低碳鎂碳磚用于不銹鋼鋼包生產實踐

胡興波，孫兆利，范曉坤

(山東煙臺華新不銹鋼有限公司    煙臺   246006)

摘 要：討論了在不銹鋼冶煉過程中鋼包工作層使用低碳鎂碳磚取代富鎂白云石不燒磚的可行性，并對鋼水的增碳量以及鋼包保溫性的改善方面進行了探討，證實低碳鎂碳磚配合保溫性能更好的永久層材料，可以取代富鎂白云石不燒磚用于不銹鋼的生產。

關鍵詞：低碳鎂碳磚；抗渣侵蝕性；增碳量；導熱系數

中圖分類號：TQ175    文獻標識碼：B     

The practice of that Low-Carbon MgO-C brick used in the ladle of stainless steel

Hu Xingbo Sun Zhaoli   Fan Xiaokun

(Yan Tai walsin Lihua Stainless Steel Co., LTD YanTai  246006)

Abstract:Discussed the feasibility in the stainless steel smelting process of the use of Low-Carbon MgO-C brick to replace magnesium dolomite unburned brick. And the increase of carbon for the molten steel as well as improve the insulation performance of the ladle are discussed in this paper, proven that Low-carbon MgO-C brick in concert with permanent layer with better insulation performance of material that can replace the magnesium dolomite unburned brick for the production of stainless steel.

Key words: Low-Carbon MgO-C, Resistance to steel slag corrosion, The increase of carbon for the molten steel, Thermal conductivity

1 前言

白云石系耐材因具有良好的耐高溫性能、抗渣性、高溫真空下良好的體積穩定性以及可以凈化鋼水等優點，在鋼鐵企業中得到了廣泛的應用，同時亦存在著易水化性以及熱穩定性差使用中開裂問題等[1]。我廠不銹鋼鋼包熔池及包底位置一直使用的是碳含量不超過5%的富鎂白云石不燒磚。因無AOD爐，全程冶煉均在鋼包內進行，鋼水在鋼包中的平均滯留時間長達6 h以上，同時，考慮到耗電成本問題，采用避高峰間歇式生產方式，導致鋼包長時間處于烘烤保溫狀態。溫度高、冶煉時間長、雙吹氬磚氬氣/氮氣攪拌劇烈等因素導致鋼包包齡較低。經過多次改善，鋼包包齡雖有提升，但熱態使用過程中熔池部位鋼包磚依然有著大量開裂，存在較嚴重的安全隱患，限制著鋼包包齡的提升。

目前低碳鎂碳磚的研究主要集中在結合劑和碳素原料上^[2]，已經取得了一些突破式進展^[3-4]。經了解，國內一些大型不銹鋼廠鋼包使用低碳鎂碳磚取代富鎂白云石不燒磚用于鋼包熔池及包底位置，效果良好^[5]。考慮到富鎂白云石不燒磚使用壽命已經到達使用瓶頸，無較大的提升潛力，且存在著安全隱患，我廠決定試用低碳鎂碳磚取代富鎂白云石不燒磚用于鋼包熔池及包底工作層。

2.煉鋼工藝流程介紹

我廠冶煉工藝流程為三段式生產模式，主要以連鑄坯為主，并輔以各尺寸模鑄鋼錠。產品包含低碳、低氮各系列鋼種，主要有201/202、303、304/304L、308/309、316L/316Ti、318、2205、347H、310、314、430、630、T91等。生產工藝流程簡圖如圖1所示，鋼包示意圖如圖2所示。

