炼钢用耐火材料的研究

黄 飞

上海电气上重铸锻有限公司 冶铸分厂 上海 200245

1 研究背景

某重机厂主要生产和制造大型铸锻件,这些铸锻件一般是用于国家重大装备的关键部件,是大型船舶、冶金、火力发电、核电、军工、石化和航空航天等重大装备制造业的基础[1]。随着制造技术的发展,大型铸锻件向整体化、一体化的方向发展,不断减少关键焊缝的数量,提升产品的质量。决定产品质量的重要环节是冶炼钢水的质量,因此在工作中对钢水的化学成分精细化和纯净化控制提出了更高的要求[2-3]。

相关研究表明,耐火材料的材质和性能与钢水成分控制的精准化、非金属夹杂含量的多少等有密切关系,尤其是炉外精炼和中间包浇铸过程中,耐火材料的选用更是与钢水的质量直接相关[4-5]。生产耐火材料会产生大量污染,耗用大量资源,随着绿色经济的到来,减少耐火材料在生产过程中的耗用,对环境保护与资源节约而言具有积极的意义[6-8]。鉴于耐火材料在冶炼生产中的重要作用,国内各大钢铁生产企业,如宝钢、包钢和安钢等对耐火材料在相关设备上的应用进行了研究,并取得了一定的进展[9-11]。另一方面,国内对耐火材料在炼钢生产设备中的研究与应用还较少,笔者以某大型重机厂的炼钢生产线为例,介绍各种材质的耐火材料在冶金设备上的应用,分析探讨精炼包的侵蚀机理与当前耐火材料在使用中需要注意的问题。

2 冶炼设备与工艺

某重机厂拥有一座100 t超高功率电炉和一座120 t精炼炉,铸件和钢锭的生产均需经过精炼炉处理。钢水经真空脱气后,再经中间包进行真空浇铸,最大可生产500 t级双真空钢锭及700 t级铸件毛坯。

钢锭生产的主要工艺路线如图1所示。

图1 钢锭生产工艺路线

3 炼钢用耐火材料

铸锻件的冶炼生产离不开冶金设备,而钢锭的生产相比铸件而言质量要求更高。笔者以某重机厂钢锭冶炼生产所需设备为例,讨论耐火材料选用应考虑的问题,介绍电炉、精炼炉和中间包所用的耐火材料材质,并简单分析所用材料的特点与精炼包渣线侵蚀机理。

3.1 耐火材料选用应考虑的问题

对炼钢设备而言,耐火材料最基本的性能要求是保证在使用中不变形,不软化,并保持一定的强度。因此,首先要考虑耐火材料的常温耐压强度、荷重软化温度和重烧线收缩等。

其次,要考虑炼钢设备的反应氛围。某些耐火材质对氛围较为敏感,如含碳量比较高的耐火材料,在氧化性氛围下极易氧化,不适合在氧化性氛围强的条件下使用;Fe2O3、TiO2含量较高的材质不适宜在还原性氛围下使用。因此,要考虑耐火材料的组成材质及含量。

最后要考虑的因素是材料的体积密度与显气孔率[12]。炼钢设备在生产过程中,耐火材料会不可避免地与高温钢水直接接触。如果耐火材料致密程度不足,气孔过多,钢水会沿气孔渗入耐火材料,使材料的结构组织发生变化,当温度变化时,材料会熔损剥落。

3.2 电炉用耐火材料

电炉在炼钢过程中,主要为精炼炉提供碳、磷和温度符合规范的钢水,同时利用脱碳过程中剧烈的碳氧反应,对钢水起去气、去夹杂的作用,主要发生的化学反应为[13-14]:

[C]+(FeO)=[Fe]+CO(g)

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]

P2O5+ 4(CaO)=(4CaO·P2O5)

反应式中,[]表示钢液中物质,()表示炉渣中物质,g表示气体。

根据电炉的工作环境,耐火材料需要满足三方面要求。

(1) 因为脱磷需要在高碱度下进行,需加入大量石灰,且脱碳需要在高温下进行,所以所用耐火材料在高温下需能够抗高碱性炉渣的侵蚀,即具有高温化学稳定性和较强的高温力学性能。

