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(chǎn)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(guān)鍵部件,是大型船舶、冶金、火力發(fā)電、核電、軍工、石化和航空航天等重大裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)[1]。隨著制造技術(shù)的發(fā)展,大型鑄鍛件向整體化、一體化的方向發(fā)展,不斷減少關(guān)鍵焊縫的數(shù)量,提升產(chǎn)品的質(zhì)量。決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)是冶煉鋼水的質(zhì)量,因此在工作中對鋼水的化學(xué)成分精細(xì)化和純凈化控制提出了更高的要求[2-3]。

相關(guān)研究表明,耐火材料的材質(zhì)和性能與鋼水成分控制的精準(zhǔn)化、非金屬夾雜含量的多少等有密切關(guān)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(zhì)量直接相關(guān)[4-5]。生產(chǎn)耐火材料會產(chǎn)生大量污染,耗用大量資源,隨著綠色經(jīng)濟的到來,減少耐火材料在生產(chǎn)過程中的耗用,對環(huán)境保護與資源節(jié)約而言具有積極的意義[6-8]。鑒于耐火材料在冶煉生產(chǎn)中的重要作用,國內(nèi)各大鋼鐵生產(chǎn)企業(yè),如寶鋼、包鋼和安鋼等對耐火材料在相關(guān)設(shè)備上的應(yīng)用進行了研究,并取得了一定的進展[9-11]。另一方面,國內(nèi)對耐火材料在煉鋼生產(chǎn)設(shè)備中的研究與應(yīng)用還較少,筆者以某大型重機廠的煉鋼生產(chǎn)線為例,介紹各種材質(zhì)的耐火材料在冶金設(shè)備上的應(yīng)用,分析探討精煉包的侵蝕機理與當(dāng)前耐火材料在使用中需要注意的問題。

2 冶煉設(shè)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(chǎn)均需經(jīng)過精煉爐處理。鋼水經(jīng)真空脫氣后,再經(jīng)中間包進行真空澆鑄,最大可生產(chǎn)500 t級雙真空鋼錠及700 t級鑄件毛坯。

鋼錠生產(chǎn)的主要工藝路線如圖1所示。

圖1 鋼錠生產(chǎn)工藝路線

3 煉鋼用耐火材料

鑄鍛件的冶煉生產(chǎn)離不開冶金設(shè)備,而鋼錠的生產(chǎn)相比鑄件而言質(zhì)量要求更高。筆者以某重機廠鋼錠冶煉生產(chǎn)所需設(shè)備為例,討論耐火材料選用應(yīng)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(zhì),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(yīng)考慮的問題

對煉鋼設(shè)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?zé)€收縮等。

其次,要考慮煉鋼設(shè)備的反應(yīng)氛圍。某些耐火材質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shè)備在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)組織發(fā)生變化,當(dāng)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(guī)范的鋼水,同時利用脫碳過程中劇烈的碳氧反應(yīng),對鋼水起去氣、去夾雜的作用,主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為[13-14]:

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

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]

P2O5+ 4(CaO)=(4CaO·P2O5)

反應(yīng)式中,[]表示鋼液中物質(zhì),()表示爐渣中物質(zhì),g表示氣體。

根據(jù)電爐的工作環(huán)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(xué)穩(wěn)定性和較強的高溫力學(xué)性能。

(2) 重機行業(yè)的煉鋼屬于間斷式生產(chǎn),電爐冶煉時溫度很高,停爐出鋼后,爐體會在短時間內(nèi)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(dǎo)率和優(yōu)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(chǎn)的鎂碳磚有三種規(guī)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(dǎo)熱較好,含碳量較低的鎂碳磚耐磨損性較好[18],各生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)不同的設(shè)備和產(chǎn)品選擇合適的鎂碳磚。某重機廠電爐用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)見表1。

表1 電爐用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)

