煉鋼用耐火材料的研究

黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠 上海 200245

1 研究背景

某重機廠主要生產和制造大型鑄鍛件,這些鑄鍛件一般是用于國家重大裝備的關鍵部件,是大型船舶、冶金、火力發電、核電、軍工、石化和航空航天等重大裝備制造業的基礎[1]。隨著制造技術的發展,大型鑄鍛件向整體化、一體化的方向發展,不斷減少關鍵焊縫的數量,提升產品的質量。決定產品質量的重要環節是冶煉鋼水的質量,因此在工作中對鋼水的化學成分精細化和純凈化控制提出了更高的要求[2-3]。

相關研究表明,耐火材料的材質和性能與鋼水成分控制的精準化、非金屬夾雜含量的多少等有密切關系,尤其是爐外精煉和中間包澆鑄過程中,耐火材料的選用更是與鋼水的質量直接相關[4-5]。生產耐火材料會產生大量污染,耗用大量資源,隨著綠色經濟的到來,減少耐火材料在生產過程中的耗用,對環境保護與資源節約而言具有積極的意義[6-8]。鑒于耐火材料在冶煉生產中的重要作用,國內各大鋼鐵生產企業,如寶鋼、包鋼和安鋼等對耐火材料在相關設備上的應用進行了研究,并取得了一定的進展[9-11]。另一方面,國內對耐火材料在煉鋼生產設備中的研究與應用還較少,筆者以某大型重機廠的煉鋼生產線為例,介紹各種材質的耐火材料在冶金設備上的應用,分析探討精煉包的侵蝕機理與當前耐火材料在使用中需要注意的問題。

2 冶煉設備與工藝

某重機廠擁有一座100 t超高功率電爐和一座120 t精煉爐,鑄件和鋼錠的生產均需經過精煉爐處理。鋼水經真空脫氣后,再經中間包進行真空澆鑄,最大可生產500 t級雙真空鋼錠及700 t級鑄件毛坯。

鋼錠生產的主要工藝路線如圖1所示。

圖1 鋼錠生產工藝路線

3 煉鋼用耐火材料

鑄鍛件的冶煉生產離不開冶金設備,而鋼錠的生產相比鑄件而言質量要求更高。筆者以某重機廠鋼錠冶煉生產所需設備為例,討論耐火材料選用應考慮的問題,介紹電爐、精煉爐和中間包所用的耐火材料材質,并簡單分析所用材料的特點與精煉包渣線侵蝕機理。

3.1 耐火材料選用應考慮的問題

對煉鋼設備而言,耐火材料最基本的性能要求是保證在使用中不變形,不軟化,并保持一定的強度。因此,首先要考慮耐火材料的常溫耐壓強度、荷重軟化溫度和重燒線收縮等。

其次,要考慮煉鋼設備的反應氛圍。某些耐火材質對氛圍較為敏感,如含碳量比較高的耐火材料,在氧化性氛圍下極易氧化,不適合在氧化性氛圍強的條件下使用;Fe2O3、TiO2含量較高的材質不適宜在還原性氛圍下使用。因此,要考慮耐火材料的組成材質及含量。

最后要考慮的因素是材料的體積密度與顯氣孔率[12]。煉鋼設備在生產過程中,耐火材料會不可避免地與高溫鋼水直接接觸。如果耐火材料致密程度不足,氣孔過多,鋼水會沿氣孔滲入耐火材料,使材料的結構組織發生變化,當溫度變化時,材料會熔損剝落。

3.2 電爐用耐火材料

電爐在煉鋼過程中,主要為精煉爐提供碳、磷和溫度符合規范的鋼水,同時利用脫碳過程中劇烈的碳氧反應,對鋼水起去氣、去夾雜的作用,主要發生的化學反應為[13-14]:

[C]+(FeO)=[Fe]+CO(g)

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]

P2O5+ 4(CaO)=(4CaO·P2O5)

反應式中,[]表示鋼液中物質,()表示爐渣中物質,g表示氣體。

根據電爐的工作環境,耐火材料需要滿足三方面要求。

(1) 因為脫磷需要在高堿度下進行,需加入大量石灰,且脫碳需要在高溫下進行,所以所用耐火材料在高溫下需能夠抗高堿性爐渣的侵蝕,即具有高溫化學穩定性和較強的高溫力學性能。

