ไมโครซิลิกาสำหรับรางเหล็กเตาสูง: การเลือกเกรดตามพื้นที่ใช้งาน

I. หลักการออกแบบวัสดุไม่สามารถเป็นเหมือนกันในทุกส่วนของรางเหล็กเตาสูง

ระบบช่องเทเหล็กของเตาหลอมแบบบลาสต์ฟอร์นัส (blast furnace) โดยทั่วไปประกอบด้วยพื้นที่รับเหล็กที่ช่องเท, พื้นที่รับแรงกระแทกของช่องหลัก, ส่วนกลางและส่วนท้ายของช่องหลัก, อุปกรณ์สกิมเมอร์สแลก, ช่องสาขา, ช่องสแลก และหัวฉีดแบบสั่นหรือช่องเอียง แม้ว่าส่วนต่าง ๆ เหล่านี้จะสัมผัสกับเหล็กหลอมเหลวหรือสแลกที่มีอุณหภูมิสูง แต่สื่อที่สัมผัส ความเร็วการไหล ระดับความปั่นป่วน ความผันผวนของอุณหภูมิ และวิธีการบำรุงรักษาจะแตกต่างกัน

การทบทวนที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่า การเสื่อมสภาพของชั้นบุทนไฟในช่องปล่อยเหล็กของเตาหลอมไม่เพียงเกิดจากแรงขัดถูทางกล แต่เป็นผลรวมของแรงเฉือนของของไหล ความเครียดทางความร้อน การออกซิเดชัน การกัดกร่อนจากสแลก และการถ่ายโอนมวล ใกล้กับเส้นโลหะในช่องหลัก การออกซิเดชันและปฏิกิริยาที่ผิวสัมผัสระหว่างเหล็กหลอมและสแลกมักมีบทบาทสำคัญ ในขณะที่เส้นสแลกได้รับอิทธิพลอย่างมากจากการละลายของสแลก การซึมผ่าน และการถ่ายโอนมวล

ดังนั้น บทบาทของไมโครซิลิกาในวัสดุหล่อช่องเทเหล็กจึงไม่สามารถสรุปได้เพียงว่า “เพิ่มความแข็งแรง” ได้เท่านั้น มันไม่เพียงแต่ช่วยปรับให้การจัดเรียงขนาดอนุภาคเป็นไปอย่างเหมาะสมและลดความพรุนของแมทริกซ์ แต่ยังส่งผลต่อเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูง การก่อตัวของมูลไลต์ ความต้านทานการออกซิเดชัน และความต้านทานต่อสแลกด้วย ส่วนต่าง ๆ ของช่องเทเหล็กต้องการการปรับสมดุลที่แตกต่างกันระหว่างการเพิ่มความหนาแน่น ความเสถียรต่อความช็อกความร้อน ความต้านทานการออกซิเดชัน และการควบคุมเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูง

II. หน้าที่หลักของไมโครซิลิกาในวัสดุหล่อแบบเทได้ Al₂O₃–SiC–C สำหรับร่องเหล็ก

1. การเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายขนาดอนุภาคของแมทริกซ์และประสิทธิภาพการใช้งาน

ไมโครซิลิกา ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดซับไมครอน สามารถเติมเต็มช่องว่างระหว่างผงคอรันดัมละเอียด อะลูมินาที่ผ่านการกระตุ้น และอนุภาคซีเมนต์ได้ ในระบบที่มีการกระจายตัวดี มันช่วยเพิ่มความหนาแน่นรวมของเมทริกซ์ และลดปริมาณน้ำที่จำเป็นระหว่างการนำไปใช้ โดยยังคงรักษาความสามารถในการทำงานได้

การศึกษาในอุตสาหกรรมเกี่ยวกับวัสดุสำหรับช่องเหล็กแสดงให้เห็นว่า โดยการปรับแต่งการกระจายขนาดอนุภาคและระบบการกระจายตัว ปริมาณน้ำในวัสดุหล่อได้ลดลงจาก 5.2 เปอร์เซ็นต์ เป็น 4.4 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ค่าการไหลยังคงไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณน้ำที่ลดลงส่งผลให้ค่าความพรุนปรากฏลดลงและโครงสร้างมีความหนาแน่นมากขึ้น ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาการบำรุงรักษาในการทดลองกับช่องหลักในอุตสาหกรรมการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า คุณค่าของระบบผงไมโครไม่เพียงขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ทางเคมี แต่ยังขึ้นอยู่กับการกระจายขนาดอนุภาค สารกระจายตัว และการออกแบบเมทริกซ์โดยรวมด้วย

