鋼包耐火材料對(duì)鋼中氧含量及鋼水溫降的影響

李秉強(qiáng)，戴文斌，于景坤

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004)

鋼包耐火材料對(duì)鋼中氧含量及鋼水溫降的影響

李秉強(qiáng)，戴文斌，于景坤

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004)

利用氧勢(shì)指數(shù)分析了鋼包耐火材料組成、配比以及加熱溫度對(duì)耐火材料分解和向鋼中傳氧的影響，并利用熱傳導(dǎo)理論計(jì)算了鋼包包襯耐火材料的絕熱性能對(duì)鋼水溫降的影響.結(jié)果表明:隨著耐火材料材質(zhì)由堿性向中性和酸性的順序變化及溫度的升高，耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)增大，由耐火材料向鋼中的傳氧能力增加;通過使用絕熱性能良好的耐火材料，可以顯著降低鋼水熱損失，減少鋼水溫降.

鋼包;耐火材料;傳氧;絕熱

鋼包是煉鋼工業(yè)的重要容器，主要起著盛接、轉(zhuǎn)運(yùn)、精煉和澆注鋼水的作用.隨著冶金工業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鋼包的作用日益顯著;鋼包的性能不但直接影響鋼材質(zhì)量，同時(shí)對(duì)冶煉過程也具有重要影響.本文就鋼包耐火材料對(duì)鋼質(zhì)量及冶煉過程的影響進(jìn)行分析和討論.

1 耐火材料對(duì)鋼中氧含量的影響

在冶煉溫度、脫氧劑種類以及脫氧劑加入量一定的情況下，耐火材料對(duì)鋼中氧含量具有重要影響.研究結(jié)果表明，當(dāng)鋼液終脫氧及合金化后，根據(jù)包襯使用耐火材料種類和組成的不同，會(huì)產(chǎn)生由耐火材料向鋼液中傳氧的現(xiàn)象.

耐火材料分解和向鋼液中的傳氧能力可用下式表示［1］:

式中，IOP(Index of Oxygen Potential)為耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)，即，表示耐火材料在溫度一定的條件下向鋼液中的傳氧能力;ΔGΘi為耐火材料中i組分的生成自由能;Mi為i組分的摩爾質(zhì)量;ρi為i組分的密度;αi為i組分在耐火材料中的摩爾分?jǐn)?shù).

圖1和圖2分別示出了根據(jù)式(1)計(jì)算得到的幾種常用的耐火材料組分以及MgO－Al2O3系耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)隨溫度的變化關(guān)系.

由圖可見，耐火材料的種類、組成配比以及加熱溫度對(duì)耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)具有很大影響.一般來說，隨著耐火材料由堿性向中性和酸性的順序變化，耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)增大;同時(shí)，隨著溫度的升高，耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)亦增大.

耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)越大，表明在高溫下由鋼包包襯耐火材料向鋼液中的傳氧能力越強(qiáng).圖3示出了使用不同耐火材料時(shí)，耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)與鋼液中氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))間的關(guān)系.

由圖3可見，隨著耐火材料氧勢(shì)指數(shù)的增大，鋼液中氧含量迅速增加.使用堿性耐火材料時(shí)，鋼中的氧含量降低.這同式(1)的計(jì)算結(jié)果是一致的.

由包襯耐火材料傳入鋼液中的氧將影響鋼中氧與脫氧元素間建立的平衡關(guān)系，使反應(yīng)向生成相應(yīng)金屬氧化物的方向進(jìn)行.用金屬鋁進(jìn)行終脫氧時(shí)，鋼液中氧與鋼中酸溶鋁間的平衡關(guān)系如圖4所示.由于鋼液中氧含量的增加，為了維持氧與酸溶鋁間的平衡，將使鋼中的酸溶鋁發(fā)生氧化，生成Al2O3，如果生成的Al2O3不能從鋼液中排出，就會(huì)殘留在鋼中形成夾雜.例如，當(dāng)中間包采用SiO2質(zhì)酸性包襯，澆鑄酸溶鋁含量高的鋼種時(shí)，將發(fā)生如下反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)耐火材料向鋼液中傳氧.

2 鋼包耐火材料的絕熱性能對(duì)鋼水溫降的影響

鋼包耐火材料的絕熱性能對(duì)鋼水溫降、鋼質(zhì)量以及冶煉過程亦具有重要影響.通過控制鋼水在鋼包內(nèi)的溫降，不但可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)溫度，同時(shí)，也會(huì)減少鋼液中的合金元素的氧化.

轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)時(shí)的鋼液中氧含量和鋼中碳含量及冶煉溫度有關(guān)，通過對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)鋼中的氧含量、碳含量以及溫度進(jìn)行回歸分析可得如下關(guān)系式［3］:

式中，［O］為鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，×10－6;［C］為鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;t為吹煉終點(diǎn)溫度，℃.

