抚钢炉外精炼用耐火材料的现状及发展.doc

抚钢炉外精炼用耐火材料的现状及发展薄永明(东北特钢集团抚顺特殊钢股份有限公司技术部) 摘 要 本文简要介绍了抚钢炉外精炼的形式，分析了炉外精炼钢包内衬及功能元件用耐火材料的现状，探讨了提高精炼钢包寿命需要解决的问题，提出了今后钢包用系列耐材的研制应用及发展方向。关键词 炉外精炼 形式 钢包 功能元件 现状 发展1 前言为了适应钢铁工业发展的需要，二炼钢在八十年代从德国引进了VHD/VOD炉(见表1)，二炼是抚钢高合金钢、高温合金电极棒的生产单位，是抚钢品种生产线的重要部分。 表1 主要设备数量产地投产时间水平电弧炉10吨 3台5 吨 1台3 吨 1台国产精炼炉VHD/VOD30/60吨各一台德国海拉斯1979年国际先进注： 原老一炼已经在抚钢运行六十年，而且装备落后，设备能力小，消耗高，于二OOO年拆除，将一台3吨炉移植到二炼钢。原四炼钢更名为一炼钢。新一炼是抚钢的效率生产线的重要组成部分。该分厂从九十年代初期陆续从国外引进先进的设备(见表2)，打造了国内乃至世界一流的炼钢生产线。 表2主要设备数量产地投产时间水平超高功率电弧炉（UHP）50吨 一台60吨 一台德国Crupp公司德国Fuchs公司1992年2001年国内先进国际先进炉外精炼60吨LF（VD）两台国产1992年2001年国内先进先进的生产工艺和设备需要相应的优质耐火材料相配合，炉外精炼苛刻的工艺条件对耐火材料提出了更高的要求，耐火材料的使用寿命已成为制约炉外精炼处理能否正常进行的关键环节。因此，只有不断研制开发新产品，改进提高现有产品的性能，发挥耐火材料衬里的全部效能，获最佳的经济效益，才能满足炼钢生产的需要。2 抚钢炉外精炼的形式及耐火材料的使用情况2.1 炉外精炼的形式炉外精炼作为电炉模铸（连铸）生产的中间环节，起到提高产量、保证质量、净化钢水及调节成份的作用。因此，在模铸（连铸）生产中，要提供化学成份、气体含量及夹杂物合格的钢水，必须进行炉外精炼。抚钢炉外精炼有四种形式：VHD、VOD、LF、VD。VHD：为带加热的真空脱气。从原理上与VD炉基本一致，但具备加热功能，结合老式电炉可以冶炼一些高合金比的钢种。VOD：真空下吹氧去碳。在真空下利用碳的脱氧能力大于硅、铬等合金的原理进行去碳升温。利用VOD可以冶炼碳小于0.02%的超低碳不锈钢,二炼是抚钢合金比高的品种钢的生产单位。LF：是ladle furnace的简写。一炼钢LF的功率为10MVA，升温速度为45/min。电炉的无渣出钢为精炼提供了良好的条件。LF脱硫迅速、控制温度、成份精确，并通过氩气搅拌使夹杂物充分上浮，大幅度提高了钢水的纯净度和稳定性。LF不仅使钢水质量大幅提升，还是电炉与连铸之间的缓冲，使连铸参数的稳定控制成为可能。VD:vacuum degassing的简写。VD使钢水在真空下充分去气（H2、N2），并进一步脱硫、脱氧，使钢水更加纯净。经VD处理的钢水，硫含量最低可达0.003%以下，H2可以达到2ppm以下，N2可以达到60ppm以下。四种方法对比见表3。表3项目 设 备VHDVODLFVD精炼形式真空电弧加热脱碳真空吹氧脱碳法钢包精炼真空脱气钢种合工、合结等主要用于不锈钢的冶炼轴承钢、合工钢、合结钢等轴承钢、合工钢、合结钢等特点1 真空脱气；2 成分温度微调。