2. การมีส่วนร่วมในการยึดติดที่อุณหภูมิสูงและความต้านทานการออกซิเดชัน

การวิจัยชี้ให้เห็นว่าปริมาณไมโครซิลิกาที่เหมาะสมในวัสดุหล่อ Al₂O₃–SiC–SiO₂–C สามารถสร้างเฟสของเหลวที่มีความหนืดสูงและอุดมด้วย SiO₂ ซึ่งต่อมาจะเกิดปฏิกิริยากับ Al₂O₃ เพื่อสร้างมัลไลต์ เฟสของเหลวที่อุดมด้วย SiO₂ นี้สามารถปิดผนึกรูพรุนบางส่วนได้ จึงช่วยชะลอการแพร่กระจายของออกซิเจนเข้าสู่ตัววัสดุ นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่เกี่ยวข้องกับการสร้างมัลไลต์สามารถชดเชยการหดตัวจากการเผาผนึกได้ในระดับหนึ่ง ซึ่งช่วยปรับปรุงความต้านทานต่อการออกซิเดชัน

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้หมายความว่าการใช้ไมโครซิลิกาในปริมาณมากขึ้นจะดีกว่าเสมอไป การใช้ไมโครซิลิกาในปริมาณมากเกินไป หรือไมโครซิลิกาที่กระจายตัวไม่ดี อาจทำให้ปริมาณน้ำเพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของเฟสของเหลวที่มีจุดหลอมเหลวต่ำในปริมาณมากเกินไป หรือทำให้วัสดุเกิดการเผาผนึกมากเกินไปในอุณหภูมิระดับกลางถึงสูง ส่งผลให้ความเสถียรต่อความช็อกความร้อนลดลง

3. ไม่ควรเลือกไมโครซิลิกาโดยพิจารณาจากความบริสุทธิ์ของ SiO₂ เพียงอย่างเดียว

การศึกษาเกี่ยวกับวัสดุหล่อสำหรับช่องเหล็กที่เผยแพร่ในปี 2023 ได้เปรียบเทียบไมโครซิลิกา 3 ประเภทที่มีปริมาณ SiO₂ ตามค่าที่ระบุไว้คือ 93%, 96% และ 99% ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า ในการทดลองนี้ ตัวอย่างไมโครซิลิกา 99% ต้องการปริมาณน้ำสูงที่สุด มีความหนาแน่นรวมต่ำที่สุด มีค่าความพรุนปรากฏสูงที่สุด และแสดงความสามารถในการต้านทานการออกซิเดชันต่ำที่สุด. ตัวอย่างไมโครซิลิกา 93% แสดงความแข็งแรงในการดัดที่อุณหภูมิสูงต่ำที่สุด. ในขณะที่ตัวอย่างไมโครซิลิกา 96% แสดงความต้านทานต่อสแลกและประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีที่สุด

ควรเน้นย้ำว่าผลลัพธ์เหล่านี้ไม่สามารถตีความได้ว่า ‘ไมโครซิลิกา 99% ทั้งหมดไม่เหมาะสมสำหรับวัสดุทนไฟในร่องเหล็ก’ ไม่เพียงแต่ผลิตภัณฑ์ทั้งสามชนิดมีความแตกต่างในองค์ประกอบทางเคมี แต่ยังมีความแตกต่างกันในด้านการกระจายขนาดอนุภาคและสิ่งเจือปนอื่นๆ ด้วย ข้อสรุปที่บทความนี้สนับสนุนจริงๆ คือ เมื่อเลือกไมโครซิลิกาสำหรับวัสดุทนไฟในร่องเหล็ก การประเมินอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับการกระจายขนาดอนุภาค ความสามารถในการกระจายตัว ปริมาณน้ำ องค์ประกอบของสิ่งเจือปน และพฤติกรรมปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง. ไม่ควรพึ่งพาการเปรียบเทียบค่า SiO₂ เพียงอย่างเดียว

