陳 輝,徐迎鐵

(1.寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900;2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

電爐冶煉過程中保護爐襯,降低爐渣和電弧等對爐襯的侵蝕意義重大,可以提高爐齡降低生產(chǎn)成本。電爐耐火材料工作層主要由鎂碳磚、爐底搗打料等組成?？傮w來看,電爐耐火材料損毀因素有:侵蝕、氧化、沖刷、熔融、剝落和水化,其中主要是氧化、化學侵蝕和沖刷[1]。鎂碳磚因為受到爐渣化學侵蝕及電弧熱侵蝕的交互作用,侵蝕最為嚴重,需在冶煉間隙補爐來維持其厚度確保生產(chǎn)穩(wěn)定進行;電爐爐底搗打料的侵蝕主要由廢鋼加入、爐頂高位兌鐵水對爐底耐火材料造成較大的機械沖撞與沖刷形成[2-5];另外,爐門口區(qū)域也是爐襯薄弱環(huán)節(jié),在日常使用過程中受熱膨脹的影響,該位置耐火材料易出現(xiàn)起拱、跑磚現(xiàn)象。為了提高爐齡,國內(nèi)某電爐廠采取優(yōu)化耐火材料材質(zhì)、改變爐底搗打方式、改進爐襯耐火材料砌筑工藝及優(yōu)化冶煉操作工藝等措施,使電爐爐齡得到顯著提升[6]。

控制電爐冶煉渣線鎂碳磚的侵蝕是提高爐齡和減少噴補的關鍵環(huán)節(jié),通過造泡沫渣加強對電弧的保護可大大降低電弧對爐襯的輻射,但電爐爐渣對鎂碳磚侵蝕仍不可避免。對于其侵蝕機理,相關研究認為,電爐爐內(nèi)氧化性高的爐渣會脫除鎂碳磚中部分碳,致使磚體工作面顯微結(jié)構(gòu)松動脆化,在煙氣、爐渣、鋼液沖刷下剝落而被蝕損[6],鎂碳磚的侵蝕隨爐渣中FeOx質(zhì)量分數(shù)的增加而加劇,控制爐渣FeOx質(zhì)量分數(shù)小于16%可有效降低爐渣對爐襯侵蝕[7];通過對電爐鎂碳磚使用后觀察分析發(fā)現(xiàn),鎂碳磚使用后可分為渣層、鎂砂層、脫碳層、原質(zhì)層,渣層中有大量類球形鎂浮氏體和鈣鎂硅酸鹽,在靠近原質(zhì)層的脫碳層區(qū)域,有氧化鐵被石墨還原生成的大量鐵珠,這些觀察結(jié)果也從側(cè)面說明了爐渣脫碳加劇侵蝕鎂碳磚[8]。堿度小于2的爐渣在侵蝕界面處生成低熔點物CMS,低熔點物的出現(xiàn)促進鎂砂顆粒的溶解,進而加速鎂砂顆粒的脫落[9-11]。為了防止爐渣對鎂碳磚的侵蝕,陳昱等[7]在實驗室條件下觀察到侵蝕滲透層主要由還原Fe相、渣相及鎂鋁尖晶石相等組成,鎂鋁尖晶石相的形成對熔渣向鎂碳磚中滲透起到了抑制作用,適當提高爐渣中MgO 的質(zhì)量分數(shù)(大于8%),能夠抑制耐火材料向爐渣中的溶解過程,促進尖晶石相的形成,降低爐渣對爐襯耐火材料的侵蝕速率。以上研究并未對實際生產(chǎn)中的電爐爐渣侵蝕鎂碳磚機理,以及電爐爐渣氧化性和堿度哪個因素對鎂碳磚侵蝕影響更大進行深入探討,同時耐火材料受熱變化對侵蝕過程影響也少有研究報道。本文通過對實際生產(chǎn)爐襯的顯微分析及利用現(xiàn)場爐渣進行鎂碳磚侵蝕試驗,進一步深入研究電爐渣線鎂碳磚的侵蝕機理,為現(xiàn)場提高爐齡提供技術支撐。

