LF精煉鋼包包壁磚局部侵蝕過快的原因分析

苗 正，張凱歌，王義龍，王偉強(qiáng)，鐘虎堂，吳 佩

（1.河北省鋼鐵冶煉用技術(shù)創(chuàng)新中心 河北國亮新材料股份有限公司，河北 唐山 063000；2.武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081）

爐外精煉是煉鋼廠對鋼水進(jìn)行深脫氧、硫，去除夾雜物和合金化的主要冶煉過程。考慮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，由于熔渣對渣線耐火材料的熔損較快，一般在使用過程中至少需要更換一次渣線[1-3]。熔池區(qū)耐火材料在精煉過程中受鋼液的侵蝕，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)或者無碳鋁鎂材質(zhì)[4-6]。在服役過程中熔池區(qū)耐材處于鋼包的中下部，更換施工難度大，同時經(jīng)濟(jì)上性價比一般比較低，所以很大程度上熔池區(qū)使用壽命決定了整個鋼包的壽命。耐火材料的損毀機(jī)理是一個相對比較復(fù)雜的問題，熔渣性質(zhì)、操作溫度、耐材組成以及冶金條件都會影響其侵蝕過程，現(xiàn)場鋼包襯的損毀更加是溫度場、鋼/渣流場以及化學(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，同時相關(guān)結(jié)果對工程現(xiàn)場也有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 情況調(diào)查

某鋼廠180 t轉(zhuǎn)爐鋼包，鋼包拆包過程中發(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（見圖1），限制了包齡的進(jìn)一步提升，見表1。該廠的基本條件是：冶煉環(huán)境為LF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（見圖2），精煉時電極插入鋼包內(nèi)，位置在1點(diǎn)、2點(diǎn)和6點(diǎn)位置（見圖3）。

圖1 拆包時熔池磚厚度情況

圖2 鋼包-透氣磚位置現(xiàn)場圖

圖3 石墨電極在鋼包內(nèi)的相對位置示意圖

表1 鋼包磚工作襯殘厚 （mm）

表2 現(xiàn)場精煉渣成分

眾所周知，鋼包產(chǎn)生薄弱點(diǎn)的常見位置有三個：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耐火材料的沖刷。③倒渣面。在一次鋼包周轉(zhuǎn)結(jié)束的時候，需要將包內(nèi)剩余的鋼液和鋼渣倒出，傾倒過程中倒渣面受到鋼渣和鋼液的沖刷和侵蝕。而在該現(xiàn)場的薄弱部位并不是這三個常見部位，所以研究它是很有意義的。從現(xiàn)場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。接下來我們對取回來的磚進(jìn)行分析，確定其損毀機(jī)理。

圖4 鋼包包壁5點(diǎn)方向用后磚形貌圖

圖5 鋼包包壁12點(diǎn)方向用后磚形貌圖

2 用后磚檢測和分析

2.1 檢測方法和過程

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

2.2 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距離熱面相同位置，來自薄弱點(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度

表4給出了距熱面不同距離樣品的化學(xué)指標(biāo)?？梢钥闯?，隨著距離熱面越遠(yuǎn)，CaO含量逐漸降低；距離相同的試樣對比，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30～55 mm時，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25 mm。

表4 距離熱面不同距離樣塊的化學(xué)成分

2.3 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。可以看出，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3.4 mm，反應(yīng)層2.7～4.6 mm，脫碳層厚度3.4 mm，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磚的進(jìn)一步氧化，同時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 5點(diǎn)方向用后磚的顯微結(jié)構(gòu)圖

表5 圖6中各區(qū)域的EDS分析

圖7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。

表6 圖7中各矩形框內(nèi)化學(xué)成分

圖7 12點(diǎn)方向用后熔池磚的顯微結(jié)構(gòu)圖

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)，是一個侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過程。這也和眾多文獻(xiàn)中對用后渣線磚侵蝕情況敘述一致[7-8]。

致密反應(yīng)層的產(chǎn)生可能和現(xiàn)場的操作有關(guān)。鋼包澆鋼完畢后，從連鑄平臺下來，需要將剩余的鋼包渣和鋼液倒出，在倒渣過程中，倒渣面被渣覆蓋，化學(xué)侵蝕加劇，但對磚起到了防熱震效果，同時高堿度渣和磚形成了較致密和連續(xù)的反應(yīng)層，阻礙了空氣和渣對磚的進(jìn)一步侵蝕。12點(diǎn)方向在澆鋼過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，在下一輪使用過程中受鋼液沖刷，導(dǎo)致反應(yīng)層被沖刷掉，最終導(dǎo)致該部位的磚侵蝕過快。

3 結(jié)論

本文針對某鋼廠精煉鋼包熔池磚局部侵蝕過快的現(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：鋼包的冶金操作過程是導(dǎo)致LF精煉鋼包局部熔損過快的主要原因，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u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)過程，侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過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，降低冶金操作過程的氧化程度。