III. สภาพการทำงานในพื้นที่ต่าง ๆ และข้อพิจารณาสำคัญในการใช้ไมโครซิลิกา

1. พื้นที่รับเหล็กหลอมของช่องเจาะและพื้นที่รับแรงกระแทกของรางหลัก

ส่วนหน้าของร่องหลักได้รับแรงกระแทกโดยตรงจากลำน้ำเหล็กหลอมที่ไหลออกมาจากช่องเท และถือเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่มีสภาพการทำงานรุนแรงที่สุดในระบบร่องเททั้งหมด การวิเคราะห์หลังการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมมักกำหนดพื้นที่ห่างจากช่องเทประมาณ 3–6 เมตร เป็นเขตความปั่นป่วนหรือเขตวิกฤต พื้นที่นี้ต้องรับแรงกระแทกจากเหล็กหลอมและสแลกที่มีอุณหภูมิสูง ความปั่นป่วนรุนแรง ก๊าซที่ติดมาด้วย การช็อกความร้อนเป็นช่วงๆ และการกัดกร่อนซ้ำๆ ที่เกิดจากกระแสน้ำเหล็กหลอมที่ไหลย้อนกลับ

การศึกษา CFD ชี้ให้เห็นว่าแรงเฉือนที่กระทำต่อก้นช่องหลักโดยทั่วไปสูงกว่าแรงเฉือนที่กระทำต่อผนังด้านข้าง โดยแรงเฉือนและแรงเครียดความร้อนใกล้จุดที่เหล็กหลอมไหลลงมีค่าสูงกว่าพื้นที่อื่นอย่างมีนัยสำคัญ. ในแบบจำลองช่องหลักหนึ่ง พบว่าแรงเครียดความร้อนสูงสุดเกิดขึ้นห่างจากปลายด้านหน้าของช่องหลักประมาณ 4 เมตร ซึ่งสอดคล้องกับพื้นที่ที่มีอายุการใช้งานสั้นที่สุดที่สังเกตเห็นในสถานที่จริง

วัตถุประสงค์หลักของการใช้ไมโครซิลิกาในส่วนนี้ ได้แก่:

เพื่อลดปริมาณน้ำที่เติมระหว่างการก่อสร้าง ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของแมทริกซ์และความต้านทานต่อการซึมผ่านของเหล็กหลอม;
เพื่อปรับปรุงความสมบูรณ์ของการยึดติดระหว่างวัสดุรวมกับแมทริกซ์ ซึ่งช่วยลดการหลุดลอกของอนุภาคเมื่อเกิดแรงกระแทก;
ชะลอการออกซิเดชันของคาร์บอนและ SiC ผ่านการก่อตัวของเฟสที่อุดมด้วยซิลิคอนและมัลไลต์ที่เหมาะสม;
เพื่อปรับปรุงความสามารถในการเทและรับประกันความสมบูรณ์ของการเทที่ฐานช่อง มุม และผนังด้านข้าง

อย่างไรก็ตาม ในเขตที่ได้รับแรงกระแทก ไม่ควรพยายามลดความพรุนให้ต่ำสุดและเพิ่มความแข็งแรงในการเผาผนึกสูงเกินไป โดยต้องแลกกับปัจจัยอื่น ๆ เมทริกซ์ที่มีความหนาแน่นมากเกินไปหรือมีเฟสของเหลวมากเกินไป อาจเพิ่มความเสี่ยงต่อการระบายน้ำระหว่างการอบอ่อน และก่อให้เกิดความเครียดทางความร้อนที่สูงขึ้นระหว่างการเปลี่ยนอุณหภูมิซ้ำ ๆ ดังนั้น ในพื้นที่นี้ การรักษาสมดุลระหว่างความต้านทานการกัดเซาะ ความต้านทานการออกซิเดชัน ความเสถียรต่อความช็อกความร้อน และการอบอ่อนที่ปลอดภัย จึงสำคัญกว่าการเพิ่มปริมาณไมโครซิลิกาที่เติมเข้าไปเพียงอย่างเดียว

2. ส่วนกลางและส่วนหลังของรางหลัก: ต้องพิจารณาแนวโลหะและสายสแลกแยกกัน

ความรุนแรงของความปั่นป่วนในส่วนกลางและส่วนท้ายของช่องหลักโดยทั่วไปต่ำกว่าในเขตการกระแทก; อย่างไรก็ตาม เหล็กหลอมและสแลกยังคงสัมผัสกับชั้นบุทนไฟเป็นระยะเวลานานกว่า ในจุดนี้ จำเป็นต้องแยกแยะเพิ่มเติมระหว่างเส้นทางไหลของโลหะ เส้นทางไหลของสแลก และพื้นช่อง

