關于150 t電爐VOD鋼包耐材設計的研究

文章編號：2095-6835（2016）07-0010-02

摘 要：VOD鋼水精煉是冶煉不銹鋼和高鉻低碳品種鋼的主要工藝，其冶煉條件非?？量?，對鋼包的要求也非常高。鋼包耐火材料需承受電弧帶來的熱沖擊、鋼渣的侵蝕和吹氧脫碳時高溫鋼水的劇烈沖刷。簡要論述了電爐VOD鋼包耐火材料設計的相關內容，并用相關試驗驗證了方案的可行性，以期為日后的工作提供參考。

關鍵詞：鋼包；VOD；耐火材料；鋼水

中圖分類號：TQ175 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.010

VOD法即真空吹氧脫碳法，是一種利用真空裝置降低CO分壓，實現脫碳的爐外精煉法。其具體實施方式是將經過預脫碳的鋼水倒入VOD鋼包中，然后將鋼包吊入真空罐（室），實現封閉抽真空狀態，在一定真空度下完成精煉工作。VOD鋼包主要冶煉不銹鋼和一些高鉻低碳的品種鋼，所以，對冶煉環境的要求非常高，因為鋼水溫度高、攪拌性強，合金化后鋼水黏度小等。VOD鋼包精煉對耐火材料（以下簡稱“耐材”）的要求極高，它不僅要有良好的隔熱性能，還要與精煉工藝相匹配，要能夠承受電弧爐帶來的熱沖擊和鋼渣的侵害。真空處理延長了鋼包的耐受時間，而且攪拌過程也增加了耐材的負擔。另外，鋼渣具有很強的侵蝕性，在整個施工過程中，還有大量的氧氣一直不斷地被吹入鋼包，最長持續時間達3 h，鋼水的最高溫度為1 720 ℃。由此可知，耐材的損耗在所有二次冶煉操作中是最多的。在大多數情況下，成渣反應和鋼種規格要求不能使用含碳的耐材，鋼水的真空氧氣脫碳經常與其他普通的鋼包處理操作同時進行。由于鋼水在鋼包中停留的時間比較長，所以，鋼包外殼的溫度更容易升高。在這種情況下，選擇鋼包耐材和相關結構設計時，必須要充分考慮VOD工藝的使用要求及其安全性和經濟性。

1 VOD鋼包耐材的設計

電爐VOD鋼包具有使用連續性差、急冷急熱現象嚴重、冶煉鋼種復雜等缺點。因此，鋼包耐材應具備以下條件，即在高溫真空條件下，要具有良好的穩定性；在高溫和鋼水循環產生的劇烈沖刷下，要具有較強的抗渣滲透能力、抗鋼水沖刷性能和耐低堿度渣的侵蝕性，同時，還要具備良好的抗熱震性能。

1.1 鋼包的設計

1.1.1 鋼包耐材結構的設計

鋼包耐材的結構如圖1所示。

1.1.2 鋼包各部位耐材的理化及性能指標

鋼包各部位耐材的理化及性能指標如表1所示。

1.2 選擇鋼包耐材的理論依據

1.2.1 鋼包永久層耐材的選擇

保溫層的主要作用是防止處理過程中鋼包鐵殼溫度過高導致鐵殼變形。一般情況下，國內外相關單位多選擇使用隔熱纖維。雖然隔熱纖維的保溫效果好，但是，它具有體積密度小、強度低的缺點。在使用過程中，受鋼水靜壓力的作用，其體積變化比較大，尤其是在將含碳耐材作為內襯的鋼包里。在高溫條件下，CO2的氧化氣氛將加速纖維中結合鍵的斷裂，使纖維板失去壓縮強度。體積變化大會使永久層磚和工作層的外弧變大，從而擴大磚縫，影響鋼包的使用安全。國外有體積變化小、強度高的隔熱纖維，但是，價格比較高。剛玉莫來石預制塊是一種新型的鋼包保溫材料，它的主要原料是空心氧化鋁球和莫來石，運用它能提高制品中的氣孔率，從而達到良好的保溫效果。目前，一煉鋼300 t鋼包已經取得了良好的使用效果。

燒成高鋁磚具有資源豐富、成本低、高溫性能好、耐火度高的特點，是目前鋼包永久層的主流產品。

在冶煉高鉻鋼種時，在高氧化鐵渣（%CaO/%SiO2<1.7）的侵蝕下，磚中的碳被氧化，使得熔渣滲透，而且渣線磚中很容易出現明顯的環形侵蝕帶，甚至還會出現渣線磚被完全侵蝕的情況。由此可知，高鋁磚的抗渣性比較差，并不適用于渣線永久層。因此，在設計渣線永久層時，必須考慮至少一個爐次的鋼渣/鋼水沖擊。而鎂鉻磚的抗渣性比高鋁磚好，但它的導熱性比較差，在保持鋼包殼低溫性方面有較好的效果。

為了減少鋼包鐵殼包底與包壁交接部位焊縫開裂的情況，鋼包包底全部設計為圓弧型過渡，但是，使用定型材料砌筑的難度相當大。高鋁澆注料與高鋁磚的特性相同，包底永久層用澆注料澆注能大大降低砌筑的難度。

