加廢鋼條件下鐵水包的異常侵蝕與用材問題探討

徐國濤 趙 元 吳 杰 張洪雷 劉 黎 張彥文 周旺枝

1）寶鋼股份中央研究院 湖北武漢 430080

2）武漢鋼鐵有限公司 湖北武漢 430080

鐵水包是承擔(dān)鐵水運(yùn)輸?shù)闹匾d體，其運(yùn)行的安全、穩(wěn)定直接影響煉鋼生產(chǎn)的順行，也影響工序的能耗與成本。鐵水包在使用過程中，包襯要經(jīng)受1 300～1 400℃高溫鐵水的沖刷、浸泡、熱沖擊、機(jī)械磨損以及渣、鐵的侵蝕，有些鋼廠還要在鐵水包進(jìn)行脫硫作業(yè)。隨著鋼廠降低鐵鋼比的需要，國內(nèi)不少鋼廠在鐵水包中加入廢鋼［1］，提高了鋼鐵生產(chǎn)流程中的廢鋼比，但也加劇了對包襯的沖擊和侵蝕。某鋼廠150 t鐵水包加廢鋼前考核爐齡800次，加廢鋼后降低到600次。研究表明［2］：鐵水包加廢鋼會導(dǎo)致鐵水溫度降低，可采用預(yù)熱的方式進(jìn)行補(bǔ)熱；對中型廢鋼，預(yù)熱溫度由300℃提高到800℃時(shí)，其噸鋼熔化時(shí)間由8.5 min縮短到6.8 min。對鐵水包加廢鋼前后的溫度測試結(jié)果表明［3］：加廢鋼的鐵水包中鐵水溫度平均低35℃。鐵水包內(nèi)加廢鋼可以避免轉(zhuǎn)爐加廢鋼容易卡爐口的現(xiàn)象，縮短廢鋼入爐時(shí)間。文獻(xiàn)［4］表明：廢鋼加入量占鐵水包容量的4%時(shí)未出現(xiàn)結(jié)底，當(dāng)為5%時(shí)就出現(xiàn)了少量結(jié)底。為確保后續(xù)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的熱量或避免鐵水包結(jié)蓋嚴(yán)重，加廢鋼時(shí)以大小適中的輕薄廢鋼為主，數(shù)量控制在3 t以內(nèi)［5］。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［6］表明：理論計(jì)算鐵水包中添加輕薄廢鋼、中型廢鋼和重型廢鋼的比例分別可達(dá)到6.0%、3.8%和2.2%。在輸送超低硅鐵水時(shí)，鐵水包包壁工作層采用鋁碳化硅碳磚，包底采用剛玉-紅柱石-碳磚，永久層一般采用輕質(zhì)黏土磚［7］。文獻(xiàn)［8］表明：鐵水包用鋁碳質(zhì)耐火材料可采用葉蠟石原料，以降低生產(chǎn)成本。在本文中，結(jié)合相關(guān)的分析結(jié)果，探討了加入廢鋼對鐵水包襯的侵蝕影響因素及包襯材料存在的問題。

1 鐵水包的異常侵蝕調(diào)研

100 t鐵水包加廢鋼的起始包次為9～520次，加廢鋼次數(shù)最多30次，最少8次。未加廢鋼前包齡最高可達(dá)800次，未發(fā)現(xiàn)異常侵蝕。加廢鋼后約有10個(gè)鐵水包出現(xiàn)異常侵蝕坑，其面積大，深度可達(dá)保溫層，不得不下線維護(hù)?，F(xiàn)場觀察取樣兩個(gè)鐵水包，A包停用時(shí)包齡560次，加廢鋼前已用500次，加廢鋼10次；B包停用時(shí)包齡190次，加廢鋼前已用111次，加廢鋼12次。圖1、圖2分別示出了A包、B包鐵水侵蝕情況。

圖1 鐵水包A侵蝕情況

圖2 鐵水包B侵蝕情況

加入廢鋼10余次后，在包底及包壁中下部工作層出現(xiàn)侵蝕及沖擊的深坑，部分已深入到保溫磚層，造成爐襯結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響了鐵水包運(yùn)行的安全性。從包壁的多孔層及背部或夾層里的石墨可以推斷，鐵水包內(nèi)加廢鋼增加了鋁碳化硅碳磚中碳的氧化反應(yīng)，造成孔洞，鐵水滲透后析碳富集。根據(jù)溝、坑斷面的磨損情況判斷，局部大侵蝕坑是含未熔廢鋼的鐵水對包壁的磨損沖蝕造成的。