พื้นที่กระแสโลหะ

กระแสโลหะอยู่ใกล้กับพื้นผิวสัมผัสระหว่างเหล็กหลอมเหลว สแลก และวัสดุทนไฟ ซึ่งการออกซิเดชันของคาร์บอน การออกซิเดชันของ SiC การกัดกร่อนของ FeO และการแทรกซึมในสถานะของเหลว มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นพร้อมกันการวิเคราะห์หลังการดำเนินงานในอุตสาหกรรมได้เปิดเผยว่า เส้นโลหะอาจก่อตัวเป็นเฟสเหล็กโอลิวีนที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ซึ่งประกอบด้วย FeO และ SiO₂. เมื่อสแลกมีสัดส่วนส่วนประกอบอัลคาไลน์สูง เช่น K₂O ความหนืดและอุณหภูมิการอ่อนตัวของสแลกอาจลดลง ซึ่งส่งเสริมการซึมผ่านและการถ่ายโอนมวลมากยิ่งขึ้น และเร่งการสูญเสีย SiC

บทบาทที่เป็นประโยชน์ของไมโครซิลิกาในสายโลหะคือการเพิ่มความหนาแน่นของเมทริกซ์ ปิดกั้นเส้นทางการแทรกซึมของออกซิเจนและสารหลอมเหลว และส่งเสริมการก่อตัวของพันธะซิลิเกตหรือมัลไลต์ที่ให้การป้องกัน อย่างไรก็ตาม หากปริมาณ SiO₂ รวมในระบบสูงเกินไป และมี FeO หรือออกไซด์ของโลหะอัลคาไลอยู่ในปริมาณมาก ก็อาจเพิ่มความเสี่ยงต่อการก่อตัวของเฟสซิลิเกตที่มีจุดหลอมเหลวต่ำได้

ดังนั้น สำหรับวัสดุสายโลหะ ต้องควบคุมปัจจัยต่อไปนี้พร้อมกัน:

ปริมาณ SiO₂ รวมที่นำเข้ามาจากไมโครซิลิกาและวัตถุดิบอื่น ๆ;
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นหลังการแทรกซึมของ FeO, MnO และออกไซด์ของโลหะอัลคาลี;
ระบบต้านทานการออกซิเดชันที่ประกอบด้วย SiC และคาร์บอน;
โครงสร้างรูพรุนของแมทริกซ์ และความหนืดของเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูง

พื้นที่สายสแลก

พื้นที่แนวสแลก (slag line) ต้องเผชิญกับการกัดกร่อนเป็นหลักจากสแลกจากเตาหลอมที่มี CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ และปริมาณเล็กน้อยของ FeO และออกไซด์ของโลหะอัลคาไล การศึกษาหลังการผลิตได้เปิดเผยว่า สแลกสามารถทำปฏิกิริยากับ Al₂O₃ และ SiO₂ ในวัสดุทนไฟแบบเทได้ เพื่อสร้างเฟสต่าง ๆ เช่น แคลเซียมเฟลด์สปาร์ และแคลเซียม-อะลูมิเนียมเฟลด์สปาร์. ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาบางชนิดมีจุดหลอมเหลวต่ำ ซึ่งอาจทำให้เมทริกซ์อ่อนแอลงและส่งเสริมการหลุดลอกของมวลรวม

ในสายสแลก ไมโครซิลิกาทำหน้าที่ในสองด้าน คือ ลดการซึมผ่านของสแลกโดยการลดความพรุน และทำหน้าที่เป็นหนึ่งในแหล่งของ SiO₂ ในระบบปฏิกิริยาระหว่างสแลกกับวัสดุทนไฟ ดังนั้น การใช้ไมโครซิลิกาในสายสแลกต้องหาจุดสมดุลระหว่าง ‘ประโยชน์จากการเพิ่มความหนาแน่นทางกายภาพ’ และ ‘ความเสี่ยงจากปฏิกิริยาทางเคมีที่อุณหภูมิสูง’

สำหรับสแลกที่มีปริมาณ FeO สูง ปริมาณอัลคาลีสูง หรือมีความผันผวนอย่างมีนัยสำคัญ ความเหมาะสมของไมโครซิลิกาไม่สามารถกำหนดได้เพียงจากความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น แต่ควรดำเนินการทดสอบแบบปฏิบัติจริง เช่น การทดสอบแบบสถิตในครุยเซิล การทดสอบการกัดกร่อนแบบหมุน หรือการทดสอบการกัดกร่อนแบบไดนามิก