(2) 重機行業的煉鋼屬于間斷式生產,電爐冶煉時溫度很高,停爐出鋼后,爐體會在短時間內降至較低溫度,這就要求耐火材料具有良好的抗熱震性。

(3) 電爐基本以廢鋼為爐料,在加料時,爐體會承受極大的沖擊力,要求耐火材料具有抗機械沖擊的能力[15]。

1970年,日本大同鋼廠電爐開始采用鎂碳磚耐火材料。由于具有良好的抗渣性、高熱導率和優良的抗熱震性,目前世界上的電爐基本都采用鎂碳磚作為爐壁工作層材料[16]。我國生產的鎂碳磚有三種規格,分別為10%、14%和18%含碳量[17]。一般而言,含碳量高的鎂碳磚導熱較好,含碳量較低的鎂碳磚耐磨損性較好[18],各生產企業可以根據不同的設備和產品選擇合適的鎂碳磚。某重機廠電爐用耐火材料材質及主要性能指標見表1。

表1 電爐用耐火材料材質及主要性能指標

3.3 精煉包用耐火材料

精煉爐于20世紀70年代在日本發明,其實質是將電爐的還原與合金化處理安排至精煉爐內進行,使電爐專門用于生產粗煉鋼水,以提高生產效率,同時發揮精煉爐底吹氬氣攪拌鋼液的優勢,使鋼液的成分和溫度均勻化,促進鋼液內夾雜物上浮,提高鋼液品質。

隨著鑄鍛件產品要求越來越高,精煉爐已經是重機行業中不可缺少的設備。精煉爐的主要任務是對鋼液進行脫氧、脫硫和合金化處理,所發生的反應為:

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

2(Al)+3[FeO]=(Al2O3)+3[Fe]

(Si)+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]

由于重機廠90%以上的鋼錠都對氫、氧等氣體含量有要求,因此鋼液基本都需要經過真空處理,通常要求真空前的鋼水溫度不低于1 660 ℃。由精煉爐的使用情況可知,精煉包的工作環境為直接接觸強氧化性、高堿度和高溫的鋼水,需要耐火材料具有良好的高溫化學與力學性能,以及良好的抗渣性能等。

精煉包耐火材料主要包括工作層、透氣磚、滑動水口系統等。鑒于鎂碳磚材料在電爐上的成功應用,目前國內重機廠的精煉包工作層主要采用高溫性能較為穩定的鎂碳磚材質。重機廠的精煉包為間歇生產使用,滑板和水口基本使用兩次左右就進行更換,所以耐火材料選用鋁碳質,即以釩土、剛玉、莫來石等鋁基材料和碳為主要原料[19],其特點是短時間內具有良好的高溫性能,比較適合重機廠的生產節奏特點。透氣磚是精煉包的關鍵部件,在放入鋼水前后要經受800～1 700 ℃的劇烈溫度變化,同時要承受鋼水的沖刷磨損、化學侵蝕等,目前主流的透氣磚材質以Al2O3為基體,如剛玉尖晶石、鎂鋁尖晶石、鋁鎂鉻質、鉻剛玉質等。鉻剛玉雖然在抗熱震穩定性上不及其它幾種材質,但體積穩定性最佳,因此結合重機廠的生產特點,選用鉻剛玉質的透氣磚較為合適[20-21]。某重機廠精煉包用耐火材料材質及主要性能指標見表2。

表2 精煉包用耐火材料材質及主要性能指標

3.4 精煉包渣線侵蝕

精煉包在使用過程中,存在鋼液、耐火材料與爐渣的潤濕現象。相關研究表明,耐火材料的侵蝕與鋼水、耐火材料和爐渣的潤濕性有直接關系,渣-鋼-耐火材料三相處潤濕性最大,鋼-耐火材料處潤濕性最小[22],實際表現為渣-鋼界面處的侵蝕最嚴重,而鋼水接觸部位侵蝕則相對較輕,這就是所謂的渣線侵蝕。目前對于渣線侵蝕的機理,各國學者都進行了相關研究,結合重機廠精煉包材質與特點,重機行業主流的渣線侵蝕理論有馬蘭戈尼效應和微域循環效應[23]。

馬蘭戈尼效應指在精煉包渣線處,即耐火磚、爐渣和鋼水界面處,初期爐渣下的鋼水與耐火磚接觸,由于潤濕現象的存在,磚中的碳不斷與界面鋼水中的氧發生反應,進而不斷減少。隨著碳含量的減少,磚中MgO含量相對增大,而爐渣中不可避免地含有Al2O3、SiO2等,這部分爐渣進入磚面與鋼水之間形成熔渣薄膜,MgO被不斷熔損。此時,磚中的碳又相對增多,上述過程重復發生,渣線被逐漸侵蝕。馬蘭戈尼效應如圖2所示。

