摘要 介绍了新型CaO 质钢液过滤器的研制开发过程。其机理是利用CaO 与硫化物、Al2O3 、SiO2 等在高温下反应,从而吸附钢液中非金属夹杂物,提高钢液的纯净度。
0 前言
我国加入WTO 后,随着国外钢铁产品的大量涌入,对我国的钢铁行业势必造成极大的冲击。为了使我国的钢材产品在国内外占领更多的市场,就必须提高钢材的纯净度,从而提高产品的质量。随着钢铁精炼技术的不断进步和连铸连轧工艺的日趋完善,对钢液的洁净度要求越来越高,这就迫使我们在钢铁精炼基础上开发功能型钢液过滤装置。在成功研制出防水化CaO 砂的基础上,我们利用CaO 球体为介质,又研制出了组合式过滤器,用于过滤钢液。之所以选择CaO 质材料为过滤介质,是因为CaO 质材料可与硫化物、Al2O3 、SiO2等反应吸附夹杂物,从而净化钢液。目前,日本、美国等先进国家及国内武钢都在积极开发研制这一材质的过滤器。
1 CaO 质材料的性质
钙质材料和镁质材料同属于强碱性耐火材料,具有较强的抵抗钢水和熔渣的侵蚀能力,而钙
质材料的特性是:
(1) 耐火度高,纯CaO 的熔点为2570 ℃,沸点为2850 ℃;
(2) 热力学性质稳定,CaO 比MgO 的标准生成能低,故CaO 比MgO 的高温稳定性能好,不易分解,可保证钢液的质量;
(3) CaO 质耐火材料能净化钢液,Al2O3 、SiO2 、硫化物等钢液中的非金属夹杂物可与CaO 反应而被吸附或从石灰质耐火材料上剥落下来,上浮至保护渣层中,且CaO 质材料中的活性CaO 含量越高,吸附钢液中的夹杂物能力越强;
(4) 易水化性,CaO 和MgO 均属于NaCl 型结构,由于Ca2 + 半径比Mg2 + 半径大,则CaO 分子堆积疏松,易水化[1 ] 。其反应式为:
CaO + H2O = Ca (OH) 2
此反应为放热和膨胀反应,使制品产生裂纹和崩解,从而限制了石灰质耐火材料的发展。现 在已研究成功了许多抗水化的方法,主要有:
(1) 对CaO 质原料进行高温煅烧或熔融,使之致密化。
(2) 引入添加剂,使CaO 形成抗水化性的固溶体或化合物,使CaO 稳定。
(3) 对CaO 质原料或制品进行表面防水化处理或采取有效的密封包装[2 ] 。我们所研制的石灰砂成分见表1。
2 CaO 质过滤器滤除钢液中夹杂物的机理
排除钢液中夹杂物的传统方法是利用钢液与夹杂的比重不同使夹杂物上浮,进入渣中或机械,从而滤除夹杂物。它们的最大缺点是靠漂浮或是机械阻挡作用,将夹杂颗粒从熔体中分离出来。这种机理受容器中夹杂物的尺寸、形状和液体的流动状态限制。这些相互依赖关系很难使钢液获得稳定的净化度。而采用CaO 质组合过滤器,不仅可以机械滤除钢液中较粗大的夹杂物,而且能使硫化物、Al2O3 、SiO2 等细小夹杂物被CaO 质材料吸附。反应方程式为:
CaO + FeS + C = CaS + Fe + CO
4CaO + 3S + Si = 2CaS + 2CaO·SiO2
2Al + 3CaO + 3S = 3CaS + Al2O3
CaO + Al2O3 = CaO·Al2O3
2CaO + SiO2 = 2CaO·SiO2
3CaO + SiO2 = 3CaO·SiO2[3 ]
因此,钢液中的Al2O3 、SiO2 及硫化物等夹杂物无论其尺寸大小、形状如何,均可被CaO 质过滤器所滤除,这样可有效地提高钢材的品质。
3 过滤器结构的设计
钢液过滤器的结构形式主要有:泡沫式、多孔式、环状叠加式、直通孔式等。根据钙质材料吸附钢液中的硫化物、Al2O3 、SiO2 等非金属夹杂的特性,我们设计了内部为介质钙球,上面有浇钢口、浮渣腔,下面有出钢口的组合横式钢液过滤器。由于CaO 质材料吸附钢液中的夹杂物的程度是由钢液与活性CaO 质材料表面的接触面积来决定的。经过计算,把过滤钢液的介质制成大小适度的球体,球体之间以点接触,只有这样的几何结构才能发挥出CaO 质材料吸附钢液中非金属夹杂的优势。为了能使CaO 质材料与硫化物、Al2O3 、SiO2等有充分的接触反应机会,故把过滤器设计为横式结构。
4 过滤器的现场试验过程及结果分析
2002 年,我们利用原有的CaO 柱体制成一个简易的立式直桶型过滤器,在某钢厂对45 号钢进行了第一次过滤试验。先用煤气烘烤过滤器内部介质CaO 球,烘了近6h ,才开始浇铸。并委托钢厂对过滤前后的钢样进行了对比检验,其检验结果见表2、表3 所示。
根据第一次试验结果,我们认为CaO 质材料对吸附钢液中的非金属夹杂和有害气体元素确实有效果。但由于设计结构不是十分合理,没能使钢液与CaO 质材料有充分的接触反应时间,因此过滤器去除钢液中非金属夹杂的效果并不十分明显。
根据以上分析,经过研究,把过滤器的立式结构改为横式结构,使钢液在过滤器内部有一段滞留时间,从而使钢液中非金属夹杂与CaO 质材料有充分的接触反应机会。
根据第一次试验结果的分析情况,先是利用等静压将石灰粉压制成球,经1000 ℃轻烧后,作为过滤钢液的介质,制成横桶型过滤器。于2003 年在某钢厂进行了20Cr 钢的第二次过滤试验,先用煤气烘烤过滤器内部介质CaO 球,烘烤制度与第一次试验基本相同。此次试验由于所用的浇余量足够,钢液温度高,浇铸得非常顺利。共浇铸两个锭,一个锭未经过滤,另一个锭则经过过滤,把两个锭在相同的条件下锻造成直径为80mm 的柱体。分别从两个锭相同部位取样,对钢样中的硫化物、氧化物、硅酸盐等夹杂物的分布和数量进行了扫描电镜X射线能谱仪检验。
经过滤的钢样中的B 类夹杂由110 级降为015 级,而C 类夹杂则由5 级以上降为2. 5 级。因此这次试验得出的结论是:CaO 质过滤器对于滤除钢液中的B、C 类夹杂物有明显的效果。
5 结论
通过对两次现场试验的检验结果进行综合分析,可得出如下结论:新型CaO 质钢液过滤器对滤除钢液中的硫化物、氧化铝、硅酸盐等非金属夹杂确有较为明显的作用。经CaO 质过滤器过滤的钢液纯净度大幅度提高,这样可减少钢材内部和表面的缺陷,对于提高钢材的产品质量意义重大。
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