超高功率电弧炉出钢口用耐火材料的改进

　　李林1,2 洪彦若1 孙加林1 彭小艳3­ 贺智勇2 于力2 刘开琪2 孟宪平2­

(1.北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083;2.钢铁研究总院耐火材料研究室.­ 北京100081;3.湖南大学材料科学与工程学院.长沙410082)­

摘 要 超高功率电弧炉出钢口在使用过程中要经受钢液的冲刷、渣液的侵蚀、氧化和温度的剧烈变化目前一­般用碳含量10 %~20%的不烧MgO-C质耐火材料生产出钢口，但是由于碳含量高出钢口的抗氧化性和抗钢液­冲刷性都不能达到满意的效果。为此，研究和开发了低碳MgO-C和Al2O3-SiC-C复合材料的整体出钢口。­

关键词 超高功率电弧炉 整体出钢口 MgO-C质耐火材料­

中图法分类5号 TF741. 5文献标识码A

1前言­

近20年来，世界超高功率(UHP)电弧炉炼钢­生产技术得到迅速的发展，所用耐火材料不断更新­和改善。出钢口在电炉中使用条件极为苛刻，要经受­钢液的冲刷、渣液的侵蚀、氧化和温度的剧烈变化，­是最容易损毁的耐火材料。出钢口的宏观损毁主要­有以下特征:①工作端面受钢液和渣侵蚀出现熔损­和剥落;②出钢孔直径扩大;③出现较大裂纹;④­下端面剥落，与开闭机构问隙增大超过一定限度;⑤­钢水出现散流;⑥由于过分烧氧造成局部熔损和剥落。 电弧炉出钢口长度一般超过1000 mm，由250~300 mm长的袖砖组装而成。这种出钢口的两个最­大缺点是:①由于袖砖用模具单方向机压生产，造­成袖砖轴向密度不均匀;②由于出钢口由袖砖组装­而成，袖砖之问存在接缝。在使用过程中，接缝处是­最容易蚀损的部位，通常产生3~13 mm宽的深坑。­为了解决这个问题，改善出钢口的质量，采用冷等静­压(CIP)成型技术生产复合材料整体出钢口。­

不烧低碳MgO-C材料具有优异抗氧化性、耐­钢液冲刷性和低导热性等许多优异的性能，日本的­坪井聪等[1~3]曾报道了低碳、低热导率和低热膨胀­MgO-C砖的研究开发，因此，出钢口本体选用碳含­量为5%的低碳MgO-C材质。­

本文研究了添加物对低碳MgO-C材料抗氧化­性能的影响，并对等静压成型与一般机压成型MgO-C出钢口的性能进行了比较。整体出钢口外形如图1所示。

2实验­

原料选择MgO含量大于98. 5 % , CaO/SiO2­大于2的大结晶电熔镁砂，石墨选用纯度为99. 0%­的高纯天然鳞片状石墨，结合剂选用酚醛树脂，添加­物选用金属铝粉和B4C等，配方如表1所示。­­­

按表1称取各组分所需的量，在混砂机中混合­均匀，用液压机将试样成型为Φ36 mm × 36 mm的­样块，压力为100 MPa，在200 ℃下烘烤，进行热处­理。然后对试样的抗氧化性能进行评价，并测定其显­气孔率、体积密度和常温耐压强度等物理性能。­

氧化实验是将试样放入电阻炉中，在大气气氛­下加热到1400℃，保温2h，保温结束后自然冷却。­测定实验前后试样的质量，计算试样的氧化失重。实­验后将试样从沿与轴线垂直方向中问切开，然后观­察试样氧化状态。­

3结果与讨论

3.1镁碳砖的常温性能­镁碳材料的常温性能如表2所示。­

从表2中可以看出，随着石墨含量的增加，试样­的常温耐压强度降低。试样体积密度大，气孔率小的­试样其强度更高。­

出钢口部位是最容易损坏的部位之一，主要受­钢水熔渣的侵蚀和冲刷，又受温度剧变的影响。砖的­损毁主要表现为侵蚀熔损，塌落和掉砖，前者由于耐­火材料高温性能不佳造成;后者是砖的稳定性差、砖­与砖之问不能良好烧结以及砌筑效果不佳等综合因­素而造成。­ 出钢口在使用过程中由于温度的剧烈变化，受­热表面膨胀比外表面快，内表面受到挤压力，外表面­受到张力作用。当出钢口的内表面冷却时，与上述情­况正好相反。如果这个应力超过MgO-C材料的强度极限，那么材料就会被破坏。也就是说，在出钢温­度提高时，其MgO-C材料内部和外表面会产生裂­纹;而在出钢完毕后冷却时，出钢口的内表面会产生­裂纹。这种裂纹的产生及扩展，会导致MgO-C材料­的强度的下降，并出现剥落。

出钢口可作为圆管状试样计算内部所产生的热­应力和应力分布，用式(1)~(3)求出距圆管中心距­离为r处的热应力[4]：

 

