日本钢铁用耐火材料的技术革新

LIU1018

日本钢铁用耐火材料的技术革新

    为了紧跟日本国内钢铁业快速的技术进步，耐火材料厂家也进行着各种努力展开技术革新。为了满足钢铁生产技术和操作变化的要求，需要开发新耐材，稳定其质量并提高生产率。日本在耐材生产工艺的开发和改善中取得了多项成果。本文介绍了日本耐材界在提高质量管理水平和生产率两方面的最新进展。
    1 前言
    在钢铁生产中，从炼铁工序的高炉、热风炉、焦炉，到炼钢工序的转炉、二次精炼炉、连铸、及热轧工序的加热炉，所有窑炉都需使用耐材，并且，非铁材料中的水泥、玻璃等产业的窑炉和燃烧炉、熔融炉等环境炉所有需进行高温处理的部位也一直使用耐材。
    若综合考虑耐材的形态（定形或不定形）、材质（酸性、中性、碱性、复合系）、形状等，一个钢铁厂家使用的耐材种类可能有成百上千种。 现着重介绍耐材生产在提高质量管理水平和生产率方面的最新技术进步。
    2 耐材生产流程
    根据耐材的不同形态，可将其生产流程表示如图1。
    准确而言，不定形耐材在生产厂家出厂的状态还不能说是耐材，须在使用现场经：混合-成形-养护-干燥-预热等工序后方可被称作真正的耐材。
    3 各生产工序的现状
    3.1 称量
    原来耐材厂家是直接购入生原料，经粉碎、筛分后按不同粒度级别投入大型原料罐中，且称量台车在众多的原料罐下移动，采用人工放料并转移的作业方式。在少品种多数量生产的时代，这种方式能保持较高的生产率。但从上世纪70年代因为石油冲击和日元升值而使国外廉价耐材大量进口，日本耐材厂家被迫向产品的高附加值化和多品种小批量型生产工艺转换。
    在多品种小批量高附加值产品的生产中，不仅每一材质（含不同原料和粒度）的称量次数多，且所称批量小而种类多，原料罐数也多。由于手工称量的生产率低，所以推进了操作的自动化和省力化，并与IT技术的普及相结合，提高了生产率。如生产不定形耐材时，原料罐多的达100个以上，其下的称量台车由计算机控制，按设定程序灵活移动。
    今后，随着对产品的高附加值化和质量稳定化要求的进一步升级，排除人工称量使用IT技术的生产质量管理必不可少。
    3.2 混合、搅拌
    原料的混合、搅拌是决定耐材性能极为重要的工艺，每个耐材厂家都有各式各样的专门技术诀窍。最近，从最佳材料设计的观点出发，除使用粗、中、微粉原料之外，还使用超微粒级的超微粉原料的场合增多了，但要使之均匀分散却是困难的。因此，为了实现将各种粒度的多种粉体均匀掺合，如何选定最佳的混合?搅拌机非常重要。
    最近，日本耐材厂家生产使用的混合?搅拌机有以下品牌：全方位混合机，由Chiyoda Machinery公司提供；Nauta混合机，由Hosokawa Micron公司提供；Eirich搅拌机，由日本Eirich公司提供。这些设备虽然是按原料种类和生产目标选定的，但最重要是要能混合均匀，搅拌效果好。如采用高速旋转叶片的Eirich搅拌机的生产率高。
    为了将原料整体混合成均匀态，并在粗粒和中粒周围形成由微粉、超微粉、粘结剂构成的完美包复层，除需对微粉和超微粉进行预混处理外，还对每种粒度原料的投入顺序和粘结剂投入时间等进行多方面的研讨和设计，从而使搅拌掺和效果良好，并增大了原料的松装比重。
    另外，由于粘结剂对环境温度敏感而使粘性变化大，故除粘结剂外，还对原料和搅拌机实施了温度管理，从而可确保全年都可在一定条件下顺利完成搅拌并获得稳定质量；而且，因粘结剂的不同，其粘性易随时间变化，故须特别精心管理；此外，在用户搅拌不定形耐材时，须确保粘结剂包装完好并处于新鲜状态。
    搅拌工艺的另一课题是如何准确进行终点判定。原来由熟练操作工凭经验用手触摸判定虽然有效，但因自动化的推进，正在试验以搅拌时间、搅拌温度、搅拌动力等作为判定参数，只是尚未推出新的判定标准。今后须期待新测定项目和诊断法的技术进步。
    作为进一步的课题，是受多品种小批量生产耐材的影响而频繁变更搅拌材质时，迫切要求搅拌机内残余掺和料的清扫和固体粘结物的去除容易进行。
    3.3 掺和运送
    在搅拌工序中，为了均质掺和，虽进行了多方面努力，但到其后的成形工序为止，此掺和物须反复移动。而此类从粗粒-超微粉的由多种粒度构成的粉状体，会因强烈受到重力的影响，而在移动过程中再次产生偏析，从而抵消了搅拌作用。对此，目前尚无完美解决办法，只能是设法在掺和料的移动和转移中尽量减小落差，限制其向重力方向的流动，改进掺和料的排出方法，必要时在成形前进行再次搅拌。
    3.4 成形
    定形耐材的生产所采用的主要成形机如下：
    （1）冲击压力机，如摩擦压力机等，由三石深井公司提供。
    （2）静压压力机，如油压压力机等，由三石深井公司提供。
    （3）静水压压力机（即冷式等压压力机，简称CIP）。