2 鐵水包破損取樣分析

選取了鐵水包包底、包壁、包口的結(jié)塊物、黏結(jié)物、包襯表面多孔物質(zhì)、磚間隙的氧化鐵鱗、石墨狀物質(zhì)、鐵塊狀沉積物，采用化學(xué)分析、FSEM及EDS等對所取物質(zhì)粉碎后粉末進(jìn)行分析。結(jié)果如下：

（1）表層多孔物經(jīng)FSEM分析認(rèn)為主要組成為硅鐵、錳鐵，以鐵為主；能譜分析發(fā)現(xiàn)有部分氧元素。錳鐵析出物的組成（w）為：SiO227.46%，Al2O38.53%，Na2O 2.07%，MgO 2.11%，SO32.52%，TiO21.32%，CaO 1.64%，MnO 31.46%，F(xiàn)eO 22.89%。與錳鐵析出物相鄰共生物的組成（w）為：SiO291.70%，Al2O38.30%。表層多孔物于1 585℃開始軟化，1 591℃熔融平鋪，說明包襯侵蝕過程中存在鐵的黏附，氧化是包襯反應(yīng)破壞的主要原因。

（2）包底部結(jié)塊物的組成（w）為：SiO253.39%，Al2O35.91%，TiO23.04%，CaO 1.64%，V2O50.74%，MnO 6.68%，F(xiàn)eO 30.24%。夾鋼的組成（w）為：Si 0.88%，F(xiàn)e 99.12%。部分氧化的硅鐵組成（w）為：O 17.50%，Si 0.50%，F(xiàn)e 81.99%，或含有少量鋁的硅鐵半氧化物。鐵水包底部存在含硅鐵的石墨結(jié)塊。包襯磚間及包底與包壁間大量的細(xì)碎鱗片狀物質(zhì)主要為氧化亞鐵和石墨。底部結(jié)塊粉末于1 419℃開始軟化，1 461℃熔融平鋪。

（3）包口掛渣加廢鋼結(jié)塊的組成（w）為：SiO248.96%，Al2O35.87%，TiO23.66%，CaO 0.75%，V2O50.84%，MnO 7.24%，F(xiàn)eO 32.67%。其FeO含量較高。包口掛渣加廢鋼結(jié)塊粉末于1 278℃開始軟化，1 419℃熔融平鋪。

（4）包壁表面浮渣的組成（w）為：SiO273.23%，Al2O320.16%，Na2O 0.61%，MgO 1.18%，F(xiàn)eO 4.82%。包壁工作襯殘磚化學(xué)組成（w）為：Al2O327.4%，SiC 1.54%，C 5.9%，TFe 5.7%。不考慮炭素因素的影響，EDS分析包壁工作襯殘磚粉末組成（w）為：SiO273.23%，Al2O323.21%，Na2O 0.84%，MgO 0.57%，F(xiàn)eO 2.14%。近包底的包壁3～5環(huán)工作襯殘磚與包壁其他部位工作襯殘磚成分接近，說明在沖擊區(qū)及鐵水回旋較大的區(qū)域沒有采用耐沖擊且強(qiáng)度較高的襯磚材料。

分析認(rèn)為主要破損原因?yàn)椋?）包壁及包底存在大量的黏渣，其中以含有少量硅、錳的鐵相為主，含有少量硅、錳的鐵相與包襯反應(yīng)，生成含有大量SiO2、FeO、MnO的物相，其熔點(diǎn)降低，致使包襯表面多孔；2）大量的氧化鐵與鱗片狀石墨存在于磚的間隙，說明鐵水加廢鋼后碳含量偏低，與爐襯間可能存在碳的遷移與反應(yīng)，同時(shí)鋁碳化硅碳磚與黏附的鐵渣存在氧化或還原反應(yīng)，導(dǎo)致爐襯表面多孔疏松；3）包襯殘磚基質(zhì)以SiO2為主，Al2O3含量較低；說明磚中加有葉蠟石原料，這種基質(zhì)呈酸性，氧化鐵較多的廢鋼加入較多時(shí)對包襯侵蝕較大。

3 鐵水包襯用原磚性能與組成分析

對某廠鐵水包不同部位原磚進(jìn)行了取樣分析，其組成與性能見表1。

表1 某廠鐵水包不同部位的襯磚組成與性能

由表1發(fā)現(xiàn)：包底、包壁用磚的組成差別很大。包底磚使用的是高鋁骨料，其體積密度可達(dá)2.86 g·cm-3，燒后耐壓強(qiáng)度較高；而包壁磚除了礬土熟料外，含有較多的葉蠟石，其體積密度為2.54 g·cm-3，燒后耐壓強(qiáng)度較低，是酸性基質(zhì)，而碳化硅的含量也低于包底磚的。因此，在抗侵蝕性能上，包底襯磚優(yōu)于包壁襯磚。而作為永久層保溫磚，其體積密度為2.39 g·cm-3，耐壓強(qiáng)度為40.8 MPa。如此高強(qiáng)度的半重質(zhì)磚用于保溫，其熱導(dǎo)率可能比輕質(zhì)黏土磚的大，導(dǎo)致鐵水包的鐵水溫降增加。