1 真空脱气；2 真空去碳保Cr，冶炼低碳不锈钢和超低碳不锈钢。1 对钢水加热升温和保温（电弧加热）2 均匀钢水成分和温度（底吹氩搅拌）3 减少钢水夹杂物、降低氧含量（底搅拌、脱氧剂、还原渣）4 造还原渣脱S及喂丝处理1 脱氧、脱硫；2 氩气搅拌，去气去夹杂；3 精调温度与成分。4 减少金属夹杂，提高钢水纯度。2.2耐火材料的使用情况耐火材料材质与性能决定了精炼装置的使用寿命，四种精炼方式选用耐火材料情况见表4 。 表4 项目 设备VHD/VODLFVD耐火材料材质与寿命炉盖电极孔中心区采用不烧高铝电炉顶砖，炉盖周边采用烧成高铝电炉顶砖。VHD炉盖寿命110-130次,VOD炉盖寿命30-35次。预制整体炉盖是发展趋势。1LF选用刚玉质浇注料预制整体炉盖。寿命稳定使用在150次以上。2#LF炉盖采用全水冷装置。真空罐采用刚玉质浇注料预制整体炉盖。寿命稳定使用在120次以上。3 精炼钢包用耐材系统存在的基本问题及发展方向3.1 钢包衬用耐材目前，抚钢炉外精炼钢包衬主要以镁碳砖为主。近年来，由于冶炼低碳钢、超低碳钢和提高钢包寿命的需要，已开发出无碳钢包衬，使炉外精炼钢包寿命大幅度提高。同时，钢包衬的无碳化、碱性化也是冶炼洁净钢的新需要，是钢包衬用耐材的发展方向。无碳材料有整体浇注料（主要为刚玉尖晶石质、刚玉氧化镁质浇注料）、浇注预制块、无碳机压成型砖（铝镁质或铝尖晶石质）。众所周知，砖砌衬一般皆由砖缝先侵蚀，而整体浇注料恰恰弥补了这一点，况且热震性极好，使用寿命高。但是，与砖砌衬相比整体浇注料在实际应用中仍存在一些问题，比如在浇注时的加水量、养生温度、烘烤制度等方面都有一定的要求，一般现场很少能达到以上工艺条件，造成一定的质量性能波动，而且从浇注、养生到烘烤都要有较长的准备时间，一般在老工厂很少能满足上诉条件，另外在现有钢包条件下蚀损速度都很快，需要从中后期开始就要进行频繁的修补，增加了工人的劳动强度，这些现状制约了整体浇注料的试验推广。因此，整体浇注料不适用我公司炉外精炼钢包衬，无碳机压成型砖、浇注预制块尤其是无碳机压成型砖是我公司钢包衬的发展趋势。3.1.1 VHD钢包工作衬（包底、熔池）使用低碳镁碳砖（YB/T4074-1991,MT10B ,但C10），包龄17-29次。VHD精炼抽真空前的加热期，大气中的氧脱碳以及抽真空后，高温、真空下MgO+C的自身脱碳，造成砖的机械强度明显降低。上述情况严重影响了包衬寿命，使用高强度、高致密度的低碳镁碳砖是发展趋势。3.1.2 VOD钢包工作衬（包底、熔池）使用低碳镁碳砖（YB/T4074-1991,MT10B，但 C10）、高铝烧成砖（YB/T5017-93,DL-80,但A.P20%），使用低碳镁碳砖的包龄16-20次，使用高铝烧成砖的包龄8-12次。低碳镁碳砖使用寿命相对较低，为防钢水增碳，冶炼超低碳钢使用高铝烧成砖，高铝烧成砖热震稳定性差，裂纹严重，易钻钢、挂渣。使用镁钙碳砖、无碳铝镁不烧砖是发展趋势，镁钙碳砖的防水化问题是难题而且使用条件对其影响较大，在二炼钢难以推广；无碳铝镁不烧砖用卤水结合，对洁净钢水尤其超低碳钢大有好处，目前正在筹备试验阶段。3.1.3 LF/VD钢包工作衬（包底、熔池）使用镁碳砖（YB/T4074-1991,MT14B），包龄70-80次，使用较稳定。为减少钢包温降以及洁净钢水，使用低碳镁碳砖或无碳铝镁不烧砖是发展趋势。