A cura di Jack Xing, Direttore vendite tecniche, YK Chanshine · Refrattari per altiforni ·
Gli operatori degli altiforni utilizzano vento caldo a temperature più elevate, pressioni maggiori, più ossigeno e più carbone polverizzato. Ogni componente del sistema di convogliamento del vento caldo è sottoposto a sollecitazioni maggiori e il raccordo della tuiera ne risente più di tutti. Quando un raccordo della tuiera diventa incandescente o si perfora, occorre fermare l'altoforno o ridurne il regime.
Questo articolo esamina un'analisi dettagliata del guasto del calcestruzzo refrattario del raccordo della tuiera impiegato negli altiforni cinesi. Ricostruisce il calo della resistenza a temperature intermedie che apre la strada all'attacco delle scorie, riproduce il guasto mediante XRD e SEM e illustra i requisiti che gli acquirenti dovrebbero inserire nell'ordine d'acquisto del calcestruzzo refrattario.
Risultati principali dell'analisi del guasto:
- Il materiale è un calcestruzzo refrattario Al₂O₃-SiO₂ legato con cemento alluminoso. Tra 1100 e 1200 °C, la resistenza alla compressione a freddo diminuisce di circa il 47% e la porosità apparente aumenta.
- Le scorie dell'altoforno attaccano questa struttura allentata: Ca e Mg migrano nel calcestruzzo refrattario e formano gehlenite a basso punto di fusione (Ca₂Al₂SiO₇) e MgSiO₃.
- L'attacco è aggravato da materie prime non mullitizzate, quarzo libero e Fe₂O₃ proveniente dalle scorie di ferro.
- Tre misure correttive: materie prime più pure, espansione di andalusite/cianite per compensare il ritiro e dal 3 al 6% in peso di argilla plastica per abbassare la temperatura di sinterizzazione.
Perché si guasta il calcestruzzo refrattario del raccordo della tuiera
Condizioni operative
L'elevata temperatura e pressione del vento caldo, l'arricchimento di ossigeno e l'iniezione intensiva di carbone polverizzato sottopongono il sistema di convogliamento del vento a sollecitazioni maggiori. Aumenta la probabilità di fessurazione, cedimento e perforazione dei componenti di soffiaggio. Il raccordo della tuiera è il componente più esposto. Il raffreddatore della tuiera lascia poco spazio, perciò il corpo del tubo è stretto e lo strato refrattario è sottile, mentre le condizioni di esercizio sono gravose.
Cause segnalate di arrossamento e perforazione
Le principali cause elencate nello studio sono:
- fessura nel collegamento flangiato: il vento caldo fuoriesce dalla superficie di contatto e surriscalda il corpo del tubo
- qualità del calcestruzzo refrattario: scarsa resistenza agli shock termici, bassa resistenza a caldo o debole resistenza alle scorie
- usura della lancia per carbone polverizzato: l'elevata velocità del gas e l'abrasione del carbone consumano il rivestimento
- cedimento del rivestimento del forno: il carico cade sulla lancia di soffiaggio e la danneggia meccanicamente
Due casi segnalati
Liugang
L’indagine ha concluso che la scarsa qualità del refrattario colabile era la causa principale della perforazione del tubo di soffiaggio. Lo stabilimento ne ha migliorato la qualità e ha ottimizzato il processo di fabbricazione del tubo di soffiaggio. Le incandescenze e le perforazioni sono cessate, mentre la qualità e la durata di servizio sono aumentate.
Shougang
Si è verificata una perforazione su una lancia di soffiaggio rimasta a lungo in servizio e sottoposta a numerosi arresti dell’insufflazione. Le forti variazioni di temperatura hanno crepato il rivestimento tra la camicia d’acqua anteriore e il corpo della tubazione. Il vento caldo ricco di ossigeno ha quindi bruciato la parte anteriore. Lo stabilimento ha analizzato il refrattario colabile per verificarne la qualità e monitorare l’uso del tubo di soffiaggio.