3. เครื่องแยกสแลก (Skimmer) และพื้นที่เปลี่ยนผ่านก่อนและหลังเครื่อง

สกิมเมอร์สแลกมีหน้าที่ให้เหล็กหลอมที่มีความหนาแน่นสูงไหลผ่านจากด้านล่าง พร้อมทั้งนำสแลกเข้าสู่ช่องสแลก ส่วนด้านหน้าสกิมเมอร์ อาจเกิดการสะสมของของเหลว การไหลย้อนกลับ และความปั่นป่วน ส่วนด้านหลังสกิมเมอร์ เหล็กหลอมจะเร่งความเร็ว ทิศทางการไหลเปลี่ยนไป และเกิดการกัดเซาะเฉพาะจุด

การศึกษาสนามการไหลที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่าเกิดการไหลปั่นป่วนอย่างมีนัยสำคัญใกล้กับสกิมเมอร์สแลก. มุมของแผ่นกั้น ความสูงของช่องเปิด และตำแหน่งสัมพัทธ์ของสกิมเมอร์สแลกต่อทางออกสแลก ล้วนมีอิทธิพลต่อแรงเฉือนที่ผนัง ประสิทธิภาพการแยกสแลก-เหล็ก และอายุการใช้งานของสกิมเมอร์สแลก

วัตถุประสงค์หลักของการใช้ไมโครซิลิกาในด้านนี้คือ:

การปรับปรุงความสามารถในการไหลของวัสดุหล่อได้และความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่ซับซ้อน;
ลดความพรุนที่ช่องเปิด มุม และจุดต่อของชิ้นส่วนที่หล่อล่วงหน้า;
ปรับปรุงความต้านทานโดยรวมของวัสดุต่อการแทรกซึมของสแลกและการกัดกร่อนจากเหล็กหลอม;
ปรับปรุงความยึดติดระหว่างวัสดุซ่อมแซมกับชั้นบุที่เหลืออยู่

ในเครื่องสกิมเมอร์สแลก โดยทั่วไปไม่สามารถแทนที่วัสดุเฉพาะทางด้วย ‘วัสดุทนไฟความแข็งแรงสูงสำหรับช่องหลัก’ ได้เพียงอย่างเดียว การออกแบบโครงสร้าง ขนาดของชิ้นส่วนสำเร็จรูป ความแข็งแรงในการดัด และความทนทานต่อความช็อกความร้อนของพื้นที่นี้ มีความสำคัญไม่แพ้ระบบไมโครซิลิกาเอง

4. รางแยกสำหรับเหล็กหลอม

หลังจากผ่านเครื่องแยกสแลก เหล็กหลอมจะเข้าสู่ช่องเหล็กหลอม ซึ่ง ณ จุดนี้ ปริมาณสแลกมักจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และวัสดุจะถูกสัมผัสกับเหล็กหลอมอุณหภูมิสูงเป็นหลัก ปัจจัยหลักที่ก่อให้เกิดความเสียหาย ได้แก่ การกัดกร่อนจากเหล็กหลอมอย่างต่อเนื่อง การสึกหรอเฉพาะจุดที่ส่วนโค้งและจุดเบี่ยงเบน การร้อนและเย็นแบบเป็นวัฏจักร การแทรกซึมของเหล็กหลอม และการออกซิเดชันหลังจากการปิดช่อง

ปัจจุบัน มีงานวิจัยที่เผยแพร่เพียงไม่กี่ชิ้นที่ทำการเปรียบเทียบทางอุตสาหกรรมโดยตรงเกี่ยวกับ ‘แผนการใช้ไมโครซิลิกาแบบต่าง ๆ สำหรับช่องกระจายเหล็กหลอม’ ดังนั้น เนื้อหาต่อไปนี้จึงเป็นการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมที่อิงจากกลไกทางวัสดุของช่องหลักและสภาพการทำงานของช่องกระจาย:

