功能耐火材料的长寿命设计 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司创新方法课题组
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摘要:功能耐火材料使用寿命提高的主要技术瓶颈是制品抗侵蚀性和抗热冲击性的相互制约。针对以上难题和技术创新要求,采用物质-场模型、72个标准解和物理冲突理论等方法,得到了对应的解决方案,即以梯度复合结构提高抗热冲击能力,以优化关键工作部位材料性能提高抗侵蚀性,从而有效解决了制约功能耐火材料服役性能提升的技术瓶颈,开发出了梯度复合结构的透气元件、长水口、整体塞棒和浸入式水口等新型功能耐火材料,并形成了2项发明专利,1项实用新型专利。创新点为:(1)低热应力产品的结构和材料配置设计;(2)关键部位服役性能优化技术。产品在多家钢厂应用,使用寿命和安全性得到明显提高,并推动了行业的技术进步。

一、问题描述

透气元件、长水口、整体塞棒和浸入式水口等功能耐火材料是现代钢铁冶金用关键耐火材料,在精炼、连铸工艺中分别起着吹气搅动、导流、控流、保护浇铸防止二次氧化等功能作用。目前我国功能耐火材料的服役寿命和服役稳定性落后于国际先进水平,不能满足快速发展的精炼、连铸技术对功能耐火材料的高标准要求。影响功能耐火材料服役水平提高的主要技术瓶颈是决定使用寿命的材料抗侵蚀性和决定使用可靠性的制品抗热冲击性的相互制约。

二、解题过程

从耐火材料的抗热冲击性出发,图1示出了高温介质对耐火材料作用的物质-场模型,该模型为有害完整系统。从标准解的流程看,需要采用第一类“物质-场的构建和拆解”中的1.2“消除或抵消有害作用”。具体包括:

屏幕截图 2023-05-15 145035


图1.耐火材料受热的物质-场模型

(1)No.9 当前设计中同时存在有用和有害作用,S1和S2不必直接接触,引入S3消除有害作用。在实际应用中,可以通过在耐火材料表面形成一种保护性的物质来降低耐火材料表面温度,并达到降低耐火材料内部热应力的目的。

(2)No.10 当前设计中同时存在有用和有害作用,但是不能添加新的物质。通过修改S1或S2消除有害作用。在实际应用中,可以:

(a)仿效预应力混凝土,将耐火材料做成预应力耐火材料,即预先在耐火材料内部施加一个压应力(埋设预拉钢筋)。

(b)将耐火材料多孔化。气孔与裂纹除了可以起到防止裂纹的瞬时扩散作用外,它们还可以一定程度上起到吸收热膨胀的作用,从而减小材料内部的应力。

(c)梯度功能耐火材料的开发。

热应力产生的根本原因并非是耐火材料内部的温度梯度,而是温度梯度导致内部的热膨胀量不同,从而产生热应力。因此,如能在温度梯度客观存在的情况下,合理设计耐火材料,使其内部膨胀一致或接近,则热应力为零或很小。

从制品的抗侵蚀性出发,我们一方面希望制品抗侵蚀性能好,采用较好的性能优异的原材料,但这带来制品的成本较高,又希望抗侵蚀性低,这样制品的成本低。这个物理冲突的解决需要到分离原理,结合专业可以采用发明原理3 局部质量,在制品关键部位采用抗侵蚀性能好、成本高的材料,而其它部位采用抗侵蚀性能一般、而成本低的材料。

三、最终方案

最终解决方案采用了制品的梯度化设计和关键部位抗侵蚀性增强的办法,具体为:

(1)梯度结构长水口设计制造技术

制品梯度材料设计:低导热内层、高抗渣液侵蚀渣线、高抗钢液冲刷、侵蚀内工作层和高碳含量铝碳外层,并利用微粉、添加剂等的原位反应、原位烧结原理,获得了具有低膨胀、热阻、抗裂、抗钢水冲蚀的功能内衬材料。