圖1 生產工藝流程簡圖

Fig.1 The production process flow diagram

圖2 鋼包示意圖

Fig.2 The schematic diagram of the ladle

設備參數如表1所示。

表1 主要冶煉設備參數

Table 1 The parameters of the main smelting equipment

3 低碳鎂碳磚使用分析

3.1 低碳鎂碳磚抗渣性能測試

為了解低碳鎂碳磚在不銹鋼生產應用的可行性，上線試用之前對其進行抗渣性能測試，并與富鎂白云石不燒磚進行對比。所測試低碳鎂碳磚為采用高純電熔鎂砂和復合碳素作為主要原料，基質中添加復合抗氧化劑和增強劑，以酚醛樹脂為結合劑，高壓成型后經200 ℃烘烤處理而制備。所測試富鎂白云石不燒磚為采用高純電熔鎂砂和回轉窯煅燒白云石為主要原料，基質中添加復合抗氧化劑和增強劑，以改性液體瀝青為結合劑，高壓成型后經250 ℃烘烤處理而制備。所選擇的兩種樣品磚的各項理化指標見表2。

表2 低碳鎂碳磚和富鎂白云石不燒磚各項理化指標對比

Table 2 Composition comparison of the physical and chemical indicators between Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick

通過靜態坩堝法對兩種樣品磚進行抗渣試驗，測試條件1650 ℃×3 h，試驗鋼渣為我廠冶煉某特殊鋼種的VOD鋼渣，其化學成分如表3所示。

表3 我廠某VOD鋼渣的化學成分

Table 3 The chemical composition of some kind of VOD slag

Table 3 The chemical composition of some kind of VOD slag

由表3化學成分可知其主要成分為CaO和Al₂O₃，通過X射線衍射儀鑒定該鋼渣的主要物相為CaO和七鋁酸十二鈣（7Al₂O₃?12CaO，A₇ C₁₂），因A₇ C₁₂的熔點處于1415℃~1495 ℃之間，在鋼水精煉過程中呈低粘度液相，對耐火材料有很強的侵蝕性和滲透性。

兩種樣品磚靜態坩堝法抗渣試驗后的剖面照片見圖3，測得低碳鎂碳磚和富鎂白云石不燒磚的侵蝕寬度分別1.10 mm和1.05 mm，說明二種樣品抗侵蝕性基本相當。此外，觀察兩種樣品磚坩堝中的殘渣，發現低碳鎂碳磚中的殘渣量比富鎂白云石不燒磚多，即低碳鎂碳磚比富鎂白云石不燒磚具有更好的抗渣滲透性能，這與低碳鎂碳磚具有更大的致密度是分不開的。

(a) 低碳鎂碳磚                    (b) 富鎂白云石不燒磚

圖3 低碳鎂碳磚和富鎂白云石不燒磚抗渣性試驗后的剖面照片

Fig.3 The sectional photos of Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick after slag resistance test

經由對比測試可知，該低碳鎂碳磚可以在我廠鋼包上進行試用。

3.2 低碳鎂碳磚的試用

2013年年底，引進浙江某耐火材料廠生產的兩套低碳鎂碳磚用于我廠60T鋼包包底及熔池部位，其平均包齡為17.5次，同期富鎂白云石不燒磚鋼包包齡為14.4次，提高3.1次，同時下線殘存低碳鎂碳磚要較富鎂白云石不燒磚提高15 mm。安全性和包齡都得以提升。

富鎂白云石不燒磚在線使用中即可觀察到有開裂情況，中修/大修時開裂縫有進一步擴大現象，并且裂縫內有夾渣，說明在線使用中該處縫隙并非表面裂紋；低碳鎂碳磚在線使用中發現無開裂問題，而下線中修/大修的冷卻過程中會出現冷縮縫開裂，其開裂縫寬度最大處約10 mm。二者相比較可以看出，低碳鎂碳磚在使用安全性方面要較富鎂白云石不燒磚高，但低碳鎂碳磚下線冷卻過程中的開裂問題導致鋼包無法中修處理，難以滿足靈活生產需求。

根據分析，低碳鎂碳磚中碳含量降低以后，磚的熱導率下降，彈性模量增大，從而使磚的抗熱震穩定性變差，使熔渣及鋼水與低碳鎂碳磚的潤濕性增強，抗熔渣及鋼水的滲透性變差^[6]，導致低碳鎂碳磚在使用過程中出現開裂問題。而碳含量過高會造成鋼水增碳等問題，難以滿足低碳不銹鋼生產需求^[7]。

