90t鋼包渣線鎂碳磚侵蝕原因分析與改進措施

豐年，陳 良，張 飛

（萊蕪鋼鐵集團有限公司 特鋼事業部，山東 萊蕪 271104）

近年來，隨著煉鋼技術的發展，對鋼包用耐火材料提出了更高要求。在精煉以前，鋼包只是一個儲存和盛運鋼水的工具，但在精煉過程中，由于爐外精煉技術的進步，鋼包的功能發生了變化，在鋼包內可以進行真空處理、吹氬、加熱、成分微調等，使得鋼包的使用條件更加苛刻。萊鋼特鋼事業部自2012年初新上VD 設備，加大了轉爐生產品種鋼的比例。由于LF-VD 處理過程鋼包渣線在真空環境下工作，鋼包渣線鎂碳磚侵蝕嚴重，渣線部位多次出現孔洞和渣溝，造成了鋼包使用中頻繁下線，影響了生產節奏，同時也給安全埋下了隱患。渣線鎂碳磚壽命低已經成為轉爐系統品種鋼開發的限制環節。本研究針對影響渣線鎂碳轉壽命的原因進行分析并提出提高渣線壽命的改進措施。

1 鋼包使用條件及工藝參數

萊鋼特鋼事業部銀山前區生產工藝流程為：鐵水預處理→600 t混鐵爐→80 t復吹轉爐→90 t LF精煉爐→90 t VD 爐→六機六流連鑄機。主要生產合金鋼、齒輪鋼、軸承鋼等。

LF爐主要技術參數：額定處理量90 t，變壓器額定容量18000 kVA，鋼水升溫速度4.5～5.0 ℃/min，電極直徑400 mm，氬氣壓力1.6～2.0 MPa。

VD 爐主要技術參數：真空保壓時間15 min，主泵抽氣能力400 kg/h，極限真空度25 Pa，工作真空度67 Pa，氬氣系統工作壓力0.8～1.0 MPa。

90 t LF-VD 鋼包使用條件：1）LF 爐精煉時間35～40 min，LF進站溫度1560～1580 ℃，出站溫度1615～1630 ℃。2）VD 爐真空脫氣及真空保壓時間20～25 min，進站溫度1595～1610 ℃，出站溫度1550～1565 ℃。3）雙透氣磚全程智能吹氬處理，石灰、螢石、電石及碳化硅調整爐渣。4）精煉通電制度采用高電壓低電流長弧操作，爐渣化好后采用低電壓高電流埋弧作業。5）鋼水在包內平均停留時間大約80 min。

2 渣線鎂碳磚侵蝕原因分析

鋼包渣線使用MT14A 鎂碳磚砌筑，厚度220 mm。在使用中發現進VD的鋼包渣線侵蝕嚴重，有時出現渣線部位包殼發紅現象，電極弧點部位渣線侵蝕也相當嚴重。鎂碳磚的損毀過程［1］：氧化—脫碳—疏松—侵蝕—沖刷—脫落—損毀。由于碳的氧化脫除，使磚體組織疏松脆化，在鋼液的沖刷下被磨損；同時，由于碳的氧化脫除及磚體疏松，爐渣向脫碳層滲透，并與鎂砂顆粒反應。鋼包經過LF、VD精煉處理，受到電弧光、真空以及鋼渣的沖刷，加速了渣線部位的侵蝕。

2.1 精煉熔渣的侵蝕

渣中CaO、SiO2以及CaF2與磚的化學反應，使磚面形成熔渣滲透層，而基質為硅酸鹽所充填［3］。顆粒邊緣形成的低熔點硅酸鹽相，有不穩定C2S（熔點2130 ℃）、C3MS2（1540 ℃分解）、CMS（熔點1450 ℃）和黃長石等，造成內襯不連續的損毀。

渣中FeO 及Fe2O3對耐火材料的侵蝕。低堿度熔渣中FeO的活度大，FeO擴散速度快；高堿度的熔渣中FeO 活度小，FeO 擴散速度慢。萊鋼鋼包精煉末期w（CaO）/w（SiO2）比值均不高，熔渣中FeO 含量較高時，活度較大，從MgO-FeO-Fe2O3三元相圖［5］可知，此時熔渣對鎂碳磚中的鎂砂顆粒有較強的溶解能力。渣中MgO含量低，加速了MgO-C磚中的MgO向熔渣中擴散溶解。

2.2 高溫真空加速鎂碳磚損毀

鎂碳磚在高溫真空下會加速離解和揮發，真空脫氣帶來的失重使材料的強度和荷重軟化溫度降低，加速鎂碳磚的蝕損［2］。由于MgO 與碳反應的產物都是氣體，降低壓力或抽真空都使MgO與碳反應的開始溫度大為下降。壓力對CO 與MgO 生成Gibbs自由焓及MgO與碳開始反應溫度的影響見圖1。真空精煉時間長（平均達25 min），在真空下（67 Pa）還需保持15 min。在高真空度條件下（如67 Pa），理論上該反應溫度降低到1244 ℃，即精煉溫度遠遠高于反應溫度，MgO（磚）＋C（磚、鋼）→Mg（氣）＋CO（氣）將激烈進行。MgO＋C反應在不同真空度條件下的自由焓與溫度的關系見圖2。

