煉鋼用耐火材料的研究

李玉書(shū)

摘要：耐火材料的性能與材質(zhì)影響著鋼水成分控制的精準(zhǔn)化以及非金屬夾雜含量，繼而影響著煉鋼質(zhì)量。而生產(chǎn)耐火材料會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與污染情況。在綠色經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，在生產(chǎn)過(guò)程中減少耐火材料的能耗可以有效節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。同時(shí)，耐火材料在煉鋼中發(fā)揮著重要作用，因此本文將對(duì)煉鋼用耐火材料進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：煉鋼;耐火材料;冶煉

前言：

煉鋼質(zhì)量會(huì)受到耐火材料的影響，因此研究煉鋼用耐火材料具有重要意義，需科學(xué)選擇耐火材料并分析電爐用耐火材料、精煉包用耐火材料等各個(gè)方面。

1.煉鋼設(shè)備與工藝

本文以某生產(chǎn)和制造大型鑄鍛件的重機(jī)廠為例分析煉鋼用耐火材料。該重機(jī)廠配備了精煉爐與超高功率電爐，從而對(duì)鑄件與鋼錠進(jìn)行處理。在對(duì)鋼水進(jìn)行真空脫氣處理之后需要通過(guò)中間包對(duì)其進(jìn)行真空澆鑄，這樣就可以生產(chǎn)出雙真空鋼錠以及鑄件毛坯【1】。

2.煉鋼用耐火材料

鑄鍛件的冶煉生產(chǎn)需要冶金設(shè)備的支持，鋼錠的生產(chǎn)要求比鑄件的要求更高一些，因此本文將以該重機(jī)廠鋼錠冶煉生產(chǎn)所需的設(shè)備為例，分析如何選用耐火材料。

2.1科學(xué)選擇耐火材料

對(duì)于煉鋼設(shè)備來(lái)說(shuō)，耐火材料需要具備在使用過(guò)程中不軟化、不變形的性能，且需要具有一定的強(qiáng)度。因此，在選擇耐火材料時(shí)需要分析耐火材料的常溫耐壓強(qiáng)度、重?zé)€收縮以及荷重軟化溫度等情況【2】。其次，在選擇耐火材料時(shí)需要考慮煉鋼設(shè)備的反應(yīng)氛圍。部分耐火材料對(duì)反應(yīng)范圍的敏感度較高，例如若耐火材料的含碳量較高，在氧化性氛圍下就很容易出現(xiàn)氧化的情況，所以不能將這類(lèi)耐火材料應(yīng)用在氧化性氛圍強(qiáng)的條件當(dāng)中。此外，在選擇耐火材料時(shí)需要考慮耐火材料的顯氣孔率以及體積密度等情況。在煉鋼過(guò)程中，耐火材料會(huì)與高溫鋼水進(jìn)行直接接觸。若耐火材料的氣孔較多、致密程度不足，鋼水就會(huì)通過(guò)氣孔滲透到耐火材料當(dāng)中，從而改變耐火材料的結(jié)構(gòu)組織，當(dāng)出現(xiàn)溫度變化時(shí)，耐火材料就會(huì)熔損剝落。

2.2電爐用耐火材料

在煉鋼過(guò)程中，電爐可以為精煉爐提供磷、碳等物質(zhì)以及符合溫度要求的鋼水。同時(shí)，電爐也可以通過(guò)脫碳過(guò)程中的碳氧反應(yīng)去除鋼水當(dāng)中的夾雜與氣。電爐當(dāng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

[C]+（FeO）=[Fe]+CO（g）

2[P]+8[FeO]=（3FeO·P2O5）+5[Fe]

P2O5+4（CaO）=（4CaO·P2O5）

從電爐的工作環(huán)境來(lái)看，在選擇耐火材料時(shí)需要考慮三個(gè)因素。第一，需要在高堿度的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行脫磷工作，需要使用大量的石灰，同時(shí)需要在高溫環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行脫碳工作，這就要求耐火材料具備在高溫之下抗高堿性爐渣侵蝕的能力，即要求耐火材料具備高溫力學(xué)性能以及高溫化學(xué)穩(wěn)定性。第二，重機(jī)行業(yè)中的煉鋼采用的是間斷式生產(chǎn)的方式，電爐在冶煉過(guò)程中的溫度非常高，停爐出鋼后，爐體會(huì)迅速降溫，所以耐火材料需要具備較高的抗熱震性。第三，電爐的爐料大多都是廢鋼，在加料過(guò)程中會(huì)對(duì)爐體造成較大的沖擊，因此耐火材料需要具備抗機(jī)械沖擊能力。