Analisi delle prestazioni del refrattario colabile del tubo di soffiaggio
Campionamento
Per le analisi sono stati prelevati sia refrattario colabile usato (dal tubo di soffiaggio guasto) sia refrattario colabile nuovo. Le fotografie dei campioni usati e nuovi sono riportate nella figura dopo la Tabella 2.
Composizione chimica: nuovo e usato
Tabella 1. Analisi chimica del refrattario colabile del tubo di soffiaggio, % in peso
| Campione | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nuovo | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| Usato | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
Entrambi sono materiali Al₂O₃-SiO₂ e gli ossidi principali sono cambiati appena durante l’uso. Il contenuto di Fe₂O₃ è maggiore nel campione usato; gli autori ipotizzano che ciò sia dovuto alla scoria ferrosa mescolata al materiale. Il contenuto di CaO di circa il 3.9% nel nuovo refrattario colabile è compatibile con un legame a base di cemento alluminato di calcio, in accordo con la successiva identificazione del legante da parte degli autori.
Proprietà fisiche del nuovo refrattario colabile
Tabella 2. Resistenza a compressione a freddo dei nuovi refrattari colabili dei due stabilimenti
| Stabilimento | Trattamento termico | Resistenza a compressione a freddo, MPa |
|---|---|---|
| Stabilimento A (Shougang) | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| Stabilimento A (Shougang) | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| Stabilimento B (Liugang) | 110 °C × 24 h | 30.0 |
Il refrattario colabile dello stabilimento A aveva una densità apparente e una resistenza a freddo inferiori a quelle dello stabilimento B. Dopo 1200 °C × 3 h, la resistenza a freddo dello stabilimento A è scesa da 18.5 MPa a 9.80 MPa, con un calo di circa il 47%. Gli autori riferiscono che, dopo il trattamento a 1200 °C, la porosità apparente è aumentata nettamente, rendendo la struttura più porosa.
In condizioni di elevata velocità del gas e alta temperatura, un rivestimento poco resistente si usura più rapidamente e può sfaldarsi.
Resistenza del nuovo refrattario colabile alla scoria
Gli autori hanno utilizzato una prova statica al crogiolo per simulare l’azione della scoria d’altoforno sul nuovo refrattario colabile ad alta temperatura. La composizione della scoria era:
Tabella 3. Composizione della scoria d’altoforno utilizzata nella prova, % in peso
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
XRD del campione sottoposto alla prova con scoria
Il Campione 1 è stato analizzato mediante XRD in quattro punti: la scoria, i granuli bianchi dell’aggregato, la matrice gialla e la matrice nera.
Tabella 4. Fasi principali nel Campione 1 in base alla posizione
| Posizione | Aspetto | Fasi minerali principali |
|---|---|---|
| Scoria | Strato di scoria aderente | Gehlenite, melilite, fase vetrosa |
| Aggregato | Granuli bianchi | Mullite, corindone, tracce di cristobalite |
| Matrice (gialla) | Zona di reazione | Gehlenite, anortite, mullite |
| Matrice (nera) | Getto inalterato | Mullite, corindone, idrati del cemento |
SEM all’interfaccia scoria-getto
L’esame SEM al confine tra scoria e getto ha evidenziato concentrazioni più elevate di calcio e magnesio sul lato del refrattario. Il Ca e il Mg della scoria sono migrati nel getto. Reagiscono con Al₂O₃ e SiO₂ nella matrice, formando gehlenite (Ca₂Al₂SiO₇) e MgSiO₃. Questo è l’attacco. Secondo l’interpretazione complessiva degli autori della prova con scoria, il materiale ha una scarsa resistenza alle scorie ed è facilmente attaccato dalla scoria dell’altoforno.
Getto usato: XRD e SEM
XRD in sei posizioni
Sono state analizzate sei posizioni rappresentative del getto usato. La posizione 1 si trova all’interfaccia scoria-getto.
