钢包操作条件对耐火材料的影响

第31卷第5期2009年10月山东冶金ShandongMetallurgyVol.31No.5October2009摘要：分析探讨了钢包温度、精炼时间、渣的碱度、渣的氧化性、渣的黏度、真空处理、超高温、吹气搅拌等操作条件对包衬耐火材料侵蚀的影响，总结了不同精炼设备的使用寿命，对提高钢包的使用寿命和减少钢包耐火材料的消耗具有指导意义。关键词：钢包；精炼炉；操作工艺；耐火材料中中图分类号号：TF341.9文献标识码：A文章编号：1004-4620（2009）05-0020-041前言钢包用耐火材料占钢铁冶金耐火材料的30%以上，是冶金耐火材料消耗的焦点。目前，我国普通小钢包用以高铝为主要原料的铝镁质浇注料，使用寿命达到了70次以上，好的达到了150次以上，特别是采用了冷剥皮再套浇复原的冷修补模式，并且重复进行，使耐火材料的单耗降低到2～4kg/t。但仍有采用低档次的砖砌钢包，使用寿命低，没有修补，一次性更换，导致耐火材料单耗高。对于中、大型钢包，一般渣线用镁碳砖，其他部位用刚玉-尖晶石质或铝镁质浇注料或铝镁碳砖，且2、3个渣线和包底砖与1个熔池衬相平衡［1-2］，使耐火材料的单耗在2～4kg/t。但还有采用低档次的砖砌钢包，使用寿命低，没有修补，一次性更换，导致了耐火材料单耗高。对于包括精炼在内的钢包，国外耐火材料消耗已经降低到1kg/t以下，普遍达到了1kg/t左右。因此，我国钢包耐火材料单耗与国外有很大的差距［3］。随着钢铁产品质量的提高，需要在钢包内进行吹氩搅拌、吹氧脱碳、加热升温、加合成渣、添加合金元素、真空等工艺处理工序的比例越来越大，这些工艺过程导致了钢水在钢包内停留时间越来越长，耐火材料包衬的侵蚀速度加快和使用寿命显著下降。在包衬耐火材料相同的情况下，使用寿命由几次到上百次，差别非常明显。这些差距主要是由钢包的精炼工艺条件所引起的。什么条件产生如此大的影响，目前尚缺少系统的分析研究和总结。本研究就每一个精炼工艺参数对包衬的影响进行分析探讨，揭示它们的影响规律。运用这些规律，把操作条件和提高钢包使用寿命结合起来，达到提高钢包使用寿命和降低耐火材料单耗的目的。2使用条件对包衬耐火材料侵蚀的影响2.1温度的影响钢包衬耐火材料的溶解速度与温度的关系可以用阿累尼乌斯方程式表达:，（1）式中：J、E、T分别为溶解速度、溶解活化能、绝对温度，k和R为常数。因此，钢包内钢水温度越高，溶解侵蚀越快，使用寿命越低。陈肇友对精炼钢包材料抗渣溶解进行了系统研究，得到了非常有指导意义的结论［4］。MgO-CaO材料溶解速度和温度的关系为：，（2）镁铬材料溶解速度与温度关系为：。（3）将式（2）、（3）取值计算并换算成侵蚀指数，结果见表1。表1温度对不同钢包材料溶解速度的影响温度/℃1550157516001625165016751700镁钙材料指数6078100128163206260镁铬材料指数7101522334868由表1可知，钢包内钢水温度的增加显著增加了侵蚀速度。钢包精炼的一个重要过程就是经过电弧加热、电磁搅拌加热、加发热剂或吹氧等输入热能而导致了钢包温度的提高，导致了钢包衬的侵蚀速度加快和使用寿命降低。这就是VOD、LF等精炼设备的使用寿命显著低于普通钢包的重要原因之一。另一方面，温度均匀性也是影响精炼钢包使用寿命和安全性的一个重要因素。对于LF炉，电弧钢包操作条件对耐火材料使用寿命的影响田守信（上海宝钢研究院，上海201900）收稿日期：2009-08-04作者简介：田守信，男，1956年生，宝钢耐火材料首席研究员，教授级高工，从事冶金耐火材料的开发和应用研究。􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀧊􀥊􀥊􀧊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀥊􀧊􀥊􀥊􀧊专论与综述专论与综述20加热，导致局部出现热点而加速损毁，在没有修补的情况下，侵蚀最快的局部决定了使用寿命，因此，导致了钢包使用寿命的降低。