式中，σ_r为出钢口半径方向热应力;σ_θ为圆周方向热­应力;σ_z为轴向热应力;α为线膨胀系数;E为弹性­模量;v为泊松比;τ为钢液温度;a为出钢口内半­径;b为外半径。­

式(1)~(3)中的积分项可通过把圆管按半径方­向分成n等份，由区间求积求得。图2为温度分布为­稳定状态时，由式(1)~(3)计算出的热应力值所绘­制热应力分布特征图。­­

由图2可以看出，管状出钢口沿圆周方向及轴­向热应力在内表面侧为压应力，外表面侧为张应力，­而径向热应力只是压应力，其值也低于圆周方向和­轴向热应力。内表侧所产生的压应力和外表面所产­生的张应力，将对圆管状出钢口耐火制品产生弯曲­力作用，而且内侧较外侧大，使出钢口耐火材料更容­易被破坏。因此，提高出钢口耐火材料的强度对提高­抗热震性非常重要。

­3. 2镁碳砖的抗氧化性能­

镁碳砖的抗氧化性与石墨含量是直接相关的，­石墨含量多，抗氧化性就差。通过测定氧化实验前后­试样的质量，得出了每种配方的试样的氧化失重率­(图3)。­

从图3可以看出，随着Mg0-C材料中石墨含­量的增加，试样的失重率明显增加。特别是当碳含量­大于8%时，试样的氧化失重率显著增加，说明材料­的抗氧化性能大幅度下降。由此可以说明，要想提高­出钢口的抗氧化性，采用降低材料中石墨添加量的­方法，也就是说用低碳MgO-C材料是可行的。但­是，综合考虑到材料中加入一定量的石墨可以提高­材料的抗热震性和抗渣侵蚀性，加入一定量的石墨­还是必要的。试验表明电弧炉出钢口耐火材料的碳­含量6%为最佳。­­

从图4中可以看出，G-1, G-2 , G-3和G-4的脱­碳层厚度相差不大。明显的是G- 5试样的脱碳层厚­度比较大，并且表面裂纹很明显，原砖层己经疏松，­试样己经胀裂，有一部分己经断掉。­

出钢口的损坏的特征是先受空气的氧化、后又­受出钢流的冲刷、同时产生龟裂造成损毁。在这种特­殊部位，加入少量B4C是十分有效的。文献[5]证明­了:①在低于1000℃温度时，B4C己经被氧化，并­与MgO反应形成3MgO·B2O3，与碳反应释放出­反应性气体镁蒸汽和B2O3，这些气体首先与氧反­应，然后降低氧分压至碳氧化平衡分压以下，这样碳便不再与氧反应。②由于B4C的引入，导致了硼酸­盐层的形成，在MgO颗粒间桥接形成致密层来封­闭方镁石之间的碳，从而避免了碳的进一步氧化。­

上面两个机理所涉及的反应[5，6]如下:­

从上面的反应式中可以看出，反应在高温下是­连续不间断的，从而有效地阻止了氧与碳的接触，故­可以显著降低碳的氧化速度。李志坚[6]在实验中发­现B4C的加入降低了MgO-C砖的抗渣性，因为­B4C分解形成B2O3液相，而B2O3液相是镁砂原料­最为有害的杂质，它与MgO形成3MgO·B2O3，消­耗了MgO-C砖中的部分MgO而降低了MgO的抗渣性。故认为要控制好B4C的加入量，以达到既抗­氧化又不降低材料的抗渣性。B4C的加入量一般控­制在1. 0%以下。­

在出钢口的下端经常出现钢渣附着，另外，下端­耐火材料经受的温度变化也最大，特别是在填允料­不能靠钢液静压力自动打开出钢时需要吹氧，其损­­毁速度是其他部分的两倍。由于Al2O3-SiC-C材料­的抗氧化性能明显优于MgO-C砖，在出钢口的下­端内壁复合了一层Al2O3-SiC-C材料，其结果延缓­了端部喇叭口的扩大，并降低了挂渣层的厚度。­

用低碳MgO-C材料，并用等静压成型方法生­产出的出钢口与传统组装高碳MgO-C材料出钢口­常规性能比较见表3。

 

4结论­

(1)随着石墨含量的减少，MgO-C材料的强度­显著提高，有利于材料抗热震性能的提高。­

(2)低碳MgO-C材料的抗氧化性能明显优于­高碳MgO-C材料，石墨加入量为6. 0%较佳。­

(3)加入含有B4C复合添加物的低碳MgO-C质等静压成型整体出钢口具有优良的抗氧化性。­

(4)等静压成型的整体出钢口克服了分节组装­出钢口存在缝隙容易被侵蚀的缺点，抗钢液冲刷和­抗渣侵蚀性大大改善。­

(5)Al2O3-SiC-C复合内衬材料的引入延缓了­出钢口端部喇叭口的扩大，并降低了挂渣层的厚度。­­­

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】