首钢：连铸控流用耐火材料的选择及使用

摘要：根据铝脱氧镇静钢钢水特性和连铸控流用耐火材料侵蚀特点，提出耐火材料的使用与钢水相适应及匹配的问题。通过生产应用，连浇炉数明显提高，取得了可观的经济效益。

关键词：品种钢连铸耐火材料

第三炼钢厂是由首钢自行设计、制造、安装的炼钢厂。该厂现有3座公称容量为80t的氧气顶吹转炉、1座铁水包脱硫扒渣站、2座LF钢包精炼炉、1座VD真空脱气装置、3台8流高效方坯连铸机和1台4流全自动矩形坯连铸机。年产钢300万t。

1主要品种结构

几年来，第三炼钢厂通过提升工艺装备水平，不断改进和完善工艺，强化提高过程质量控制水平，大力开发新品种，该厂生产的品种钢逐渐由以普碳钢为主转变为以优质钢为主，先后建立并完善了3条优质钢生产线。生产品种由原来的单一品种规格转变为包含优质硬线钢、大规格预应力钢丝用钢、钢铰线用钢、优质软线钢、优质焊条钢、焊丝用钢、冷镦钢、矿用钢、合金结构钢、齿轮钢、弹簧钢和轴承钢等13个系列近100个牌号。由于第三炼钢厂转炉生产能力大于连铸生产能力，而连铸生产能力主要受控流耐火材料使用寿命的制约，故提高连铸控流耐火材料的质量成为提高品种钢产量的主要工作之一。因此，针对品种钢生产特点，分类选择使用相应材质的连铸控流耐火材料显得尤为重要。

2连铸控流用耐火材料使用现状

第三炼钢厂优质品种钢浇注主要采取塞棒和中间包水口进行控流，实施全保护浇注。整体塞棒和中间包上水口不耐侵蚀，尤其浇注低碳钢时，只能浇注9～10炉约400min，且浇注后期拉坯速度不宜精确控制，浇注过程中有漏钢现象。浇注钙处理中、高碳品种钢塞棒有效控流时间约为560min。控流耐火材料全部使用铝碳材质，部分浇次由于钢水的钙含量偏高，曾经发生塞棒失控现象，对生产造成一定影响。

3连铸控流用耐火材料研究

3.1连铸控流用耐火材料的侵蚀

连铸控流用耐火材料主要指塞棒、中间包水口和浸入式水口，其中塞棒头和水口碗部的侵蚀主要取决于以下几个因素：

(1)机械冲刷；

(2)钢水侵蚀；

(3)钢水夹杂物同耐火材料的化学反应；

(4)热震剥落。

由于耐火材料的使用寿命直接关系到生产的稳定，所以针对不同钢种的耐火材料选型就显得尤为重要。第三炼钢厂通过两年多的生产实践，在这方面积累了一些经验。具体来讲就是在浇铸不同钢种时要针对具体情况来确定连铸控流用耐火材料的选型，通常要考虑到钢水的脱氧方法、钢中自由氧含量、全氧含量(通过夹杂物全分析来确定)、夹杂物类型、钙含量和浇铸速度等因素。

3.2钙处理的铝脱氧镇静钢的特点与塞棒的侵蚀

由于铝脱氧镇静钢中自由氧含量通常很低，一般情况下小于0．001％，所以耐火材料的侵蚀与耐火材料中碳的氧化关系不大。同时，钢中含有一定量的A1203夹杂物，冶炼高质量铝脱氧镇静钢时通常要喂入硅钙线进行夹杂物变性和深脱硫，钢中夹杂物的类型取决于钢中全氧含量、铝含量和硫含量。

由此可知，塞棒头部和水口碗部的侵蚀通常不是由于钢水氧化造成的，而是与钢中夹杂物的形态和组成密切相关，故必须针对铝脱氧镇静钢的特点来选择耐火材料的材质。选择耐火材料的材质时既要保证钢水的可浇性，又要确保生产的稳定，提高连浇炉数。当钢中的钙含量变化时，通常采用的铝碳质水口碗和塞棒头的使用寿命明显降低，而采用镁碳质产品则很好地解决了这一问题，使连浇炉数稳定达到l4炉以上，同时钢水的可浇性得到改善。

3．2．1钙处理的铝脱氧镇静钢的特点

理论上讲，为防止水口堵塞和促使夹杂物变性，喂入硅钙线后钢中会发生脱氧和脱硫反应，反应式如下：

Ca+0=CaO(1)

