宝钢：不锈钢生产用耐火材料使用实践
2010-07-23 13:42 来源： 我的钢铁
摘要： 介绍了宝钢不锈钢分公司不锈钢生产线自2004年4月l8日投产以来，95t脱磷铁水包、100t超高功率交流电弧炉、100t电炉母液包、120tAOD氩氧脱碳转炉、120tVOD真空精炼装置、不锈钢连铸中间包系统及连铸用功能性耐火材料的选择和使用情况。投产近3年来，不锈钢分公司不锈钢生产线各热工设备的包龄、炉龄、功能性耐火材料的使用寿命都有了较大幅度的提高，特别是AOD转炉和VOD钢包的耐火材料迅速国产化，以国产耐材代替进口耐材，使不锈钢冶炼用耐火材料成本大幅降低，使宝钢不锈钢在市场更具竞争力。
关键词：不锈钢；耐火材料；脱磷铁水包；电炉；电炉母液包；AOD；VOD
0 前言
宝钢不锈钢分公司2001年初在宝钢集团上海第一钢铁有限公司老生产场地开始了不锈钢技术改造工程，经过3年的建设，两条共150万t的不锈钢生产线分别于2004年4月18日、2005年的6月18日建成投产。宝钢股份不锈钢分公司已成为目前国内最大的不锈钢生产基地。
1 不锈钢生产用耐火材料
1.1 铁水预处理
不锈钢分公司为长流程钢铁生产企业。过去，铁水预处理是不锈钢分公司的空白点，高炉铁水直接兑入炼钢炉。现在铁水全量“三脱”，脱硅后的铁水在260t鱼雷型混铁车内机械扒渣后倒入铁水包，并进行混冲脱硅。
1.1.1 脱磷铁水包工况条件
脱磷铁水包公称容量95t，采用喷吹脱磷工艺，作业周期是90～120min/炉，铁水温度为1300～1400℃，脱磷喷粉枪作业时间40～60 min/炉。
1.1.2 脱磷铁水包及脱磷喷粉枪用耐火材料
脱磷铁水包及脱磷喷粉枪耐火材料配置情况如下：包壁保温层及永久层用蜡石砖，包底永久层用高铝增强浇注料，包底、熔池工作层、包壁渣线用铝碳化硅碳砖，自由面工作层用蜡石碳化硅砖，包嘴用铝碳化硅碳浇注料，脱磷喷粉枪用高铝莫来石浇注料进行浇注。
1.1.3 脱磷铁水包及脱磷喷粉枪的使用情况
脱磷喷粉枪2004年和2005年平均使用次数均为9.2炉，最高使用次数是32炉，月平均最高使用次数为13炉；2006年平均使用次数为16炉，最高使用次数是46炉。脱磷铁水包2004年平均包龄是127.5炉，2005年平均包龄是227炉，2005年最高达到354炉，2006年平均包龄是230炉，最高达到278炉。
1.1.4 脱磷铁水包及喷枪主要损毁原因
脱磷铁水包主要损毁方式是熔损，喷粉脱磷过程中需要吹氧，靠近氧枪的一侧损毁加剧。脱磷喷枪主要是机械震动造成的疲劳损伤。
1.2 超高功率三相交流电弧炉
不锈钢分公司的100t电炉为超高功率三相交流电弧炉，用于不锈钢初炼铁水(即不锈钢母液)的生产，供AOD精炼转炉冶炼不锈钢。
1.2.1 电炉工况条件
铁水的入炉温度为1250～1300℃ ，处理周期70～90 min，母液倒出时温度1 600～1700℃ 。
1.2.2 电炉用耐火材料
国产化后100t三相交流电炉永久层仍用镁砖，炉底工作层用镁碳砖、炉底修补用镁钙捣打料，炉墙、炉墙热点区以及出钢口用镁碳砖，电炉炉顶使用刚玉预制件，渣线以及炉墙修补用镁质喷补料。
1.2.3 电炉耐火材料使用情况
电炉用耐火材料实际使用中是进口耐材与国产耐材混合使用。2004年平均炉龄105炉(月平均炉龄54～128炉)，2005年平均炉龄144炉(月平均炉龄71～195炉)，最高为294炉，2006年平均炉龄321.5炉，最高炉龄达到443炉，炉底一次性最高使用寿命1790次。电炉小炉顶2004年平均使用寿命为136炉，2005年平均使用寿命为128炉，最高为246炉，2006年平均使用寿命为114炉，最高炉龄达到250炉。
