超低碳钢用钢包无碳衬砖的开发与应用吴松根钟凯邵俊宁（首钢技术研究院）（首钢迁钢公司）摘要为满足超低碳钢冶炼需要，避免连铸过程钢包内衬向钢水增碳，开发了无碳刚玉尖晶石钢包砖，结合渣线低碳镁碳砖在迁钢210吨钢包上进行了应用，寿命达到120次以上。
这种钢包作为超低碳钢生产盛运和精炼容器，RH处理结束后，不会给钢水带来增碳。
关键词超低碳钢，钢包，无碳砖在超低碳钢的生产过程中，即使钢水经RH炉真空脱碳、脱气处理后达到了规定的碳含量要求，但从它出精炼站一直到连铸过程结束，还会与许许多多含碳的材料接触，比如与含碳的钢包耐材、中间包耐材、中间包覆盖剂、结晶器保护渣等接触，使钢水中的碳含量增加，造成铸坯中的碳含量超出规定要求，从而生产不出合格的产品。
迁钢产品定位为以汽车板和高牌号管线钢等为代表的高端精品板材。
2006年11月，迁钢RH真空精炼炉投产，并开始了汽车用深冲、超深冲钢的试制。
初期由于采用普通含碳钢包（包衬渣线镁碳砖C≥14%、包壁铝镁碳砖C7～10%）作为盛装和精炼钢水的容器，致使钢水增碳较高。
通过对超低碳钢增碳情况的调查发现：RH精炼结束后，普通含碳钢包每10分钟约向钢水增碳2ppm。
因此，为了满足超低碳钢及高等级品种钢冶炼要求，开展了钢包工作衬耐火材料材质改进研究，实现钢包工作衬的无碳化。
1 研究过程迁钢原210吨普通含碳钢包，平均使用寿命70次左右。
钢包工作衬耐火材料无碳化改造的目标一是要满足超低碳钢连铸过程不增碳、无污染的要求，二是要满足提高其使用寿命，降低耐火材料消耗的要求。
1.1 使用条件迁钢主要工艺装备有：2座2650m3高炉，3座铁水包单吹颗粒镁脱硫扒渣设施，3座210吨转炉，LF、RH、CAS精炼炉各一座，2台双流板坯连铸机，2台8流方坯连铸机，1套2250热连轧机组，年产钢450万吨。
迁钢一期冶炼工艺主要为LF和CAS精炼，冶炼钢种为Q215B、Q235B、Q345B、T-Q345、HRB335D、HRB335等，精炼温度普通钢1580～1620℃，品种钢1610～1680℃，精炼时间35分钟。
迁钢二期的冶炼工艺主要是LF和RH精炼，冶炼钢种主要是超低碳钢、汽车板钢等，精炼温度为1610～1680℃，精炼时间为35分钟。
可见，二期钢包面临的使用条件非常苛刻：1）钢液温度高；2）钢流循环运动加剧，冲刷磨损严重；3）炉渣碱度高；4）钢液停留时间延长，耐材与钢水接触时间增加；5）高温真空作用，耐材损耗增加。
冶炼超低碳钢以碱性渣为主，化学成分见表1。
1.2 原料选择由于试验砖主要针对迁钢二期冶炼工艺条件，因此，采用的钢包衬材料一要无碳化、二要高档化，尽可能减少对钢水的污染。
根据迁钢冶炼工艺、钢种、冶炼温度及钢渣碱度等条件进行分析，迁钢210吨大型钢包熔池和包底试验砖拟采用刚玉一尖晶石体系。
选择刚玉、电熔镁砂、尖晶石、氧化铝微粉等为主要原料，其化学组成见表2。
试验砖基质的主成分为刚玉和镁砂细粉，使在高温下反应形成尖晶石，以产生良好的抗侵蚀能力和抗渣能力，并希望在砖的表面形成挂渣层，以减小渣的侵蚀，提高包壁砖的使用寿命。
图1为Al2O3-MgO-SiO2三元系相图。
基质组成处于该相图的Al2O3-3Al2O3·2SiO2-MgO·Al2O3（A-A3S2-MA三元相区）区域内，系统最低共熔点温度为1575℃。
1.3 性能试验1.3.1 镁砂细粉加入量的影响镁砂细粉可与基质中的刚玉在高温下生成尖晶石，提高试验砖的抗侵蚀、抗渣渗透能力，并使砖产生微膨胀，防止钢水从砖缝钻钢。
但如果镁砂加入量过大，砖在使用过程中生成过量尖晶石，导致高温下坯体过度膨胀而变疏松，气孔率增大，高温强度下降，造成砖的体积不稳定，抗侵蚀、抗渣渗透能力降低，在使用过程中产生结构性剥落。
图2为电熔镁砂细粉量与线变化的关系。
根据试验，综合考虑，确定镁砂细粉加入量为（4+2a ）%左右比较合适。
图1 Al 2O 3-MgO-SiO 2三元相图图2 线变化与电熔镁砂含量的关系1.3.2 微粉加入量的影响随着硅微粉和氧化铝微粉加入量的增加，砖烧结温度降低，促进了砖的烧结，气孔率降低，高温强度增加，抗渣侵蚀性和渗透性增强。
但微粉加入量过大，高温下砖的基质中液相量增加，造成较大体积收缩，降低了高温性能，同时砖的抗渣侵蚀性和渗透性降低，导致损毁加剧，使用寿命降低。
1.3.3 尖晶石含量的影响试验砖中加入尖晶石细粉，可成为尖晶石晶核，促进MgO与Al2O3细粉发生尖晶石反应，促进制品烧结。
