Viết bởi Jack Xing, Giám đốc Kinh doanh Kỹ thuật, YK Chanshine · Vật liệu chịu lửa cho lò cao ·
Các đơn vị vận hành lò cao đang sử dụng gió nóng hơn, áp suất cao hơn, nhiều oxy hơn và phun nhiều than nghiền hơn. Tải trọng lên mọi bộ phận của hệ thống dẫn gió nóng đều tăng, và cụm ống gió nóng chịu tác động nặng nề nhất. Khi cụm ống gió nóng đỏ rực hoặc cháy thủng, lò phải ngừng hoạt động hoặc giảm tải.
Bài viết này tổng quan phân tích chi tiết về hư hỏng vật liệu đúc của cụm ống gió nóng trong thực tiễn vận hành lò cao tại Trung Quốc. Bài viết truy tìm nguyên nhân suy giảm độ bền ở nhiệt độ trung bình, tạo điều kiện cho xỉ tấn công, tái hiện hư hỏng bằng XRD và SEM, đồng thời nêu rõ các yêu cầu kỹ thuật mà người mua nên ghi vào đơn đặt hàng vật liệu đúc.
Các phát hiện chính từ phân tích hư hỏng:
- Vật liệu này là vật liệu đúc Al₂O₃-SiO₂ liên kết bằng xi măng aluminat canxi. Ở 1100 đến 1200 °C, độ bền nén nguội giảm ~47% và độ xốp biểu kiến tăng lên.
- Xỉ lò cao tấn công cấu trúc đã bị nới lỏng này: Ca và Mg khuếch tán vào vật liệu đúc rồi tạo thành gehlenit có nhiệt độ nóng chảy thấp (Ca₂Al₂SiO₇) và MgSiO₃.
- Sự ăn mòn nghiêm trọng hơn do nguyên liệu chưa nung chuyển pha mullit, thạch anh tự do và Fe₂O₃ từ xỉ sắt.
- Ba biện pháp khắc phục: dùng nguyên liệu tinh khiết hơn, thêm andalusit/kyanit để bù co ngót khi giãn nở, và 3 đến 6 wt% đất sét dẻo để hạ nhiệt độ thiêu kết.
Vì sao vật liệu đúc của cụm ống gió nóng bị hỏng
Điều kiện vận hành
Nhiệt độ gió lò cao, áp suất gió lò cao, tăng cường oxy và lượng phun than nghiền lớn làm tăng tải cho hệ thống dẫn gió. Các bộ phận dẫn gió bị nứt, sập và cháy thủng đều có nguy cơ xảy ra cao hơn. Cụm ống gió nóng là bộ phận chịu tác động trực tiếp nhiều nhất. Bộ làm mát ống gió nóng có không gian hạn chế, khiến thân ống hẹp và lớp chịu lửa mỏng, trong khi điều kiện làm việc rất khắc nghiệt.
Các nguyên nhân được báo cáo gây đỏ rực và cháy thủng
Các nguyên nhân chính được liệt kê trong nghiên cứu là:
- Khe hở tại mối nối mặt bích: gió lò rò rỉ ở bề mặt tiếp xúc và làm thân ống quá nhiệt
- Chất lượng vật liệu đúc: khả năng chịu sốc nhiệt kém, độ bền nóng thấp hoặc khả năng chống xỉ yếu
- Mòn ống phun than nghiền: vận tốc khí cao và than mài mòn làm lớp lót mỏng đi
- Vật liệu lò bị sập: liệu rơi xuống ống thổi và gây hư hại cơ học
Hai trường hợp được báo cáo
Liugang
Cuộc điều tra kết luận rằng chất lượng vật liệu đúc sẵn kém là nguyên nhân chính khiến ống gió lò cao bị cháy thủng. Nhà máy đã nâng cao chất lượng vật liệu đúc sẵn và cải tiến quy trình chế tạo ống gió lò cao. Hiện tượng đỏ nóng và cháy thủng chấm dứt, chất lượng và tuổi thọ sử dụng được cải thiện.
Shougang
Ống thổi bị cháy thủng sau thời gian dài sử dụng và trải qua nhiều lần thổi giảm áp. Biến động nhiệt độ lớn làm nứt lớp lót giữa ống bọc nước phía trước và thân ống. Luồng gió nóng giàu oxy sau đó đốt cháy xuyên qua phần phía trước. Nhà máy đã phân tích vật liệu đúc sẵn để kiểm tra chất lượng và theo dõi quá trình sử dụng ống gió lò cao.
