矿热炉用不同品位镁砖的对比研究_石艳茹.pdf

2023 年第 3 期总第 302 期铁合金FEOALLOYS2023No3Tot302DOI:1016122/jcnkiissn1001-1943202303006作者简介石艳茹女，1974 年 8 月出生，1997 年毕业于鞍山钢铁学院硅酸盐专业，耐火材料工程师。一直从事碱性耐火材料的生产、研发、检测工作。E-mail:512446146 qqcom。收稿日期2023-02-08矿热炉用不同品位镁砖的对比研究石艳茹1王健东2陈文生3(1 辽宁青花耐火材料股份有限公司辽宁大石桥115100)(2 大石桥市内塞特耐材有限公司辽宁大石桥115100)(3 河北省迁安市市场监督管理局河北唐山064499)摘要矿热炉用碱性耐火制品，以镁质砖为主。镁含量不同的镁砖其基质间的硅酸盐相组成和含量也不同，通过对原料的微观结构，成品砖的导热系数、线膨胀及静态抗渣实验的分析，对不同镁含量的镁砖有更清晰的认知。关键词矿热炉镁砖导热系数热膨胀抗渣性中图分类号TF625文献标识码B文章编号1001-1943(2023)03-0032-04COMPAATIVE STUDY ON DIFFEENT GADE MAGNESIABICKS USED IN SUBMEGED AC FUNACESHI Yanru1，WANG Jiandong2，CHEN Wensheng3(1 Liaoning Qinghua efractory Co，Ltd，Dashiqiao 115100，China)(2 Dashiqiao Nesite Material Co，Ltd，Dashiqiao 115199，China)(3 Hebei Qian an Market Supervision and Administration Bureau，Tangshan 064499，China)AbstractBasic refractory products for submerged arc furnace are mainly made of magnesia bricks The compositionand content of silicate phase between the matrix of magnesia bricks with different magnesium content are also differentThrough the analysis of the microstructure of raw materials，thermal conductivity，linear expansion and static slag re-sistance experiments of finished bricks，a clearer understanding of magnesia bricks with different magnesium contentscan be obtainedKeywordssubmerged arc furnace，magnesia brick，thermal conductivity，thermal expansion，slag resistance前言矿热炉是生产铁合金产品的主要冶炼设备，其利用电弧的能量及电流，通过炉内的电阻产生能量来熔炼金属。冶炼过程大多在碱性环境下进行，通常选择镁质砖作炉内衬。在高温、侵蚀和热散失的复杂环境中，炉衬的损坏增加了能耗和生产成本，因而选择合理的耐材配置，优化炉衬结构是矿热炉节能的重要方向。特别是近几年以来，随着钢铁行业产量的下滑，有色行业却未受干扰，特别是铁合金的需求量逐年上升，因而矿热炉用镁质耐材的需求量也随之逐年增加1，2。本文选取镁含量分别为 95%中档镁砖、97%高纯镁砖及 98%电熔镁砖为研究对象，对其原料及产品的微观结构、导热系数、线膨胀以及采用镍铁渣进行静态抗渣实验进行性能研究。1不同品位镁砂原料的微观结构镁含量 95%中档镁砂、97%的高纯镁砂及 98%的电熔镁砂的 SEM 见图 1。图 1镁砂 SEM 图片Fig1SEM image of magnesia从图 1 可以明显看出，95%中档镁砂的气孔较多，孔径大且多分布于晶间，晶体尺寸多在 50 100 m之间，方镁石晶体之间由硅酸盐相结合，硅酸盐相较多。97%高纯镁砂气孔很多，孔径小呈圆形封闭的状态分布于晶内和晶间，晶体尺寸在 2580 m之间，硅酸盐相比较少，方镁石之间的结合形式为直接结合或者硅酸盐相结合。而 98%电熔镁砂气孔少，孔径小并且数量也少，方镁石晶体发育好，结晶尺寸较大，多在500 m 以上，甚至单晶尺寸可达毫米级，晶间的硅酸盐相呈薄膜状分布，晶界清晰且较为平直。电熔镁砂的显微结构将方镁石晶体体现的淋漓尽致。2不同品位镁砖的导热系数及线膨胀率不同品位镁砖的导热系数和线膨胀率见图 2。图 2不同品位镁砖的导热系数和线膨胀率Fig2Thermal conductivity and linear expansion rate of different grade magnesia bricks从图 21 可以看出，随着温度的提高，镁砖的导热系数降低;在同一温度下，镁含量纯度越高导热系数越大，这与理论上是一致的。从图 22 可以看出，随着温度的升高，线膨胀率增大。同一温度下 97%高纯镁砖的线膨胀率大，这是因为高纯镁砂方镁石晶体小，在高温下二次发育长大导致产品膨胀大。矿热炉使用镁质衬时，炉身工作层砖的材质及其参数不同对炉壳钢板的膨胀挤压及导热温度差异，会产生膨胀，进而会导致矿热炉炉底上翘、炉身下部炉壳变形甚至开裂等事故。因此必须选择适宜的镁砖作为工作层，适应炉体及冶炼时间、冶炼温度，达到预期冶炼寿命。3静态抗渣实验以红土镍矿的渣作为渣源3，4，采用静态抗渣实验方法对三种镁砖进行抗渣对比试验。