ผงไมโครซิลิกาควรเน้นการปรับปรุงความหนาแน่นของแมทริกซ์ ความสม่ำเสมอในการใช้งาน และความต้านทานต่อการแทรกซึมของเหล็กหลอม;
ไม่ควรแสวงหาความแข็งแรงจากการเผาผนึกที่มากเกินไปผ่านเฟสของเหลวที่มากเกินไป เพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อความเสถียรต่อความช็อกความร้อนภายใต้เงื่อนไขการเปิด-ปิดระบบซ้ำๆ;
ที่จุดโค้ง จุดลดระดับ และจุดแยกทาง ควรปรับปรุงการจัดลำดับขนาดของวัสดุรวมและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของเมทริกซ์ให้ดีขึ้น;
สำหรับพื้นที่ที่สัมผัสกับอากาศหลังจากปิดช่อง ควรเน้นการป้องกันการออกซิเดชันด้วยคาร์บอนและ SiC

การเลือกไมโครซิลิกาสำหรับช่องรองรับเหล็กโดยทั่วไปควรให้ความสำคัญกับปริมาณน้ำที่ต่ำ การกระจายตัวที่เสถียร และความเสถียรของปริมาตร มากกว่าการเลียนแบบอย่างเคร่งครัดการออกแบบที่ต้านทานสแลกสูงของช่องสแลกหลัก

5. ช่องทางสแลก

ช่องสแลกใช้หลักเพื่อขนส่งสแลกจากเตาหลอม. แม้อุณหภูมิของสแลกจะต่ำกว่าเหล็กหลอมทันทีหลังออกจากช่องเท แต่สัดส่วนของสแลกที่สัมผัสกับวัสดุทนไฟสูงกว่า ซึ่งส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีที่รุนแรงขึ้น วัสดุ Al₂O₃–SiC–C ถูกใช้อย่างแพร่หลายทั้งในช่องหลักและช่องสแลก เนื่องจาก SiC และคาร์บอนมีความเปียกต่ำต่อสแลกหลอม พร้อมทั้งมีความต้านทานต่อความช็อกความร้อนและการกัดกร่อนที่ดี

หน้าที่หลักของไมโครซิลิกาในช่องสแลกคือ:

เพื่อสร้างเมทริกซ์ที่หนาแน่น ซึ่งช่วยชะลอการซึมผ่านของสแลกตามรูพรุนและรอยแตกขนาดเล็ก;
เพื่อปรับปรุงความสามารถในการทำงานระหว่างการก่อสร้างและความสมบูรณ์ของพื้นผิวช่อง;
ส่งเสริมการก่อตัวของเฟสมัลไลต์หรือเฟสเซรามิกในปริมาณที่เหมาะสม ซึ่งช่วยเพิ่มความมั่นคงทางโครงสร้างภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง;
เพื่อควบคุมเฟสที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่เกิดจาก CaO, MgO, FeO และออกไซด์ของโลหะอัลคาไล

ในการศึกษาปี 2023 ที่กล่าวถึงข้างต้น ตัวอย่างไมโครซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์ 96% ได้แสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อสแลกที่ดีที่สุดในหมู่สามกลุ่มวัสดุ ซึ่งแสดงให้เห็นอีกครั้งว่าไมโครซิลิกาสำหรับร่องสแลกควรให้ความสำคัญกับคุณภาพโดยรวมมากกว่าการมุ่งเน้นความบริสุทธิ์สูงสุดเพียงอย่างเดียว

6. รางและปากเทแบบเอียง

หัวฉีดแบบสั่นตั้งอยู่ก่อนที่เหล็กหลอมจะเข้าสู่ถังตอร์ปิโดหรือถังเท. นอกจากต้องรับการกัดกร่อนจากเหล็กหลอมแล้ว ยังต้องเผชิญกับการเอียงตัว การสั่นสะเทือน การเทแบบเป็นช่วงๆ การกระแทกเฉพาะจุดจากความสูงที่ลดลง และความผันผวนของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง พื้นที่ใกล้แกนหมุน ช่องทางออกของหัวฉีด และจุดที่เหล็กหลอมกระแทก มักเป็นบริเวณที่ความเครียดทางกลและทางความร้อนรวมตัวกัน

ปัจจุบัน มีหลักฐานจากงานวิจัยอิสระเกี่ยวกับบทบาทของไมโครซิลิกาในหัวฉีดแบบสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้น จึงไม่ควรอ้างว่าไมโครซิลิกาชนิดใดชนิดหนึ่งหรือปริมาณการใช้ที่กำหนดไว้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดจากงานวิจัยดังกล่าว จากมุมมองทางวิศวกรรม ไมโครซิลิกาถูกใช้หลักเพื่อ:

