LF炉精炼渣调整对钢包耐材以及精炼效果的影响

刘超奇

（天津天铁冶金集团有限公司炼钢厂，河北涉县056404）

LF炉精炼渣调整对钢包耐材以及精炼效果的影响

刘超奇

（天津天铁冶金集团有限公司炼钢厂，河北涉县056404）

针对LF精炼脱硫时钢包内衬严重侵蚀的问题，将LF炉精炼渣进行调整，使用铝酸钙体系取代萤石的无氟精炼渣。调渣后钢包的侵蚀状况得到明显改善，精炼数、精炼比以及拆包残厚得到较大幅度提升。新渣系的流动性以及脱硫效果能够满足生产要求。

精炼渣；耐材侵蚀；流动性；脱硫

1 引言

LF精炼炉广泛应用在各钢铁企业的生产活动当中，来实现钢水温度以及成分的精确控制，并进行快速深度脱硫。由于CaF2能显著降低渣的黏度以及强化脱硫效果，因此LF精炼常用CaO-CaF2体系进行快速造渣。但CaF2的使用，也会对钢包内衬，尤其是渣线部位造成严重侵蚀，同时精炼过程F的不断散逸也会造成不良的环境效益。为兼顾精炼脱硫，耐材使用寿命以及环保要求，使用铝酸钙体系取代萤石的无氟精炼渣已得到了较好的运用。本文就天铁集团炼钢厂渣系调整前后耐材侵蚀以及使用效果进行介绍。

2 渣对耐火材料的侵蚀机理

渣蚀损毁是耐火材料破坏的两大主要因素之一，高温下耐材向渣中的熔解以及渣向耐材中的渗透是渣对耐材侵蚀的两个最主要原因，分别论述如下。

2.1 高温下耐材向渣中的熔解

影响耐材向渣中熔解的因素主要包括：熔渣的化学成分和性质；渣中某耐火组分饱和浓度与实际浓度差；渣的粘度；渣与耐材的反应产物。对于炼钢厂用精炼钢包，包墙尤其是渣线部位，使用镁铝碳砖砌筑，MgO为主要氧化物，故可归为碱性耐火材料。渣的碱度越高，其熔解侵蚀能力越弱；渣对耐材的熔解侵蚀速度还和渣中某耐火组分的实际浓度Cs与实际浓度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，耐材的熔解速度将会降低，耐材的损毁减弱；渣与耐材的反应产物同样也会影响渣对耐材的熔解侵蚀速率，如果反应产物在反应温度下以液态形式存在，它就会不断向渣中扩散，从而加快耐材的侵蚀，反之则降低耐材的侵蚀速率。

2.2 渣向耐材中的渗透

渣通过孔隙和裂纹不断向耐材内部渗透，其渗透速度和深度符合以下公式:

式中，V为渗透速度；r为孔隙孔径；σ为熔渣表面张力；θ为熔渣与耐材的润湿角；η为渗入耐材中渣的粘度；L为渣渗透的深度[1]。

由公式（1）、（2）可得，随着耐材孔隙孔径的增加以及渣黏度的降低，渣侵蚀的速度和深度也随之增加；其次大部分的渣由金属氧化物构成，它们对耐材中的主要成分具有较好的润湿性，θ＜90°，θ减小，渣侵蚀的速度和深度均会增加。

3 调渣前后渣侵蚀作用的对比分析

3.1 调渣前渣对耐材的侵蚀机理

调渣前，渣对耐材特别是渣线部位的侵蚀主要通过CaF2作用。由于F-的静电势比O2-小，它可以从渣表面排走O2-从而降低渣的表面张力。由公式（1）、（2）可得，随着σ的下降，渣的渗透速度加快，侵蚀深度增加。有研究表明，在CA、CMA和CaF2精炼渣中，溶剂CaF2的粘度是最低的。η的降低，渣侵蚀的速度和深度也均会增加，同时η的降低，还会加快耐材向渣中的熔解速度。除此外，F-的存在，还会取代SiO2中的O2-，削弱CaO-Al2O3-SiO2的结合，从而破坏其网络结构[2]，造成黏度继续下降。渣渗透的加剧会不断对钢包内衬，特别是渣线部位造成侵蚀，造成耐材孔隙孔径增加，结构疏松，侵蚀速度和深度进一步增加。同时渣的粘附性变差将会导致钢包内衬，特别是渣线部位没有附着层或者附着层薄，从而在再次盛装钢水时，耐材表面没有保护层，与钢水直接接触，造成较为严重的氧化，甚至导致结构剥落。

3.2 调渣前后数据分析计算

3.2.1 调渣前后渣成分对比

调渣前后LF精炼渣成分对比如表1所示。

表1 调渣前后LF精炼渣成分对比/ω%

其中调渣前CaO的来源主要是白灰带入和萤石折算，其中白灰带入42.67%，萤石折算13.70%；SiO2是脱氧产物，与转炉下渣量成正相关；MgO主要由转炉出钢、钢包内衬熔解以及合成渣熔解带入。

3.2.2 调渣前后渣碱度计算调渣前碱度记为R1，调渣后记为R2。不计算萤石带入的CaO则有：

随着精炼的进行，F-不断以气态结合物的形式散逸，调整前精炼终渣认为以无氟形式存在，计算碱度则有：

3.3 调渣后渣对耐材侵蚀改善的机理分析

3.3.1 碱度的影响

由3.2.2节可得，随着精炼的进行，调渣前渣的碱度随F散逸逐渐增加，但后期之前仍低于调渣后，可以认为调渣后渣的综合碱度不低于调渣之前。而碱度的提升有助于降低耐材向渣中的熔解速率，从而增强钢包内衬特别是渣线部位抗侵蚀能力。