在这种情况下，减少连续加热时间和适当降低加热强度对降低热点过热度和提高钢包衬使用寿命是非常有效的，再就是要适时进行修补，均衡包衬。2.2盛钢水时间的影响一般情况下，钢水几乎不溶蚀耐火材料，或钢水对耐火材料的溶蚀很慢，钢包耐火材料的侵蚀主要是由渣引起的。钢水对耐火材料作用主要体现在3个方面：一是在出钢、浇钢和吹氩搅拌的过程中，钢水的流速和冲击力很大，冲刷耐火材料包衬，导致耐火材料损耗和耐火材料颗粒进入钢水，进入钢水的大部分耐火材料颗粒上浮到渣中，而有小部分微小颗粒不能上浮而形成钢的非金属夹杂物，影响了钢的质量；二是包衬耐火材料向钢水中溶解，一般耐火材料在钢中的溶解度很低，溶解侵蚀很少，但是耐火材料内有些成分（如碳）在钢中溶解度较高，向钢中溶解，影响了低碳钢和超低碳钢的生产［5］；三是耐火材料某些成分与钢水内的某些成分（尤其是某些特钢成分）相互作用，发生化学反应，导致钢成分改变和耐火材料的侵蚀［6-7］。钢水在钢包内停留时间分为出钢时间（2～7min）、精炼时间、停留时间和浇钢时间。这些时段对耐火材料衬的侵蚀程度是不一样的。在出钢过程中，钢水对包衬的冲击力导致局部冲刷损耗，同时由于强烈搅拌导致渣与耐火材料的反应侵蚀也很激烈。在精炼过程中，精炼时间越长，渣与耐火材料反应越多，熔蚀量越大，即钢包的使用寿命就越低，包衬的使用寿命随精炼时间延长而线性地减少［8～10］。停留期间，随着时间延长，界面反应层增厚，反应物和生成物要经过很长时间的扩散，侵蚀是由扩散控制的。根据扩散动力学方程可知，侵蚀量与停留时间的平方根成正比，因此，停留期间包衬耐火材料侵蚀较慢。在浇钢过程中，渣至上而下落过钢包不同位置，这是导致钢包熔池侵蚀的主要原因。但在浇钢过程中，渣与某处的包衬接触时间很短，所以在浇钢过程中包衬的侵蚀还是很少的。2.3钢渣的影响2.3.1渣碱度的影响渣中的碱度，即CaO/SiO2比例，反映了渣对不同耐火材料的侵蚀性和渣本身的黏度及液化温度。这些研究要从渣图集去分析。由于渣中CaO/SiO2的变化，导致了渣液相量、液化温度、渣黏度和化学组成的变化，而这些变化又与钢包壁耐火材料相互作用，生成更低温度的液相，进入渣本体内，导致了耐火材料的熔蚀消耗。这方面对于不同材料和不同渣系是不同的。一般来讲，低碱度渣用镁钙系和镁铬系材料为好，高碱度渣用镁质材料为好，炉渣碱度对镁钙（MD8）、镁铬（MK）试样溶解速度的影响（1650℃，200r/min）见图1［4］。目前普遍使用含碳耐火材料，对应低碱度渣应该用镁钙碳耐火材料，高碱度渣应该用镁碳质耐火材料。0.100.060.020.61.01.41.82.22.6炉渣碱度溶解速度/（mm·min-1）MD8MK图1炉渣碱度对试样溶解速度的影响2.3.2渣氧化性的影响目前精炼钢包渣线多用镁碳砖，镁碳砖易氧化，受渣的氧化性影响较大。渣的氧化性越强，越易氧化和侵蚀镁碳砖。钢包渣的氧化性主要由下列操作条件形成。1）炼钢炉内的渣是含氧化铁20%以上的氧化性很强的渣，当从炼钢炉出钢到钢包时，如果挡渣不好，炼钢渣部分进入钢包，不但影响了精炼，耗费更多的脱氧剂，同时加快了对钢包衬的侵蚀。因此，在炼钢出钢过程中，应该采用无渣技术，即良好的挡渣出钢技术将显著降低钢包衬的侵蚀和减少脱氧剂的用量。2）对于VOD和AOD炉，要进行吹氧脱碳，因此渣中的氧化铁非常高［11］。渣中的氧和钢液中的氧相互扩散而形成动态平衡。这样也反映了钢液的氧化性。高氧化性产生如下作用：①渣中的氧化铁增多，导致渣黏度和熔化温度降低，因而对包衬的侵蚀加快［12］；②对于含碳耐火材料还有一个重要的反应就是碳的氧化，即[{C}+{O}=CO2↑，{C}+［O］+CO2↑]，造成包衬脱碳，形成松散结构的脱碳层，导致包衬被渣渗透和熔蚀，同时也加快了冲刷。氧化性渣对耐火材料的侵蚀是非常严重的。3）采用脱氧剂和洁净剂对钢包内钢水进行脱氧和脱硫，导致钢包上表面的渣呈现还原性和成分的变化，这种还原性渣，对耐火材料侵蚀较低。