钢包耐火材料对钢中夹杂物的影响

　　　　­熊玲琪，尹振江

　　­(南昌长力钢铁股份有限公司，南昌330012)­

摘 要：本文从化学及机械角度阐述了钢包耐火材料侵蚀机理.探讨了符合理论要求的特定材质耐火­材料侵蚀后产生夹杂物的特征。根据钢种对夹杂物的要求，选择合理的耐火材料.保证钢中的非金属夹­杂物不对产品的生产性能或使用性能产生直接或问接影响，提高钢水的洁净度。­

关键词：钢包;耐火材料;夹杂物­

中图分类号：TQl75 文献标识码：A­

当钢中的非金属夹杂物直接或间接影响产品的­生产性能或使用性能时，该钢就不是洁净钢;而如果­非金属夹杂物的数量、尺寸或分布对产品的性能没­有影响，那么这种钢就可以认为是洁净钢[1]。钢中­的非金属夹杂物有两种：内生夹杂物和外来夹杂物。­外来夹杂物一般是与冶炼过程相关的，采用合适的­冶炼工艺可以避免或减少外来夹杂物的出现。来源­于耐火材料的夹杂物，是耐火材料渣线或内衬受化­学侵蚀或机械侵蚀的产物。­

炉外精炼作为初炼炉与连铸生产的中间环节，起到提高产量、保证质量、净化钢水及调节成分的作­用，因此在生产中，要提供化学成分、气体含量及夹­杂物合格的钢水，必须进行炉外精炼，炉外精炼在国­内一般有四种形式：LF、VD、VOD、RH。它们的共同­点是冶炼过程都是以钢包作为基本容器，因此钢包用的耐火材料的选择，对洁净钢的生产意义重大。­20世纪50—70年代，我国的钢包包衬主要使用的­是硅酸铝质耐火材料，包括各种黏土砖和高铝砖等。­从80年代起，我国陆续开发出了铝镁(碳)质、镁碳­质和镁钙(碳)质等多个系列的新型钢包用的耐火­材料。其中铝镁(碳)质耐火材料品种多、规格全，­是我国主要的钢包耐火材料。我国钢包用的耐火材­料的类别和品种见表1[2]。

 

1 钢包耐火材料侵蚀机理

­钢包耐火材料通过不同的方式对钢的洁净度产­生影响：

­(1)钢包渣线处耐火材料的化学侵蚀，

­(2)耐火材料与钢液接触后产生的机械侵蚀。

­1.1 耐火材料化学侵蚀机理­

在精炼温度、脱氧剂及加入量等已经确定的条­件下，在洁净钢的精炼过程中，耐火材料就成了影响­洁净钢成分的重要因素。在实际冶炼过程中，由于­耐火材料种类和组成的不同，对钢液的成分产生不­同影响。­

精炼过程钢液与耐火材料接触，钢液对耐火材­料侵蚀，耐火材料向钢液中溶解，耐火材料的主要成­分是氧化物，这些氧化物溶解进入到钢液中，氧化物­溶解通式：

MxOy(s)=x[M]+y[O]­

式中[M]与[O]分别表示钢液中的金属和氧，­其中[O]是钢液被再氧化的氧来源。

­通常用钢水中的[O]含量来衡量钢水中氧化物­质夹杂多少的指标，因此，耐火材料对钢水中氧含量­有很大影响，但耐火材料向钢液中传氧取决于钢液­的脱氧程度以及所用的耐火材料的种类和组成，越­稳定的氧化物越不容易使钢水增氧，氧势越高的耐­火材料越易增氧。­

精炼过程中，添加脱氧剂，增加了钢液中金属原­子的活度，为了达到动态的溶解平衡，反应就会逆向­进行，金属原子与钢液中的氧反应生成氧化物或者­溶于渣中，或者与耐火材料表层的氧化物反应生成­复合氧化物，沉积于耐火材料表面形成产物层，从而­达到对钢液脱氧的效果;当精炼结束时，钢液中氧的­活度a[O]≤10^-5，为了达到溶解的动态平衡，则有­耐火材料中氧化物又会向钢液中溶解，同时分解出­氧进入到钢液牛，导致钢水的洁净度下降和耐火材­料消耗。

­随着耐火材料由碱性一中性一酸性的变化，耐­火材料的氧势指数增大。在纯净钢冶炼过程中，钢­中氧含量一般都需要控制在较低的水平上，根据氧­化物的氧势图(图1)可以选择在不同钢液氧含量和­不同冶炼温度下可以使用的耐火材料。

­在1600℃的冶炼条件下，理论上可以作为纯­净钢冶炼用的耐火材料有Al2O3，MgO和CaO，而Cr2O3，MnO和SiO2则不能使用，这些氧化物作为­耐火材料原料使用时将向钢液中传氧，对钢中的氧­含量产生影响[3]。­

1.2耐火材料机械侵蚀状况

­耐火材料的机械侵蚀包括热机械磨蚀(剥落)­与磨蚀。

­热机械磨蚀(剥落)是由热膨胀或机械震动引­起的，伴随体积变化，引起不当的热膨胀性能或反­应，导致内部结构恶化。剥落可以导致整个耐火材­料衬过早的整体磨蚀，甚至在钢包或炉的第一炉之­前就完成役期。由于热膨胀可逆在耐火材料衬上而­产生应力。热机械磨蚀的其它机理是所谓“鹅卵­石”形成对其的影响。在砖的端部压缩应力最高、­强度最低。热膨胀导致在端部应力过度，会压碎拐­角处的边缘。在砖与砖之间的间隙很容易受到冲­刷[4]。特别是碱性砖如MgO—C和MgO砖对热机­械磨蚀很敏感，这是因为MgO热膨胀系数具有较­高的可逆性。­

