為什么爐外精煉鋼包熔池磚損蝕過(guò)快？

為什么爐外精煉鋼包熔池磚損蝕過(guò)快？帶著這個(gè)疑問(wèn)可以在本文中找到答案。

爐外精煉是煉鋼廠對(duì)鋼水進(jìn)行深脫氧、硫，去除夾雜物和合金化的主要冶煉過(guò)程�？紤]LF精煉鋼包不同部位的侵蝕介質(zhì)不同，主要分為渣線區(qū)和熔池區(qū)。鋼包渣線區(qū)域由于受到氧化物熔渣的劇烈侵蝕，通常采用的是含碳量在12～18wt%的MgO-C磚，由于熔渣對(duì)渣線耐火材料的熔損較快，一般在使用過(guò)程中至少需要更換一次渣線。

熔池區(qū)耐火材料在精煉過(guò)程中受鋼液的侵蝕，鋼包澆完鋼熱修之前需要倒渣，倒渣面耐火材料主要受到熔渣的化學(xué)侵蝕和物理沖刷，熔池區(qū)耐材可選用的材質(zhì)有鎂鋁碳材質(zhì)、鋁鎂碳材質(zhì)或者無(wú)碳鋁鎂材質(zhì)。在服役過(guò)程中熔池區(qū)耐材處于鋼包的中下部，更換施工難度大，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上性價(jià)比一般比較低，所以很大程度上熔池區(qū)使用壽命決定了整個(gè)鋼包的壽命。

耐火材料的損毀機(jī)理是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題，熔渣性質(zhì)、操作溫度、耐材組成以及冶金條件都會(huì)影響其侵蝕過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)鋼包襯的損毀更加是溫度場(chǎng)、鋼/渣流場(chǎng)以及化學(xué)侵蝕綜合耦合后導(dǎo)致的結(jié)果。因此探明熔池區(qū)耐火材料的局部損毀機(jī)理不僅是耐火侵蝕機(jī)理的科學(xué)探究，同時(shí)相關(guān)結(jié)果對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)也有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1、情況調(diào)查

某鋼廠180t轉(zhuǎn)爐鋼包，鋼包拆包過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼包熔池部位12點(diǎn)方向的熔池磚殘厚明顯比周邊的磚殘厚低（見(jiàn)圖1），限制了包齡的進(jìn)一步提升，見(jiàn)表1。該廠的基本條件是：冶煉環(huán)境為L(zhǎng)F精煉，比例100%，生產(chǎn)鋼種大部分為鋁鎮(zhèn)靜鋼，爐渣堿度比較高，見(jiàn)表2；鋼包內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要為透氣磚分布在5點(diǎn)和7點(diǎn)方向（見(jiàn)圖2），精煉時(shí)電極插入鋼包內(nèi)，位置在1點(diǎn)、2點(diǎn)和6點(diǎn)位置（見(jiàn)圖3）。

圖1：拆包時(shí)熔池磚厚度情況 (mm)

眾所周知，鋼包產(chǎn)生薄弱點(diǎn)的常見(jiàn)位置有三個(gè)：①電極附近。電極產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致渣/鋼液和耐火材料的反應(yīng)加快。②透氣磚附近。透氣磚吹通后加快鋼液對(duì)耐火材料的沖刷。③倒渣面。在一次鋼包周轉(zhuǎn)結(jié)束的時(shí)候，需要將包內(nèi)剩余的鋼液和鋼渣倒出，傾倒過(guò)程中倒渣面受到鋼渣和鋼液的沖刷和侵蝕。而在該現(xiàn)場(chǎng)的薄弱部位并不是這三個(gè)常見(jiàn)部位，所以研究它是很有意義的。

從現(xiàn)場(chǎng)取熔池薄弱方向和非薄弱方向的用后磚（如圖4、圖5所示），有效厚度分別為160 mm和60 mm。從圖中可以看出，非薄弱方向熔池磚表面有渣層存在，薄弱方向熔池磚幾乎沒(méi)有渣層；平行于熱面方向，非薄弱方向熔池磚表面有兩道裂紋，里面已經(jīng)填充了渣。接下來(lái)我們對(duì)取回來(lái)的磚進(jìn)行分析，確定其損毀機(jī)理。

圖2：鋼包-透氣磚位置現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3：石墨電極在鋼包內(nèi)的相對(duì)位置示意圖

2、用后磚檢測(cè)和分析

1）檢測(cè)方法和過(guò)程

距熱面每隔25mm切一塊樣品（25mm×25mm×25mm）進(jìn)行物理和化學(xué)性能檢測(cè)，熱端部分進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。

2）用后磚樣物理化學(xué)分析

表3給出了距熱面不同距離樣品的物理指標(biāo)�？梢钥闯�，在0～25 mm部位，兩方向熔池磚顯氣孔率和體積密度相差不大，但薄弱方向樣品的體積密度略高于非薄弱方向的體積密度；30～55 mm區(qū)間，薄弱方向樣品的體積密度2.80 g/cm3明顯高于非薄弱方向磚的體積密度2.74 g/cm3，顯氣孔率14.8%明顯低于非薄弱方向磚的顯氣孔率16.2%�？梢哉f(shuō)距離熱面相同位置，來(lái)自薄弱點(diǎn)的樣品具有較高的體積密度和較低的顯氣孔率，這從側(cè)面表明薄弱點(diǎn)方向的熔池磚具有較低的渣滲透層或者脫碳層。