1 試驗材料及方法

為了觀察爐渣如何侵蝕鎂碳磚耐火材料,電爐爐殼下線維修時從渣線部位取得仍粘有渣的鎂碳磚作為觀察試樣,經(jīng)過切割處理后拋光,在掃描電子顯微鏡(JEOL-IT300LV)下觀察爐渣侵蝕鎂碳磚耐火材料形貌并做侵蝕相構(gòu)成的能譜分析,對元素進行能譜半定量成分分析。

爐渣侵蝕耐火材料不僅與爐渣成分相關,而且還與耐火材料的受熱狀態(tài)相關。為了模擬溫度及其變化對耐火材料損耗的影響,在鉬絲爐進行爐渣侵蝕耐火材料試驗,試驗設備及鉬絲爐中試驗樣品的分布如圖1所示。先把鎂碳磚切割成長方體狀,把中心部位掏空,塞入需要試驗的鋼鐵料和渣料,放入鉬絲爐內(nèi)升溫,鋼水和爐渣熔化后保溫,相關技術參數(shù)見表1,典型爐次的溫度控制曲線如圖2所示。

表1 試驗過程相關參數(shù)

圖1 試驗設備及試驗示意圖

圖2 溫度控制曲線

表1中1#～6#試驗在鎂碳磚掏空部位加鋼鐵塊模擬鋼水,發(fā)現(xiàn)鎂碳磚內(nèi)是否有鋼水對試驗結(jié)果幾乎無影響,后續(xù)試驗不再加鋼鐵料。試驗結(jié)束后,將鎂碳磚剖開,觀察侵蝕情況。表1中9#～12#試驗為高溫保溫一段時間后冷卻,冷卻階段可取出鎂碳磚切割一段觀察侵蝕情況,然后再加熱保溫完成試驗,溫度變化曲線參見圖2中9#對應曲線。9#～12#試驗目的是模擬鎂碳磚在冷熱交替情況下的侵蝕過程。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 渣線鎂碳磚侵蝕微觀分析

爐渣侵蝕渣線鎂碳磚總體形貌所觀察的兩個視場如圖3所示。兩個視場均發(fā)現(xiàn)在爐渣側(cè)有氣泡,鎂碳磚與爐渣間有一界面清晰反應層,其他視場觀察結(jié)果一樣。

圖3 爐渣侵蝕鎂碳磚耐火材料總體形貌

鎂碳磚基體、界面反應層及渣中的相構(gòu)成如圖4所示?？梢钥闯?界面反應層發(fā)現(xiàn)了MgO·FeO·C相,而渣相主要是由FeO·MnO·MgO相和CaO·SiO2相組成。從形貌看FeO·MnO·MgO在煉鋼溫度條件下充當溶液角色,而CaO·SiO2充當溶質(zhì)角色,并未發(fā)現(xiàn)耐火材料主體成分MgO與SiO2組成新相。進一步對電爐爐渣相進行深入觀察,所發(fā)現(xiàn)的相是FeO·MnO·CaO、FeO·MnO·MgO、CaO·SiO2相,如圖5所示。由此可見,FeO·MnO·MgO相的形成是鎂碳磚溶解到爐渣后形成的主相,渣中FeO·MnO具備了溶解MgO能力,同時因電爐冶煉過程中爐渣中FeO還與鎂碳磚中的碳發(fā)生反應生成CO氣泡,鎂碳磚邊界變得疏松,形成脫碳層,在沖刷、熱應力變化(爐冷爐熱)作用下鎂碳磚中MgO逐漸脫落或溶解進入渣中,變成渣的一部分,最終導致渣線鎂碳磚被侵蝕。爐渣中FeO溶解MgO是導致鎂碳磚侵蝕的主要因素,FeO含量偏高會導致侵蝕嚴重。電爐爐渣堿度經(jīng)檢測均在2.5以上,本次觀察并未發(fā)現(xiàn)文獻[9-11]所報道的CMS相,這說明在電爐爐渣體系內(nèi),爐渣堿度對耐火材料侵蝕影響不明顯。

