唐钢：AOD炉耐火材料的选择及炉衬设计
2010-07-22 11:35 来源： 我的钢铁
唐山不锈钢有限责任公司(简称唐钢)不锈钢生产线于2008年9月19日正式投产。其工艺路线为：脱磷转炉(铁水低温脱磷)→AOD精炼炉→LF炉→连铸机；或：脱磷转炉(铁水低温脱磷)→A0D精炼炉→VOD真空精炼炉→LF炉→连铸机。其主要设备有100t的脱磷转炉1座，110t氩氧脱碳转炉1座，110t真空吹氧脱碳炉1座，110t钢包精炼炉1座，不锈钢板坯连铸机1台，年产合格不锈钢板坯60万t。下面简单介绍AOD炉冶炼用耐火材料的选取及炉衬设计过程。
1 AOD炉冶炼的特点 ．
1.1 炉温高，冶炼周期长，温度变化大
有研究表明[1]，当熔池温度在1700℃以上时，温度每提高50℃，炉衬耐火材料的侵蚀速度就提高1倍。AOD炉冶炼不锈钢时，脱碳期熔池温度高达1750℃以上，且不锈钢冶炼周期较长，炉衬耐火材料在高温下的工作时问也相应较长，加快了耐火材料侵蚀速度。由于生产是间歇式的，在出钢后等待装入半钢水(即脱磷铁水)期间，炉衬温度会下降至1300℃左右，此时，风枪环缝管依然吹入常温的保护性气体，使周围炉衬耐火材料温度进一步急降至850℃以下；冶炼过程中，风口区吹入的氧气混合气体会与钢水中的元素发生放热反应，造成风口局部炉衬温度较高，而其他区域的炉衬温度相对较低；由于在不锈钢精炼期间，需要向熔池内加入大量的冷料，所以会在较短时间内造成渣线部位炉衬温度的急剧下降。上述几种急冷急热的状况，极易造成耐火材料的剥落，影响炉衬寿命。
1.2 熔渣的侵蚀
在AOD炉精炼过程中，炉内熔渣碱度的波动范围很大，在1.0～3.0之间。进入还原期时，大量还原硅铁的加入使渣中SiO含量突然升高，尽管配加了一定量的石灰，但炉渣碱度还是仅约为1.2，在惰性气体的搅拌下，渣中的SiO会与碱性耐火材料炉衬中的MgO和CaO发生反应，生成低熔点的钙镁橄榄石CMS和镁蔷薇辉石C3MS2，同时破坏了方镁石之间的结合。而这些低熔物在AOD精炼期间会发生软化和脱落，从而使炉衬寿命降低。
1.3 气体及钢流对炉衬的冲蚀
在AOD炉的整个操作过程中，都会向熔池吹人大量气体。随着冶炼技术的不断发展，为缩短冶炼周期，熔池的供氧强度、搅拌强度还在不断提高。吹入AOD炉内的气体使炉渣和金属液在炉中产生强烈的涡流，对炉衬耐火材料产生强烈的冲蚀，特别是AOD炉衬的后墙要承受巨大的气流及钢液冲刷。
1.4 操作工艺对炉衬的影响
冶炼不锈钢时，AOD炉的操作对炉衬也有很大影响。从侧吹风枪吹入炉内的气体进入炉内后的运动轨迹近似抛物线(见图1)，在运动过程中有一个最高停滞点，经过该点，气体开始回落，回落过程中碰到了炉衬，会引起强烈的冲刷。因此，在AOD炉吹炼过程中要求炉体后倾一定的角度，以减轻钢液对炉衬的冲刷，通常后倾角为6°～8°。
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另外，风枪内、外管的气体压力和流量的控制对稳定操作十分重要。对其控制不好，由于过冷却致使伞状物异常生长，压力升高等成为阻碍操作的重要原因。相反，由于火点过于接近侧墙，故风口附近过热，造成风口的耐火材料呈喇叭状熔损。
2 AOD炉衬耐火材料的选择
根据AOD炉冶炼对耐火材料多方面的影响，以及对不锈钢钢水质量的高标准要求，因此，在选择耐火材料时应满足如下要求：1)良好的耐高温性能；2)抗渣侵蚀性能好；3)高的抗热震性能；4)良好的体积稳定性能；5)可以净化钢水。由于镁钙砖中的MgO和CaO都具有较高的熔点(MgO 2825℃，CaO 2620℃)，其共熔点也高达2370℃。镁钙砖既具有抗高碱性渣侵蚀性，又具有抗酸性渣侵蚀性；同时，镁钙质耐火材料最有利于钢液脱硫、脱磷。因此，唐钢选择镁钙砖作为其AOD炉的炉衬材料。
