武钢：钢包渣对渣线耐火材料的影响及对策
2010-08-12 09:00 来源： 我的钢铁
摘 要： 对不同钢种的钢包连铸终渣进行化学成分检测，探讨钢包连铸终渣的规律与特性，分析钢包连铸终渣对耐火材料的侵蚀特性，提出提高钢包渣线材料使用寿命的措施。
关键词：钢包渣；渣线；耐火材料
随着精炼的日益普及，钢包的使用条件越来越苛刻，熔渣量增多，对钢包渣线材料的侵蚀日益严重。精炼钢包的熔渣，一般由SiO2、CaO、MgO、A12O3、FeO、MnO等组成。冶炼不同的钢种，由于使用的还原剂、造渣剂等不同，使得钢包渣的成分变化很大，钢渣成分不同，对耐火材料的侵蚀特性也不同。目前，大多数钢厂钢包没有按冶炼钢种的不同而加以分类使用，这种情况下，熔渣对渣线耐火材料的侵蚀是十分明显的。
某炼钢厂自投产以来，钢包渣线部位一直使用镁碳砖，经过不断改进和技术进步，钢包渣线部位耐火材料的使用寿命也在不断地得以提高，已达到了70多次；然而，钢包包壁采用铝镁碳砖时的平均寿命在110多次，采用铝镁尖晶石预制块时的平均寿命为250次。因此，钢包渣线用耐火材料的使用寿命大大短于钢包的使用寿命，这严重制约了钢包的整体使用性能。为了有效提高钢包渣线材料的使用寿命，分析不同成分熔渣对渣线材料的侵蚀作用是十分必要的。
1 实验
1.1 钢渣成分的影响
对常见的硅镇静钢、铝镇静钢、超低碳钢、合金钢等大类钢种的钢包连铸终渣进行化学成分分析。钢渣化学成分见表1。从表1中可以发现以下规律（表1详见原文）。
(1)超低碳钢钢包渣铁含量较高
在钢水冶炼的实际操作过程中，碳氧化所需要的氧是氧枪喷入的氧或者是炉气中的氧。喷入的氧在氧化碳的同时，也氧化了钢中的铁，生成的氧化铁部分通过铁-渣界面进入渣层，引起钢渣中铁含量增加。因此，对于超低碳钢，随着脱碳过程的延长和脱碳程度的加深，氧化铁进入渣层的数量会随之增加。635639号、635640号钢包渣对应钢种为超低碳钢，ω(C)分别为0.012％和0.014％，其余钢渣对应的钢种ω(C)在0.118～0.158范围内变化。相对于其他钢种而言，超低碳钢中碳含量低得多，在冶炼过程中，钢渣增铁也比其他渣样大。
(2)钢渣中A12O3。含量较高，对应的MgO含量较低
选取其中的MgO和Al2O3含量，以Al2O3含量为横坐标，以MgO含量为纵坐标进行作图(因635639号、635640号钢包渣铁含量较高，非CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元体系，去掉该数据)，所得曲线如图1所示。
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图1显示，在钢渣中，MgO含量与Al2O3含量在较大范围内呈反线性关系。这与CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元体系中Al2O3溶解MgO的能力有关。
在冶炼铝镇静钢时，Al作为脱氧剂加入钢液后，氧化的产物就是Al2O3。这种铝镇静钢熔渣是CaO-MgO-Al2O3-SiO2系熔渣。CaO-MgO-Al2O3-SiO2系熔渣相当于将Al2O3加进CaO-MgO-SiO2系熔渣中。在Al2O3含量一定时，该四元熔渣体系即处于三维空间中，如果该液态渣被CaO和MgO饱和，那么熔渣中CaO、MgO、SiO2三组分含量便可以确定。根据四元相图，可以确定Al2O3在不同含量下的MgO、CaO、SiO2的比值，1600℃时CaO-MgO-SiO2系中的熔渣分布见表2。
