精炼钢包镁碳砖损毁机理分析和防范措施

精炼钢包是指用以接收电弧炉或转炉的初炼钢水，并在其中进行加热、搅拌、合金化及真空脱气冶炼优质特殊合金钢的钢包炉。精炼钢包内衬的使用条件非常苛刻，工作温度长时间处于1500～1750℃范围内，真空脱气过程极限真空度要达到30Pa左右，精炼过程经受吹氩搅拌钢液的冲刷以及电弧高温的局部辐射作用，尤其是渣线部位受到精炼过程中理化性能不断变化的熔渣侵蚀和冲刷，精炼过程熔渣成分的变化见表1。

表1精炼过程中熔渣成分的变化

精炼钢包渣线等重要工作面的耐火材料通常选用优质镁碳砖，其他部位砌筑铝镁碳砖或高铝砖。精炼钢包内衬所用镁碳砖选用高纯镁砂原料、鳞片石墨，采用树脂作为结合剂，经过锻压成型和加热烧结等过程制成，具有耐火度高、耐高温强度大、抗熔渣侵蚀能力强、抗热震性好、抗蠕变能力大以及产品整体质量稳定、外形尺寸良好等优点2。典型镁碳砖检测的理化性能指标见表2,表中高温抗折强度和线膨胀率分别指在1200℃和1400℃下检测数值。

表2 镁碳砖物理化学性能

实际生产中，由于精炼操作、耐火砖质量等原因，精炼钢包包龄很不稳定，而且包龄普遍不长，通常是渣线部位包衬率先损坏而使包龄下降，表3为10个LF钢包渣线近期一次包龄的数据统计，最大相差10炉次，包龄表现很不稳定。

表3 包龄统计

包衬耐火材料被大量损毁侵蚀进入钢渣后会降低钢液纯洁度，导致钢材内部产生夹杂物以及性能不合格。本文主要从化学反应与熔损、真空分解与挥发、熔渣侵蚀等方面，对精炼钢包中的镁碳砖损毁机理进行理论和实践分析。

镁碳砖的损毁机理

1.1化学反应与熔损

精炼期，炉渣碱度较高(一般R=2.5～4.0),流动性较低，渣中SiO₂活度较低，与炉衬耐火材料的反应较慢，渣中SiO₂与渣中CaO和镁碳砖中Mg反应能力的大小，可通过下面两式计算比较(1600℃),熔渣中物相选用纯物质作标准态。

△G2 Θ 远远小于△G1 Θ ,所以渣中SiO₂主要与渣中CaO反应结合成复杂化合物，而与镁碳砖反应较弱。但随着炉温和渣中SiO₂活度的升高，在吹氩搅拌和真空作用下钢水的剧烈翻腾，钢水与熔渣向耐火内衬中扩散，同时发生熔蚀作用。熔渣与砖面长时间接触，渣中CaO、SiO₂等物相要与砖中MgO发生一定程度的反应，在砖表面形成硅酸盐渗透层，造成内衬不连续的损毁。

根据氧势图，在精炼初期及标准状态下镁碳砖中的碳可与渣中FeO和MnO比较容易地发生反应(两种反应的起始温度分别为710℃和1420℃),但这期间温度较低、炉渣黏度较大，反应的动力较小，因此这类反应只在熔渣较稀、电极弧光辐射强烈时有一定量的发生;碳与渣中CaO在标准状态下发生反应的温度为2150℃,基本不发生反应，对此不做考虑;渣中SiO₂采用纯物质标准态，而Si采用重量1%浓度溶液标准态，其热力学反应式为：

设钢液中硅含量为0.2%,经计算活度aSi=0.21,并令aSiO₂=0.1,得此反应在T=1600℃、Pco=latm下反应自由能变为△G=-126500J/mol;而在Pco=0.001atm时，此反应的△G=-234070J/mol。所以在真空下此反应的热力学势及反应倾向很大，虽不及前述两反应的热力学势，但在精炼中后期由于氩气搅拌、高温及真空翻滚作用下，此反应有一定的动力条件，会使镁碳砖脱去一定量的碳，产生损毁。

1.2 真空分解与挥发

1.2.1高温真空下的分解反应

在精炼过程中，按1600℃计算下面两式可得到与一定分压氧气或一定活度[0]对应的一氧化碳和二氧化碳分压大小的关系：

由(1)-(2)得 CO(g) + 1/2O₂(g) = CO₂(g)

(Po₂表示氧气压力、Pco₂表示二氧化碳压力、Pco表示一氧化碳压力)

设Po₂=1×10-9atm,得到此平衡条件下的Pco₂

/Pco为1/8,对钢液中氧也有类似结果。因此在炉内还原性气氛中，气相组成主要有石墨电极、钢中C与氧生成的CO以及搅拌用的氩气。则得在高温和真空下镁碳砖中的MgO与C的分解反应为：

对此反应体系假设镁和一氧化碳气体压力均为0.5atm(以下均不考虑Ar分压),可通过计算得到此反应可能发生反应的起始温度T=619825÷(292.52-2×8.31×In0.5)=2037K(1766℃),但在真空度为66.66Pa的条件下，此反应开始进行的温度仅为1456K(1183℃),另据计算此反应在T=1923K,真空度为66.66Pa时，反应的的热力势△G=-191.4KJ/mol,反应趋势很大。