Ca+S=CaS(2)

生产过程中期望生成的CaO与Al203反应，使高熔点的A1203，转变为低熔点相的铝酸钙，生成CaO•A1203，和CaO•2A1203从而改善钢水的流动性，使水口堵塞减轻，或生成C12A7液态非金属夹杂物，上浮使钢水得到净化。C12A7中A1203和CaO各约占50％，其熔点约为1400℃。

当钙的加入量过少时，不足以将A1203转化为C12A7，而当钢水中硫含量达到一定数量时，钙的加入量过多又会生成CaS。CaS与A1203，一样也会使水口堵塞。钙的加入量与夹杂物数量的关系如图1所示，与水口堵塞的关系如图2所示。

钙加入钢水中是生成CaS，还是生成CA₆、CA₂、CA和液态C₁₂A7，取决于钙的加入量、钢水温度、钢水中铝和硫的含量，反应式如下：

3CaS+l9A1₂0₃=3(CaO•6A1₂0₃)+2Al+3S(3)

12CaS+7(CaO•6A1₂0₃)=19(CaO•2A1₂0₃)+8Al+12S(4)

3CaS+4(CaO•2A1₂0₃)=7(CaO•A1₂O₃)+2Al+3S(5)

15CaS+33(CaO•Al₂O₃)=4(12CaO•7A1₂0₃)+1OAl+15S(6)

从式(6)可见，为了生成C₁₂A₇，铝和硫的含量必须低于式(6)中铝和硫的平衡含量。

3.2.2夹杂物组分

由于首钢目前冶炼的钢水经LF炉处理后硫含量通常低于0.010％，所以水口堵塞物基本为A1203、CA6+A1203和镁铝尖晶石。夹杂物的典型组分见表l。

3.3连铸耐火材料的选型

若钙的加入量不足，则析出物为白色，主要成分为Al2O3、CaO•6Al2O3、CaO•2Al2O3和MgO•Al203；若钙的加入量过多，则析出物为黑色，主要成分为CaS。如果钢中硫含量很少，而钙的加入量过多，虽不会生成CaS，但会加剧塞棒侵蚀。

为防止水口堵塞，喂硅钙线量需根据钢中铝含量和硫含量确定，为使钢中夹杂物组分中含有一定量的C：A，通常将钢水中钙含量控制较高。在这种情况下，铝碳质塞棒头和水口碗会侵蚀较严重，钙的加入量对低硫钢种塞棒侵蚀的影响如图3所示。

因氧化镁相对于氧化钙具有热力学稳定性，故浇注钙处理的铝脱氧镇静钢时，用镁碳质塞棒头和水口碗部配合进行控流。使用后塞棒的抗侵蚀性能显著提高，但氧化镁质材料热膨胀系数高、抗热震稳定性差，需采取特殊工艺进行处理。

实践表明，当钢中全氧含量与钙含量比值为1.6～2.8时，采用镁碳质塞棒头及水口碗，则钢中夹杂物较少，钢水可浇性最好，同时对耐火材料的侵蚀较小；若采用铝碳质产品，则耐火材料的侵蚀明显加快，影响连浇炉数。当钢中全氧含量与钙含量比值大于2.8时，耐火材料侵蚀较慢，虽可采用铝碳质产品，但会因水口堵塞而影响连浇炉数。连铸控流耐火材料理化性能指标见表2（表2详见原文），钢中全氧含量与钙含量比值及夹杂物类型、耐火材料的侵蚀见表3（表3详见原文）。

4结论

生产实践表明，生产不同系列钢种需选用不同性能和材质的连铸控流耐火材料。

(1)对于经钙处理的中、高碳铝脱氧镇静钢，应选用镁碳质塞棒头及水口碗进行控流；对于低碳品种钢，可选用铝碳材质耐火材料进行控流；

(2)改善钢水可浇性可实现高的连浇炉数；

(3)通过对连铸控流用耐火材料材质与浇注钢水性能进行适应性匹配，目前第三炼钢厂中、高碳品种钢连浇时间最长可达24h，低碳品种钢连浇时间最长可达12h以上；

(4)连铸控流用耐火材料的选用使连浇炉数明显提高，吨钢成本降低了2.85元，年实现经济效益达228万元以上。

摘自《首钢科技》2005年第2期

作者邵俊宁王坚曾立（首钢第三炼钢厂）

编辑蔚金哲021-26093241