图2和图3是根据表2中CaO和MgO的溶解度与Al2O3含量绘制的关系图。
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表2、图2、图3表明，在CaO-MgO-Al2O3-SiO2系熔渣中，Al2O3含量高时，CaO的溶解度也高，相反，MgO的溶解度变得较低。
因此，在检测的钢渣中，Al2O3含量较高的钢渣溶解MgO的能力相对较弱，渣中MgO含量相对较低。与此相对应，镁质耐火材料对这种熔渣有较强的抗溶蚀性能。
2 分析
钢包渣线材质的选择不仅决定于其工作的环境，还决定于钢包渣的性质，因为钢包渣和渣线耐火材料是相互接触、相互作用的二元体系。钢包渣化学成分不同，对耐火材料的破坏作用也不一样。
2.1 渣中FeO对耐火材料的影响
多元熔渣中FeO对耐火材料侵蚀能力取决于FeO的活度。因为FeO在熔渣中的扩散能力与FeO活度有关。低ω(CaO)/ω(SiO2)比的熔渣中FeO的活度大，FeO扩散速度快；高ω(CaO)/ω(SiO2)比的熔渣中FeO的活度小，FeO的扩散速度慢。某钢厂钢包渣精炼末期ω(CaO)/ω(SiO2)比均不高，熔渣中FeO含量较高时，活度较大，对镁碳砖中的镁砂颗粒存在较强的溶解能力，这是钢包渣线镁碳砖寿命不高的原因之一。
含氧化铁熔渣对MgO-CaO质耐火材料的熔蚀程度，与铁的氧化程度密切相关。在氧化气氛中，1600℃下镁钙砂[ω(菱镁矿):ω(白云石)=72:28]中加入0.5％的Fe2O3就有5.6％的液相，而在还原气氛中，白云石内高达20％的FeO才出现液体。因此，MgO-CaO质耐火材料常添加碳以增强其高温性能。某钢厂冶炼超低碳钢时，钢包渣中Fe2O3、FeO较高，这对MgO-CaO质渣线耐火材料的使用寿命是不利的。
2.2 渣中MgO对耐火材料的影响
如果熔渣中MgO含量较高或者是已经饱和时，这种熔渣对镁质材料的溶解能力十分有限，某钢厂钢包渣中MgO含量变化较大，溶解度波动在0.56～7.45之间，而理论计算的溶解度为7.5～9.0，因此该钢厂钢包熔渣对MgO还有一定的溶解能力。从MgO含量的角度考虑，该熔渣对渣线镁碳砖存在一定程度的熔蚀作用。
2.3 渣中Al2O3对耐火材料的影响
根据表2的结果，CaO-MgO-Al2O3-SiO2系熔渣中ω(Al2O3)为20％～30％时，理论计算可溶解CaO的质量分数为53.9％～57.1％，而钢渣中实际检测出的ω(CaO)为11.66％～42.06％，多出25％左右。由此可见，某钢厂的连铸终渣中，CaO远未饱和。这种熔渣对MgO-CaO质耐火材料的侵蚀性很强。因为这种熔渣会渗透耐火材料并可熔出该类耐火材料中的CaO，以满足形成溶液的要求。因此，CaO含量高的MgO-CaO质耐火材料难以适应这种高Al2O3含量的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系熔渣。
2.4 钢包渣对镁碳砖中C的影响