ลดปริมาณน้ำในระหว่างการก่อสร้างและเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างในระยะเริ่มต้น;
เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของแมทริกซ์ และลดการซึมผ่านของเหล็กหลอมและการกัดกร่อนเฉพาะจุด;
เพื่อปรับปรุงความสมบูรณ์ของชิ้นหล่อที่ส่วนโค้งของหัวฉีดและในพื้นที่ที่เปราะบาง;
ทำงานร่วมกับระดับการคัดขนาดของหินรวมและสารต้านออกซิเดชัน เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความต้านทานการกัดกร่อนและความเสถียรต่อความช็อกความร้อน

โดยเฉพาะในด้านนี้ ต้องหลีกเลี่ยงการเผาผนึกที่มากเกินไปและการเปราะของเมทริกซ์ ดังนั้น การประเมินวัสดุจึงควรรวมถึงการทดสอบความแข็งแรงที่เหลืออยู่หลังการรับแรงกระแทกจากความร้อน รวมถึงความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้สภาวะการกัดกร่อนแบบไดนามิกและแรงสั่นสะเทือน

IV. หลักการเลือกไมโครซิลิกาสำหรับช่องเหล็กหลอม

ประการแรก ความบริสุทธิ์ของ SiO₂ ไม่ควรถือเป็นเกณฑ์เดียว

ความบริสุทธิ์สูงไม่เท่ากับความชื้นต่ำ และไม่จำเป็นต้องเท่ากับความหนาแน่นรวมสูงและความต้านทานต่อสแลกสูง การทดสอบการกระจายขนาดอนุภาค พื้นผิวจำเพาะ สภาพการรวมตัว การสูญเสียเมื่อเผา ความเป็นคาร์บอน และสิ่งเจือปนของโลหะอัลคาไล ต้องดำเนินการพร้อมกันทั้งหมด

ประการที่สอง ควรควบคุมปริมาณ SiO₂ รวมและเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูงตามตำแหน่งเฉพาะ

พื้นที่รับแรงกระแทกต้องการโครงสร้างที่หนาแน่นและมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนและการออกซิเดชัน. ส่วนเส้นสแลกต้องการการควบคุมอย่างเคร่งครัดต่อเฟสที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ. ส่วนช่องรองรับและหัวฉีดแบบสั่นสะเทือนให้ความสำคัญมากขึ้นต่อความต้านทานต่อการซึมผ่านของเหล็กหลอมเหลว ความเสถียรต่อความช็อกความร้อน และความเสถียรของปริมาตร ไม่ควรนำสูตรแมทริกซ์เดียวกันไปใช้กับตำแหน่งต่าง ๆ อย่างอัตโนมัติ

ประการที่สาม ประเมินไมโครซิลิกาควบคู่กับระบบเมทริกซ์ทั้งหมด

ประสิทธิภาพของไมโครซิลิกาได้รับอิทธิพลจากส่วนผสมของอลูมินาที่ผ่านการกระตุ้น ซีเมนต์ SiC แหล่งคาร์บอน ซิลิคอนโลหะ B₄C สารกระจายตัว และปริมาณน้ำในระหว่างการเท การอภิปรายเรื่อง ‘ไมโครซิลิกาที่เหมาะสมที่สุด’ โดยแยกออกจากสูตรผสมโดยรวมนั้นขาดความน่าเชื่อถือทางวิทยาศาสตร์

ประการที่สี่ ปริมาณการใช้ต้องกำหนดผ่านการทดสอบวัสดุในทางปฏิบัติ

แนะนำให้ประเมินอย่างน้อยพารามิเตอร์ต่อไปนี้: ค่าการไหลสัมพันธ์กับปริมาณน้ำ, ความหนาแน่นรวม, ความพรุนปรากฏ, ความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้อง, ความแข็งแรงในการดัดที่อุณหภูมิสูง, ดัชนีความต้านทานการออกซิเดชัน, ความแข็งแรงที่เหลือหลังการช็อกความร้อน, ความต้านทานการกัดกร่อนจากสแลกจริง และประสิทธิภาพการแห้งที่ปลอดภัย ไม่สามารถนำปริมาณการใช้ที่คงที่มาใช้โดยตรงกับโรงงานเหล็กและชิ้นส่วนทั้งหมดได้ โดยอ้างอิงจากงานวิจัยเพียงฉบับเดียว