1.2.4 电炉炉衬损毁部位和原因
投产初期新开炉炉墙耐火材料蚀损速率达到8～10ram/炉，极个别情况新炉子十几炉时就出现热点区无砖的情况，熔损速率高达33mm/炉。由于不锈钢电炉不宜造泡沫渣的生产特点，炉壁热点区几乎全部暴露在电弧弧光下，烧损严重，使用返回料和脱磷铁水多次熔清，致使母液温度高、滞留时间长及间歇性作业，熔渣侵蚀、氧化脱碳，炉墙砖损毁严重，使得炉龄偏低。针对上述情况除采取加长易损区域砖的尺寸，工艺上也采取一些减少热点区电弧辐射的措施，使得炉衬损毁情况有所缓解。
1.3 电炉母液包
电炉母液包用于接受电炉的不锈钢母液和炉渣，经扒渣处理后兑入AOD转炉，供AOD冶炼不锈钢。
1.3.1 电炉母液包工况条件
电炉母液包公称容量为100t，接受电炉的不锈钢母液为100～120t，最大装人量是130t(含炉渣)，作业周期30～40min，出钢温度为1600～1700℃ ，间歇性作业。
1.3.2 电炉母液包用耐火材料
国产化后电炉母液包永久层用蜡石砖，包底永久层用高铝增强浇注料，包口用铝碳化硅碳浇注料，渣线用镁碳砖，熔池扒渣侧包底工作层用铝尖晶石碳砖，包壁工作层用镁铝碳砖，填缝用刚玉自流料。
1.3.3 电炉母液包使用及损毁情况
电炉母液包2004年平均包龄75炉，国产与进口耐材混合使用；2005年平均包龄90炉，2006年平均包龄95.14炉，最高炉龄116炉。母液包背包带侧和包底由于热震严重造成损毁，包口清渣时造成机械损毁。
1.4 氩氧脱碳(AOD)炉
AOD炼钢法是依据吹入惰性气体稀释CO而脱碳的原理开发的一种工艺，已成为世界上生产不锈钢的主要方法，约有75％的不锈钢是用AOD炉冶炼的。不锈钢分公司现有120t AOD转炉2座，具有在不同的初炼钢水和原材料条件下冶炼多种不锈钢的能力。AOD转炉主要采用二步法和三步法工艺路线，也可以用AOD炉直接冶炼不锈钢，实际生产中以二步法工艺为主。
1.4.1 AOD炉工作条件
(1)高温。氧化脱碳，将从电炉中倒出的不锈钢母液兑入AOD炉后，根据钢液中的含碳量吹人氩气和氧气，把碳降到所需要的含量，为此精炼温度必须长期保持在1750％左右，该环境下的高温钢液及熔渣对炉衬的损耗是严重的。
(2)钢液涡流及气体冲刷。由于冶炼过程中喷吹大量的高压气体，钢液涡流及气体的冲刷，使炉衬工作条件恶化。
(3)炉渣碱度变化大。冶炼过程中炉渣组成和性质变化很大，碱度从低碱度变化到高碱度，耐火材料内衬在高温下遭受具有强烈腐蚀性的酸性渣和碱性渣的化学侵蚀，使炉衬损毁加剧。
(4)炉内气氛从氧化到还原。AOD炉的冶炼经历了氧化脱碳，还原精炼的过程，炉内气氛发生从氧化到还原的改变，是造成AOD炉龄较低的原因之一。
(5)间歇式操作。AOD炉的冶炼操作属于间歇式操作，炉衬工作面要经受温度骤冷骤热的急剧变化，使得炉料又会因爆裂和热剥落而损毁。
由于以上工作特点，要求AOD炉用耐火材料应具有良好的抗热震性和抗渣性，耐冲刷，结构致密，并具有较高的强度和高的荷重软化温度。
1.4.2 AOD炉有关参数
AOD炉公称容量120t，带有顶枪，底部有7支侧吹风枪，冶炼周期为65～95min，冶炼温度1700℃左右，炉渣碱度1.3～3.5。
1.4.3 AOD 炉用耐火材料