由式(3)計(jì)算可得，如果出鋼溫度上升10℃，則吹煉終點(diǎn)鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將增加(14～16)×10－6.鋼中增加的氧，在鋼水降溫過程中將同合金元素反應(yīng)，使鋼中的合金元素氧化，并生成相應(yīng)的夾雜物.因此，在保證澆注過程順利進(jìn)行的前提下，應(yīng)盡可能降低轉(zhuǎn)爐的出鋼溫度.

一般來說，鋼包包襯主要是由絕熱層、永久層和工作層組成的.其中，絕熱層耐火材料的性能，特別是絕熱層耐火材料的熱導(dǎo)率對(duì)鋼包的溫降具有重要影響.

目前，微孔絕熱材料被認(rèn)為是絕熱性能最好、熱導(dǎo)率最低的鋼包用絕熱層材料，其在各溫度下的熱導(dǎo)率如表1所示［4］.

表1 微孔絕熱材料的熱導(dǎo)率Table 1 Thermal conductivity of micro－porous insulation material

使用微孔絕熱材料時(shí)，由于其強(qiáng)度較低，一般要在絕熱材料與永久層之間增加一層保護(hù)層.此時(shí)的鋼包包襯耐火材料結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 鋼包包襯耐火材料結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Refractory structure of ladle lining

當(dāng)工作層，永久層和保護(hù)層分別采用鎂碳磚，高鋁澆注料和石棉板，并設(shè)定各襯層厚度分別為鎂碳磚160 mm、高鋁澆注料90 mm、石棉板10 mm、微孔絕熱板5 mm、鋼板20 mm時(shí)，根據(jù)包襯材料的熱導(dǎo)率，利用熱傳導(dǎo)公式及熱平衡計(jì)算出了鋼包盛裝150 t鋼水在1 650℃下時(shí)包襯各材料的溫度，如表2所示.

表2 鋼包各襯層的溫度Table 2 Temperature of ladle lining

另外，利用相同方法計(jì)算了在絕熱層采用非微孔絕熱材料時(shí)鋼包外殼的鋼板溫度，其冷面溫度為422℃(襯層無磨損時(shí)).

比較上述計(jì)算結(jié)果可知，鋼包通過使用微孔絕熱材料，可以顯著降低鋼板溫度，即，減少熱損失通量，降低鋼水溫降.

3 結(jié)論

鋼包耐火材料組成、配比以及加熱溫度對(duì)耐火材料分解及向鋼液中傳氧具有重要影響.隨著耐火材料組分由堿性向中性及酸性的順序變化，耐火材料的氧勢(shì)指數(shù)增大，由耐火材料向鋼液中的傳氧能力增加;當(dāng)溫度升高時(shí)，將促進(jìn)耐火材料組分的分解以及向鋼液中傳氧過程的進(jìn)行.包襯絕熱材料的性能對(duì)鋼水溫降有重要影響.通過使用微孔絕熱材料，可以顯著降低鋼水熱損失，減少鋼水溫降.

［1］湯淺悟郎，杉浦三郎，藤根道彥.溶鋼の脫酸におよぼす耐火物の影響［J］.鉄と鋼，1983，69(4):278－282.

［2］Yuasa G，Sugiura S，F(xiàn)ujine M.Oxygen content in refractories［J］.Transactions ISIJ，1983，23:289.

［3］蒲筱瓊，邱才文，郭衛(wèi)善，等.轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量預(yù)報(bào)模型［J］.山東冶金，2006，28(1):40－42.(Pu Xiao － qiong，Qiu Cai－ wen，Guo Wei－ shan，et al.Predictive model of BOF end oxygen content［J］.Shandong Metallurgy，2006，28(1):40 －42.)

［4］孫志堅(jiān)，孫緯，傅加林.國(guó)內(nèi)絕熱保溫材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.能源工程，2001(4):26.(Sun Zhi－ jian，Sun Wei，F(xiàn)u Jia － lin.Current status and development of thermal insulating materials in China［J］.Energy Engineering，2001(4):26.)

Influence of ladle refractories on oxygen content and temperature dropping of molten steel

LI Bing-qiang，DAI Wen-bin，YU Jing-kun

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The influences of chemical composition of refractories，raw material proportion and heating temperature on the decomposition of refractory composites and oxygen translation from refractories to molten steel were discussed by using index of oxygen potential，and the influence of the properties of insulating material on the temperature dropping of molten steel was calculated according to the thermal conduction theory.The results showed that with the change of refractory kind from alkalinity to neutrality and acidity，and with the increasing of heating temperature，the index of oxygen potential raises and the probability of oxygen translation to molten steel increases.By using qualified insulating material，heat loss of molten steel could be obviously inhibited and the temperature dropping of molten steel could be decreased.

ladle;refractory;oxygen translation;insulation

TB 35

A

1671-6620(2011)03-0180-04

2011-05-24.

李秉強(qiáng) (1966—)，男，遼寧本溪人，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:yuanl@smm.neu.edu.cn;于景坤 (1960—)，男，遼寧康平人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.