Phân tích hiệu suất vật liệu đúc sẵn cho ống gió lò cao
Lấy mẫu
Cả vật liệu đúc sẵn đã qua sử dụng (lấy từ ống gió bị hỏng) và vật liệu đúc sẵn mới đều được lấy để phân tích. Ảnh các mẫu mới và đã qua sử dụng được trình bày trong hình sau Bảng 2.
Thành phần hóa học: mới và đã qua sử dụng
Bảng 1. Phân tích hóa học vật liệu đúc sẵn cho ống gió lò cao, % khối lượng
| Mẫu | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mới | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| Đã qua sử dụng | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
Cả hai đều là vật liệu Al₂O₃-SiO₂, và hàm lượng các oxit chính hầu như không đổi trong quá trình sử dụng. Fe₂O₃ cao hơn trong mẫu đã qua sử dụng; các tác giả cho rằng nguyên nhân có thể là xỉ sắt lẫn vào. Hàm lượng CaO khoảng 3.9% trong vật liệu đúc sẵn mới phù hợp với chất kết dính xi măng aluminat canxi, tương ứng với nhận định sau đó của các tác giả về chất kết dính.
Tính chất vật lý của vật liệu đúc sẵn mới
Bảng 2. Độ bền nén nguội của vật liệu đúc sẵn mới từ hai nhà máy
| Nhà máy | Xử lý nhiệt | Độ bền nén nguội, MPa |
|---|---|---|
| Nhà máy A (Shougang) | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| Nhà máy A (Shougang) | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| Nhà máy B (Liugang) | 110 °C × 24 h | 30.0 |
Vật liệu đúc sẵn của Nhà máy A có khối lượng thể tích thấp hơn và độ bền nguội thấp hơn so với Nhà máy B. Sau khi xử lý ở 1200 °C × 3 h, độ bền nguội của Nhà máy A giảm từ 18.5 MPa xuống còn 9.80 MPa, giảm khoảng 47%. Các tác giả cho biết độ xốp biểu kiến tăng rõ rệt sau khi xử lý ở 1200 °C, khiến cấu trúc trở nên lỏng lẻo hơn.
Trong điều kiện tốc độ khí cao và nhiệt độ cao, lớp lót yếu sẽ mòn nhanh hơn và có thể bong tróc.
Khả năng kháng xỉ của vật liệu đúc sẵn mới
Các tác giả đã dùng thử nghiệm nồi nấu tĩnh để mô phỏng tác động của xỉ lò cao lên vật liệu đúc sẵn mới ở nhiệt độ cao. Thành phần xỉ như sau:
Bảng 3. Thành phần xỉ lò cao dùng trong thử nghiệm, % khối lượng
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
XRD của mẫu sau thử nghiệm xỉ
Mẫu 1 được phân tích bằng XRD tại bốn vị trí: xỉ, các hạt cốt liệu màu trắng, nền màu vàng và nền màu đen.
Bảng 4. Các pha chính trong Mẫu 1 theo vị trí
| Vị trí | Hình thái | Các pha khoáng chính |
|---|---|---|
| Xỉ | Lớp xỉ bám dính | Gehlenit, melilit, pha thủy tinh |
| Cốt liệu | Các hạt màu trắng | Mullit, corundum, vết cristobalit |
| Nền (màu vàng) | Vùng phản ứng | Gehlenit, anorthit, mullit |
| Nền (màu đen) | Bê tông chịu lửa chưa biến đổi | Mullit, corundum, các hydrat xi măng |
SEM tại mặt phân cách giữa xỉ và bê tông chịu lửa
Khảo sát SEM tại ranh giới giữa xỉ và bê tông chịu lửa cho thấy nồng độ canxi và magiê ở phía vật liệu chịu lửa cao hơn. Ca và Mg từ xỉ đã khuếch tán vào bê tông chịu lửa. Chúng phản ứng với Al₂O₃ và SiO₂ trong nền, tạo thành gehlenit (Ca₂Al₂SiO₇) và MgSiO₃. Đó là quá trình xâm thực. Nhận định tổng thể của các tác giả về thử nghiệm với xỉ: khả năng chống xỉ kém, dễ bị xỉ lò cao xâm thực.
Bê tông chịu lửa đã qua sử dụng: XRD và SEM
XRD tại sáu vị trí
Sáu vị trí tiêu biểu trên bê tông chịu lửa đã qua sử dụng được phân tích. Vị trí 1 nằm ở mặt phân cách giữa xỉ và bê tông chịu lửa.