Tabella 5. Principali fasi minerali nel getto usato per il tuyere stock
| Posizione | Descrizione | Fasi identificate |
|---|---|---|
| 1 | Interfaccia scoria-getto | Gehlenite, fasi ricche di ferro, melilite |
| 2 | Matrice prossima alla superficie (0–5 mm) | Gehlenite, mullite, anortite |
| 3 | Zona intermedia (5–15 mm) | Mullite, corindone, gehlenite |
| 4 | Matrice centrale (15–30 mm) | Mullite, corindone, tracce di quarzo |
| 5 | Aggregato grossolano | Mullite, corindone |
| 6 | Strato di supporto sul lato freddo | Mullite, fasi di disidratazione del cemento |
SEM-EDS in funzione della distanza dalla superficie della scoria
I punti sono stati analizzati dalla scoria aderente fino al getto. La superficie della scoria è a 0 mm.
Tabella 6. Analisi EDS del getto usato, dalla superficie della scoria verso l’interno, % in peso
| Distanza | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm (superficie della scoria) | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm (strato di reazione) | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm (zona penetrata) | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm (zona inalterata) | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
Meccanismo di usura del getto per il tuyere stock
Perché l’intervallo da 900 a 1200 °C è il punto debole
Dai risultati delle prove sulle proprietà, della XRD e della SEM, gli autori identificano il materiale come un getto di mullite legato con cemento alluminoso.
A 1100-1200 °C, i legami degli idrati del cemento si sono decomposti, ma la sinterizzazione ceramica è appena iniziata. La struttura è al suo stato più allentato e debole. Questa temperatura coincide con quella di esercizio del rivestimento del magazzino della tuyera.
Sequenza di cedimento durante l'esercizio
- Il rivestimento perde resistenza e diventa più poroso nel suo intervallo di esercizio.
- Ca e Fe delle scorie penetrano nella struttura aperta.
- Reagiscono con Al₂O₃ e SiO₂ nella matrice, formando gehlenite, MgSiO₃ e altri composti a basso punto di fusione.
- Le materie prime non completamente mullitizzate peggiorano il problema.
- Il rivestimento indebolito viene eroso dalla velocità e dalla temperatura del gas.
Come risolvere il problema: tre misure
1. Migliorare la qualità delle materie prime
Ridurre le impurità, soprattutto i metalli alcalini, che danneggiano i legami del cemento alluminoso.
2. Aggiungere andalusite o cianite
Questi si espandono durante la mullitizzazione, compensando il ritiro e la perdita di resistenza a temperatura intermedia. Il risultato è un calcestruzzo refrattario a microespansione.
3. Aggiungere un agente sinterizzante
L'argilla tenera al 3-6% in peso è l'esempio indicato. Il calcestruzzo refrattario sinterizza così a temperature più basse, evitando o attenuando il brusco cambiamento strutturale e aumentando la resistenza a temperatura intermedia.