(2) 重机行业的炼钢属于间断式生产,电炉冶炼时温度很高,停炉出钢后,炉体会在短时间内降至较低温度,这就要求耐火材料具有良好的抗热震性。

(3) 电炉基本以废钢为炉料,在加料时,炉体会承受极大的冲击力,要求耐火材料具有抗机械冲击的能力[15]。

1970年,日本大同钢厂电炉开始采用镁碳砖耐火材料。由于具有良好的抗渣性、高热导率和优良的抗热震性,目前世界上的电炉基本都采用镁碳砖作为炉壁工作层材料[16]。我国生产的镁碳砖有三种规格,分别为10%、14%和18%含碳量[17]。一般而言,含碳量高的镁碳砖导热较好,含碳量较低的镁碳砖耐磨损性较好[18],各生产企业可以根据不同的设备和产品选择合适的镁碳砖。某重机厂电炉用耐火材料材质及主要性能指标见表1。

表1 电炉用耐火材料材质及主要性能指标

3.3 精炼包用耐火材料

精炼炉于20世纪70年代在日本发明,其实质是将电炉的还原与合金化处理安排至精炼炉内进行,使电炉专门用于生产粗炼钢水,以提高生产效率,同时发挥精炼炉底吹氩气搅拌钢液的优势,使钢液的成分和温度均匀化,促进钢液内夹杂物上浮,提高钢液品质。

随着铸锻件产品要求越来越高,精炼炉已经是重机行业中不可缺少的设备。精炼炉的主要任务是对钢液进行脱氧、脱硫和合金化处理,所发生的反应为:

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

2(Al)+3[FeO]=(Al2O3)+3[Fe]

(Si)+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]

由于重机厂90%以上的钢锭都对氢、氧等气体含量有要求,因此钢液基本都需要经过真空处理,通常要求真空前的钢水温度不低于1 660 ℃。由精炼炉的使用情况可知,精炼包的工作环境为直接接触强氧化性、高碱度和高温的钢水,需要耐火材料具有良好的高温化学与力学性能,以及良好的抗渣性能等。

精炼包耐火材料主要包括工作层、透气砖、滑动水口系统等。鉴于镁碳砖材料在电炉上的成功应用,目前国内重机厂的精炼包工作层主要采用高温性能较为稳定的镁碳砖材质。重机厂的精炼包为间歇生产使用,滑板和水口基本使用两次左右就进行更换,所以耐火材料选用铝碳质,即以钒土、刚玉、莫来石等铝基材料和碳为主要原料[19],其特点是短时间内具有良好的高温性能,比较适合重机厂的生产节奏特点。透气砖是精炼包的关键部件,在放入钢水前后要经受800～1 700 ℃的剧烈温度变化,同时要承受钢水的冲刷磨损、化学侵蚀等,目前主流的透气砖材质以Al2O3为基体,如刚玉尖晶石、镁铝尖晶石、铝镁铬质、铬刚玉质等。铬刚玉虽然在抗热震稳定性上不及其它几种材质,但体积稳定性最佳,因此结合重机厂的生产特点,选用铬刚玉质的透气砖较为合适[20-21]。某重机厂精炼包用耐火材料材质及主要性能指标见表2。

表2 精炼包用耐火材料材质及主要性能指标

3.4 精炼包渣线侵蚀

精炼包在使用过程中,存在钢液、耐火材料与炉渣的润湿现象。相关研究表明,耐火材料的侵蚀与钢水、耐火材料和炉渣的润湿性有直接关系,渣-钢-耐火材料三相处润湿性最大,钢-耐火材料处润湿性最小[22],实际表现为渣-钢界面处的侵蚀最严重,而钢水接触部位侵蚀则相对较轻,这就是所谓的渣线侵蚀。目前对于渣线侵蚀的机理,各国学者都进行了相关研究,结合重机厂精炼包材质与特点,重机行业主流的渣线侵蚀理论有马兰戈尼效应和微域循环效应[23]。