试验后的镁砖试样都存在竖向开裂。31宏观照片将抗渣实验后试样切开，其剖面照片见图 3。可以看出，渣层上部砖四周出现炉渣熔蚀后留下的凹槽，深度在3 mm 左右，渣面以下宏观看不到明显的变质层，渣向砖内渗透明显，渗透深度 10 mm 左右。33第 3 期石艳茹等矿热炉用不同品位镁砖的对比研究图 3不同品位镁砖抗渣实验剖面图Fig3Section of slag resistance test of different grade magnesia bricks32微观分析对同一材质镁砖经过渣侵，不同位置处 SEM 分析，图 4 为抗渣实验后 95 中档镁砖的显微照片。图 4抗渣实验后 95 镁砖显微照片Fig4Micrographs of 95 magnesia bricks after slag resistancetest图 4a 为 50 倍下工作层的照片，可以明显的看到渣层与反应层;图 4b 是将 a 的渣与砖接触处放大到 200 倍，受熔渣侵蚀的镁砂颗粒，侵蚀面较为齐整，上半部已被熔损掉。图 5 为抗渣实验后 97 高纯镁砖的显微照片。图 5抗渣实验后 97 高纯镁砖显微照片Fig5Micrographs of 97 highpurity magnesia bricks afterslag resistance test图 5a 为 50 倍下工作层的照片，可以明显的看到渣层与反应层;图 5b 是将 a 图中的 A 点放大到400 倍，受熔渣侵蚀的镁砂颗粒，颗粒的边缘已开始熔损，但程度较轻。图 6 为抗渣试验后 98 电熔镁砖的显微照片。图 6抗渣实验后 98 电熔镁砖显微照片Fig6Micrographs of 98 electrocast magnesia bricks afterslag resistance test图 6a 为 50 倍下工作层的照片，可以明显的看到渣层与反应层;图 6b 是将 a 图中的 A 点放大到400 倍，电熔镁砂颗粒，可以看到只是在晶界处有少量的硅酸盐渗透，颗粒几乎未受到侵蚀;98 电熔镁砖受熔渣的侵蚀比前两种砖的侵蚀小，大颗粒电熔镁砂的存在阻挡了熔渣的渗透。4结语(1)不同生产工艺所生产的镁砂，其显微结构有很大的差别。电熔镁砂的晶体尺寸最大，中档镁砂的晶体尺寸次之，高纯镁砂的晶体尺寸最小。(2)对比 3 种镁砖的抗渣试验结果，抗渗透性均较差，95 中档镁砖的抗侵蚀性最差，97 高纯镁砖稍好，98 电熔镁砖最好。(3)通过 3 种镁砖的热膨胀指标及导热数据对比可知，从成本角度出发，95 中档镁砖的性能就可满足矿热炉工作层的使用需求。参考文献 1 胡凌标镍铁矿热炉参数选择及炉衬砌筑影响因素分析()J 铁合金，2015，46(1):1-9 2 胡凌标镍铁矿热炉参数选择及炉衬砌筑影响因素分析()J 铁合金，2015，46(2):1-9(下转第 44 页)43铁合金2023 年表 4脱硫不同工艺设备投资及运行费用比较表Tab4Comparison of investment and operating costs of different desulfurization process equipment费用类型SDSSDACFB备注投资项目反应器及平台/万元305188617573还原剂储运系统/万元108926623362总投资/万元4141152310935SDS 碳酸氢钠为还原剂脱硫工艺;SDA 旋转喷雾脱硫;CFB 流化床脱硫消耗项目年运行成本/万元215244814108能耗成本/万元741036851固废产量/(t/a)644981 279281 14226年运行成本为还原剂耗量(碳酸氢钠单价:1 600 元/t，活性石灰:400 元/t)SDA 和 CFB 投资费用较高，还原剂采用活性石灰，固废处理比较容易，对硅微粉性能影响不大。脱硫工艺优缺点比较如表 5 所示。表 5脱硫工艺优缺点比较Tab5Comparison of advantages and disadvantages of different desulfurization processes项目SDSSDACFB优点脱硫工艺比较成熟;处理效率比较高，处理剂的用量比较少;反应速率比较高脱硫效率高;副产物可循环利用，运行成本低;适应性强，运行稳定;水耗低;对 HCl、HF 脱除率为 100%还原剂可循环利用，减少还原剂的用量;流化床床料浓度高达 5002000 g/m3，烟气接触充分;烟气在反应器及旋风中停留时间短(13 s);Ca/S=12，其脱硫剂的消耗相对比较低;运行可靠，操作简便，维护工作量少缺点硫酸钠和硫酸氢钠属于危废，处理比较困难管道易堵塞;吸收塔有固体沉积;喷雾器的磨损和破裂采用高品位的石灰;系统压降较大，1 500 2 500 Pa;反应的压力降的波动大3结语(1)新建企业尽可能采用高温脱硝，其方法可采用二级锅炉，将脱硝反应器置于其中间，这样即可保证脱硝效率稳定，同时可节约成本。(2)脱硫可以采用循环流化床的脱硫工艺，避免产生大量固废，缩减运行成本，使系统能够在节能的基础上保证脱硫系统的稳定运行。(3)本文建议的工艺为:采用锅炉+高温脱硝+锅炉+半干法脱硫(CFB 循环流化床)+布袋除尘器的工艺。参考文献 1(美)怀特(White，HJ)著，王成汉译工业电收尘 M 北京:冶金工业出版社，1984 2 何允平工业硅熔炼 M 沈阳:东北大学出版社，1988 3 令狐昌鸿，李长荣钛渣电炉烟气治理的实践与探讨 C/2008 年全国冶金物理化学学术会议，2008(上接第 34 页)3 刘志宏，马晓波，朱德庆红土镍矿还原熔炼制备镍铁的实验研究J 中南大学学报:自然科学版，2011，42(10):2905-2910 4 陶玉婷，李英，刘敏，等镍铁矿热炉用碱性耐火材料矿渣性的研究 J 铁合金，2018，49(1):32-3544铁合金2023 年