2.3精煉包用耐火材料

二十世紀(jì)七十年代時(shí)，日本發(fā)明了精煉爐，可以將電爐的還原與合金化處理工作轉(zhuǎn)交給精煉爐，在這種情況下電爐就可以只進(jìn)行粗煉鋼水的生產(chǎn)工作，可有效提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也可以充分發(fā)揮精煉爐底吹氬氣攪拌鋼液的優(yōu)勢(shì)，確保鋼液的溫度與成分更加均勻，使鋼液當(dāng)中的夾雜物上浮出來(lái)，提高鋼液品質(zhì)【3】。近年來(lái)，行業(yè)對(duì)鑄鍛件產(chǎn)品提出了更高的要求，精煉爐不可或缺。可以利用精煉爐對(duì)鋼液進(jìn)行合金化、脫氧以及脫硫處理。精煉爐當(dāng)中的化學(xué)反應(yīng)為：

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）

2（Al）+3[FeO]=（Al2O3）+3[Fe]

（Si）+2[FeO]=（SiO2）+2[Fe]

重機(jī)廠大多數(shù)鋼錠對(duì)氧以及氫等氣體的含量都有較高的要求，因此需要對(duì)鋼液進(jìn)行真空處理，且在進(jìn)行真空處理之前，鋼水的溫度應(yīng)該大于等于1660攝氏度。從精煉爐的使用情況來(lái)看，精煉包的工作環(huán)境是直接接觸高堿度、氧化性強(qiáng)且高溫的鋼水，這就要求耐火材料具備良好的力學(xué)性能、高溫化學(xué)性能以及抗渣性能。

精煉包耐火材料是由透氣磚、工作層以及滑動(dòng)水口系統(tǒng)共同構(gòu)成的。當(dāng)前，鎂碳磚材料在電爐當(dāng)中有成功應(yīng)用的案例，所以大多數(shù)重機(jī)廠的精煉包工作層采用的都是具有穩(wěn)定高溫性能的鎂碳磚材料。重機(jī)廠精煉包是間歇使用的，但是無(wú)論是滑板還是滑動(dòng)水口系統(tǒng)都需要定期更換，即使用兩次更換一下，為此需要選擇鋁碳質(zhì)的耐火材料，即以剛玉、礬土或莫來(lái)石等鋁基材料以及碳為主的耐火材料。鋁碳質(zhì)的耐火材料具有高溫性能良好的優(yōu)勢(shì)，可以滿足生產(chǎn)節(jié)奏的要求。透氣磚在精煉包當(dāng)中發(fā)揮著重要作用，在進(jìn)入鋼水前后需要經(jīng)受劇烈高溫的變化以及鋼水的沖刷和化學(xué)侵蝕。當(dāng)前常用以Al2O3基體的透氣磚，例如鋁鎂鉻質(zhì)、剛玉尖晶石、鉻剛玉質(zhì)以及鋁鎂尖晶石等。相比于其他材質(zhì)，鉻剛玉質(zhì)的抗熱震穩(wěn)定性相對(duì)較差，但是體積穩(wěn)定性較好，所以可以選擇這種材質(zhì)的透氣磚。

2.4精煉包渣線侵蝕

在使用精煉包的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)鋼液、耐火材料以及爐渣的潤(rùn)濕現(xiàn)象。從相關(guān)研究的結(jié)果來(lái)看，耐火材料的侵蝕性能影響著鋼水、耐火材料與爐渣之間的潤(rùn)濕性，其中渣-鋼-耐火材料三相處潤(rùn)濕性是最大的，而鋼-耐火材料處的潤(rùn)濕性是最小的。從實(shí)際情況來(lái)看，渣-鋼界面處的侵蝕現(xiàn)象是最嚴(yán)重的，鋼水接觸部位的侵蝕現(xiàn)象比較輕，這種情況就屬于渣線侵蝕。很多學(xué)者都在研究如何處理渣線侵蝕這一問(wèn)題，從重機(jī)廠精煉包的特點(diǎn)與材質(zhì)來(lái)看，重機(jī)行業(yè)主流的渣線侵蝕理論涉及到了微域循環(huán)效應(yīng)以及馬蘭戈尼效應(yīng)。其中，微域循環(huán)效應(yīng)指的是通過(guò)在精煉包鋼水上部覆蓋爐渣的方式實(shí)現(xiàn)鋼液通電升溫并降低鋼水吸收大氣氣體的幾率。而馬蘭戈尼效應(yīng)即在精煉包渣線處，磚中的碳會(huì)與界面鋼水當(dāng)中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼而減少。

結(jié)語(yǔ)：

在煉鋼過(guò)程中選擇耐火材料應(yīng)當(dāng)充分考慮設(shè)備的工作環(huán)境，確保耐火材料可以滿足生產(chǎn)需求，并不斷優(yōu)化耐火材料，從而滿足冶煉潔凈鋼的要求，減少對(duì)環(huán)境的污染。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉東， 杜晶. 煉鋼用耐火材料的研究[J]. 冶金與材料， 2020， v.40;No.152（01）：47-48.

[2]徐源. 煉鋼耐火材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 產(chǎn)城（上半月）， 2019， 000（004）：P.1-1.

[3]張艷利， 王憲， 賈全利. 煉鋼電爐用耐火材料的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 耐火與石灰， 2019， 044（003）：7-13.

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