日本的AOD炉风口及风口区大多使用优质镁铬砖砌筑，国内有许多小型不锈钢厂40t以下的AOD炉的风口及风口区域大多使用优质镁铬砖砌筑。太钢、宝钢不锈、韩国浦项以及欧洲许多钢厂的AOD炉衬则是采用全镁钙质(或全白云石质)耐火材料。宝钢不锈钢投产后，120t AOD炉所用的耐火材料采用进口与国产并举的方式。国产镁钙砖是经二步煅烧的CaO和MgO的含量可以任意比例人工合成的镁钙砂制砖，一般使用CaO含量为20％和30％的两种制品。国产化后的120t AOD炉炉衬是永久层用镁砖，炉底、炉身、炉帽用20镁钙砖，风口区、风枪砖用高纯镁钙砖。
1.4.4 AOD炉炉龄
不锈钢分公司AOD炉炉龄设计指标为80炉。投产至今近3年取得了较好成绩，2004年平均炉龄为48炉，最高炉龄70炉；2005年平均炉龄为6l炉，最高炉龄8l炉，国产耐材2005年平均炉龄为65炉。2006年最高炉龄达102炉，平均炉龄77炉。
1.4.5 A0D炉损毁原因及对策
投产初期不锈钢分公司的120t AOD炉炉衬的主要损毁部位是炉底与下锥体结合部位。接缝部位的三角区设计要求使用镁质捣打料，使用中该部位出现炉壳被烧红的现象，考虑捣打料强度及其他高温性能，将下锥体与炉底接缝处的捣打料改成砖砌，使得这一部位的情况有了很大改善。随着炉龄的提高，主要损毁部位向渣线、迎钢侧和风口区域转移。对策是加长易损区域砖的长度，提高易损部位用砖的纯度和强度，以减缓蚀损速率，达到提高炉龄多炼钢的目的。
1．5 不锈钢钢包
不锈钢有VOD和LF两种精炼装置。
1.5.1 VOD钢包的工作条件
VOD法是为不锈钢精炼而开发的。VOD精炼装置系将氧枪经真空盖插入，真空吹氧脱碳，钢包底部安装吹氩透气砖，同时吹氩强烈搅拌，当碳降到较低水平时，停止吹氧，进一步降低真空度进行自然脱碳；随后加入硅铁，在真空条件下，进行渣还原、脱氧和脱气，真空处理时间60～90min，然后破坏真空，对钢水进行最终成分和温度调整，完成精炼。不锈钢分公司以大气处理为主。
1.5.2 VOD钢包用耐火材料
VOD精炼钢包用耐材的工作条件远比其他精炼设备的工作条件苛刻，因此对VOD钢包用耐材要求高温和真空条件下性能稳定、抗热震、耐侵蚀、抗机械冲刷能力强、不剥落、不掉片、防钢水及熔渣渗透或能够延迟渗透时间。国产化后的VOD钢包永久层用蜡石砖，永久层与工作层之间用高铝砖，包底永久层用高铝增强浇注料，包口用高铝浇注料，渣线、包壁工作层用低碳镁碳砖，包底工作层用低碳铝尖晶石碳砖。
1.5.3 VOD钢包使用情况
日本和西欧的VOD钢包采用烧成镁铬砖和白云石砖，寿命在20次左右。宝钢不锈钢的VOD钢包进口与国产耐火材料混用，以国产为主。VOD钢包的设计包龄是l8炉。2004年VOD平均包龄20.6炉，投产的最初两个月平均包龄只有4炉和9炉，第三个月便出现飞跃，炉龄迅速攀升到20炉左右；2005年平均包龄为24.6炉，最高包龄33炉；2006年平均包龄为29炉，最高包龄32炉。不锈钢LF钢包2006年平均包龄为35炉，最高包龄45炉。
1.5.4 VOD的钢包下线原因
不锈钢钢包工作温度一般在1750℃ 左右，极端情况达1800℃，主要损毁是熔损，部位是熔池和渣线，还有些情况是因为包口结渣等。
1.6 不锈钢钢包用透气元件
在大多数炉外精炼设备中，都采用透气砖吹入惰性气体，以强化熔池搅拌，纯净钢液使有害夹杂物和气体上浮，并使温度、成分均匀。因此底吹透气砖在炉外精炼中所起的作用十分重要。
钢包用透气砖使用条件非常苛刻，钢液的搅动冲刷磨损，要求透气砖耐磨蚀抗冲刷，不同压力下有较好的透气性；与钢水有较大的润湿角，透气通道渗钢少；高温下高的抗剪切能力；透气砖的使用特点是间歇性操作、急冷急热，要求透气砖有很好的抗热震性和抗剥落性；浇注完毕和翻包倒渣后对透气砖进行吹氧清扫，会造成局部温度过高和强氧化，对透气砖有极大损害，因此要求透气砖应有好的抗氧化性。
