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湖北钢包用耐材技术的研究与发展
2023-11-18
近年来，全球粗钢产量稳步增长，2021年全球粗钢产量达到19.5亿t，而我国粗钢产量达10.33亿t，在世界范围占比更高达56.5%。随着炼钢技术的发展，我国连铸比和通过钢包进行的钢水精炼比均逐渐提高，目前二者已分别达到99.6%和95%以上。因此，连铸钢包及炉外精炼钢包的技术发展受到广泛关注。
连铸钢包及炉外精炼钢包作为炼钢的重要热工设备，其耐火材料消耗量在钢铁行业消耗耐火材料总量中占比超过30%，对吨钢耐材消耗量起着关键性的决定作用，因此湖北钢包耐材技术是近几年的重要研究课题之一。连铸钢包及炉外精炼钢包用耐火材料品种众多，品质相差很大，钢包寿命从几十次到接近300次不等，随炼钢技术与工艺的发展，以及对耐火材料资源的开发与利用的进步而不断变化与进步。钢包内衬所用耐火材料的材质大致有10多种，由于不同的冶炼技术及原材料种类供应的不同，在同一时期钢包内衬的材质也有所不同，但大体上可分为3个发展阶段:(1)锆石砖、半锆石砖、Al2O3-SiO2质砖时期；(2)高铝砖、碱性砖、中性砖衬广泛应用时期；(3)不定形包衬快速发展时期。经过不断的研究与开发，涌现出许多新产品及新技术，连铸钢包及炉外精炼钢包用耐材技术取得巨大进步，值得引起关注和探讨。1 连铸钢包及炉外精炼钢包的分类和冶炼工艺
钢包又称钢水包，其初始作用是承接炼钢炉的钢水，把钢水运送到炉外精炼设备或浇钢现场。连铸钢包发挥着承接和输送钢水的初始作用。随着炉外精炼技术的发展，钢包增加了如下功能：加热，调节钢液温度；真空脱气（脱氢、脱氧）和去除夹杂；搅拌钢液，匀化成分和温度；金属的合金化和成分调整；吹氧脱碳；精炼造渣功能（脱硫、脱磷）等。炉外精炼钢包主要包括LF/LF+VD、VOD、RH/DH、SL/KIP和CAS/CAS-OB等形式。 连铸钢包承接了钢水以后，需等待前一个钢包浇铸结束，因此它盛钢水时间较长，温度也较高。炉外精炼钢包服役条件更恶劣，不同类型的精炼钢包因钢种及冶炼工艺不同，其服役环境存在较大差异。 LF炉也叫钢包炉，通常是把转炉、电弧炉冶炼出来的钢水，经过加合成渣及合金元素，喂丝，吹氩，加热等把钢水进一步脱氧、脱硫、去除非金属夹杂并进一步合金化的炉外精炼设备。也可用LF炉将AOD炉精炼后钢水进行二次精炼，减少夹杂物保证钢水的纯净度。其工作条件恶劣，对钢包衬用耐火材料的耐火度、抗渣性、抗热震性及耐磨性要求进一步提高。因此，选用的内衬耐火材料日趋化，使用寿命一般在50～100炉次[2]，操作条件和维护方法不同将导致内衬寿命存在较大差异。而有的LF炉后带有VD（真空脱气的英文缩写），VD使钢水在真空下充分去气（H2、N2），并进一步脱硫、脱氧，使钢水更加纯净。这种情况还要求内衬材料具有良好的真空稳定性，钢包使用寿命会因VD工艺进一步下降。LF钢包渣线使用寿命与VD工艺关系为：n LF=50-25×n VD。即每增加一炉VD，钢包渣线使用寿命下降约50%。 VOD是真空吹氧脱碳的英文缩写。即这种炉外精炼设备是对钢水进行真空脱气、吹氧脱碳处理。由于吹氧使炉内温度升高到1700℃以上，最后还要脱硫还原，因此渣的碱度变化大，炼钢温度高，真空条件对耐火材料炉衬的损坏大。这样苛刻的使用条件决定了VOD炉衬使用寿命较低，一般只有10～21炉次的使用寿命，所以要用优质耐火材料。 RH炉是真空吹氩循环脱气的一种钢水精炼设备，而DH是真空脱气的一种精炼设备。它主要用来生产低碳、低氮、低氢的钢种。通过在浸渍管里吹高速氩气（或配合吹氧脱碳），和上部的真空（脱氮、脱氢），使钢包里的钢水通过浸渍管进入真空室下部，然后通过另一根浸渍管流回到钢包。钢包内衬受到高速循环流动钢液的冲刷及钢水温度波动的影响。在这样的条件下，要求钢包内衬具有非常高的抗冲刷和抗热震性。 SL（氏兰法）和KIP（川崎喷粉法）属于喷射冶金技术，通过喷枪向钢水喷吹合金粉或精炼粉剂达到脱硫和去除夹杂净化钢水的目的，主要冶炼特殊低硫钢。要求钢包衬具有较高的抗渣侵蚀性和抗热震性。 CAS/CAS-OB（密封吹氩法/密封吹氩+吹氧法）：钢包底部喷吹氩气并加入合金与渣对钢水进行成分微调，有效净化钢水和去除夹杂。带吹氧升温功能时，钢包受到钢水和合成渣的强烈冲刷与化学侵蚀作用，停炉间歇受到强烈的热冲击，因此要求选用的钢包内衬高温强度高、抗热震性好、能抵抗高温钢水和熔渣的侵蚀。
五种典型精炼钢包冶炼工艺示意图
2 钢包用耐火材料的种类和特点
常见钢包内衬的基本结构
由于各钢厂的冶炼工艺和冶炼钢种不同，钢包内衬用耐火材料的品种和类型也不同。连铸钢包和精炼钢包用耐火材料种类大致相同，只是精炼钢包功能增加，使用条件的恶化，因此会选择性能更优的耐火材料来提高服役寿命。目前，钢包内衬用耐火材料主要有Mg O-C砖、铝镁尖晶石浇注料、铝镁碳砖、Mg O-CaO-C砖、Mg O-CaO砖/白云石砖、镁铬砖、高铝砖等。在上述钢包内衬中，前三种钢包衬占绝大多数。主要钢包内衬用耐火材料的优缺点及应用范围如表1所示。与工作衬相比，钢包衬所用的耐火材料对耐火度、抗侵蚀性、抗热震性及耐磨性等性能要求略低，但对衬的保温性能要求在提高，常用的传统耐材有铝镁浇注料、铝硅质/半轻质铝硅质浇注料、轻重质复合砖、高铝砖、黏土砖等，也有开发的铝钙系新型钢包衬用浇注料等。
