提升精炼钢包渣线镁碳砖寿命及安全性的研究

镁碳砖以其优异的抗热震性、抗渣侵蚀和渗透性等而被广泛应用于钢包渣线部位。近年来，随着洁净钢和高品质钢种冶炼的需求，以及国内钢厂推行“低铁耗、大废钢比”的冶炼模式，导致钢包炉外精炼(LF、RH等处理方式)比例大幅度上升。尤其是近年来钢水冶炼过程中废钢比例增加，大幅度降低了钢水温度。为了达到钢种冶炼要求，钢包LF加热精炼时间长，处理强度大，且在精炼过程中熔渣和钢水在钢包内的翻滚加剧，从而对渣线镁碳砖的耐冲刷、热膨胀性、抗侵蚀性等提出了很高的要求。

精炼钢包渣线镁碳砖使用过程中主要有以下问题：侵蚀熔损、“馒头状”熔损、横缝或竖缝、结构性剥落等。在本文中，通过分析国内某钢厂精炼钢包渣线镁碳砖的损毁机制，在碳含量(w)为14%的镁碳砖中引入不同含量的富镁尖晶石微粉，研究其对镁碳砖的物理性能、抗氧化性、抗渣性及高温热膨胀性能的影响，为解决镁碳砖在使用过程中出现的问题提供理论和实践指导。

高精炼比模式下镁碳砖损毁机制

以国内某钢厂210t精炼钢包为例，采用高精炼比冶炼模式，LF和RH平均比例分别在60%和30%以上，其中LF加热时间长，处理强度大，同时钢水中游离氧含量较高。该钢包渣线镁碳砖小修下线后存在“馒头状”和竖缝现象，砖缝处凹陷深度最高达到30～40mm。

钢包精炼后钢渣的主要化学组成(w)为：CaO 55.54%，Al₂O₃ 29.13%，SiO₂ 7.82%，MgO 5.40%，Fe₂O₃ 1.00%，MnO₂ 0.24%。可以看出，钢渣主要化学成分为CaO和Al₂O₃，其质量比为1.91，其次还含有相对较低含量的SiO₂和MgO。从CaO-Al₂O₃-SiO₂三元相图[9]可知，在此渣系中容易形成低熔点钙铝酸盐复合物，如C1₂A₇、CAS₂等，产生较大膨胀，使热态下砖缝与砖缝之间的热应力增大，从而加剧对渣线镁碳砖的侵蚀和渗透。

图1为用后镁碳砖热端面的SEM照片。可以看出，镁碳砖热端面表面存在渣反应渗透层，其后存在碳氧化层，厚度为500μm左右。原砖层中鳞片石墨氧化不明显，金属抗氧化剂全部发生反应，在基质中原位形成尖晶石相，产生膨胀，并伴随有孔洞形成，导致镁碳砖基质内部结构疏松，降低其抗氧化性和抗渣渗透性。

图1 用后镁碳砖热端面的SEM照片

1—反应渗透层;2—氧化层;3—原砖层;

4—电熔镁砂;5—鳞片石墨;6—原位尖晶石相

试验

2.1原料

试验的主要原料为：97级电熔镁砂，w(MgO)>97.00%，粒度为5~3、3~1、≤1和≤0.088mm;鳞片石墨，w(C)>94.00%，粒度为≤0.147和≤0.088mm;采用烧结法工艺自制富镁尖晶石微粉(化学组成、物相组成及粒度见表1);抗氧化剂(Al粉+Si粉，粒度为≤0.088mm，w(Al)和w(Si)均>97.00%)和液态酚醛树脂结合剂。

表1富镁尖晶石微粉的化学组成、物相组成及粒度

2.2试样制备

表2示出了镁碳砖试样配比。按表2配料，依次将骨料、酚醛树脂、鳞片石墨、细粉(微粉)加入湿碾机中，混炼40~50min后，在500kN摩擦压力机上压制成230mm×114mm×65mm的标砖试样，在隧道窑中于180℃保温10h进行固化。冷却后切割成Φ50mm×50mm、50mm×50mm×50mm、Φ10mm×50mm和25mm×25mm×125mm的试样以及外形尺寸为70mm×70mm、孔芯尺寸为Φ40mm×40mm的坩埚试样，于110℃干燥24h，再在埋焦炭气氛中分别经1000和1600℃保温3h，然后自然冷却。

表2 试样配比

2.3性能检测

按GB/T2997⎯2000检测试样烘后和热处理后的显气孔率和体积密度，按GB/T5072⎯2008检测试样烘后和热处理后的常温耐压强度，按GB/T5988⎯2007检测试样热处理后的加热永久线变化率，按GB/T3002⎯2017检测试样热处理后在埋炭(焦炭)气氛下于1400℃保温0.5h的高温抗折强度。