表3：距離熱面不同距離樣塊的顯氣孔率和體積密

根據(jù)距熱面不同距離樣品的化學(xué)指標(biāo)可以看出，隨著距離熱面越遠(yuǎn)，CaO含量逐漸降低；距離相同的試樣對(duì)比，非薄弱點(diǎn)方向樣品中的CaO含量要高于薄弱點(diǎn)方向樣品；原磚層的CaO含量應(yīng)該在1.3wt%左右，其中5點(diǎn)方向非薄弱點(diǎn)的磚在距離熱面30～55mm時(shí)，CaO含量為1.57%，大于1.3%，這表明非薄弱方向的熔池磚的渣滲透層深度至少為25mm。

3）顯微結(jié)構(gòu)分析

圖6是5點(diǎn)方向用后熔池磚的顯微結(jié)構(gòu)圖�？梢钥闯�，5點(diǎn)方向用后熔池磚熱面部分明顯分為四層，渣層、反應(yīng)層、脫碳層和滲透層；渣層厚度3.4mm，反應(yīng)層2.7～4.6mm，脫碳層厚度3.4mm，距離熱端遠(yuǎn)的地方氧化鈣含量也比較高，該部位渣的滲透深度很大。

從表5的化學(xué)分析看，整個(gè)25 mm的樣品均存在渣滲透。5點(diǎn)方向熔池磚表面的反應(yīng)層比較厚，顆粒和基質(zhì)燒結(jié)在一起，較為致密，強(qiáng)度高，阻礙了氧氣和渣中氧化物對(duì)磚的進(jìn)一步氧化，同時(shí)具有一定的抗沖刷性能。表5給出能譜分析，在反應(yīng)層中形成了鎂鋁尖晶石，這表明高堿度渣中，在高溫下氧化鋁和鎂砂形成尖晶石是高溫物相，能夠很好地保護(hù)鋼包磚，避免進(jìn)一步侵蝕。

圖6給出了12點(diǎn)方向用后熔池磚的顯微結(jié)構(gòu)。渣層厚度0.6 mm，反應(yīng)層和脫碳層總厚度約為0.6 mm，滲透層厚度約為2.5 mm。與5點(diǎn)方向用后包壁磚的顯微結(jié)構(gòu)不同，薄弱點(diǎn)方向渣層、反應(yīng)層、脫碳層、滲透層很薄，很快達(dá)到原磚層，這也和前面表3和表4中物理化學(xué)分析一致；渣和磚形成的反應(yīng)層不連續(xù)不致密。

表6給出了各部位化學(xué)成分，可以看出，隨著距熱面距離的增大，磚中的氧化鈣含量迅速降低，區(qū)域5時(shí)氧化鈣含量已經(jīng)達(dá)到原磚層化學(xué)指標(biāo)，磚的滲透深度比較小。綜上可知，5點(diǎn)方向用后熔池磚有明顯的反應(yīng)層和脫碳層，且反應(yīng)層較為致密連續(xù)，能夠阻礙渣和氧對(duì)磚的進(jìn)一步損毀和鋼水沖刷；12點(diǎn)方向用后熔池磚表面不能形成穩(wěn)定的反應(yīng)層，不斷和外界空氣或者渣接觸，新的反應(yīng)層很快被沖刷掉，不斷露出新的脫碳層反應(yīng)，是一個(gè)侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過(guò)程。這也和眾多文獻(xiàn)中對(duì)用后渣線磚侵蝕情況敘述一致。  

致密反應(yīng)層的產(chǎn)生可能和現(xiàn)場(chǎng)的操作有關(guān)。鋼包澆鋼完畢后，從連鑄平臺(tái)下來(lái)，需要將剩余的鋼包渣和鋼液倒出，在倒渣過(guò)程中，倒渣面被渣覆蓋，化學(xué)侵蝕加劇，但對(duì)磚起到了防熱震效果，同時(shí)高堿度渣和磚形成了較致密和連續(xù)的反應(yīng)層，阻礙了空氣和渣對(duì)磚的進(jìn)一步侵蝕。12點(diǎn)方向在澆鋼過(guò)程中隨著渣液面下降附有薄薄的一層渣，澆鋼完畢后受到空氣氧化和熱震作用，不能形成反應(yīng)致密層，在下一輪使用過(guò)程中受鋼液沖刷，導(dǎo)致反應(yīng)層被沖刷掉，終導(dǎo)致該部位的磚侵蝕過(guò)快。

3、結(jié)論

本文針對(duì)某鋼廠精煉鋼包熔池磚局部侵蝕過(guò)快的現(xiàn)象，系統(tǒng)分析鋼包熔池區(qū)不同部位用后殘磚的侵蝕形貌，得出如下結(jié)論：

鋼包的冶金操作過(guò)程是導(dǎo)致LF精煉鋼包局部熔損過(guò)快的主要原因，倒渣面受鋼渣覆蓋，形成了較致密的反應(yīng)層，阻礙了空氣和渣的進(jìn)一步侵蝕，也能提高鋼包磚的抗沖刷性能，非倒渣面耐火材料局部異常侵蝕主要是因?yàn)殇摪�磚與渣之間的反應(yīng)層不致密，結(jié)構(gòu)疏松，在下一輪冶煉過(guò)程中更容易被鋼水沖刷損毀，伴隨著冶金精煉操作的循環(huán)過(guò)程，侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過(guò)程是含碳爐襯損毀的主要機(jī)理。

基于以上分析得出結(jié)論：①提高非倒渣面耐火材料的致密性，增加鋼包磚與渣之間的反應(yīng)層的致密程度。②增強(qiáng)耐火材料的高溫抗折強(qiáng)度，提高鋼包磚的抗沖刷性能。③提高非倒渣面耐火材料的抗氧化性，降低冶金操作過(guò)程的氧化程度。