LF爐精煉渣調(diào)整對(duì)鋼包耐材以及精煉效果的影響

劉超奇

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

LF爐精煉渣調(diào)整對(duì)鋼包耐材以及精煉效果的影響

劉超奇

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

針對(duì)LF精煉脫硫時(shí)鋼包內(nèi)襯嚴(yán)重侵蝕的問題，將LF爐精煉渣進(jìn)行調(diào)整，使用鋁酸鈣體系取代螢石的無氟精煉渣。調(diào)渣后鋼包的侵蝕狀況得到明顯改善，精煉數(shù)、精煉比以及拆包殘厚得到較大幅度提升。新渣系的流動(dòng)性以及脫硫效果能夠滿足生產(chǎn)要求。

精煉渣；耐材侵蝕；流動(dòng)性；脫硫

1 引言

LF精煉爐廣泛應(yīng)用在各鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，來實(shí)現(xiàn)鋼水溫度以及成分的精確控制，并進(jìn)行快速深度脫硫。由于CaF2能顯著降低渣的黏度以及強(qiáng)化脫硫效果，因此LF精煉常用CaO-CaF2體系進(jìn)行快速造渣。但CaF2的使用，也會(huì)對(duì)鋼包內(nèi)襯，尤其是渣線部位造成嚴(yán)重侵蝕，同時(shí)精煉過程F的不斷散逸也會(huì)造成不良的環(huán)境效益。為兼顧精煉脫硫，耐材使用壽命以及環(huán)保要求，使用鋁酸鈣體系取代螢石的無氟精煉渣已得到了較好的運(yùn)用。本文就天鐵集團(tuán)煉鋼廠渣系調(diào)整前后耐材侵蝕以及使用效果進(jìn)行介紹。

2 渣對(duì)耐火材料的侵蝕機(jī)理

渣蝕損毀是耐火材料破壞的兩大主要因素之一，高溫下耐材向渣中的熔解以及渣向耐材中的滲透是渣對(duì)耐材侵蝕的兩個(gè)最主要原因，分別論述如下。

2.1 高溫下耐材向渣中的熔解

影響耐材向渣中熔解的因素主要包括：熔渣的化學(xué)成分和性質(zhì)；渣中某耐火組分飽和濃度與實(shí)際濃度差；渣的粘度；渣與耐材的反應(yīng)產(chǎn)物。對(duì)于煉鋼廠用精煉鋼包，包墻尤其是渣線部位，使用鎂鋁碳磚砌筑，MgO為主要氧化物，故可歸為堿性耐火材料。渣的堿度越高，其熔解侵蝕能力越弱；渣對(duì)耐材的熔解侵蝕速度還和渣中某耐火組分的實(shí)際濃度Cs與實(shí)際濃度Co之差成正比，Cs-Co越大，耐材在渣中的熔解速度就越大；而渣黏度的增大，耐材的熔解速度將會(huì)降低，耐材的損毀減弱；渣與耐材的反應(yīng)產(chǎn)物同樣也會(huì)影響渣對(duì)耐材的熔解侵蝕速率，如果反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下以液態(tài)形式存在，它就會(huì)不斷向渣中擴(kuò)散，從而加快耐材的侵蝕，反之則降低耐材的侵蝕速率。

2.2 渣向耐材中的滲透

渣通過孔隙和裂紋不斷向耐材內(nèi)部滲透，其滲透速度和深度符合以下公式:

式中，V為滲透速度；r為孔隙孔徑；σ為熔渣表面張力；θ為熔渣與耐材的潤濕角；η為滲入耐材中渣的粘度；L為渣滲透的深度[1]。

由公式（1）、（2）可得，隨著耐材孔隙孔徑的增加以及渣黏度的降低，渣侵蝕的速度和深度也隨之增加；其次大部分的渣由金屬氧化物構(gòu)成，它們對(duì)耐材中的主要成分具有較好的潤濕性，θ＜90°，θ減小，渣侵蝕的速度和深度均會(huì)增加。