對鐵水包包底及包壁用的鋁碳化硅碳磚（簡稱ASC磚）進(jìn)行不同溫度空氣下燒成1 h的氧化質(zhì)量損失試驗(yàn)，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯喊谟娩X碳化硅碳磚1 000℃的氧化質(zhì)量損失率可達(dá)6.74%，大于包底磚。這與現(xiàn)場包壁磚存在疏松的多孔層相印證。鐵水通過多孔層滲透，其中的碳在多孔層內(nèi)析出且有富集；氧化反應(yīng)造成了磚襯的疏松，使得強(qiáng)度降低。

圖3 鐵水包包底及包壁用鋁碳化硅碳磚的氧化質(zhì)量損失率曲線

4 加廢鋼鐵水包襯的選材

鐵水包加廢鋼后的主要破損原因與包襯耐火材料的質(zhì)量、選材有關(guān)。

（1）包壁工作襯磚密度低，使用葉蠟石為原料，成本可以大幅度降低，但其主要成分是SiO2，在以MnO、FeO為主要組成的掛渣相的侵蝕下，容易導(dǎo)致FeO與包襯的氧化還原反應(yīng)，形成多孔疏松結(jié)構(gòu)。在鋼廠實(shí)行總包后，由于承包價(jià)格的影響，耐火材料供應(yīng)商往往被動(dòng)地采用代用原料，使包襯材料不能滿足安全生產(chǎn)的要求。

（2）由于廢鋼裝入高度約占包高三分之二，鐵水入包不一定直對包底，沿空隙進(jìn)入后，對包襯形成回旋沖擊。含未熔鋼粒的鐵水對爐襯的回旋沖擊磨損大，而鋁碳化硅碳磚高溫強(qiáng)度不高，碳容易氧化，碳化硅含量低，抗侵蝕性能差，沖擊造成斷磚、掉磚。對于鐵水包中加廢鋼，有的廠家采用預(yù)熱到800℃，甚至使用煤氣氧槍加熱，但對于含碳包襯，必然存在氧化問題。這種情況包襯的結(jié)構(gòu)需要改變，如內(nèi)部再套澆一層無碳澆注料，以提高包襯的抗沖刷和磨損能力。

（3）鐵水包保溫層采用紅硅石質(zhì)保溫磚，其密度大，強(qiáng)度高，保溫性不好，鐵水包溫降大。如廢鋼沒有烘烤加熱，熔化不徹底，容易造成包口、包底黏鋼、黏渣，加劇了鐵水包的侵蝕。以往用黏土磚或輕質(zhì)莫來石磚，雖然成本相對紅硅石保溫磚要高，但其密度小，保溫性能好。

5 結(jié)語

（1）鐵水包包底采用鋁碳化硅碳磚，體積密度可達(dá)2.86 g·cm-3；包壁用鋁碳化硅碳磚的體積密度為2.54 g·cm-3，含較多的葉蠟石，燒后耐壓強(qiáng)度較低；二者的體積密度、顯氣孔率、耐壓強(qiáng)度均低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。鐵水包工作襯磚質(zhì)量不能滿足鐵水包加廢鋼的工藝條件是破損的主要原因。

（2）鐵水包包壁用鋁碳化硅碳磚1 000℃的氧化質(zhì)量損失率為6.74%，大于包底磚的。包壁磚在使用過程中氧化形成多孔層，鐵水通過多孔層滲透，在其中析碳并富集；氧化反應(yīng)造成了磚襯的疏松，強(qiáng)度降低；包壁部分附渣熔點(diǎn)低，其材質(zhì)在加廢鋼條件下需要考慮其高溫性能。

（3）鐵水包采用紅硅石磚密度大，強(qiáng)度高，保溫性不好，容易增加鐵水溫降；在沒有補(bǔ)熱措施條件下，廢鋼熔化不完全，造成包口和包底黏鋼、黏渣，加劇了鐵水包的破損。鐵水包襯用耐火材料必須結(jié)合工藝條件的變化加以改進(jìn)來提高其技術(shù)的附加值，而不完全是靠原料替代來降低成本。