3 AOD炉侵蚀区域和炉衬设计
3.1 AOD炉衬受侵蚀区域
3.1.1 AOD炉风口区
1)由于从侧吹风枪吹人炉内的气体在回落过程中会碰到炉衬而引起强烈的冲刷，因此风口区上部炉衬损坏严重；
2)风口区处于碳氧反应的核心部位，温度很高(局部可达到1700～1800℃)，因此侵蚀严重；
3)风口区位于炉底侧方，受到的机械静压力很大，所以，其砖衬侵蚀量很大。
3.2 渣线区和耳轴区
渣线附近蚀损严重主要是在于化学侵蚀。渣中的SiO在富铬渣还原阶段突然升高，同炉衬中的MgO、CaO等发生反应，生成熔点为1610℃的CMS和熔点为1 575℃的C3MS2。耳轴区属于交叉渣位，此区域永远处于与渣接触状态。如果渣碱度较低，则在涡流冲刷腐蚀的同时，也发生着化学侵蚀引起的损坏。此外合金加入时引起的冲击也是造成此区域损坏的一个原因。
3.1.3 出钢侧
由于AOD炉兑铁和出钢在同侧，因此，出钢侧耐火材料受侵蚀较轻，由损坏主要由钢流冲刷造成。此外，顶枪偏位(AOD炉冶炼时炉体后倾6°～8°)也是影响因素之一。
3.2 炉衬设计
3.2.1 炉底
AOD炉炉底形状有碟形和平底型两种。平底型炉底砌筑容易，所用砖型种类少；而碟形炉底需要砖型种类较平底型多，砌筑花费时间较长。但是，应用碟形炉底有以下优点：1)根据炉壳尺寸及底部外壳的球形半径而设计的碟形炉底可以获得因体积增加而提高数吨装入量的效果；2)碟形炉底结构使得炉底在大多数砖磨损后仍保持原来的形状。
3.2.2 熔池
唐钢AOD炉选用西门子VAI的扁平熔池设计，其特点是具有低矮的炉底圆锥段和较高的熔池直径与熔池高度之比，即D/H≥2.2，而传统炉型的D/H≤2。实践发现，相对扁平的熔池对炉内各个部分的冶金性能有显著的影响：扁平熔池设计可以降低气泡表面CO分压，加快脱碳速度和提高15％ 的脱碳效率；另外还有缩短吹炼时间，降低还原硅的消耗，没有背包(由于风枪处耐火材料较厚，传统炉壳在此处向外突出的部分称为背包)，降低耐火材料成本等优点。
3.2.3 风枪
风枪是双层套管结构(图2)，内管吹入的是含有氧气的混合气体，外管吹入的是保护和冷却风口用的惰性气体。风枪安装在耐火砖孔里，固定在转炉炉壳上。
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由于风口区是受侵蚀最为严重的区域，所以将此处的风枪砖设计为750和250mm的2块分体耐火砖连接起来共同使用，材质选用优质高纯镁钙砖。另外，由于AOD炉后墙侵蚀严重，因此将整个后墙的厚度设计的比前墙厚，而且从材质选择上也优于前墙。唐钢AOD炉设计风口数量为6支，夹角24°，沿炉壁水平分布，布置在第四层。
3.2.4 其他
炉底永久层采用镁钙砖，厚度为200mm；炉身永久层采用烧镁砖，厚度为114mm。由于炉帽部位受侵蚀情况最轻，此处未设计永久层。风枪砖处也未设计永久层。
4 结语
唐钢AOD炉选用了镁钙系材料作为工作衬；由于是投产阶段，生产不稳定，炉衬设计使用效果没有代表性；同时，由于投产时间较短，AOD炉镁钙系耐火材料的使用情况及炉衬设计是否合理还需实践的检验。
参考文献
[1]王贵平，范红军，太钢AOD炉龄的提高措施[J],耐火材料，2006，40(2)：148-149
作者 王肖等（唐山不锈钢有限责任公司炼钢工作部）
摘自《耐火材料》2009年12月第43卷第6期