3 調(diào)渣前后渣侵蝕作用的對(duì)比分析

3.1 調(diào)渣前渣對(duì)耐材的侵蝕機(jī)理

調(diào)渣前，渣對(duì)耐材特別是渣線部位的侵蝕主要通過CaF2作用。由于F-的靜電勢比O2-小，它可以從渣表面排走O2-從而降低渣的表面張力。由公式（1）、（2）可得，隨著σ的下降，渣的滲透速度加快，侵蝕深度增加。有研究表明，在CA、CMA和CaF2精煉渣中，溶劑CaF2的粘度是最低的。η的降低，渣侵蝕的速度和深度也均會(huì)增加，同時(shí)η的降低，還會(huì)加快耐材向渣中的熔解速度。除此外，F(xiàn)-的存在，還會(huì)取代SiO2中的O2-，削弱CaO-Al2O3-SiO2的結(jié)合，從而破壞其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，造成黏度繼續(xù)下降。渣滲透的加劇會(huì)不斷對(duì)鋼包內(nèi)襯，特別是渣線部位造成侵蝕，造成耐材孔隙孔徑增加，結(jié)構(gòu)疏松，侵蝕速度和深度進(jìn)一步增加。同時(shí)渣的粘附性變差將會(huì)導(dǎo)致鋼包內(nèi)襯，特別是渣線部位沒有附著層或者附著層薄，從而在再次盛裝鋼水時(shí)，耐材表面沒有保護(hù)層，與鋼水直接接觸，造成較為嚴(yán)重的氧化，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落。

3.2 調(diào)渣前后數(shù)據(jù)分析計(jì)算

3.2.1 調(diào)渣前后渣成分對(duì)比

調(diào)渣前后LF精煉渣成分對(duì)比如表1所示。

表1 調(diào)渣前后LF精煉渣成分對(duì)比/ω%

其中調(diào)渣前CaO的來源主要是白灰?guī)牒臀炇鬯?，其中白灰?guī)?2.67%，螢石折算13.70%；SiO2是脫氧產(chǎn)物，與轉(zhuǎn)爐下渣量成正相關(guān)；MgO主要由轉(zhuǎn)爐出鋼、鋼包內(nèi)襯熔解以及合成渣熔解帶入。

3.2.2 調(diào)渣前后渣堿度計(jì)算調(diào)渣前堿度記為R1，調(diào)渣后記為R2。不計(jì)算螢石帶入的CaO則有：

隨著精煉的進(jìn)行，F(xiàn)-不斷以氣態(tài)結(jié)合物的形式散逸，調(diào)整前精煉終渣認(rèn)為以無氟形式存在，計(jì)算堿度則有：

3.3 調(diào)渣后渣對(duì)耐材侵蝕改善的機(jī)理分析

3.3.1 堿度的影響

由3.2.2節(jié)可得，隨著精煉的進(jìn)行，調(diào)渣前渣的堿度隨F散逸逐漸增加，但后期之前仍低于調(diào)渣后，可以認(rèn)為調(diào)渣后渣的綜合堿度不低于調(diào)渣之前。而堿度的提升有助于降低耐材向渣中的熔解速率，從而增強(qiáng)鋼包內(nèi)襯特別是渣線部位抗侵蝕能力。

3.3.2 渣成分影響

在渣向耐材內(nèi)部滲透的過程中，MgO遇冷析出或與Al2O3反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，可以阻塞毛孔、填充縫隙從而減小r，降低渣的侵蝕速度和深度；由于生成的鎂鋁尖晶石為高熔點(diǎn)化合物，以不熔融的固態(tài)形式存在，會(huì)降低反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，從而降低耐材熔解速率。如果生成的鎂鋁尖晶石保護(hù)層較為完整，將避免渣與耐材直接接觸，渣侵蝕和擴(kuò)散的能力將進(jìn)一步減弱。調(diào)渣后的無氟精煉環(huán)境，除了消除CaF2對(duì)耐材侵蝕的不良影響外，能對(duì)上述各過程起到積極的促進(jìn)作用，從而使鋼包內(nèi)襯，尤其是渣線部位的抗侵蝕能力得以提升。除此外，MgO含量的增加，提高了渣的堿度和黏度，并使Cs-Co值減小，降低MgO向渣中的熔解速度，從而進(jìn)一步提升耐材抗渣侵蝕能力。

4 調(diào)渣前后精煉效果分析

渣系的調(diào)整除了降低耐材的侵蝕速率外，還必須滿足精煉條件的要求，現(xiàn)就從調(diào)渣后渣的流動(dòng)性以及脫硫效果兩方面進(jìn)行分析，論述如下：

4.1 渣的流動(dòng)性分析

在CaO-Al2O3-SiO2渣體系中，Al2O3的主要作用就是調(diào)整體系處于低熔點(diǎn)的位置，即C12A7的生成區(qū)域。由CaO-Al2O3二元體系相圖可得，合適的ω（CaO）/ω（Al2O3）范圍為0.95～2.95，在ω（CaO）/ω （Al2O3）=1.7時(shí)，渣的溶解性和流動(dòng)性最好。同樣分析CaO-SiO2二元相圖可得，在ω（CaO）/ω（SiO2）= 0.75～1.05時(shí)，主要生成C3S2和CS低熔點(diǎn)一致熔融化合物，有利于降低體系熔點(diǎn)。SiO2為脫氧產(chǎn)物，可通過轉(zhuǎn)爐下渣量調(diào)節(jié)，若SiO2含量保持一定，為13.29%，則合適的CaO含量應(yīng)該在54%左右，Al2O3含量在24%附近。對(duì)比分析調(diào)渣后渣成分可得，本渣系成分較為合理，渣熔點(diǎn)在1 550℃左右，符合生產(chǎn)要求，這一點(diǎn)也在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

