钢包操作条件对耐火材料的影响

0.10
MD8 0.06
溶解速度/（mm·min-1）
0.02 MK
0.6 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。
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=
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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
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
பைடு நூலகம்
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↑。
表 1 温度对不同钢包材料溶解速度的影响
温度/℃ 1 550 1 575 1 600 1 625 1 650 1 675 1 700
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
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
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
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
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2009 年 10 月
山东冶金
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：
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。
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］。
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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。
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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
钢 水 在 钢 包 内 停 留 时 间 分 为 出 钢 时 间（2～7 min）、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
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
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：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。
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 （1 650 ℃，200 r/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。
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］。
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 ，
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