微域循環效應指為了鋼液通電升溫和避免鋼水吸收大氣中的氣體,如氫氣、氧氣,精煉包鋼水上部總是覆蓋著一層爐渣,以產生良好的保溫覆蓋作用。由于爐渣和鋼水溫度的差異,會在渣-鋼界面產生溫度梯度,從而產生微域循環,增大鋼水對耐火材料渣線部位的沖刷。精煉包自身的吹氬攪拌流場會大大增強鋼水對渣線部位的沖刷作用,使耐火材料的侵蝕加劇[24]。微域循環如圖3所示,精煉包吹氬攪拌流場如圖4所示。

3.5 鎂碳質材料應用中注意事項

鎂碳質耐火磚雖然具有優異的抗熱震性和抗渣性,但由侵蝕理論可知,鎂碳質在使用過程中會慢慢與鋼水中的氧發生反應,使耐火磚變得疏松多孔。在沖刷作用下,耐火材料會進入鋼水中,影響鋼液的純凈度,對產品的性能產生影響[25]。相關研究也表明,在冶煉某些超低碳鋼時,目前采用的MT-14材質會對鋼液增碳,影響鋼液的碳含量。生產這類鋼種,需要采用超低碳鎂質材料或鎂鉻質耐火材料。但另一方面,碳含量低,或不含碳,會使耐火材料的抗爐渣滲透性和抗熱震性明顯降低,不適應重機廠的生產節奏,所以國內重機廠目前尚不適宜生產超純凈鋼和超低碳鋼產品[26-27]。目前,國內學者已經對鎂碳質的抗氧化劑、黏結劑展開了研究,并取得了一定的成果[28-29]。

圖2 馬蘭戈尼效應

圖3 微域循環

3.6 中間包用耐火材料

中間包的主要作用是接收從精煉包澆下的鋼水,當鋼水的液面和溫度滿足要求時,再提升塞棒將鋼水澆至鋼錠模內。在澆鑄過程中,中間包具有穩定液面、降低鋼水靜壓力、促進鋼水中夾雜物上浮、凈化鋼液、控制澆入錠模鋼水溫度等功能。中間包的耐火材料主要包括工作層、塞棒和水口。

圖4 精煉包吹氬攪拌流場

從中間包的使用環境分析,所用的耐火材料需要滿足以下幾個條件[30]:① 良好的抗熱震性,在澆鋼前后冷熱突變時不炸裂;② 較低的熱傳導性和熱膨脹性,使中間包具有較好的保溫性能;③ 耐鋼水沖刷侵蝕,在澆鑄過程中對鋼水的污染小;④ 容易清理,方便周轉使用。

臘石材質由于含SiO2較高,達65%以上,在高溫及熔渣作用下,表面會產生高黏度液相,形成隔離層,阻止鋼液和熔渣繼續滲透,從而降低材料的熔損侵蝕速度。氧化鋯加入耐火材料后,能明顯改善材料的熱穩定性和化學穩定性,延緩鋼水對耐火材料的侵蝕。并且氧化鋯易于耐火材料形成高熔點的復合物,使耐火材料不易進入鋼水,提高了鋼水的純凈度[31-32]。出于成本和對產品質量的綜合考慮,中間包工作層可以根據生產的產品采用臘石質耐火材料和鋯莫來石材料,塞棒采用鋁碳質材料,水口視產品要求采用鋯質和鋁碳質。某重機廠中間包用耐火材料材質及主要性能指標見表3。

4 結束語

通過研究煉鋼用耐火材料在某重機廠的應用,確認鑄鍛件產品的質量與耐火材料密切相關,選用耐火材料應考慮設備的工作環境。目前重機廠煉鋼用耐火材料基本能滿足生產需要,但是在冶煉超純凈鋼、超低碳鋼時存在不足。未來重機廠耐火材料的發展方向需要滿足冶煉潔凈鋼的要求,即對鋼液污染小,不影響鋼液化學成分。

表3 中間包用耐火材料材質及主要性能指標

各相關生產單位需要考慮產品的工藝路線特點,選取合適的耐火材料,提高產品質量。