供應低碳鎂碳磚的耐火材料廠商隨后在抗氧化劑以及鎂砂等方面進行了改善，使得下線冷卻過程中的開裂問題明顯減少。我廠至2015年全部使用改善后的低碳鎂碳磚，下線冷卻過程中未再出現較大的開裂縫，亦無剝落問題出現，鋼包平均壽命已經達到18.4次，較改善前提升27.7%。

3.3 低碳鎂碳磚增碳分析

表2表明富鎂白云石不燒磚碳含量分布在3.0 %- 4.0 %，低碳鎂碳磚碳含量分布在5.5%-6.5 %，因而理論上來說低碳鎂碳磚相較于富鎂白云石不燒磚可能存在著較多的增碳問題。在測試低碳鎂碳磚的同時，跟蹤VOD破空至連鑄取樣區間內，未添加高碳合金情況下的鋼水增碳量，其數據如圖4所示。

圖4 富鎂白云石不燒磚和低碳鎂碳磚對鋼水增碳量對比

Fig.4 Low-carbon MgO-C brick and magnesium dolomite unburned brick increase of carbon for the molten steel

可以看出低碳鎂碳磚對鋼水的增碳量要比富鎂白云石不燒磚的增碳量略高，但大部分爐次增碳量在50ppm以下，基本可以滿足低碳鋼種的生產需求。

3.4 鋼包保溫問題

低碳鎂碳磚的導熱系數為5.0 W/m·k，較富鎂白云石不燒磚(3.23 W/m·k)高出許多，在使用過程中發現鋼包外殼溫度過高，甚至出現過鋼包外殼發紅的現象。為保護鋼包外殼，提高使用安全性，需要對鋼包保溫性能進行配套改善。未測試低碳鎂碳磚前鋼包的保溫層為一層厚度為32 mm的輕質保溫隔熱磚，永久層為一層厚度為64 mm的燒成鎂磚，為提高保溫性能，考慮使用保溫性能更好的高鋁澆注料、葉臘石磚搭配鎂硅質輕質保溫板，燒成鎂磚、高鋁澆注料和葉臘石磚導熱系數如表4所示。

表4 各永久層材料在不同溫度下的導熱系數(W/m·k)

Table 4 Thermal conductivity of different insulation materials at different temperatures (W/m·k)

由表4可以看出鎂磚的導熱系數最高，說明該改善具有一定的可行性 。為此制定了如下五組對比測試，測試方案及說明如表5所示。

表5 測試方案說明

Table 5 The narrative of test program

對比方法為測量鋼包澆注結束后相同熔池部位鋼包外殼的溫度變化曲線，測量儀器為同一把紅外測溫槍(XT-672)，變化曲線如圖5所示。

圖5 鋼包外殼溫度分布圖

Fig.5 Temperature distribution of the ladle shell

由圖表數據分析可得，保溫性能未改善以前的方案1鋼包外殼溫度最高，方案二和方案三鋼包外殼溫度基本相同，方案4相較于未測試低碳鎂碳磚以前的方案2，鋼包外殼溫度要低約50 ℃。結合安全性、使用壽命、保溫性能以及成本等問題，決定保溫層采用10mm輕質保溫板，永久層采用30mm厚葉臘石磚和64mm厚高鋁磚。

4 結論

綜合數據分析可以看出，低碳鎂碳磚配合保溫性能更好的高鋁澆注料和葉蠟石磚永久層，可以取代富鎂白云石不燒磚用于冶煉低碳不銹鋼作業，具體表現為：

（1)使用低碳鎂碳磚后鋼包平均包齡明顯提升，降低了鋼包磚耐材成本；

（2)低碳鎂碳磚較富鎂白云石不燒磚對鋼水的增碳量稍高10-20ppm，可以滿足不銹鋼冶煉需求；

（3)低碳鎂碳磚使用過程中較富鎂白云石不燒磚收縮開裂明顯減少，顯著提升了鋼包使用安全性。

參 考 文 獻

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