Cosa includere nella scheda tecnica del calcestruzzo refrattario per il magazzino della tuyera
Tabella 7. Parametri consigliati da specificare al momento dell'acquisto del calcestruzzo refrattario per il magazzino della tuyera
| Parametro | Condizione di prova | Valore obiettivo |
|---|---|---|
| Contenuto di Al₂O₃ | XRF / analisi chimica a umido | ≥ 50.0% |
| Contenuto di Fe₂O₃ | XRF / analisi chimica a umido | ≤ 1.2% |
| Resistenza alla compressione a freddo | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| Resistenza alla compressione a freddo (a temperatura intermedia) | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa (calo ≤ 40%) |
| Variazione lineare permanente | 1200 °C × 3 h | Da 0.0 a +0.4% (microespansione) |
| Indice di resistenza alle scorie | Prova al crogiolo, 1500 °C × 3 h | Profondità di erosione ≤ 3.0 mm |
Lista di controllo per l'acquirente e dati per la richiesta di offerta
Cosa chiedere al fornitore
- Resistenza alla compressione a freddo dopo 110 °C e dopo 1200 °C
- Variazione lineare permanente a 1200 °C
- Provenienza dell'aggregato (mullite sinterizzata, mullite fusa o andalusite)
- Tipo di legante e contenuto di CaO
Cosa inviarci per ricevere una raccomandazione
Per ricevere una raccomandazione, invia questi dati a sales@ykchanshine.com oppure usa la nostra pagina dei contatti:
- volume dell'altoforno, temperatura del vento e arricchimento di ossigeno
- disegno del magazzino della tuyera e spessore del rivestimento
- scheda tecnica del calcestruzzo refrattario attuale e foto dei cedimenti
- numero di svuotamenti al mese
- quantità annuale prevista e porto
Conclusioni
- Il calo di resistenza a 1100-1200 °C è la causa principale del cedimento del calcestruzzo refrattario del tuyere stock.
- Le scorie dell'altoforno penetrano in questa matrice porosa, formando gehlenite a basso punto di fusione.
- Gli additivi a microespansione (andalusite/cianite) e i coadiuvanti di sinterizzazione eliminano efficacemente il calo di resistenza.
Domande frequenti (FAQ): calcestruzzo refrattario per tuyere stock di altoforno
Che cos'è un tuyere stock di altoforno?
È il tubo di soffiaggio che trasporta l'aria calda dal collettore anulare al raffreddatore del tuyere. Ha un corpo sottile in acciaio e un sottile rivestimento refrattario.
Perché un tuyere stock diventa rosso o si perfora?
Le cause indicate sono perdite di aria calda sulla superficie di contatto, scarsa qualità del calcestruzzo refrattario, forte usura della lancia per il carbone e distacco di materiale dalla parete del forno. Anche gli sfiati ripetuti possono fessurare il rivestimento vicino al manicotto d'acqua anteriore.
Perché il calcestruzzo refrattario legato con cemento è debole a 1100-1200 °C?
A quel punto i legami idrati sono scomparsi e quelli ceramici non si sono ancora formati. La struttura si allenta e si ritira, perciò la resistenza diminuisce. Il tuyere stock opera in questo intervallo.
Che funzione hanno l'andalusite o la cianite nel calcestruzzo refrattario del tuyere stock?
Questi minerali si espandono quando si trasformano in mullite. L'espansione compensa il ritiro del legante cementizio e conferisce al calcestruzzo refrattario una microespansione.
Quanta argilla tenera si aggiunge come coadiuvante di sinterizzazione?
Lo studio suggerisce il 3-6 wt%. Aiuta il calcestruzzo refrattario a sinterizzare a una temperatura inferiore e aumenta la resistenza a temperatura intermedia.
Perché la quantità di Fe₂O₃ aumenta nel calcestruzzo refrattario usato?
Gli autori sospettano che nel campione siano state mescolate scorie di ferro. Un punto EDS sulla superficie a contatto con le scorie ha rilevato il 37.57% di Fe, a sostegno di questa ipotesi.
Che cosa dovrei chiedere oltre alla resistenza a 110 °C?
Resistenza a temperatura intermedia, resistenza e porosità dopo 1200 °C, contenuto di alcali, sistema legante e risultato della prova con scorie.
Inviateci i parametri operativi del vostro altoforno e i disegni del tuyere
Problemi di arrossamento dovuto all'aria calda, perforazione o fessurazione del rivestimento del tubo di soffiaggio? Inviateci la temperatura dell'aria calda, il tasso di arricchimento dell'ossigeno, i disegni del tuyere stock e la scheda tecnica attuale del calcestruzzo refrattario. Il nostro team di ingegneria dei refrattari fornirà una formulazione di calcestruzzo refrattario a microespansione su misura e una proposta tecnica entro 24-48 ore.