3.2 渣线用耐材VHD、LF/VD渣线皆为镁碳砖,VOD渣线为镁铬砖。3.2.1 VHD渣线使用镁碳砖（YB/T4074-1991，MT14B），通常一个包役用两个渣线，渣线平均寿命15次。3.2.2 VOD渣线使用镁铬砖（YB/T5011-1997，MGe-16A），若熔池为镁碳砖，则通常一个包役用两个渣线，渣线平均寿命9次；若熔池为高铝砖，则一个包役用一个渣线，渣线寿命8-12次。3.2.3 LD/VD 渣线使用镁碳砖（YB/T4074-1991，MT14A或MT18B，通常一个包役用四个渣线，渣线平均寿命19次。渣线镁碳砖的损毁比较严重，呈现一条渣沟，渣线处的损毁主要因素有：（1） 化学侵蚀和机械冲刷。前者对炉衬损毁更为严重，因为炉渣中的氧化物对镁碳砖侵蚀包括两个方面：一是炉渣对镁砂颗粒的熔损，如SiO2,CaO等氧化物与MgO形成低熔物，被炉渣带走。二是炉渣中的FeO对镁碳砖中的C氧化，造成砖结构松散。另外，钢液在精炼过程中，进行吹氩搅拌，钢水和钢渣的机械冲刷，使渣线损毁加剧。（2） 渣系对镁碳砖的影响也是很大的。对渣线寿命而言，白灰+铝矾土渣系即CaO-Al2O3-SiO2渣系要好于白灰+萤石渣系即CaO-SiO2-CaF2渣系，白灰+铝矾土渣系适应高温性能较好，碱度高，脱氧能力强，在温度很高时能保持一定的粘度。从钢渣状态来看，粘度显著增加，发泡效果较好，这些对耐火材料是非常有利的, 大大提高了渣线寿命。而白灰+萤石渣系到精炼后期温度较高时，渣子粘度急剧下降，炉渣稀，反射弧光历害，对钢包渣线侵蚀相当严重。另外，含S钢通过加硅石（SiO290%）降低炉渣碱度，对碱性炉衬不利，故应控制其用量。目前，白灰+铝矾土渣系已在LF/VD全面推广，效果较好（寿命翻倍），而VHD正在试验论证阶段。总之，除上述因素外,冶炼品种、冶炼温度、冶时、炉渣碱度、合理周转、砌筑等也都会对钢包寿命产生影响。渣线的无碳化、碱性化将是今后的发展方向。渣线镁铬砖的损毁主要是：高温作用下的化学矿物作用引起的蚀损和物理力学作用引起的剥落。应该研究出能够适应耐高温渣浸和磨损的特种镁铬砖。3.3 功能元件精炼炉的功能元件，如座砖、水口、滑板等由于其使用条件不同对其耐火材料也有不同的要求。3.3.1 透气座砖一炼钢采用预制整体透气座砖，材质为锆刚玉质。使用寿命822次。二炼钢采用预制整体透气座砖、分体座砖（上、下），整体透气座砖的材质为铬刚玉质，使用寿命10次；分体座砖（上、下）的材质为高铝质，使用寿命：VHD 8次、VOD 6次。一、二炼透气座砖理化指标见表5。 表5理化指标Al2O3/%Cr2O3/%荷重软化温度/耐压强度/Mpa体积密度/g/ cm3抗折强度/Mpa重烧线变化/%显气孔率/%一炼整体透气座砖90ZrO24.0%1132.90二炼整体透气座砖Al2O3+Cr2O393903.10120-+1.0二炼分体透气座砖7515005024透气座砖的损毁原因主要为剥落、侵蚀，特别是浇钢后在其表面形成残钢，为了避免将透气砖堵塞而采取烧氧返吹的方法，从而加速了透气座砖的损坏，使座砖用后形成喇叭口形。透气座砖的寿命决定了小修的次数，小修对包衬寿命也有一定的影响，每一次小修都是对包衬材料的耐急变性的考验。由使用条件决定了对座砖要求其抗侵蚀性好，耐热震性好，所以提高座砖的使用寿命是我们需要攻克的难题。