尖晶石的存在，可提高砖的早期挂渣和抗侵蚀能力，试验表明，试验砖基质中尖晶石加入量在10～30%时性能最佳，图3为尖晶石加入量对侵蚀指数和渗透指数的影响。
图3 尖晶石加入量与侵蚀指数和渗透指数的关系1.3.4 试验砖理化性能钢包试验砖配方:电熔刚玉：50～70%，粒度为5-3㎜，3-1㎜和1-0㎜；电熔MgO粉：4～10%；电熔尖晶石粉5～15%，Al3O2微粉2～6%，添加剂2～5%，结合剂3～4%，经配料混练，高吨位摩擦压砖机压制成型，再经过200℃热处理。
试验砖的理化性能见表3。
2 应用情况2.1 使用情况钢包工作衬改造，除包壁采用研制的无碳刚玉尖晶石试验砖外，对渣线砖也提出了新的要求，即采用了低碳镁碳砖（理化性能见表4）。
试验砖自2007年7月份开始在板坯连铸机钢包上投入使用，迄今已有6个钢包采用了无碳衬砖，试验包的平均使用寿命达到122炉。
超低碳钢生产采用试验包后，经RH 处理后的钢包向钢水的增碳低于1ppm ，满足了超低碳钢冶炼要求。
某试验包使用过程情况：包龄23次时整包侵蚀均匀，包壁、过渡稍微挂渣，过渡层稍高于包壁，渣线砖表面平滑，无较大起伏，围罐完好，包底整体平滑；包龄48次时整包侵蚀较均匀，由于渣线砖碳含量较低，冷却后渣线砖有剥落现象，碎成小块，局部有破损；包龄73次时整包侵蚀较均匀，包壁无明显挂渣，过渡层高于包壁10mm 左右，围罐砖整体侵蚀均匀，完好无脱落；包龄95次时包底、围罐完好，包底、包身侵蚀均匀。
图4、图5、图6、图7为使用寿命123炉计划甩包停用后的照片。
拆后包壁砖残砖厚度为90～100㎜。
2.2 残砖分析对使用后的残砖样进行电子显微分析，可以看到，残砖呈现出反应层、渗透图4图6图7图5层、原砖层三层结构：1）0～5mm为反应层：基质中刚玉细粉全部与渣发生了反应，生成了六铝酸钙（CA6）和钙铝黄长石（C2AS）等矿物，主晶相为条、柱状六铝酸钙（CA6），构成了连续的骨架结构，其次为条、柱状钙铝黄长石（C2AS）和粒状尖晶石（MA），分散分布或填充于六铝酸钙（CA6）晶间；2）5～20mm为渗透层：基质中有刚玉细粉出现，而且随着向里深入，六铝酸钙（CA6）和钙铝黄长石（C2AS）逐渐减少，而刚玉和尖晶石（MA）逐渐增多。
至渗透层末端六铝酸钙（CA6）和钙铝黄长石（C2AS）消失，基质仅存刚玉和尖晶石（MA）；3）原砖层：基质主晶相为刚玉，其次为尖晶石（MA）。
3 分析与讨论在反应层中，由于渣中的Al2O3含量低，具有相对较高的不饱和性，渣中大量的CaO侵入砖的基质中，与砖中的Al2O3、MA反应。
其中，CaO同Al2O3反应，生成大量条、柱状的六铝酸钙（CA6），即CaO+6Al2O3→ CA6，CA6是高耐火相，转熔点温度达到1875℃。
它在碱性环境中有较高的抗化学侵蚀性；部分CaO、SiO2与原砖层的Al2O3反应，生成钙铝黄长石（C2AS）（熔点1590℃）：2CaO+Al2O3+SiO2→C2AS基质中的尖晶石对渣中的FeO、MnO等成分有一定的固溶能力，形成尖晶石固溶体，阻挡了FeO、MnO的进一步渗透，即：FeO+MnO+SP → (Fe，Mn，Mg)O.(Fe，Al)2O 3渣中SiO2富集而使熔渣变得粘稠，从而在一定程度上阻止了熔渣渗透。
在渗透层，熔渣中CaO、SiO2等渗透进入基质并与Al2O3反应形成六铝酸钙（CA6）和钙铝黄长石（C2AS），随着熔渣的不断冲刷，反应层基质被熔蚀，大颗粒被冲刷并剥离，熔渣中CaO、SiO2等进一步向内部渗透。
在原砖层，高温下Al2O3与MgO逐渐反应生成尖晶石致密层，有效的阻止了渣的渗透，使钢包砖的寿命得以提高。
4 结论（1）无碳刚玉尖晶石试验砖以刚玉、电熔镁砂、电熔尖晶石、微粉为主要原料采用复合结合剂，通过优化基质，使钢包砖具有抗侵蚀、耐剥落、寿命高、不增碳的优点，使用寿命可稳定在120炉以上。
（2）无碳刚玉尖晶石试验砖因不含碳，在烘烤、使用中，不会因脱碳产生严重剥落，另外，因不含碳导热系数较低,对钢包有较好的保温效果，不易使钢包变形。
（3）无碳刚玉尖晶石试验砖具有低气孔率、高体密、抗剥落、抗渣侵蚀和抗渣渗透能力强等特点，作为超低碳钢生产盛运和精炼容器，RH处理结束后，不会给钢水带来增碳，能够满足首钢迁钢冶炼超低碳钢发展的需要。
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