钢包操作条件对耐火材料使用寿命的影响_田守信

［4］ （J＝A ＋ Bn0.7） 。但是， 吹氩导致钢包渣表面的氧
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 1 700 ℃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=
溶解速度/ （mm · min-1）
0.10 MD8 0.06 0.02 0.6
MK 1.0 1.4 1.8 炉渣碱度 2.2 2.6
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
第 31 卷 第 5 期 2009 年 10 月
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山
东
冶
金
Shandong Metallurgy
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Vol.31 No.5 October 2009
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专论与综述
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）
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
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。
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: ， 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： ， 镁铬材料溶解速度与温度关系为： 。 果见表 1。
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田守信
钢包操作条件对耐火材料使用寿命的影响
2009 年第 5 期
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 ； 三是耐火材料某些成分与钢水内的某些成分
（2）
（3）
将式 （2） 、 （3） 取值计算并换算成侵蚀指数， 结
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
表1 温度对不同钢包材料溶解速度的影响
镁钙材料指数 60 78 100 128 163 206 260 镁铬材料指数 7 10 15 22 33 48 68 温度/℃ 1 550 1 575 1 600 1 625 1 650 1 675 1 700
（1）
式中： J、 E、 T 分别为溶解速度、 溶解活化能、 绝对温
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 中图分类号 号： TF341.9 文献标识码： A 文章编号： 1004-4620 （2009） 05-0020-04
1 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 2～4 kg/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 2～4 kg/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 1 kg/t 以下， 普遍达到了 1 kg/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。