圖4 鎂碳磚與爐渣反應界面物相分析

圖5 電爐爐渣物相分析

2.2 爐襯侵蝕熱態(tài)試驗分析

爐襯侵蝕熱態(tài)試驗1#～12#試樣切割后的剖面圖如圖6所示。肉眼觀察侵蝕結(jié)果,高溫(1 600 ℃)下鎂碳磚的燒損情況明顯要比低溫(1 550 ℃)嚴重,侵蝕情況也嚴重;在加熱時間為1、2、3 h時,鎂碳磚的侵蝕情況看不出差別,可能在煉鋼溫度下高溫時間不是侵蝕的主要原因;模擬熱爐冷爐交替的9#～11#試樣兩次加熱,其侵蝕的結(jié)果比加熱溫度和總時間相同的一次加熱要嚴重,也比其中間取樣的侵蝕結(jié)果嚴重,中間過程取樣侵蝕狀態(tài)見圖6中9#～12#樣品耐火材料剖面上1/4部分。由此可以推斷,在實際電爐生產(chǎn)中,渣線部位的溫度對侵蝕有較大影響,溫度越高侵蝕越嚴重;冶煉過程爐況的冷熱交替形成的熱應力也對爐襯侵蝕有著較大影響。

圖6 試驗后鎂碳磚形貌

實驗室鎂碳磚侵蝕結(jié)果比現(xiàn)場結(jié)果看起來要輕微,主要是實驗室狀態(tài)下爐渣和耐火材料之間運動沒有現(xiàn)場劇烈,但其反應的規(guī)律應與現(xiàn)場一致。

3 降低渣線鎂碳磚侵蝕措施

根據(jù)前面對鎂碳磚侵蝕微觀結(jié)構(gòu)的觀察,爐渣中的FeOx不僅脫去鎂碳磚中的碳導致其疏松,而且直接侵入耐火材料深處溶解MgO。同時,如果爐渣FeOx質(zhì)量分數(shù)大于35%還存在流動性過好導致其黏度偏低從而惡化泡沫渣的特點,電弧失去泡沫渣的保護對爐襯侵蝕更為嚴重。為此在實際生產(chǎn)中采取措施降低爐渣FeOx含量,措施包括:強化供電,縮短通電時間從而避免吹氧時間過長導致鋼水過氧化;略增加石灰和白云石的加入量來降低爐渣FeOx活度。這些措施實施后,爐渣FeOx質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定控制在30%以下。

根據(jù)前面所述鉬絲爐試驗結(jié)果,渣線部分溫度高和冷熱交替對耐火材料侵蝕影響較大,為此在實際生產(chǎn)過程中通過造良好泡沫渣,并在冶煉末期泡沫渣不良時適當降低電弧長度來防止電弧過多輻射傳熱到渣線部位;通過加強生產(chǎn)管理,配合適當補爐操作從而縮短了連續(xù)生產(chǎn)爐與爐間隔時間,避免鎂碳磚渣系爐襯嚴重冷熱交替,降低熱應力對爐襯侵蝕影響。

上述措施實施后,爐壁鎂碳磚侵蝕得到緩解,電爐中期爐齡穩(wěn)定提升到450爐以上。

4 結(jié)論

(1)FeO·MnO·MgO相的形成是鎂碳磚溶解到爐渣后形成的主相,渣中FeO·MnO具備溶解MgO能力,爐渣中FeOx含量偏高是導致鎂碳磚侵蝕嚴重的主要因素。

(2)電爐爐渣堿度通常大于2.5,爐渣堿度對耐火材料侵蝕影響不明顯。

(3)渣線耐火材料溫度越高,鎂碳磚侵蝕越嚴重;高溫段保溫時間對侵蝕影響不大;渣線鎂碳磚冷熱交替試驗顯示鎂碳磚侵蝕相對嚴重。

(4)電爐生產(chǎn)過程通過降低爐渣FeOx含量、縮短冶煉過程爐與爐之間間隔時間等措施,爐壁鎂碳磚侵蝕得到緩解,電爐中期爐齡穩(wěn)定提升到450爐以上。