    上述设备各有优缺点，需按品种和产量来选用。（1）和（2）是利用模具的机械单轴成形法，广泛用作一般耐材砖生产；而（3）是使用了橡胶模型的无限多轴加压成形法，即使对于长度与直径之比较大的成形品也能被加工成均匀成形体。如转炉出钢口长尺寸圆筒砖和钢液连铸用长圆筒水口砖，就需要采用静水压压力机（CIP）。
    最近，作为耐材原料虽多使用鳞状石墨和微粉超微粉等，但将之掺和进行机械单轴成形时，发生层状间隙缺陷的危险性较高。为此，开发了在成形时采用真空冲压技术，且已普及；另外，还对现有冲压机进行了技术改造，有的还附加了真空处理功能，可成形长度超过1m的大型耐火砖。
    伴随制品的大型化、高松装比重化，成形机也进行了大型化，为了减轻重体力操作而进行了设备的半自动化。近年，用油压压力机代替了原来的摩擦压力机，从而使尺寸控制变得容易了，成形功率的控制也方便了，故能较准确控制成形品的尺寸和松装比重，缩短了成形时间而大幅度提高了生产率。
    另外，由于遥控技术的进步和成本的下降，成形砖的操作自动化已普及，并在最近与刚成形的尺寸和松装比重的工序内检查的自动化相结合，无人操作的成形工厂也在增多。
    另一方面，如前所述，连铸用水口虽然用CIP成形，但因其是影响钢液和铸坯质量的重要材料，即使是在定形耐材中，也一直进行最严格的质量管理。例如对成形环境的严格空调化，因周围空气温度、湿度的变化都会对掺和料的可塑性产生大的影响，故须进行严格的控制才能获得质量稳定的成形体。生产实践表明，若从简易空调转变成严格空调，一年内制品的松装比重和气孔率的标准偏差就可以改善20％。
    而且，一般耐材的搅拌单元是按每批500～1500kg进行管理，但如前述的理由，对连铸水口用料是按单品（即每支水口）用料管理的，从水口成形到出厂的全工序每支水口都加上了识别卡片。另外，最近为了降低成本和改善环境，力图将水口的加工量控制到最小（甚至不进行加工），为此一直在推进接近净重的采用最佳橡胶模型设计的成形技术。现须提及的是连铸水口应通过水模实验和计算机流体解析对钢流的模拟，对水口形状持续进行最佳化。
    3.5 烧成
    烧成炉分为适于大批量生产的连续式隧道窑和小回转的室状窑。烧成温度因砖的品种不同而异，但大致为1000～1800℃。在烧成质量管理方面，是按砖的品种所决定的烧成温度曲线升温，特别要防止不合适的升温和冷却造成的砖的龟裂。烧成炉内温度应尽量均匀，但实际上炉内因位置不同而使温度有很大差异，特别是炉内上、下部之间及两端与中央部之间的温差是突出的问题。为了将此温差最小化，耐材厂家已设法作了很多改善。
    烧成炉的技术进步内容有燃料转换、节能及操作自动化三个方面。关于燃料，开始是烧煤，然后改为重油而可控温度，进而为了降低CO2排放和成本而实现了天然气化，并提高了温控精度。关于节能，推进了节能烧嘴和废热的回收利用，大幅度降低了砖的单位重量烧成能耗。然而，近年因耐材的高附加值化和多品种小批量生产，烧成的高温化及温度的频繁转换等因素的影响，能源单耗有增加的倾向。关于操作的自动化，已取得大的进步：台车的插入和拉出及转运都已自动化；每天24h均可按设定自动进行温度管理和失火监视，现在大部分烧成炉都成了无人操作炉。
    剩下的课题是烧成台车堆砖作业的自动化问题，现在对形状类似的大批量砖，可采用自动装置将砖堆积在台车上，而对多种形状的小批量砖，则仍然只能手工堆积。
    3.6 加工
    在加工工序中，虽有使正常砖获得规定尺寸和表面精度的切削工艺和安上铁皮等的组装工艺，但一般有依赖通用小型机械进行手工作业的倾向。这是根据用户的要求：因砖型很多，而相同形状和品种的产量比例又少，故作业工序多的缘故。在这样的多品种小批量生产环境下，耐材厂家要将以手工作业为轴线的在线化和单元生产化，转变成无人加工化是困难的。
    4 关于质量管理和生产率提高的归纳
    4.1 提高质量管理的要点
    （1）微粉、超微粉原料的均匀分散。
    （2）防止掺和时产生偏析。
    （3）用空调管理确保掺和可塑性的稳定化。
    （4）用自动化减少生产和质量对操作者技能的完全依赖。
    （5）引入IT技术以提高跟踪能力。
    4.2 提高生产的要点
    （1）缩短周期时间，缩短超前时间。
    （2）对物流进行整合。
    （3）推进采用IT技术的自动化、省力化。
    因大部分耐材都从粉体成形，有杂质混入就无法去除，且对在成形和烧成中发生的龟裂及内部缺陷均无矫正手段，故严格管理每道工序极为重要，包括利用各种传感技术强化各工序质量检查，同时应利用工序的连续化使生产稳定化。
    5 结语
    日本耐材界为了跟上钢铁工业的快速变化，谋求产品的高附加值化，正大力推进技术革新。为了应对地球变暖和节能要求，应设法将现有的高温烧成砖转换成低温烧成或不烧成砖，并将与之新产品开发及产品的高附加值化结合起来。