在钢水洁净剂中，有铝钙系渣和硅钙系渣，它们对耐火材料的侵蚀不同。一般铝钙系渣对镁碳砖侵蚀较轻，对镁钙碳砖侵蚀较重。而硅钙系渣就由图1所示的钙硅比所影响。渣中氧化镁增加，导致耐火材料内氧化镁在渣中的不饱和度降低和浓差变小，因此溶解的驱动力降低和熔蚀速度变慢［13-14］。即通过白云石或镁质造渣剂可以有效地减少包衬的侵钢包操作条件对耐火材料使用寿命的影响田守信2009年第5期21山东冶金2009年10月第31卷蚀和提高使用寿命。2.3.3渣黏度的影响渣黏度降低，会导致扩散层变薄。因为侵蚀速度与扩散层成反比，因此，渣黏度的降低会使熔蚀速度加快。另一方面，渣黏度与渣渗透耐火材料深度的关系为：X=。（4）式中：X、r、σ、θ、η和t分别为渣渗透深度、耐火材料气孔半径、表面张力、润湿角、渣黏度和渗透时间。由（4）式可知，渣向耐火材料渗透深度与渣黏度的平方根成反比。因此渣黏度降低，导致扩散深度增加，即渣黏度降低，会使耐火材料反应变质层加厚，导致了侵蚀增加。渣渗入的耐火材料层的耐火度降低，烧结致密度增加，与耐火材料原始层的热膨胀等性能差异增加，在钢包间歇使用过程中，导致渣渗透层裂纹和剥落，从而造成了耐火材料包衬损耗。因此，提高渣的黏度能降低耐火材料包衬的侵蚀，提高钢包的使用寿命。可以通过添加适量的白云石和选用合理的造渣剂而控制渣黏度，达到减少耐火材料侵蚀和提高钢包使用寿命的目的。2.4真空处理的影响很多精炼设备具有真空处理功能，如LF-VD、VOD、RH和DH等。真空条件对耐火材料的损耗特别是含碳耐火材料具有很大影响。根据化学平衡原理，在真空条件下，将促进下列反应向右进行，造成耐火材料内部气化：MgO+C=Mg↑+CO↑，4MgO+2Al=3Mg↑+MgAl2O4，MgO+Si=Mg↑+SiO↑，5MgO+B4C=5Mg↑+CO↑+2B2O2↑。上述反应导致了含碳耐火材料内部松散，强度下降，甚至粉化，使包衬的使用寿命随VD比例和处理时间的延长而线性下降［8］。因此，在高温真空条件下，不宜选择铝粉、硅粉和碳化硼这些易与氧化镁发生氧化还原反应的添加物。它们不但不能提高钢包的使用寿命，反而降低使用寿命。而CaO不易与碳发生氧化还原反应，所以在一定条件下，MgO-CaO-C比镁碳更适合这些特殊条件。2.5超高温的影响在冶炼不锈钢过程中需要超高温，即在AOD和VOD精炼炉内往往出现1700℃以上高温。温度增加，显著提高了耐火材料的侵蚀速度，因此超高温会导致耐火材料的严重侵蚀。超高温不但使渣黏度降低和溶解度增加而导致熔蚀速度加快，而且对于含碳耐火材料严重影响了下列氧化还原反应：MgO+C=Mg↑+CO↑－热量，MgO+2Al=Mg↑+Al2O↑－热量，MgO+Si=Mg↑+SiO↑－热量，5MgO+B4C=5Mg↑+CO↑+2B2O2↑－热量，2MgO+SiC=2Mg↑+SiO↑+CO↑－热量。上述反应都是吸热反应。根据化学平衡原理，升高温度，使反应向右进行，这就造成了像真空条件一样的后果，即在超高温下，含铝粉、硅粉等添加物的镁碳砖包衬不会有好的使用效果，甚至会更差。因此在精炼钢包的使用过程中，应该控制超高温以及在高温的时间。2.6吹氩搅拌的影响在钢包精炼过程中，一般都吹氩搅拌，这样导致了渣对耐火材料界面扩散层变薄，因此侵蚀介质扩散加快，即侵蚀速度变快。如试样在渣中旋转侵蚀，试样的侵蚀速度与旋转速度的0.7次方成正比（J＝A＋Bn0.7）［4］。但是，吹氩导致钢包渣表面的氧气浓度降低，而氩气本身对炉衬不产生腐蚀性，所以吹氩可以减少含碳耐火材料的氧化。因此，钢包吹氩，对包衬耐火材料侵蚀的影响并不是很严重。2.7间歇操作的影响钢包处于盛钢—运输—精炼—停留—浇钢—翻渣—修理—等待（预热）交替进行的过程中，钢包的温度可从室温到1700℃不停地发生变化，这种温度波动会导致耐火材料包衬产生很大的应力。耐火材料在低温下是脆性材料，在这样温度波动的条件下，容易产生裂纹和剥落，从而导致了异常的损耗和降低了包衬的使用寿命。因此，要减少剥落和异常损耗，应该加快钢包周转和加强钢包预热保温，防止钢