磨蚀(侵蚀)是磨蚀前或腐蚀前后、熔融或砖初­始形态的其它变化时耐火材料的表面上一些物质的­机械磨失。磨蚀(侵蚀)经常发生在冶金加工中的­喷射固态粉末的氧枪喷嘴、风嘴和喷头的附近。影­响磨蚀(侵蚀)的因素有颗粒流的速度、成分、温度­和冲击角度。湍流比层流磨蚀更严重，氧化的含铝­化合物比含钙的化合物更容易磨蚀，热流比常温流­更易磨蚀，60°比10°磨蚀更明显。有时在耐火材料­衬上发生磨蚀的原因和地方相当不规则。这大部分­是因为这种复杂化气流形式，这种形式的复杂化是­可以预料的。

­2耐火材料侵蚀后夹杂物的特征

实际生产中，耐火材料的侵蚀是在所难免的，不­同材质的耐火材料，被侵蚀进入钢水中后，与钢液中­的物质相互影响，产生最终夹杂物的特征也是不同­的。本节旨在探讨符合理论要求的特定材质耐火材­料侵蚀后夹杂物的特征。­

2.1铝镁(碳)质耐火材料对应的夹杂物特征[5]­

以铝镁(碳)质耐火材料为炉衬，主要是硅铝酸­盐夹杂。对大型夹杂物进行分析，主要成分是­SiO2、Al2O3和少量的K2O。高温状态下，来源于炉­衬或炉渣中的K2O熔体进入到了钢液中并与Si、Al­的氧化物反应，生成K2O—Al2O3—SiO2夹杂物，Si­的氧化物在其表面生核、长大，最后形成以SiO2及­SiO2为主的复合氧化物。

­该夹杂物的主要成分是SiO2，捕获了一些TiN­高熔点物质和吸附了微量的硫化物，最后形成复合­氧化物。这可能是炉衬材料微粒脱落进人到钢液，­吸附了SiO2，形成大型夹杂2MgO—SiO2。

 

­从图2可以清晰的看到夹杂物的形貌，SiO2为­近球形，硅酸盐为不规则块状，TiN呈菱形状;此外­在钢、渣和耐火材料界面，由于耐火材料被钢/渣侵­蚀发生化学反应，最后生成硅铝酸盐夹杂。­

从对钢样电解产物成分分析可以看到，钢中的­夹杂物以SiO2为主。SiO2黏附在大颗粒夹杂物的­表面，在钢液静置过程中随大颗粒夹杂物一并上浮，­可以净化钢液。

­2.2 MgO质耐火材料对应的夹杂物特征[6]

­由MgO质耐火材料钢水夹杂物分析结果得出。­夹杂物是锰橄榄石复合氧化物，其中的主要氧化物­分类视为(CaO+MgO)—SiO2—MnO三元系，可以­发现，随着温度的降低，首先共晶析出钙硅石和α’­CaO—SiO2，然后发生转熔反应生成锰橄榄石的复合氧化物。­

如图3，通过上述分析可以看出，夹杂物基体为­SiO2—MnO—CaO—MgO系，析出相为榴石类，硬度­较石英相和刚玉低，塑性相对较好，夹杂尺寸较小，­通过能谱分析检测到的夹杂物成分包括SiO2、CaO、­Al2O3及其复杂化合物。­

2.3镁钙(碳)质耐火材料的夹杂物特征[7]­

钢中夹杂数量和尺寸随着耐材中w(CaO)的增­加呈递减趋势，夹杂物基体为CaO—Al2O3—SiO2—­FeO系，基体Al2O3含量较MgO基和A12O基炉衬­材质低且硬度低，塑性相对较好，夹杂数量少且尺寸­趋于减小。采用MgO—CaO系列炉衬材料时，钢中­夹杂物的尺寸小、基体塑性好，在压力下具有较好的­变形能力，可降低夹杂物对钢质量的不利影响。

根据钢种对夹杂物的要求，应该选择合理的耐­火材料，保证钢中的非金属夹杂物不对产品的生产­性能或使用性能产生直接或间接影响。

3 结论

­(1)根据理论分析得出，为了得到较低的钢水­氧含量(a[O]<10^-5)，理论上可以作为洁净钢冶炼­用的耐火材料有Al2O3MgO和CaO，而Cr2O3，­MnO和SiO2则不能使用。

­(2)从机械磨损角度分析得出：MgO质碱性砖­如MgO—C和MgO砖对热机械磨蚀很敏感;在磨­蚀方面，氧化的含铝化合物比含钙的化合物磨蚀得­更严重。从提高钢水洁净度方面看：镁钙(碳)质>­MgO质>铝镁(碳)质，根据图像分析，铝镁(碳)质­材料对去除钢中夹杂物没有作用，MgO质材料则有­一定作用，镁钙(碳)质材料有明显的作用，而且­ω(CaO)，越高作用越明显。­

(3)以铝镁(碳)质耐火材料为炉衬，主要是硅铝酸盐夹杂;MgO质耐火材料钢水夹杂物是锰橄榄­石复合氧化物：镁钙(碳)质耐火材料夹杂物基体为­CaO—Al2O3—SiO2—FeO系。根据钢种对夹杂物的­要求，选择合理的耐火材料，保证钢中的非金属夹杂­物不对产品的生产性能或使用性能产生直接或间接­影响，提高钢水的洁净度。­­

 

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】