3.3.2透气砖（塞子）一炼钢整体透气座砖的砖芯即透气砖为狭缝式，材质为铬刚玉质，使用寿命与座砖同步.透气量:5公斤-6公斤压力下可达到600-700升/分钟。二炼钢整体透气座砖的砖芯即透气砖为狭缝式，材质为刚玉-尖晶石质，使用寿命与座砖同步。透气量:18 m3/h 0.3 Mpa.二炼钢分体透气砖（上、下）为弥散式，材质为铬刚玉质，使用寿命：VHD8次、VOD6次。透气度cm3.m/ m2.h.mmH2O100。一、二炼透气砖理化指标见表6。 表6:理化指标Al2O3/%SiO2/%Cr2O3/%荷重软化度/耐压强度Mpa体积密度g/cm3抗折强度Mpa重烧线变化%显气孔率%一炼透气砖88703.16二炼整体透气砖Al2O3+MgO941203.040-+0.518二炼分体透气砖85316003526透气砖在使用中要满足下述要求：体积稳定性好，使用中保持透气量稳定，且吹开率高；热震稳定性好，使用中不产生剥落现象；具有良好的耐侵蚀耐冲刷性，使用中蚀损率小；透气砖生产工艺稳定，保证成品砖质量。弥散式透气砖寿命低于狭缝式透气砖，但从透气性来说弥散式要好于狭缝式。采取吹氧返吹吹扫塞子（狭缝式透气砖）的方法，大大降低了透气砖的使用寿命。根据上述情况，我们将与耐火厂家合作，在现有透气砖基础上进行性能改进提高，从提高透气砖耐侵蚀性和耐冲刷性、改善热震稳定性、透气性和体积稳定性入手，优化配比，使透气砖用耐材趋于合理化，进一步提高透气砖使用寿命。 3.3.3水口座砖与水口砖一炼钢采用油浸分体水口座砖与油浸水口砖，油浸水口座砖与水口砖材质均为刚玉质。要求上水口与上座砖寿命同步（20次），下座砖寿命与包龄同步。 二炼钢采用分体水口座砖与油浸水口砖，材质均为高铝质，水口座砖与水口砖寿命与包龄同步。一炼、二炼水口座砖与水口砖理化指标见表7 。 表7理化指标Al2O3/%耐火度/荷重软化温度/耐压强度/Mpa体积密度/g/ cm3重烧线变化/% (1600)显气孔率/%一炼水口座砖93.58(浸油前)89.50(浸油后900.121一炼水口砖75 (浸油前)80(浸油后)1740503.100.523二炼水口座砖砖与水口砖75179015005024上水口损坏的原因有：钢水和熔渣的化学侵蚀和冲刷作用（一般说来，只有在操作不当时才会发生熔渣侵蚀现象）；安装时造成的机械损伤。下水口损坏的原因有：钢水和熔渣的侵蚀和冲刷作用；由于温度急变引起的开裂或断裂；烧氧开浇造成的熔损。因此要求水口砖抗侵蚀性好，强度高，致密度高，抗氧化性强，在浇钢过程中不产生氧化强度降低的现象。现有水口砖基本能满足炼钢厂要求。3.3.4滑板一炼钢采用整体滑板，分为重烧铝碳滑板、不烧铝碳滑板两种。使用寿命为1-2次。连铸平均1.2次，模铸1.6次。但下列情况： 换塞子、渣线；下渣；含高硅、高锰的钢种，要求滑板必须用一次。二炼钢采用整体滑板、分体滑板两种，整体滑板为不烧铝锆碳滑板、分体滑板为烧成高铝质（油浸）。不烧铝锆碳滑板，使用寿命1-2次；高铝质滑板使用寿命1次。高铝质滑板不结冷流是其最大的优点。一、二炼滑板理化指标见表8。 表8理化指标Al2O3/%C/%荷重软化温度/耐压强度/Mpa体积密度/g/ cm3抗折强度/Mpa重烧线变化/%显气孔率/%一炼重烧滑板7017802.7580.518一炼不烧滑板8071906