LF精炼钢包用耐火材料的研究进展

钢包精炼是指将经转炉或电炉中初炼的钢水移至另一个容器中进行精炼的冶金过程，也称为“炉外精炼”或“二次冶金”。钢包精炼的发展与连铸生产的迅速发展和调整产品结构、优化企业生产的专业化进程紧密相关。在社会的高速发展下，钢铁产业飞速进步，对钢材品质也有了越来越严苛的要求，钢包从简单的钢水盛装容器转变为具有冶炼功能的多元容器。LF精炼以其设备结构简单、冶金功能丰富及经济效益好等优点，成为冶金过程中不可或缺的环节。

耐火材料是炼钢工业重要的基础材料和支撑性高温结构材料，贯穿炼钢工业始终。作为与钢水直接接触的容器，需要减少对钢水的污染，以免影响钢水质量，还要有良好的使用寿命，减少对生产效率和成本带来的不利影响。钢水、渣及耐火材料三者在整个冶炼过程中是相互作用的。由于LF精炼工艺在冶金工业中属于近成品工艺，LF精炼过程中产生的杂质在后续工艺中难以去除，LF钢包用耐火材料对钢水质量影响较大。因此，LF钢包用耐火材料对LF钢包精炼成品钢材的质量提升有着重要的研究价值。

LF精炼工艺

LF(LadleFurnace)钢包精炼技术的研究始于1968年，用专门钢包对初炼的钢水进行精炼，以3个电极作为钢包的热源，通过在电弧炉内预配还原渣、钢渣混出、钢包吹氩处理，获得显著的还原精炼效果,LF精炼钢包装置示意图如图1所示。

图1 LF精炼钢包示意图

电炉炼钢后，LF精炼可以减少电炉还原时间，提高生产效率，形成“电炉+LF精炼+连铸”的短流程炼钢工艺;转炉炼钢后，LF用于生产特殊钢，形成“转炉+LF精炼+连铸”的生产多种优质钢工艺。

LF钢包用耐火材料

在冶炼过程中，耐火材料、钢渣、钢水三者是相互作用的。钢水和熔渣会对耐火材料发生侵蚀，耐火材料也会熔解到渣和钢水中，改变其组成。熔渣成分的改变会影响渣对钢水的精炼作用，耐火材料进入钢水中会形成非金属夹杂，影响成品钢材质量。在LF钢包的钢包盖、渣线、包壁、透气砖等位置均需要用到耐火材料。

LF钢包盖用耐火材料，由于受到钢水和钢渣的侵蚀及工作歇包过程中的热震作用，要求其具有良好的高温性能、抗热震性、耐剥落性。目前使用的主要为高铝质浇注料、刚玉质浇注料。韩军等以ZnO₂和Al₂O₃为原料，采用固相烧结法合成锌铝尖晶石，研究原料的成分配比对产物结构变化的影响，并讨论锌铝尖晶石的添加对高铝质浇注料性能的影响。随着Al₂O₃含量的增加，形成的锌铝尖晶石颗粒表面由微孔结构向光滑结构转变，当Al₂O₃过量时，形成的锌铝尖晶石颗粒表面粗糙。在ZnO₂和Al₂O₃摩尔含量相同时形成的刚玉质浇注料结构更致密，强度最高且抗渣性能最优。秦红彬等1研究了二铝酸钙加入量对刚玉浇注料性能的影响，发现随着二铝酸钙的增加，刚玉浇注料的体积密度减小，浇注料的平均热膨胀系数降低，热导率降低，在不影响浇注料抗氢气还原性能的前提下有效地提升了浇注料的透气性。

受钢水、熔渣及气氛环境作用，LF钢包渣线侵蚀情况较为严重，且由于作业和歇包的交替进行，产生了频繁热震作用，LF钢包渣线用耐火材料的长寿化一直以来都是冶金和耐火材料行业重点研究方向之一。LF钢包渣线最常用的耐火材料为镁碳砖，也有使用镁铬砖、尖晶石碳砖及镁钙碳砖，其中镁碳砖(石墨>14wt.%)的抗热震稳定性和抗侵蚀性最优。MgO-C耐火材料的主要原料为镁砂和石墨，辅以抗氧化添加剂及树脂结合剂，形成的复相耐火材料。

图2 MgO-C耐火材料的制备流程

MgO-C耐火材料的制备工艺流程如图2所示，首先将镁砂破碎筛分成不同粒度的镁砂粗粒骨料及镁砂细粉，将镁砂细粉与硅铝等添加剂粉料预混合备用。将镁砂粗粒与结合剂混合，使结合剂包裹着镁砂粗粒，然后加入石墨进行混合，最后加入预混合的镁砂细粉和添加剂粉料，充分混合后得到MgO-C混合泥料。MgO-C泥料的理想混合模型如图3所示，内部为包裹着结合剂的镁砂骨料，中间层为石墨，最外层为镁砂细粉和添加剂。在使用过程中，最外层的镁砂细粉和抗氧化剂可以保护石墨，减少石墨的氧化。石墨降低了复相耐火材料的综合热膨胀系数，减少了熔渣与耐火材料的润湿性，对提升耐火材料的抗渣性和抗热震性起到了有益作用。最内层的电熔镁砂骨料对耐火材料起到骨架支撑作用。MgO-C泥料的有效混合利于耐火材料在使用过程的抗氧化、抗渣、抗热震作用的提升。泥料混合好以后进行压制成型，然后进行热处理工艺，对结合剂酚醛树脂进行固化，通常在200℃左右固化24小时以上，固化后的MgO-C耐火材料具有良好的力学、热学、化学性能。