圖1 壓力對自由焓及開始反應溫度的影響

圖2 不同真空度下自由焓與溫度的關系

2.3 精煉爐長時間大幅度提溫

在生產中由于放鋼溫度低，精煉長時間大幅度提溫，造成電極附近的爐渣溫度過高，再加上該部位正好處于兩透氣磚遠端，屬環流死區，鋼渣溫度無法及時傳遞，造成弧點部位渣線侵蝕。

3 提高鋼包渣線磚壽命的措施

3.1 優化精煉渣系

精煉過程中加入輕燒白云石，提高渣中MgO濃度。將精煉過程渣的MgO 含量控制到接近其飽和濃度，從而獲得較好的精練效果；再將終渣中的MgO含量控制在飽和濃度以上，使終渣處于液固狀態，適當提高熔渣的堿度和黏度。控制轉爐下渣量，降低渣中FeO含量。調整前后爐渣成分見表1。

表1 調整前后精煉爐渣化學成分 %

精煉爐渣堿度控制在4.2～5.0 范圍內，渣中FeO 含量控制在0.5%左右，同時調整好爐渣的黏度，渣中MgO 含量控制在12%左右，可有效降低爐渣對鎂碳磚的侵蝕。

3.2 改進渣線磚材質

MgO-C 磚的熔蝕與鎂砂的性狀有密切關系。研究表明［4］：使用的鎂砂純度越高，雜質中B2O3少，C/S比高時，襯磚的耐侵蝕性好。圖3為碳含量對渣線MgO-C 磚熔損深度的影響，從圖3 中可以看出，低碳鎂碳磚抗氧化性能較好，碳含量高的鎂碳磚抗熔渣侵蝕性較好。這主要是因為鎂碳磚的氧化是磚中石墨的氧化，但是石墨對爐渣具有不潤濕性，所以碳含量高的鎂碳磚抗熔渣侵蝕性較好。圖4為鎂砂的成分及方鎂石顆粒尺寸與MgO-C 磚耐侵蝕性的關系。從圖3、圖4 中可以得出，選用純度高的鎂砂作原料，碳含量在14%的鎂碳磚作鋼包渣線較好。改進前（普通純度）后（高純度）鎂砂的化學成分見表2，表3是改進前后鎂碳磚的各項性能指標。

圖3 碳含量對渣線MgO-C磚熔損深度的影響

圖4 鎂砂的純度與MgO-C磚耐侵蝕性的關系

表2 改進前后鎂砂的化學成分 %

表3 精煉鋼包渣線鎂碳磚的理化指標

改進渣線鎂碳磚的材質，選用純度高的電熔鎂砂作原料，碳含量控制在14%左右，可有效提高渣線的抗侵蝕性。

3.3 控制吹氬制度及通電制度

精煉工序制定異常情況下的氬氣控制要求，出現爐前放鋼溫度低需精煉爐大幅度提溫的情況，LF爐采用智能吹氬和手動控制相結合的吹氬模式。通過手動控制大氬氣間斷性的攪拌促進電極附近鋼渣熱量傳遞，避免此處爐渣溫度過高對渣線鎂碳磚破壞性的侵蝕。VD 爐采用分階段氬氣控制模式：真空度達到67 Pa前，氬氣流量5～10 NL/min；真空度＜67 Pa保持階段，氬氣流量20～60 NL/min；破空前及軟吹階段，氬氣流量5～10 NL/min。同時控制好精煉通電制度，通電開始時采用高電壓、低電流長弧操作，爐渣化好后使用低電壓、高電流埋弧操作。

3.4 加強鋼包運行控制及維護

生產中加強鋼包運行控制，加強紅包周轉，減少鋼包非連續使用造成鎂碳磚內部產生過大的熱應力而產生開裂和剝落現象。尤其是渣線部位，由于距包口很近，空包降溫幅度大。生產組織協調好，降低鋼包壓鋼率，同時要加強鋼包的烘烤及維護，鋼包渣線涂抹料，電極弧點處采用挖補技術更換渣線鎂碳磚。鋼包烘烤制度由原來的小火16 h、中火16 h、大火16 h調整為小火8 h、中火12 h、大火8 h。烘烤時渣線部位涂1 mm 厚防氧化涂層，避免鋼包長時間烘烤造成渣線鎂碳磚脫碳層過厚。

4 改進效果

采取上述改進措施后，LF-VD鋼包渣線鎂碳磚侵蝕過快現象得到有效控制，沒有再出現鋼包渣線凹坑過深、渣線侵蝕過快發紅的現象，精煉電極弧點處的渣線磚侵蝕過重現象也得到了有效控制。對50次中修鋼包渣線磚厚度進行測量，厚度大約在50～60 mm，滿足使用要求，渣線壽命由35次提高到50次。渣線磚平均每爐侵蝕厚度3.2～3.6 mm，達到了預期的效果。

［1］王誠訓，孫煒明.鋼包用耐火材料［M］.北京：冶金工業出版社，2005：21-24.

［2］李楠.耐火材料與鋼鐵的反應和對鋼質量的影響［M］.北京：冶金工業出版社，2008：26-29.

［3］肖衛軍.簾線鋼鋼包渣線磚侵蝕分析及提高壽命的工藝措施［J］.特殊鋼，2007，28（1）：55-56.

［4］劉海強，程官江，張振申.提高100 t精煉鋼包壽命的分析與工藝措施［J］.鋼鐵研究，2004（6）：5-6.

［5］孫宇飛，王雪梅.鎂質和鎂基復相耐火材料［M］.北京：冶金工業出版社，2010：41-42.