不锈钢钢包使用的是狭缝式外装分体透气砖，后由于不具备热更换条件改为整体式透气砖，用于底吹氩，其材质是铬刚玉质。透气砖为圆锥形外包铁皮与座砖配合装在包底的砌砖内，透气砖和座砖底部设有垫砖。
不锈钢钢包透气砖设计使用1000min，VOD钢包的处理时间是6O～90min。2005年平均寿命为13炉，2006年平均寿命为15炉，最高使用寿命为19炉。
1.7 滑动水口砖的使用
VOD钢包用铝锆碳质滑板，铝碳质下水口，铝尖晶石碳质上水口。滑板、下水口限定使用1炉，上水口使用8～1O炉。
1.8 不锈钢连铸
中间包作为钢包与结晶器之间的缓冲器，从钢包接受钢水，当中间包内的钢水具有一定高度后，通过钢流控制装置，控制进入结晶器的钢水流量，达到减压分流的目的，同时可实现多炉连浇。
1.8.1 中问包有关参数
工作层用镁质喷涂料，内有挡渣墙、挡渣坝和冲击块，可使钢水最佳流动，并且有利于非金属夹杂物进一步上浮，稳定钢流控制装置周围的钢流。中间包为直槽型一流，工作层镁质涂料喷涂厚度大于50mm，工作温度为1450～1600℃ ，浇注时容量26.2t，溢流时容量29．5t，浇注时钢液深度1000mm，溢流时钢液深度1100mm。
1.8.2 不锈钢中间包使用情况
不锈钢连铸中间包2004年平均连浇2.3炉，2005年平均连浇3.6炉，2006年平均连浇3.76炉，最高连浇6炉。
1.9 不锈钢连铸三大件
不锈钢连铸三大件包括不锈钢包用长水口、中间包浸入式水口、整体塞棒。
1.9.1 浇注过程对连铸三大件的要求
(1)钢包长水口。在钢包和中间包之间采用长水口保护浇注，利用专用夹持装置，固定在钢包和中间包之间，用于隔绝钢水和空气的接触，可以减少钢水二次氧化，提高钢水的纯净度。钢包长水lZl在使用过程中，受到钢流的冲刷，要求长水lZl具有良好的抗冲刷性。在浇注过程中，中间包覆盖渣对水口具有较强的侵蚀作用，要求水口具有良好的耐侵蚀性和抗渣性。钢包长水口在浇注准备阶段，插入中间包和中间包一起烘烤。在浇注过程中需要更换钢包长水口，此时无法对长水口进行烘烤，要求长水口具有良好的抗急冷急热性能。同时不应有开裂现象，要求水口密封。长水口为铝碳质。
(2)不锈钢中间包整体塞棒和浸入式水口。不锈钢钢流控制装置采用塞棒和事故快速切断闸阀系统，塞棒通过结晶器液面控制系统控制从中间包到结晶器的钢流。浸入式水口为内装整体式，浸入式水口本体材质为铝碳质，渣线为锆碳质；中间包控流用整体塞棒为铝碳质。
1.9.2 使用情况
2004年不锈钢长水口使用寿命平均为2.71炉，塞棒和内装浸入式水口平均寿命是2.3炉；2005年不锈钢长水口使用寿命平均为3.2炉，塞棒和内装浸入式水口平均寿命是3.6炉；2006年塞棒和浸入式水口平均寿命是3.81炉，长水口使用寿命是3.6炉，能够做到与中间包使用寿命同步。
2 结束语
2004年不锈钢吨钢消耗耐火材料约5O kg，2005年吨钢耐火材料的消耗约45 kg(此消耗不包括公用区域的耐火材料消耗)。
对于不锈钢用耐火材料，投产前和投产初期对于AOD和VOD有些担心，一怕炉龄包龄寿命太低，二怕国产化后的材质会影响钢材质量。投产近3年来，我们的体会是：根据国情和地区情况合理选择使用耐材，会有更好的效果。
耐火材料的使用综合因素很多，投产初期供需双方都处于摸索阶段，有一个磨合期，需要循序渐进，然后就是管理、操作、工艺等因素。耐材产品质量的稳定性等都直接影响着耐火材料的使用寿命，因此不锈钢用耐火材料寿命的提高应是钢铁企业和耐火材料企业共同关心和研究的问题。
作者 姜茂华 李安东 蔡磁（宝钢集团不锈钢分公司采购部）