(2)梯度结构浸入式水口设计制造技术 

渣线外层直接与保护渣和钢液接触,为侵蚀工作面,设计为合适厚度的具有高抗侵蚀性低碳ZrO2-C层,中间过渡层为原组成的锆碳材料,内部复合低碳铝碳材料。这种梯度结构既保持了原有ZrO2-C渣线的抗热震性,不同功能的复合层间的热匹配性,又使渣线抗侵蚀性能有较大幅度提高。

(3)梯度结构整体塞棒设计制造技术

棒身为常规单一铝碳材料,棒头为复合结构,即内部为本体铝碳材料,外部工作面采用具有高抗冲刷、抗侵蚀的低碳材料(依浇注钢种不同而选择合适材质)。

(4)精炼钢包用梯度结构透气元件设计制造技术

以狭缝和弥散复合结构替代原单纯直通狭缝透气结构,元件下部为预制高温烧成弥散体构成具安全标识功能的透气体,上部工作段以高性能芯板组合狭缝结构替代原浇注预留狭缝结构,弥散体、芯板组件与外基体共浇注成型和热处理。

四、创新点

(1)低热应力产品的结构和材料配置设计。综合考虑不同材料的组成、结构、热物理性能和结构稳定性等因素,通过数值模拟和流场模拟以及高温模拟进行组成、结构和性能优化设计,以获得内应力最小、结构最优、性能最佳的材料组成和宏观结构。

(2)关键部位服役性能优化技术。研究不同服役微环境、服役行为、失效机理和功能要求,针对制约使用寿命的短板部分,优化材料组成,调控材料微观结构,获得抗侵蚀性优良的材料。

五、应用情况及范围

开发的梯度结构功能耐火材料产品长水口、整体塞棒、浸入式水口(连铸三大件)和钢包透气元件产品在钢厂应用,使用寿命在原有水平基础上总体提高了30%。梯度复合结构透气砖吹通率达到98%以上,使用寿命提高了30%以上,实现透气元件与包衬材料中期维修的同步,提高了精炼效率和钢包耐火材料利用率;梯度复合结构浸入式水口使用寿命提高达50%,整体塞棒使用寿命由10~15小时提高到了20小时以上,长水口使用寿命由8小时提高到12小时以上并实现了与浸入式水口、整体塞棒寿命同步,提高了连铸工艺的生产效率。开发产品的现场使用寿命和可靠性在各使用钢厂达到其最好水平,使用效果超过了国外公司和国内其他公司产品的水平。河南省科技厅组织的科技成果评价认为该项目所开发的梯度功能耐火材料和复合结构技术研究处于国际领先水平。表1为梯度结构连铸功能耐火材料与原使用的其它厂家产品使用寿命对比,表2给出了梯度复合结构透气元件在天铁热轧板有限公司(A)180t-LF钢包精炼炉和攀钢集团江油长城特殊钢有限公司炼钢厂(B)40t精炼钢包使用结果。

六、产生的经济效益或社会效益

开发的低热应力、高抗侵蚀性连铸用梯度结构长水口、浸入式水口、整体塞棒和钢包透气元件等功能耐火材料成套技术已在中钢洛耐院转化为规模生产,2010-2012三年累计产值23187.99万元,利税5247.07万元,产品在钢铁行业推广应用,产生了较好的经济和社会效益。
梯度功能耐火材料的开发是功能耐火材料制造技术的重要进步,梯度复合概念为功能耐火材料抗热震性和抗侵蚀性能的同步提高提供了工程化解决方案,实现了向功能耐火材料精细化设计和制造的跨越。项目开发的低热应力功能耐火材料梯度设计技术、材料显微结构设计和性能提升技术、梯度材料复合和处理工艺等技术,对高性能耐火材料开发具有示范指导意义。

梯度功能耐火材料产品自2009年开始在武钢、攀长钢、马钢、珠钢、俄罗斯北方钢厂等公司推广应用,产品服役可靠性提高,使用寿命提高30%以上,耐火材料消耗降低,有明显的社会效益。