苗 正，張凱歌，王義龍，王偉強，鐘虎堂，吳 佩

（1.河北省鋼鐵冶煉用技術創(chuàng)新中心 河北國亮新材料股份有限公司，河北 唐山 063000；2.武漢科技大學 材料與冶金學院，湖北 武漢 430081）

爐外精煉是煉鋼廠對鋼水進行深脫氧、硫，去除夾雜物和合金化的主要冶煉過程。考慮LF精煉鋼包不同部位的侵蝕介質不同，主要分為渣線區(qū)和熔池區(qū)。鋼包渣線區(qū)域由于受到氧化物熔渣的劇烈侵蝕，通常采用的是含碳量在12～18wt%的MgO-C磚，由于熔渣對渣線耐火材料的熔損較快，一般在使用過程中至少需要更換一次渣線[1-3]。熔池區(qū)耐火材料在精煉過程中受鋼液的侵蝕，鋼包澆完鋼熱修之前需要倒渣，倒渣面耐火材料主要受到熔渣的化學侵蝕和物理沖刷，熔池區(qū)耐材可選用的材質有鎂鋁碳材質、鋁鎂碳材質或者無碳鋁鎂材質[4-6]。在服役過程中熔池區(qū)耐材處于鋼包的中下部，更換施工難度大，同時經濟上性價比一般比較低，所以很大程度上熔池區(qū)使用壽命決定了整個鋼包的壽命。耐火材料的損毀機理是一個相對比較復雜的問題，熔渣性質、操作溫度、耐材組成以及冶金條件都會影響其侵蝕過程，現(xiàn)場鋼包襯的損毀更加是溫度場、鋼/渣流場以及化學侵蝕綜合耦合后導致的結果。因此探明熔池區(qū)耐火材料的局部損毀機理不僅是耐火侵蝕機理的科學探究，同時相關結果對工程現(xiàn)場也有很強的指導意義。

1 情況調查

某鋼廠180 t轉爐鋼包，鋼包拆包過程中發(fā)現(xiàn)鋼包熔池部位12點方向的熔池磚殘厚明顯比周邊的磚殘厚低（見圖1），限制了包齡的進一步提升，見表1。該廠的基本條件是：冶煉環(huán)境為LF精煉，比例100%，生產鋼種大部分為鋁鎮(zhèn)靜鋼，爐渣堿度比較高，見表2；鋼包內部結構主要為透氣磚分布在5點和7點方向（見圖2），精煉時電極插入鋼包內，位置在1點、2點和6點位置（見圖3）。

圖1 拆包時熔池磚厚度情況

圖2 鋼包-透氣磚位置現(xiàn)場圖

圖3 石墨電極在鋼包內的相對位置示意圖

表1 鋼包磚工作襯殘厚 （mm）

表2 現(xiàn)場精煉渣成分

眾所周知，鋼包產生薄弱點的常見位置有三個：①電極附近。電極產生的高溫導致渣/鋼液和耐火材料的反應加快。②透氣磚附近。透氣磚吹通后加快鋼液對耐火材料的沖刷。③倒渣面。在一次鋼包周轉結束的時候，需要將包內剩余的鋼液和鋼渣倒出，傾倒過程中倒渣面受到鋼渣和鋼液的沖刷和侵蝕。而在該現(xiàn)場的薄弱部位并不是這三個常見部位，所以研究它是很有意義的。從現(xiàn)場取熔池薄弱方向和非薄弱方向的用后磚（如圖4、圖5所示），有效厚度分別為160 mm和60 mm。從圖中可以看出，非薄弱方向熔池磚表面有渣層存在，薄弱方向熔池磚幾乎沒有渣層；平行于熱面方向，非薄弱方向熔池磚表面有兩道裂紋，里面已經填充了渣。接下來我們對取回來的磚進行分析，確定其損毀機理。

圖4 鋼包包壁5點方向用后磚形貌圖

圖5 鋼包包壁12點方向用后磚形貌圖

2 用后磚檢測和分析

2.1 檢測方法和過程

距熱面每隔25 mm切一塊樣品（25 mm×25 mm×25 mm）進行物理和化學性能檢測，熱端部分進行顯微結構分析。

2.2 用后磚樣物理化學分析

表3給出了距熱面不同距離樣品的物理指標?？梢钥闯?，在0～25 mm部位，兩方向熔池磚顯氣孔率和體積密度相差不大，但薄弱方向樣品的體積密度略高于非薄弱方向的體積密度；30～55 mm區(qū)間，薄弱方向樣品的體積密度2.80 g/cm3明顯高于非薄弱方向磚的體積密度2.74 g/cm3，顯氣孔率14.8%明顯低于非薄弱方向磚的顯氣孔率16.2%。可以說距離熱面相同位置，來自薄弱點的樣品具有較高的體積密度和較低的顯氣孔率，這從側面表明薄弱點方向的熔池磚具有較低的渣滲透層或者脫碳層。