Bảng 5. Các pha khoáng chính trong bê tông chịu lửa đã qua sử dụng trong ống gió lò cao
| Vị trí | Mô tả | Các pha được xác định |
|---|---|---|
| 1 | Mặt phân cách giữa xỉ và bê tông chịu lửa | Gehlenit, các pha giàu sắt, melilit |
| 2 | Nền gần bề mặt (0–5 mm) | Gehlenit, mullit, anorthit |
| 3 | Vùng trung gian (5–15 mm) | Mullit, corundum, gehlenit |
| 4 | Nền vùng lõi (15–30 mm) | Mullit, corundum, vết thạch anh |
| 5 | Cốt liệu thô | Mullit, corundum |
| 6 | Lớp lót phía mặt nguội | Mullit, các pha khử nước của xi măng |
SEM-EDS theo khoảng cách tính từ mặt xỉ
Các điểm được quét từ lớp xỉ bám dính vào bê tông chịu lửa. Mặt xỉ là 0 mm.
Bảng 6. Phân tích EDS của bê tông chịu lửa đã qua sử dụng, từ mặt xỉ vào trong, % khối lượng
| Khoảng cách | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm (bề mặt xỉ) | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm (lớp phản ứng) | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm (vùng bị thấm) | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm (vùng chưa biến đổi) | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
Cơ chế mài mòn của bê tông chịu lửa trong ống gió lò cao
Vì sao khoảng 900 đến 1200 °C là điểm yếu
Từ các kết quả về đặc tính, XRD và SEM, các tác giả xác định vật liệu này là bê tông chịu lửa mullit liên kết bằng xi măng aluminat canxi.
Ở 1100 đến 1200 °C, các liên kết hydrat của xi măng đã phân hủy, nhưng quá trình thiêu kết gốm hầu như chưa bắt đầu. Cấu trúc trở nên lỏng lẻo và yếu nhất. Tình cờ, đó cũng là nhiệt độ làm việc của lớp lót vùng tuyere.
Quá trình hư hỏng trong vận hành
- Lớp lót mất cường độ và tăng độ xốp trong phạm vi nhiệt độ làm việc.
- Ca và Fe trong xỉ xâm nhập vào cấu trúc rỗng.
- Chúng phản ứng với Al₂O₃ và SiO₂ trong nền để tạo thành gehlenite, MgSiO₃ và các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp khác.
- Nguyên liệu thô chưa được mullite hóa hoàn toàn khiến tình trạng này nghiêm trọng hơn.
- Lớp lót suy yếu bị khí tốc độ cao và nhiệt độ cao bào mòn.
Cách khắc phục: ba biện pháp
1. Nâng cao chất lượng nguyên liệu thô
Giảm tạp chất, đặc biệt là kim loại kiềm, vốn làm hỏng các liên kết của xi măng aluminat canxi.
2. Thêm andalusite hoặc kyanite
Các chất này giãn nở khi mullite hóa, bù lại sự co ngót và suy giảm cường độ ở nhiệt độ trung bình. Kết quả là tạo ra vật liệu đúc chịu lửa có vi giãn nở.
3. Thêm chất trợ thiêu kết
Đất sét mềm với hàm lượng 3 đến 6 wt% là ví dụ được đưa ra. Sau đó, vật liệu đúc chịu lửa thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn, giúp ngăn ngừa hoặc làm giảm sự thay đổi cấu trúc đột ngột và tăng cường độ ở nhiệt độ trung bình.
Những nội dung cần có trong bảng dữ liệu kỹ thuật (TDS) của vật liệu đúc chịu lửa cho vùng tuyere
Bảng 7. Các thông số khuyến nghị cần nêu rõ khi mua vật liệu đúc chịu lửa cho vùng tuyere
| Thông số | Điều kiện thử nghiệm | Giá trị mục tiêu |
|---|---|---|
| Hàm lượng Al₂O₃ | XRF / phân tích hóa học ướt | ≥ 50.0% |
| Hàm lượng Fe₂O₃ | XRF / phân tích hóa học ướt | ≤ 1.2% |
| Cường độ chịu nén nguội | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| Cường độ chịu nén nguội (nhiệt độ trung bình) | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa (độ giảm ≤ 40%) |
| Độ thay đổi chiều dài vĩnh viễn | 1200 °C × 3 h | 0.0 đến +0.4% (vi giãn nở) |
| Chỉ số kháng xỉ | Thử nghiệm nồi nấu, 1500 °C × 3 h | Độ sâu xói mòn ≤ 3.0 mm |
Danh sách kiểm tra cho người mua và dữ liệu yêu cầu báo giá
Cần yêu cầu nhà cung cấp cung cấp những gì
- Cường độ chịu nén nguội sau khi xử lý ở 110 °C và 1200 °C
- Độ thay đổi chiều dài vĩnh viễn ở 1200 °C
- Nguồn cốt liệu (mullite thiêu kết, mullite nung chảy hoặc andalusite)
- Loại chất kết dính và hàm lượng CaO
Cần gửi cho chúng tôi những gì để nhận khuyến nghị
Để nhận được khuyến nghị, hãy gửi thông tin này đến sales@ykchanshine.com hoặc sử dụng trang liên hệ của chúng tôi:
- Thể tích lò cao, nhiệt độ gió nóng và mức làm giàu oxy
- Bản vẽ tồn kho tuyere và độ dày lớp lót
- Bảng dữ liệu hiện tại của vật liệu đúc chịu lửa và ảnh hư hỏng
- Số lần xả lò mỗi tháng
- Sản lượng hằng năm mục tiêu và cảng
Kết luận
- Sự suy giảm cường độ ở 1100–1200 °C là nguyên nhân gốc rễ khiến bê tông chịu lửa cho cụm đầu gió bị phá hủy.