图3 MgO-C泥料的理想混合模型

较高的单质碳含量为MgO-C耐火材料提供了较好的抗热震性和抗渣性，但在冶炼过程中存在对钢水增碳的现象。基于碳达峰碳中和目标，碳含量的降低也成为MgO-C耐火材料的一个重要发展方向。国内外学者对低碳MgO-C耐火材料的研究主要集中在碳源的纳米化、添加多种复合高效抗氧化剂、催化形成陶瓷相等领域。于凌月等研究了石墨、炭黑和沥青对低碳镁碳砖性能的影响。结果表明，沥青试样的力学性能最优，石墨试样的抗氧化性最佳、力学性能略差于沥青试样，炭黑试样的力学性能最差、抗氧化性介于沥青试样和石墨试样之间。姚华柏等研究了Al₄SiC₄在低碳MgO-C耐火材料中的作用。Al₂SiC₄具有优异的抗氧化性、抗侵蚀性、物理化学性质稳定。Al₄SiC₄的添加提升了耐火材料的力学性能、降低了试样的显气孔率、提升了抗氧化性和抗侵蚀性，减少了低碳MgO-C耐火材料热学化学性能的下降，有效提升低碳MgO-C耐火材料的使用寿命，具有较好的应用价值。

包壁用耐火材料要求具有较好的抗侵蚀性和抗高温收缩性，由定形耐火材料向不定形耐火材料发展。目前使用的主要为高铝质砖、镁铝碳质浇注料、铝镁碳质浇注料、不烧镁钙质浇注料。薛威等探究了高铝质耐火材料的原始成型面和砖体内切面在不同冲蚀角度、磨料速度及冲蚀时间下的体积冲蚀磨损率，发现在不同的冲蚀角度、磨料速度及冲蚀时间的试验条件下，高铝质耐火材料内切面的耐冲蚀性均优于其原始成型面的耐冲蚀性，且在冲蚀过程中，原始成型面存在加速和稳态两个冲蚀过程。梁永和等发现采用水化碳酸化处理镁钙砂制备的水结合含钙浇注料的物理性能等同或优于普通镁质浇注料的物理性能。镁钙砂的改性层厚度约为8μm~9μm,它并不会对浇注料的物理性能和使用造成任何有害影响。

包底的冲击区用高铝-尖晶石大砖，底座用含铬、钢纤维的超低水泥高铝浇注料，其他位置用高钙镁质干式捣打料。透气砖主要使用直通狭缝型刚玉质或铬刚玉质透气砖。狭缝型透气砖具有气流稳定、反向冲击力小、材料致密、强度高等优点，广泛应用于国内各类钢包。狭缝型透气砖是在浇铸过程中预设可烧失有机物条带，控制条带厚度和宽度来调整高温烧后狭缝的数量以及厚度，来保证透气量，达到吹通的目的。常见的狭缝类型有条形狭缝和环形狭缝，其分布也有星形、螺旋状、管状和八卦状等多种类型。苏玉庆等研究了纳米CaCO₃加入量对浇注料的流动性、透气砖性能和显微结构的影响。发现纳米CaCO₃含量的增加使浇注料的流动性、体积密度下降，显气孔率、常温力学性能提升，透气性能无明显变化。保温时间4h下，热处理温度为1600℃试样的物理性能优于热处理温度1200℃的试样。添加纳米CaCO₃量为1.5%时，试样的综合性能较优。

对LF钢包的修补可以延长炉衬使用寿命。LF修补料根据修补方式不同分为火焰喷补料、半干法喷补料和浇注修补料。火焰喷补料主要为铝铬质、氧化铝-尖晶石质、铝锆质，半干法喷补料主要为镁质、铝硅质，浇注修补料主要为镁碳质浇注料。新型镁碳浇注料获得了广泛的研究,使用以纯碳为主的结合剂取代传统的结合剂，该结合剂系统由特殊的冷凝树脂及其他能石墨化的碳素材料组成，同时加入标准数量的分散剂、反絮凝剂等，使镁碳浇注料中的水分保持在较低的水平，并配合最佳的干燥制度和成型方法，氧化镁的水化几乎可被抑制，制备的新型镁碳浇注料有望取代传统的镁碳砖。

展 望

随着LF钢包精炼在冶炼过程中所占比重的提升，LF钢包用耐火材料的作用也越来越重要。通过对LF钢包用耐火材料现状的概括和分析，提出了新型耐火材料设计的方向。

(1)在双碳目标下，耐火材料需要向低碳含量方向发展，一方面降低耐火材料的成本，另一方面满足企业碳排放的要求。

(2)LF钢包精炼属于近成品工艺，耐火材料需要具有较好的抗剥落性，避免进入钢液中形成大的夹杂，在后续过程中难以排出。

(3)LF钢包用耐火材料的抗热震性和抗渣性需要进一步提升，达到提高耐火材料使用寿命的目的，减少频繁的修补钢包或更换耐火材料，提升生产效率。