สรุป

คุณค่าของไมโครซิลิกาในวัสดุทนไฟสำหรับช่องปล่อยเหล็กของเตาหลอมเหล็กอยู่ที่การควบคุมโครงสร้างแมทริกซ์และกระบวนการปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงอย่างครบถ้วน มันช่วยปรับการกระจายขนาดอนุภาคให้เหมาะสม ลดการใช้น้ำระหว่างการติดตั้ง เพิ่มความหนาแน่น และปรับปรุงการยึดติดของเซรามิกและความต้านทานการออกซิเดชัน ผ่านการก่อตัวของเฟสของเหลวที่อุดมด้วยซิลิคอนและมัลไลต์

อย่างไรก็ตาม ไมโครซิลิกายังเปลี่ยนแปลงปริมาณ SiO₂ รวมและองค์ประกอบของเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูงของระบบด้วยในสภาพที่มี FeO, CaO, MgO หรือออกไซด์ของโลหะอัลคาไลอยู่ SiO₂ ที่มากเกินไปหรือไม่เหมาะสมอาจก่อให้เกิดการก่อตัวของเฟสที่มีจุดหลอมเหลวต่ำได้ ดังนั้น ช่องหลักในเขตผลกระทบ เส้นโลหะ เส้นสแลก เครื่องสกิมเมอร์สแลก ช่องสาขา ช่องสแลก และหัวฉีดแบบสั่น ควรได้รับการออกแบบให้เป็นเขตแยกต่างหาก. ไม่สามารถใช้ ‘ไมโครซิลิกาความบริสุทธิ์สูง’ ประเภทเดียวเพื่อครอบคลุมทุกสภาพการทำงานได้

เกณฑ์ที่เชื่อถือได้จริงในการเลือกวัสดุไม่ใช่ความบริสุทธิ์สูงสุดหรือความแข็งแรงสูงสุดที่อุณหภูมิห้อง แต่เป็นว่าวัสดุนั้นสามารถรักษาความซึมผ่านต่ำ การออกซิเดชันต่ำ ความแข็งแรงทางความร้อนที่มั่นคง และอัตราการสึกหรอที่ควบคุมได้ในระยะยาว ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะขององค์ประกอบของสแลก อุณหภูมิเหล็กหลอม ระบบการเทเหล็ก และช่วงเวลาการบำรุงรักษา

แหล่งอ้างอิงหลัก

Darban S. et al., ‘กลไกการกัดกร่อนของวัสดุทนไฟแบบหล่อ Al₂O₃-SiC-C โดยเหล็กและสแลก จากการวิเคราะห์หลังการใช้งานของตัวอย่างอุตสาหกรรม’, Open Ceramics, 2023, บทความหมายเลข 100453.
Cao Z. et al., ‘ผลของควันซิลิกาชนิดต่าง ๆ ต่อคุณสมบัติของวัสดุหล่อทนไฟ Al₂O₃-SiC-C สำหรับรางเหล็ก’, China’s Refractories, 2023, 32(2): 31–36.
Liu G. et al., “ผลของไมโครซิลิกาต่อความต้านทานการออกซิเดชันของวัสดุหล่อ Al₂O₃-SiC-SiO₂-C ที่มีสารเติมแต่ง Si และ B₄C”, *Ceramics International*, 2016.
Yao H. et al., “การวิเคราะห์เชิงตัวเลขเกี่ยวกับการกัดกร่อนและการปรับปรุงประสิทธิภาพของรางหลักในเตาหลอมเหล็ก”, *Materials*, 2021, 14: 4851.
Ranjan S. และคณะ, ‘การทบทวนและวิเคราะห์กระบวนการโลหะวิทยาในรางหลักของเตาหลอมแบบบลาสต์เฟอร์นัสและประสิทธิภาพของราง’, *Transactions of the Indian Institute of Metals*, 2022, 75: 589–611.
Domiciano V. G. และคณะ, ‘ความท้าทายของโรงหล่อในเตาหลอม: การวิเคราะห์ความล้มเหลวของวัสดุทนไฟแบบหล่อสำหรับรางหลัก’, รายงานการประชุม UNITECR.
Chang C. M. และคณะ, ‘การวิเคราะห์เชิงตัวเลขเกี่ยวกับการสึกหรอของวัสดุทนไฟในรางหลักของเตาหลอม’, *Advances in Science and Technology*, 2014, 92: 294–300.