镁碳砖中的MgO与C的成分大约在80%和15%左右，二者的分子量分别为40和12,所以砖中C首先消耗完毕，在镁碳砖的某一断面此反应应当停止，在炉衬表面变为以MgO成分为主的耐火材料，由于MgO在高碱度熔渣中是一种化学相当稳定的氧化物，即使脱碳后熔渣侵入砖的结构中，方镁石晶体仍呈自形，仍能保持一定的性能。

但在实际生产中需要真空处理的钢种中比例较大的一类是高碳的GCr15轴承钢，该钢碳含量在1%上下，所以当镁碳砖中C消耗减少时，钢液中C就会扩散到砖衬处使上面反应继续进行;另外渣线下部理论上由于钢水静压力的作用，会使此反应受到一定程度的抑制，但实际由于真空状态下仍然吹入一定量的氩气搅拌，再加上钢水的真空作用，钢包包衬各处的压力始终处于不稳定状态，上面反应仍可顺利进行，而且生成的气体可进入氩气气泡上浮到表面。总之，镁碳砖的分解反应是其损毁的主要因素，一般生产中需要真空处理流程的精炼钢包包龄要大幅减少。

1.2.2高温真空下的挥发作用

耐火材料在高温真空下会加速解离和挥发，根据兰米尔导出关系式：

式中，M为挥发速度，g/cm²·min);P为蒸汽压力，Pa;m为耐材分子量;T为温度。

上式表明，耐火材料的挥发速度与蒸汽压力和分子量、温度乘积的平方根成正比。如通过在真空度666.6Pa,1680℃,4h条件下的试验测定了不同耐火材料的挥发速度[×10-⁴g/(cm²·min)],其顺序为：电熔镁铬质(12.0)>镁质(>5.4)>锆英石(3.9)>石灰质(0.6)>白云石(0.4),表明MgO挥发速度相对较大。

1.3 熔渣的侵蚀

渣中含有渗透力强的CaO和CaF₂,在高温下，当耐火材料致密度不高或脱碳砖中气孔增大，CaO和SiO₂就会沿着砖基质部分的贯通气隙及杂质所形成的液相通道迁移至凝固点，形成了以硅酸盐为主的低熔点矿相，其中橄榄石MgO·SiO₂熔点为1580℃,莫来石Al₂O₃·SiO₂熔点为2000℃,改变了砖的组织结构，产生了变质层，当温度急变时，形成结构剥落。熔渣的侵入量可按下式计算：

渣的侵入量：

式中，r为气孔半径;A为断面面积;θ为润湿角;ε为气孔率;η为黏度;δ为熔渣表面张力;t为时间。

由式可见，熔渣的侵入量随气孔的孔径和熔渣的表面张力增大以及接触时间的延长而增大，随熔渣的黏度增大而减小。对于钙含量高的精炼渣，炉衬材质可选用与炉渣组分相适应的镁钙质，或者利用白云石造渣提高渣中MgO含量，以增强抗渣侵蚀性和耐用性。

1.4 热冲击和机械冲刷

LF钢包炉底部吹氩进行强搅拌，平均每炉的吹氩时间长达1h以上，100t钢包炉氩气流量(Q=50L/min)、单位搅拌能计算为220W/m³。三相电弧加热，电极至包壁距离很近，电弧温度高达数千度，而且经常明弧操作，所以在高温下包壁要遭受到强烈的机械冲刷和热冲击。

降低包衬损毁措施

(1)耐火材料在使用过程中，熔渣易于从加热面渗透到其内部的深处，使工作面附近的气孔率显著降低而致密化，生成很厚的变质层。当温度剧烈变化时，在变质层与原砖层之间交界处产生与工作面平行的龟裂而使砖剥落和损毁。减少耐火材料的结构剥落，其办法是减少炉渣渗入的深度，通过控制好生产计划调度，尽可能地加快钢包使用周期，做到“红包”出钢，提高精炼流程时间命中率，减少精炼周期缩短导致的大功率弧光裸露加热和氩气强搅拌、精炼周期延长导致的钢渣冲刷侵蚀包衬等不良操作。

(2)提高渣线部位附近镁碳砖质量，比如采用高纯度电熔镁碳砖或镁钙碳砖，提高制砖压力机功率，减少耐火材料的气孔率，降低炉渣的侵蚀通道，从而提高渣线部位耐蚀强度。

(3)通过加入适量白云石调整渣中MgO含量，减少脱氧剂硅粉的使用量以降低渣中SiO₂含量、炉渣与耐火材料反应形成高熔点的化合物挡墙，阻止渣的渗透;减轻对镁碳砖的侵蚀和熔损。

(4)为了提高钢包村寿命，减少炉衬砌筑缝隙、规范新钢包小火、中火、大火时间烘烤时间，提高炉衬整体强度，减少钢渣侵蚀砖缝。同时对包衬耐火材料的损坏部分要及时的进行喷补或更换处理。

采取针对性措施之后，钢包包衬寿命有了明显提升，10个钢包包龄寿命如下。

表4 最新包龄

结 语

精炼钢包内衬工作环境恶劣，受侵蚀严重，其寿命的长短会直接影响作业率，因此要尽可能提高其寿命。通过对其侵蚀机理进行探究，采取针对性措施，不仅提高了钢包寿命，而且降低了不同钢包包龄波动，一方面直接降低了生产成本，另一方面为稳定生产创造了条件。

文章来源：《特钢技术》

作者单位：江阴兴澄特种钢铁有限公司特板炼钢分厂