4.2 脫硫效果分析

渣的脫硫反應(yīng)主要通過CaO進(jìn)行，精煉渣體系是影響脫硫效果的一個(gè)重要原因。在所有的二元體系當(dāng)中，若成分適當(dāng)，CaO-CaF2體系的脫硫能力是最強(qiáng)的，這也是該體系得以廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。但CaF2對(duì)該體系的脫硫效果是相對(duì)的，若CaF2加入合適，可增強(qiáng)渣的流動(dòng)性，降低渣的熔點(diǎn)，增大脫硫產(chǎn)物的擴(kuò)散速度；若加入過多，則對(duì)CaO起到稀釋作用，不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行[3]，同時(shí)對(duì)耐材造成較為嚴(yán)重的侵蝕。用鋁礬土代替螢石后，通過調(diào)整，Al2O3起到了改善渣流動(dòng)性的作用。分析調(diào)渣前后渣的脫硫效果，調(diào)渣后脫硫過程同樣滿足生產(chǎn)控制條件。

堿度是影響渣脫硫效果的另一個(gè)重要因素。有研究表明，渣的堿度R＜2.2時(shí)，隨渣堿度的提升，脫硫效果增加；當(dāng)R=1.9～2.2時(shí)，渣具有最佳的脫硫能力[4]。調(diào)渣后渣的堿度為1.73，提高CaO的含量，減少SiO2的帶入量，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整增加Al2O3的含量有助于進(jìn)一步提高渣的脫硫效果，同時(shí)改善渣的流動(dòng)性。

5 調(diào)渣前后鋼包使用情況對(duì)比

調(diào)渣前由于CaF2體的存在，渣線部位的鋼包侵蝕較為嚴(yán)重，尤其是螢石加入過多時(shí)，這種情況尤為嚴(yán)重，如圖1所示。而調(diào)渣后，鋼包內(nèi)襯侵蝕較為緩慢均勻，鋼包的包況得到大幅改善，如圖2所示。

對(duì)比調(diào)渣前后某一月份情況，結(jié)果如表2所示。

由表2對(duì)比分析可知，調(diào)渣后鋼包包齡、精煉數(shù)、精煉比均有所增加，其中精煉數(shù)、精煉率提升幅度較大，同時(shí)渣線侵蝕減弱，殘厚增加。綜上所述，調(diào)渣后鋼包耐材特別是渣線部位的侵蝕得到了較大程度的改善。

圖1 調(diào)渣前某鋼包包齡23精煉21次時(shí)渣線侵蝕狀況

圖2 調(diào)渣后某鋼包包齡47精煉44次時(shí)渣線侵蝕狀況

表2 鋼包拆包數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)束語

通過以上論述分析可知，螢石是造成調(diào)渣前鋼包耐材侵蝕嚴(yán)重的主要原因。調(diào)渣后鋼包的侵蝕狀況得以改善，精煉數(shù)、精煉比以及拆包殘厚得到較大幅度提升，渣成分還有調(diào)整空間，以繼續(xù)增強(qiáng)脫硫效果，改善渣的流動(dòng)性，調(diào)渣后新渣系的流動(dòng)性以及脫硫效果滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

[1]李楠，顧華志，趙惠忠.耐火材料學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：59-60.

[2]李文平,李士明,陳愛紅，等.鋁酸鈣系冶金溶劑和CaF2對(duì)鎂碳磚的侵蝕比較[J].耐火材料,2013，47（1）：10-13.

[3] 王菲，楊軍，徐畔來.LF精煉爐渣性能探討 [J].甘肅冶金，2010，32（4）：12-13，33.

[4] 劉海強(qiáng),王三忠,程官江.安鋼100 t LF精煉爐造渣工藝實(shí)踐[J].湖南冶金,2004,32（3）：32-34，47.

Influence of LF Refining Slag Adjustment on Ladle Refractory and Refining Effect

LIU Chao-qi
(Steel-making Plant,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

In order to tackle with the problem of serious erosion of ladle lining during the desulfurization of LF refining,LF refining slag was adjusted and calcium aluminate system substituted fluorine free refining slag with fluorite.After the adjustment of the slag,the erosion conditions on ladle were improved greatly and refining number,refining ratio and remaining lining thickness after demolishing all increased substantially.The liquidity of new slag system and desulfurization effect could meet the production requirement.

refining slag;refractory erosion;liquidity;desulfurization

10.3969/j.issn.1006-110X.2015.06.003

2015-08-12

2015-09-02

劉超奇（1989—），男，本科，主要從事耐火技術(shù)方面的研究工作。