- Xỉ lò cao thấm vào nền vật liệu lỏng lẻo này, tạo thành gehlenit có nhiệt độ nóng chảy thấp.
- Các phụ gia giãn nở vi mô (andalusit/kyanit) và chất trợ thiêu kết giúp loại bỏ hiệu quả vùng suy giảm cường độ.
Câu hỏi thường gặp (FAQ): Bê tông chịu lửa cho cụm đầu gió lò cao
Cụm đầu gió lò cao là gì?
Ống thổi dẫn gió nóng từ ống góp gió nóng đến bộ làm mát đầu gió. Ống có thân thép mỏng và lớp lót chịu lửa mỏng.
Tại sao cụm đầu gió chuyển đỏ hoặc bị cháy thủng?
Các nguyên nhân được báo cáo gồm rò rỉ gió nóng tại bề mặt tiếp xúc, chất lượng bê tông chịu lửa kém, cần phun than bị mài mòn nhiều và vật liệu bong rơi khỏi thành lò. Việc xả gió lò lặp đi lặp lại cũng có thể làm nứt lớp lót gần ống lót nước phía trước.
Tại sao bê tông chịu lửa liên kết bằng xi măng lại yếu ở 1100 đến 1200 °C?
Các liên kết hydrat đã mất đi nhưng liên kết gốm chưa hình thành. Cấu trúc trở nên lỏng lẻo và co ngót, khiến cường độ giảm. Cụm đầu gió hoạt động trong dải nhiệt độ đó.
Andalusit hoặc kyanit có tác dụng gì trong bê tông chịu lửa cho cụm đầu gió?
Các khoáng chất này nở ra khi chuyển thành mullit. Sự giãn nở bù lại độ co ngót của liên kết xi măng, tạo ra bê tông chịu lửa giãn nở vi mô.
Thêm bao nhiêu đất sét dẻo làm chất trợ thiêu kết?
Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ từ 3 đến 6 wt%. Chất này giúp bê tông chịu lửa kết khối ở nhiệt độ thấp hơn và tăng cường độ ở nhiệt độ trung bình.
Tại sao hàm lượng Fe₂O₃ tăng trong bê tông chịu lửa đã qua sử dụng?
Các tác giả nghi ngờ mẫu bị lẫn xỉ sắt. Kết quả đo tại một điểm bằng EDS ở mặt tiếp xúc với xỉ cho thấy 37.57% Fe, củng cố nhận định này.
Ngoài cường độ ở 110 °C, tôi nên yêu cầu những chỉ tiêu nào?
Cường độ ở nhiệt độ trung bình, cường độ và độ xốp sau khi nung ở 1200 °C, hàm lượng kiềm, hệ chất kết dính và kết quả thử xỉ.
Gửi cho chúng tôi thông số vận hành lò cao và bản vẽ cụm đầu gió
Gặp hiện tượng gió nóng đỏ rực, cháy thủng hoặc lớp lót ống thổi bị nứt? Hãy gửi cho chúng tôi nhiệt độ gió nóng, tỷ lệ làm giàu oxy, bản vẽ cụm đầu gió và bảng dữ liệu kỹ thuật (TDS) của bê tông chịu lửa hiện tại. Đội ngũ kỹ thuật vật liệu chịu lửa của chúng tôi sẽ cung cấp công thức bê tông chịu lửa giãn nở vi mô tùy chỉnh cùng đề xuất kỹ thuật trong vòng 24 đến 48 giờ.