g·cm-3）110℃24h≥2.62.451100℃3h2.411450℃3h2.45抗拆强度/MPa110℃24h3.411100℃3h8.301450℃3h12.92耐压强度/MPa110℃24h≥2415.61100℃3h41.21450℃3h42.5线变化率/％1100℃3h0.141450℃3h±0.50.751200℃水冷次数（次）＞203.2搅拌器金属芯结构的研究从缓解金属芯与耐火材料工作衬之间热膨胀不匹配而9引起的结合面内应力以及凸起部位的应力集中的问题，提出了金属板边棱为圆弧过渡面搅拌叶金属芯结构，并在金属板表面涂抹一层缓冲涂层。通过缓冲涂层烘烤与使用过程的低温挥发与高温烧蚀残留的间隙，弥补搅拌器复合体两种材质之间的热膨胀差异引起的挤压内应力，增进搅拌器复合体间的衔接强度与综合整体性；通过金属板边棱的圆弧过渡面结构，缓解凸起结合部位的应力集中，削弱了搅拌器复合体结合面局部挤压破损的危害。针对传统“Y”形金属锚固件衔接强度低、稳定性差、易熔损的不足，提出了“V”形与“双V”形铆固件新结构，通过两种结构铆固件优化配置，增强搅拌器复合体的衔接强度，提高搅拌器的综合整体性能，通过铆固件结构尺寸的调整，防止铆固件的熔损。通过工业性试验研究，确定铆固件高度为耐火材料工作衬厚度的1/2～2/3，丝径为8～10mm，“V”形与“双V”形铆固件交错排列的布置方式，布置间距为70～120mm。图3为搅拌器叶桨部分的结构示意图[8]。3.3热修材料与工艺的研究选择焦宝石与三级高铝熟料为主要原料，其中，焦宝石粒度为3～1mm、＜1mm的骨料，三级高铝熟料为＜1mm的骨料，特级高铝熟料为主要粉料，耐火粘土为增进可塑性材料，蓝晶石为高温膨胀材料，无机高温纤维、有机酸盐、有机纤维为修补料的复合防爆添加剂，选择无机化学结合剂与微粉10为复合结合剂，多种有机与无机减水剂为复合分散剂[9]。主要原材料化学成分如表3所示。利用焦宝石中低熔点杂质的烧结促进作用，增进修补层与工作层之间的高温烧结，防止修补层的大面积脱落；利用高铝材料的耐火性能，改善修补层的高温使用性能；利用蓝晶石的高温膨胀性能，防止修补层高温收缩引起的剥落；利用耐火粘土的可塑性，改进修补料的施工性能；利用复合防爆添加剂的快速排汽作用，防止热态修补时蒸汽外泄造成的崩裂；利用复合结合剂的热固性能，增强修补料的常温与中温强度。从增进修补层对破损工作衬的填充密实度角度，提出了按压修补的搅拌器热修方式，并在实验室进行了按压修补实验，具体是对模拟现场热修温度状态下的浇注料试样上3～5mm深锯隙进行按压热修，热修后进行1200℃×3h处理，冷却后沿修补层垂直面锯开试样，按压热修保证了试样裂缝的密实充填。通过对按压热修试样1200℃水冷热震实验，修补层热震稳定性优良。表4为热修料理化性能和按压热修试样水冷实验结果。由表可见，研制的热修材料常温、中温与高温结合强度大，按压修补层热震稳定性优良，能够满足搅拌器工作衬热修的材料性能要求。11图3搅拌器叶桨部分的结构示意图表3主要原材料化学成分（Wt%）材料名称Al2O3Fe2O3K2O+Na2O焦宝石≥45≤1.6三级高铝熟料50～60≤2.5特级高铝熟料粉≥85≤1蓝晶石55～59≤0.5≤0.3粘土≥30表4热修料理化性能检验结果Al2O3SiO2修补层1200℃体积密度（g/cm3）抗压强度(Mpa)抗折强度