将尺寸为50mm×50mm×50mm的烘干后试样在电炉中以4℃·min⁻¹的升温速率从室温分别升高至1000和1600℃并保温3h，冷却后测量试样的质量损失率和试样剖面的氧化层深度，以表征试样的抗氧化性能。

将60g自配渣(化学组成同钢渣)装入干燥后坩埚试样中，于1600℃热处理3h后，沿坩埚内孔中心轴切开，以渣侵蚀深度和宽度表征试样的抗渣性能。

在还原气氛中，采用升温速率为5℃·min⁻¹条件下，测试烘干后的试样从室温上升至1500℃过程中的高温线膨胀性能。

结果与分析

3.1常规物理性能

表3示出了试样的常规物理性能。可以看出：对于烘干后试样，与试样J相比，试样J1和J2显气孔率略低，体积密度略高，耐压强度较为接近。对于1000和1600℃埋炭热处理后试样，试样J1和J2的显气孔率相对试样J的仍略低，体积密度略高，常温耐压强度明显升高，且试样J1和J2的常温耐压强度相差不大。经1000和1600℃热处理后，试样J1的线变化率最小;同时，试样J1的高温抗折强度最高。这是因为在镁碳砖中引入富镁尖晶石微粉，有利于提高材料的致密度从而增强其强度。当富镁尖晶石加入量(w)为3%时，试样的膨胀率减小，强度增大，随着加入量增加至6%(w)，试样的膨胀率增大，强度呈现下降趋势。

表3 试样的常规物理性能

3.2抗氧化性能

试样经抗氧化试验后的质量损失率和氧化层厚度见表4。可以看出：经1000和1600℃热处理后，试样J质量损失率和氧化层厚度最大，试样J1质量损失率和氧化层厚度最小，说明引入富镁尖晶石能促进材料基质烧结，从而改善其高温抗氧化性。

表4 氧化试验后试样的质量损失率和氧化层厚度

3.3抗渣性能

图2示出了抗渣试验后坩埚试样的剖面照片。可以看出：试样J、J1和J2抗渣试验后的侵蚀深度分别为0.6、0.4、0.4mm，侵蚀宽度分别为1.4、1.1、1.3mm，试样的抗渣性比较接近。

图2 坩埚试样抗渣试验后剖面照片

3.4高温线膨胀性能

烘干后试样在还原气氛下从室温上升至1500℃时的高温线膨胀率如图3所示。可以看出，与试样J1相比，试样J2和J3的高温线膨胀率要相对略小。

图3 试样从室温上升至1500℃的高温线膨胀率

3.5分析讨论

在镁碳砖中采用富镁尖晶石微粉替代镁砂细粉，可以起到以下效果：1)微米级富镁尖晶石粉能够改善材料基质内填充效果，提高其致密度和常规物理性能;2)富镁尖晶石微粉反应活性较高，能改善基质烧结性能，抵消部分材料使用过程中产生的膨胀，从而降低其高温膨胀率，提高高温抗氧化性;3)富镁尖晶石微粉在某种程度上能隔离金属抗氧化剂与镁砂细粉，减小材料使用过程中生成二次尖晶石、橄榄石等陶瓷相引起的剧烈反应膨胀。当富镁尖晶石微粉加入量(w)从3%增加至6%时，推测材料基质内部出现局部团聚，导致材料性能下降。

应用

将加入3%(w)镁铝尖晶石细粉的镁碳砖应用于国内多家大型钢厂钢包上，效果良好。例如，A钢厂250t钢包(主要冶炼硅钢、汽车板、镀锡板等)渣线镁碳砖的平均使用寿命由原来的80~85炉次提升至85~90炉次;在高精炼比冶炼工况条件下，LF精炼比例在60%以上，B钢厂210t钢包(主要冶炼低碳钢、普碳钢、锅炉钢、低合金钢等)渣线镁碳砖使用寿命由原先的85~90炉次提升至90~95炉次。此外，镁碳砖在使用过程中出现“馒头状”和竖缝等问题得到明显改善，大修下线后外观平整，大幅度提高了钢包运行的安全性。

结论

(1)在镁碳砖中添加富镁尖晶石微粉能改善材料基质内填充效果，提高材料致密度和强度，降低其加热永久线变化和高温线膨胀率。当富镁尖晶石微粉的加入量为3%(w)时，材料的综合性能最佳。

(2)将加入3%(w)富镁尖晶石微粉的镁碳砖应用在钢包渣线上，在高精炼比冶炼工况条件下，镁碳砖“馒头状”和竖缝等问题得到明显改善，使用寿命和安全性得到大幅度提升。

文章来源：耐火材料

作者单位： 重庆钢铁股份有限公司

浙江自立高温科技股份有限公司