镁碳砖的损毁首先是砖中的碳被氧化，破坏了碳的网络结构，从而使制品组织结构疏松，强度降低，气孔增加，在钢水和熔渣的强烈冲刷作用下镁砂颗粒脱落，引起镁碳砖损毁。碳的氧化主要是炉渣中铁的氧化物和空气中的O2以及CO2、SiO2等氧化物氧化的结果。Fe2+、Fe。 离子半径很小，对镁碳砖渗透能力很强，可发生强烈的脱碳反应使镁碳砖脱碳层厚度增加，失去碳网络骨架支撑的脱碳层呈疏松状态。种杰等研究结果，说明渣中氧化铁含量增加1倍时，镁碳砖中碳的氧化速度提高1倍。
3 改善钢包渣线用耐火材料性能的对策
针对钢包渣线耐火材料工作的环境和目前存在的寿命短、污染钢水等问题，可通过以下措施加以改进。
(1)采用碱性耐火材料作为钢包渣线材料。因为一些冶金熔渣和Al2O3-SiO2质耐火材料的化学性质相反，只有在全碱性内衬的钢包里钢水和熔渣的化学成分才能保持稳定。在真空脱气时会发生耐火氧化物组分的反应，它会加速耐火衬蚀损并有可能污染钢水。①MgO和SiO2会发生分解并生成Mg、SiO，甚至生成Si；②含P2O5的制品(不烧砖，含磷酸铝、磷酸钠或磷酸钙结合剂的不定形料)会释放出磷；③Cr2O3会发生分解并产生诸如CrO3、CrO2、CrO等化合物，甚至产生金属铬；④含碳的材料在与高温钢水的作用下，会使钢水增碳。因此，在材质选择时，应慎用磷酸铝、磷酸钠或磷酸钙结合剂及含铬质材料；原料中，适当控制SiO2含量和存在形式；对于超低碳钢和洁净钢的冶炼，应选用低碳或无碳的材料作为钢包渣线用耐火材料。
(2)钢包应根据冶炼不同钢种加以分类，如精炼钢包渣线是选用MgO-C砖，还是选用MgO-CaO-C砖，主要决定于精炼钢种、熔渣特性和操作条件。对于CaO-SiO2系熔渣，MgO-CaO-C砖耐用性较好，而在CaO-Al2O3系熔渣中MgO-CaO-C砖损耗严重，使用MgO-C砖比较合适。因此，将钢包进行分类，一个钢包只冶炼某一类钢种，这对提高钢包整体寿命是有效的。
(3)调整钢包精炼熔渣的成分，减少熔渣对钢包渣线材料的侵蚀作用。比如采取提高熔渣中MgO浓度的方法来控制熔渣的化学性质。其办法是：将精炼过程渣的MgO含量控制到接近其饱和浓度，同时保证熔渣具有较好的流动性，从而获得较好的精炼效果；然后再将终渣中的MgO含量控制在其饱和浓度以上，使终渣处于液固状态之中，以降低渣线MgO质(有时含有C)衬砖中MgO溶人熔渣中的数量，从而提高渣线耐火材料的使用寿命。川崎制铁所第二炼钢厂进行了这方面的实验，他们采用向钢包熔渣中加入轻烧白云石，使熔渣中MgO浓度分阶段升高，当熔渣中ω(MgO)从3％升高到12％时，损毁最严重的底吹搅拌侧渣线衬砖的损毁速度降低60％，渣线衬砖寿命则由10炉提高到25炉，经济效果非常显著。
(4)熔渣的低黏度是熔渣侵蚀耐火材料的一个重要促进条件。为了减少耐火材料的蚀损，可采取提高熔渣黏度的办法来达到，从而达到提高钢包内衬寿命的目的。
4 结语
(1)从以上检验结果和分析可以得出某钢厂连铸终渣的特性：冶炼超低碳钢的钢包终渣中FeO含量较高且CaO/SiO2比较低，对MgO存在强溶蚀性，非超低碳钢钢包终渣中MgO含量仍未饱和，对MgO具有一定的溶蚀性；连铸终渣中CaO含量远未饱和，这种熔渣会渗透耐火材料并可熔出该类耐火材料中的CaO，以满足形成溶液的要求。
(2)通过材质合理选取、钢包合理使用及熔渣成分、黏度调节，可以达到延长渣线寿命的目的，但还需作进一步研究。
摘自《武钢技术》2009年4月第2期
作者陈华圣等（武钢研究院）陶晓林等（武钢炼钢三分厂）
编辑蔚金哲 021-26093241