1.2.2 工作層（包括熔池和渣線）

傳統的VOD鋼包使用的耐材是高溫燒成的鎂鉻磚和鎂鈣磚，但是，使用這兩大類材料時存在一些問題。渣滲透會導致結構剝落，縮短其使用壽命。鎂鉻磚使用中六價鉻的化合物會污染環境，影響人們的身體健康；鎂鈣磚存在水化的問題，不適合間斷生產，如果將產品存放在潮濕的環境中，會因為水化影響其使用的穩定性，有些甚至無法用來砌筑。而低碳鎂碳磚的使用性能良好，是一種很好的替代產品。

1.2.2.1 工作層的熔損形式

鋼包工作層的熔損形式主要有機械沖刷、磨損和化學侵蝕3種。對于熔池部分（包壁和包底），主要熔損形式是機械沖刷和磨損，化學侵蝕只占一部分；對于渣線部位，主要熔損形式是機械沖刷、磨損和化學侵蝕的綜合作用。這是渣線磚的使用壽命遠遠低于包壁和包底磚的主要原因。

1.2.2.2 低碳鎂碳磚的特性

低碳鎂碳磚是在普通鎂碳磚的基礎上，通過降低碳的加入量改善其熱震性而開發出的產品。該產品將結晶良好的電熔鎂砂作為主原料，采用復合結合劑、特殊碳源和復合抗氧化劑，使磚在各溫度點保持較高的強度，具有良好的高溫抗折強度和抗氧化性，而且它對低堿度渣也有較強的適應性。

1.2.2.3 低碳鎂碳磚蝕損機理

在VOD精煉過程中，含碳磚存在C（固）+（O）=CO（氣）反應和MgO、C反應的可能，一旦反應連續進行，磚就會被損壞。但是，低碳鎂碳磚的含碳量低，渣線部位磚的熱面容易與渣結合形成富鎂致密層。而渣與氧化性物質不易滲入材料內部，能起到阻止熔渣侵蝕原磚層的作用。由此可知，低碳鎂碳磚比鎂鉻磚的抗渣滲透性更好。因為氧化性物質不易滲透，所以，可以阻止磚氧化，表現出較好的抗氧化性能。溶池部位沒有足夠的氧氣輸送到磚的正面，因此，磚的氧化性小。另外，鋼水對氧化鎂的潤濕性差，鋼水很難滲透到脫碳層中，所以，磚具有較強的抗侵蝕性。雖然MgO、C反應在吹氧階段和脫氣階段結束時出現的可能性比較大，但是，從熱力學和動力學的角度看，MgO-C反應主要在磚的熱面進行。要想使反應連續進行下去，則需要不斷去除反應產物，否則該反應就會遇到機械屏障。低碳鎂碳磚的碳含量非常有限，因此，應用它可以預防這些反應的發生，滿足VOD鋼包的使用要求。

1.2.2.4 低碳鎂碳磚對產品成分的影響分析

當鋼包用鎂碳磚作為內襯材料時，很有可能出現鋼水吸碳等問題。當鋼種規定的最高含碳量為0.05%時，必須將從鎂碳磚中吸碳作為控制碳含量的一種主要方式。而采取以下措施可以改善這種情況，即將鎂碳磚放置在氧化環境中進行預處理，并將碳含量降到8%以下。

2 現場試驗

2.1 試驗方法

在電爐現有的VD鋼包上用低碳鎂碳磚砌筑一個VOD鋼包進行比較試驗。鋼包的永久層砌筑與VOD鋼包相同，使用條件與VD鋼包相同，使用次數為24爐。試驗完成后，試驗結果能夠滿足VOD鋼包的要求：①在鋼包傾翻臺測得的鋼包外殼溫度小于VD鋼包50 ℃；②渣線磚無明顯剝落，殘厚大于VD鋼包30 mm；③熔池部分無明顯剝落，殘厚大于VD鋼包20 mm。

2.2 試驗結果

2.2.1 鋼包外殼溫度

鋼包外殼溫度如表2所示。

由表2可知，最初使用鋼包時，由于其本身溫度不高，外殼溫度相差不大；鋼包使用了一段時間后，未用保溫層的VD鋼包溫度上升到了380 ℃以上，而使用了保溫層的鋼包保持在330 ℃左右。由此可以確定，鋼包外殼的保溫效果良好，能滿足使用要求。

2.2.2 各部殘厚比較

各部殘厚比較情況如表3所示。

3 結論

由現場比較試驗可知，低碳鎂碳磚的熱穩定性、抗渣侵蝕性和抗氧化性良好，能夠滿足電爐長材優化改造項目對VOD鋼包提出的生產要求。

現場試驗數據表明，剛玉莫來石預制塊作為保溫材料被應用于電爐鋼包上，保溫性能良好，能夠滿足VOD鋼包的使用要求。

參考文獻

[1]李存弼.VOD鋼包用耐火材料[J].國外耐火材料，1999（01）.

[2]茍曉宏，徐維華.耐火纖維隔熱材料在鋼包上的應用[J].攀鋼技術，1997，20（01）.

[3]王誠訓，孫煒明，張義龍，等.鋼包用耐火材料[M].北京：冶金工業出版社，2003。

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作者簡介：阮威（1982—），男，助理工程師，2009年7月畢業于北京科技大學，冶金工程學士學位，主要從事鑄鋼工藝技術協理工作。

〔編輯：白潔〕