马兰戈尼效应指在精炼包渣线处,即耐火砖、炉渣和钢水界面处,初期炉渣下的钢水与耐火砖接触,由于润湿现象的存在,砖中的碳不断与界面钢水中的氧发生反应,进而不断减少。随着碳含量的减少,砖中MgO含量相对增大,而炉渣中不可避免地含有Al2O3、SiO2等,这部分炉渣进入砖面与钢水之间形成熔渣薄膜,MgO被不断熔损。此时,砖中的碳又相对增多,上述过程重复发生,渣线被逐渐侵蚀。马兰戈尼效应如图2所示。

微域循环效应指为了钢液通电升温和避免钢水吸收大气中的气体,如氢气、氧气,精炼包钢水上部总是覆盖着一层炉渣,以产生良好的保温覆盖作用。由于炉渣和钢水温度的差异,会在渣-钢界面产生温度梯度,从而产生微域循环,增大钢水对耐火材料渣线部位的冲刷。精炼包自身的吹氩搅拌流场会大大增强钢水对渣线部位的冲刷作用,使耐火材料的侵蚀加剧[24]。微域循环如图3所示,精炼包吹氩搅拌流场如图4所示。

3.5 镁碳质材料应用中注意事项

镁碳质耐火砖虽然具有优异的抗热震性和抗渣性,但由侵蚀理论可知,镁碳质在使用过程中会慢慢与钢水中的氧发生反应,使耐火砖变得疏松多孔。在冲刷作用下,耐火材料会进入钢水中,影响钢液的纯净度,对产品的性能产生影响[25]。相关研究也表明,在冶炼某些超低碳钢时,目前采用的MT-14材质会对钢液增碳,影响钢液的碳含量。生产这类钢种,需要采用超低碳镁质材料或镁铬质耐火材料。但另一方面,碳含量低,或不含碳,会使耐火材料的抗炉渣渗透性和抗热震性明显降低,不适应重机厂的生产节奏,所以国内重机厂目前尚不适宜生产超纯净钢和超低碳钢产品[26-27]。目前,国内学者已经对镁碳质的抗氧化剂、黏结剂展开了研究,并取得了一定的成果[28-29]。

图2 马兰戈尼效应

图3 微域循环

3.6 中间包用耐火材料

中间包的主要作用是接收从精炼包浇下的钢水,当钢水的液面和温度满足要求时,再提升塞棒将钢水浇至钢锭模内。在浇铸过程中,中间包具有稳定液面、降低钢水静压力、促进钢水中夹杂物上浮、净化钢液、控制浇入锭模钢水温度等功能。中间包的耐火材料主要包括工作层、塞棒和水口。

图4 精炼包吹氩搅拌流场

从中间包的使用环境分析,所用的耐火材料需要满足以下几个条件[30]:① 良好的抗热震性,在浇钢前后冷热突变时不炸裂;② 较低的热传导性和热膨胀性,使中间包具有较好的保温性能;③ 耐钢水冲刷侵蚀,在浇铸过程中对钢水的污染小;④ 容易清理,方便周转使用。

腊石材质由于含SiO2较高,达65%以上,在高温及熔渣作用下,表面会产生高黏度液相,形成隔离层,阻止钢液和熔渣继续渗透,从而降低材料的熔损侵蚀速度。氧化锆加入耐火材料后,能明显改善材料的热稳定性和化学稳定性,延缓钢水对耐火材料的侵蚀。并且氧化锆易于耐火材料形成高熔点的复合物,使耐火材料不易进入钢水,提高了钢水的纯净度[31-32]。出于成本和对产品质量的综合考虑,中间包工作层可以根据生产的产品采用腊石质耐火材料和锆莫来石材料,塞棒采用铝碳质材料,水口视产品要求采用锆质和铝碳质。某重机厂中间包用耐火材料材质及主要性能指标见表3。

4 结束语

通过研究炼钢用耐火材料在某重机厂的应用,确认铸锻件产品的质量与耐火材料密切相关,选用耐火材料应考虑设备的工作环境。目前重机厂炼钢用耐火材料基本能满足生产需要,但是在冶炼超纯净钢、超低碳钢时存在不足。未来重机厂耐火材料的发展方向需要满足冶炼洁净钢的要求,即对钢液污染小,不影响钢液化学成分。

表3 中间包用耐火材料材质及主要性能指标

各相关生产单位需要考虑产品的工艺路线特点,选取合适的耐火材料,提高产品质量。