3.3 精煉包用耐火材料

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

隨著鑄鍛件產(chǎn)品要求越來越高,精煉爐已經(jīng)是重機行業(yè)中不可缺少的設(shè)備。精煉爐的主要任務(wù)是對鋼液進行脫氧、脫硫和合金化處理,所發(fā)生的反應(yīng)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(jīng)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(huán)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(xué)與力學(xué)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(tǒng)等。鑒于鎂碳磚材料在電爐上的成功應(yīng)用,目前國內(nèi)重機廠的精煉包工作層主要采用高溫性能較為穩(wěn)定的鎂碳磚材質(zhì)。重機廠的精煉包為間歇生產(chǎn)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(zhì),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(nèi)具有良好的高溫性能,比較適合重機廠的生產(chǎn)節(jié)奏特點。透氣磚是精煉包的關(guān)鍵部件,在放入鋼水前后要經(jīng)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(xué)侵蝕等,目前主流的透氣磚材質(zhì)以Al2O3為基體,如剛玉尖晶石、鎂鋁尖晶石、鋁鎂鉻質(zhì)、鉻剛玉質(zhì)等。鉻剛玉雖然在抗熱震穩(wěn)定性上不及其它幾種材質(zhì),但體積穩(wěn)定性最佳,因此結(jié)合重機廠的生產(chǎn)特點,選用鉻剛玉質(zhì)的透氣磚較為合適[20-21]。某重機廠精煉包用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)見表2。

表2 精煉包用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)

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(xiàn)象。相關(guān)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(guān)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(xiàn)為渣-鋼界面處的侵蝕最嚴(yán)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(xué)者都進行了相關(guān)研究,結(jié)合重機廠精煉包材質(zhì)與特點,重機行業(yè)主流的渣線侵蝕理論有馬蘭戈尼效應(yīng)和微域循環(huán)效應(yīng)[23]。

馬蘭戈尼效應(yīng)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(xiàn)象的存在,磚中的碳不斷與界面鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng),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(fù)發(fā)生,渣線被逐漸侵蝕。馬蘭戈尼效應(yīng)如圖2所示。

微域循環(huán)效應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生溫度梯度,從而產(chǎn)生微域循環(huán),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(huán)如圖3所示,精煉包吹氬攪拌流場如圖4所示。

3.5 鎂碳質(zhì)材料應(yīng)用中注意事項

鎂碳質(zhì)耐火磚雖然具有優(yōu)異的抗熱震性和抗渣性,但由侵蝕理論可知,鎂碳質(zhì)在使用過程中會慢慢與鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng),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(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響[25]。相關(guān)研究也表明,在冶煉某些超低碳鋼時,目前采用的MT-14材質(zhì)會對鋼液增碳,影響鋼液的碳含量。生產(chǎn)這類鋼種,需要采用超低碳鎂質(zhì)材料或鎂鉻質(zhì)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?fàn)t渣滲透性和抗熱震性明顯降低,不適應(yīng)重機廠的生產(chǎn)節(jié)奏,所以國內(nèi)重機廠目前尚不適宜生產(chǎn)超純凈鋼和超低碳鋼產(chǎn)品[26-27]。目前,國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對鎂碳質(zhì)的抗氧化劑、黏結(jié)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(yīng)

圖3 微域循環(huán)

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(dāng)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(nèi)。在澆鑄過程中,中間包具有穩(wěn)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(huán)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(dǎo)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(zhuǎn)使用。

臘石材質(zhì)由于含SiO2較高,達(dá)65%以上,在高溫及熔渣作用下,表面會產(chǎn)生高黏度液相,形成隔離層,阻止鋼液和熔渣繼續(xù)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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)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(fù)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(chǎn)品質(zhì)量的綜合考慮,中間包工作層可以根據(jù)生產(chǎn)的產(chǎn)品采用臘石質(zhì)耐火材料和鋯莫來石材料,塞棒采用鋁碳質(zhì)材料,水口視產(chǎn)品要求采用鋯質(zhì)和鋁碳質(zhì)。某重機廠中間包用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)見表3。

4 結(jié)束語

通過研究煉鋼用耐火材料在某重機廠的應(yīng)用,確認(rèn)鑄鍛件產(chǎn)品的質(zhì)量與耐火材料密切相關(guān),選用耐火材料應(yīng)考慮設(shè)備的工作環(huán)境。目前重機廠煉鋼用耐火材料基本能滿足生產(chǎn)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(fā)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(xué)成分。

表3 中間包用耐火材料材質(zhì)及主要性能指標(biāo)

各相關(guān)生產(chǎn)單位需要考慮產(chǎn)品的工藝路線特點,選取合適的耐火材料,提高產(chǎn)品質(zhì)量。