3.3.2 渣成分影响

在渣向耐材内部渗透的过程中，MgO遇冷析出或与Al2O3反应生成镁铝尖晶石，可以阻塞毛孔、填充缝隙从而减小r，降低渣的侵蚀速度和深度；由于生成的镁铝尖晶石为高熔点化合物，以不熔融的固态形式存在，会降低反应产物的扩散速度，从而降低耐材熔解速率。如果生成的镁铝尖晶石保护层较为完整，将避免渣与耐材直接接触，渣侵蚀和扩散的能力将进一步减弱。调渣后的无氟精炼环境，除了消除CaF2对耐材侵蚀的不良影响外，能对上述各过程起到积极的促进作用，从而使钢包内衬，尤其是渣线部位的抗侵蚀能力得以提升。除此外，MgO含量的增加，提高了渣的碱度和黏度，并使Cs-Co值减小，降低MgO向渣中的熔解速度，从而进一步提升耐材抗渣侵蚀能力。

4 调渣前后精炼效果分析

渣系的调整除了降低耐材的侵蚀速率外，还必须满足精炼条件的要求，现就从调渣后渣的流动性以及脱硫效果两方面进行分析，论述如下：

4.1 渣的流动性分析

在CaO-Al2O3-SiO2渣体系中，Al2O3的主要作用就是调整体系处于低熔点的位置，即C12A7的生成区域。由CaO-Al2O3二元体系相图可得，合适的ω（CaO）/ω（Al2O3）范围为0.95～2.95，在ω（CaO）/ω （Al2O3）=1.7时，渣的溶解性和流动性最好。同样分析CaO-SiO2二元相图可得，在ω（CaO）/ω（SiO2）= 0.75～1.05时，主要生成C3S2和CS低熔点一致熔融化合物，有利于降低体系熔点。SiO2为脱氧产物，可通过转炉下渣量调节，若SiO2含量保持一定，为13.29%，则合适的CaO含量应该在54%左右，Al2O3含量在24%附近。对比分析调渣后渣成分可得，本渣系成分较为合理，渣熔点在1 550℃左右，符合生产要求，这一点也在生产实践中得到了验证。

4.2 脱硫效果分析

渣的脱硫反应主要通过CaO进行，精炼渣体系是影响脱硫效果的一个重要原因。在所有的二元体系当中，若成分适当，CaO-CaF2体系的脱硫能力是最强的，这也是该体系得以广泛应用的一个重要原因。但CaF2对该体系的脱硫效果是相对的，若CaF2加入合适，可增强渣的流动性，降低渣的熔点，增大脱硫产物的扩散速度；若加入过多，则对CaO起到稀释作用，不利于脱硫反应的进行[3]，同时对耐材造成较为严重的侵蚀。用铝矾土代替萤石后，通过调整，Al2O3起到了改善渣流动性的作用。分析调渣前后渣的脱硫效果，调渣后脱硫过程同样满足生产控制条件。

碱度是影响渣脱硫效果的另一个重要因素。有研究表明，渣的碱度R＜2.2时，随渣碱度的提升，脱硫效果增加；当R=1.9～2.2时，渣具有最佳的脱硫能力[4]。调渣后渣的碱度为1.73，提高CaO的含量，减少SiO2的带入量，同时适当调整增加Al2O3的含量有助于进一步提高渣的脱硫效果，同时改善渣的流动性。

5 调渣前后钢包使用情况对比

调渣前由于CaF2体的存在，渣线部位的钢包侵蚀较为严重，尤其是萤石加入过多时，这种情况尤为严重，如图1所示。而调渣后，钢包内衬侵蚀较为缓慢均匀，钢包的包况得到大幅改善，如图2所示。

对比调渣前后某一月份情况，结果如表2所示。

由表2对比分析可知，调渣后钢包包龄、精炼数、精炼比均有所增加，其中精炼数、精炼率提升幅度较大，同时渣线侵蚀减弱，残厚增加。综上所述，调渣后钢包耐材特别是渣线部位的侵蚀得到了较大程度的改善。

图1 调渣前某钢包包龄23精炼21次时渣线侵蚀状况

图2 调渣后某钢包包龄47精炼44次时渣线侵蚀状况

表2 钢包拆包数据对比

6 结束语

通过以上论述分析可知，萤石是造成调渣前钢包耐材侵蚀严重的主要原因。调渣后钢包的侵蚀状况得以改善，精炼数、精炼比以及拆包残厚得到较大幅度提升，渣成分还有调整空间，以继续增强脱硫效果，改善渣的流动性，调渣后新渣系的流动性以及脱硫效果满足生产实际要求。

[1]李楠，顾华志，赵惠忠.耐火材料学[M].北京：冶金工业出版社，2010：59-60.

[2]李文平,李士明,陈爱红，等.铝酸钙系冶金溶剂和CaF2对镁碳砖的侵蚀比较[J].耐火材料,2013，47（1）：10-13.

[3] 王菲，杨军，徐畔来.LF精炼炉渣性能探讨 [J].甘肃冶金，2010，32（4）：12-13，33.

[4] 刘海强,王三忠,程官江.安钢100 t LF精炼炉造渣工艺实践[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

刘超奇（1989—），男，本科，主要从事耐火技术方面的研究工作。