表3 距離熱面不同距離樣塊的顯氣孔率和體積密度

表4給出了距熱面不同距離樣品的化學指標?？梢钥闯?，隨著距離熱面越遠，CaO含量逐漸降低；距離相同的試樣對比，非薄弱點方向樣品中的CaO含量要高于薄弱點方向樣品；原磚層的CaO含量應該在1.3wt%左右，其中5點方向非薄弱點的磚在距離熱面30～55 mm時，CaO含量為1.57%，大于1.3%，這表明非薄弱方向的熔池磚的渣滲透層深度至少為25 mm。

表4 距離熱面不同距離樣塊的化學成分

2.3 顯微結構分析

圖6是5點方向用后熔池磚的顯微結構圖?？梢钥闯觯?點方向用后熔池磚熱面部分明顯分為四層，渣層、反應層、脫碳層和滲透層；渣層厚度3.4 mm，反應層2.7～4.6 mm，脫碳層厚度3.4 mm，距離熱端遠的地方氧化鈣含量也比較高，該部位渣的滲透深度很大。從表5的化學分析看，整個25 mm的樣品均存在渣滲透。5點方向熔池磚表面的反應層比較厚，顆粒和基質燒結在一起，較為致密，強度高，阻礙了氧氣和渣中氧化物對磚的進一步氧化，同時具有一定的抗沖刷性能。表5給出能譜分析，在反應層中形成了鎂鋁尖晶石，這表明高堿度渣中，在高溫下氧化鋁和鎂砂形成尖晶石是高溫物相，能夠很好地保護鋼包磚，避免進一步侵蝕。

圖6 5點方向用后磚的顯微結構圖

表5 圖6中各區(qū)域的EDS分析

圖7給出了12點方向用后熔池磚的顯微結構。渣層厚度0.6 mm，反應層和脫碳層總厚度約為0.6 mm，滲透層厚度約為2.5 mm。與5點方向用后包壁磚的顯微結構不同，薄弱點方向渣層、反應層、脫碳層、滲透層很薄，很快達到原磚層，這也和前面表3和表4中物理化學分析一致；渣和磚形成的反應層不連續(xù)不致密。表6給出了各部位化學成分，可以看出，隨著距熱面距離的增大，磚中的氧化鈣含量迅速降低，區(qū)域5時氧化鈣含量已經達到原磚層化學指標，磚的滲透深度比較小。

表6 圖7中各矩形框內化學成分

圖7 12點方向用后熔池磚的顯微結構圖

綜上可知，5點方向用后熔池磚有明顯的反應層和脫碳層，且反應層較為致密連續(xù)，能夠阻礙渣和氧對磚的進一步損毀和鋼水沖刷；12點方向用后熔池磚表面不能形成穩(wěn)定的反應層，不斷和外界空氣或者渣接觸，新的反應層很快被沖刷掉，不斷露出新的脫碳層反應，是一個侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過程。這也和眾多文獻中對用后渣線磚侵蝕情況敘述一致[7-8]。

致密反應層的產生可能和現(xiàn)場的操作有關。鋼包澆鋼完畢后，從連鑄平臺下來，需要將剩余的鋼包渣和鋼液倒出，在倒渣過程中，倒渣面被渣覆蓋，化學侵蝕加劇，但對磚起到了防熱震效果，同時高堿度渣和磚形成了較致密和連續(xù)的反應層，阻礙了空氣和渣對磚的進一步侵蝕。12點方向在澆鋼過程中隨著渣液面下降附有薄薄的一層渣，澆鋼完畢后受到空氣氧化和熱震作用，不能形成反應致密層，在下一輪使用過程中受鋼液沖刷，導致反應層被沖刷掉，最終導致該部位的磚侵蝕過快。

3 結論

本文針對某鋼廠精煉鋼包熔池磚局部侵蝕過快的現(xiàn)象，系統(tǒng)分析鋼包熔池區(qū)不同部位用后殘磚的侵蝕形貌，得出如下結論：鋼包的冶金操作過程是導致LF精煉鋼包局部熔損過快的主要原因，倒渣面受鋼渣覆蓋，形成了較致密的反應層，阻礙了空氣和渣的進一步侵蝕，也能提高鋼包磚的抗沖刷性能，非倒渣面耐火材料局部異常侵蝕主要是因為鋼包磚與渣之間的反應層不致密，結構疏松，在下一輪冶煉過程中更容易被鋼水沖刷損毀，伴隨著冶金精煉操作的循環(huán)過程，侵蝕-氧化-侵蝕/沖刷循環(huán)交替過程是含碳爐襯損毀的主要機理。

基于以上分析得出結論：①提高非倒渣面耐火材料的致密性，增加鋼包磚與渣之間的反應層的致密程度。②增強耐火材料的高溫抗折強度，提高鋼包磚的抗沖刷性能。③提高非倒渣面耐火材料的抗氧化性，降低冶金操作過程的氧化程度。