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1、-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，防止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吨钢包上进展了应用，寿命到达120次以上。这种钢包作为超低碳钢生产盛运和精炼容器，RH处理完毕后，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、脱气处理后到达了规定的碳含量要求，但从它出精炼站一直到连铸过程完毕，还会与许许多多含碳的材料接触，比方与含碳的钢包耐材、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
2、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，并开场了汽车用深冲、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C14%、包壁铝镁碳砖C710%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精炼完毕后，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
3、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15801620，品种钢16101680，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
4、度为16101680，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。表1 炉渣的典型化学成分wt%试样CaOSiO2MgOTFeAl2O3MnOR139.8347.5517.65718.53911.2554.9935.276241.4495.9527.49519.45010.9314.3666.963341.2519.2216.59220.1809.6083.5374.474435.4217.0387.19
5、821.21416.9314.7115.0331.2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展分析，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。表2 主要原料的化学组成wt/%原料名称Al2O3MgOCaOFe2O3SiO2刚玉99.440.060.150.09电熔镁砂0.3996.860.710.200.80电熔尖晶石74.4823.080.840.390.47氧化铝微粉99.55
6、0.040.11硅微粉0.2592.65试验砖基质的主成分为刚玉和镁砂细粉，使在高温下反响形成尖晶石，以产生良好的抗侵蚀能力和抗渣能力，并希望在砖的外表形成挂渣层，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Al2O3-3Al2O32SiO2-MgOAl2O3A-A3S2-MA三元相区区域内，系统最低共熔点温度为1575。1.3性能试验镁砂细粉参加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。但如果镁砂参加量过大，砖在使用过程中生成过量尖晶石，导致高温下坯体
7、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，在使用过程中产生构造性剥落。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，确定镁砂细粉参加量为4+2a%左右比较适宜。图1Al2O3-MgO-SiO2三元相图图2 线变化与电熔镁砂含量的关系1.3.2 微粉参加量的影响随着硅微粉和氧化铝微粉参加量的增加，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。但微粉参加量过大，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
8、影响试验砖中参加尖晶石细粉，可成为尖晶石晶核，促进MgO与Al2O3细粉发生尖晶石反响，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， 试验说明，试验砖基质中尖晶石参加量在1030%时性能最正确，图3为尖晶石参加量对侵蚀指数和渗透指数的影响。图3 尖晶石参加量与侵蚀指数和渗透指数的关系试验砖理化性能钢包试验砖配方:电熔刚玉：5070%，粒度为5-3，3-1和1-0；电熔MgO粉：410%；电熔尖晶石粉515%，Al3O2微粉26%，添加剂25%，结合剂34%，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。表3试验砖的理化性能工程体积密度，g/c
9、m3显气孔率，线变化率，耐压强度，MPa化学成分，%110,24h110，24h1600，3h110，24hAl2O3MgO实测值3.355.8+1.1311289.574.432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月份开场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到达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。*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
10、渣，过渡层稍高于包壁，渣线砖外表平滑，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炉方案甩包停用后的照片。拆后包壁砖残砖厚度为90100。 表4渣线低碳镁碳砖的理化性能工程体积密度，g/cm3显气孔率，高温抗折强度，常温耐压强度，MPa化学成分，%110,24h110，24h1400，0.5h110，24hAl2O3Mg
11、OC实测值3.083.117.07745.4384.965.42图5图4图7图62.2 残砖分析对使用后的残砖样进展电子显微分析，可以看到，残砖呈现出反响层、渗透层、原砖层三层构造：105mm为反响层：基质中刚玉细粉全部与渣发生了反响，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，构成了连续的骨架构造，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；2520mm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C2
12、AS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 分析与讨论在反响层中，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反响。其中，CaO同Al2O3反响，生成大量条、柱状的六铝酸钙CA6，即CaO+6Al2O3 CA6 ，CA6是高耐火相，转熔点温度到达1875。它在碱性环境中有较高的抗化学侵蚀性；局部CaO、SiO2与原砖层的Al2O3反响，生成钙铝黄长石C2AS熔点1590：2CaO+Al2O3+SiO2C2AS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
13、了FeO、MnO的进一步渗透，即：FeO+MnO+SP (Fe，Mn，Mg)O.(Fe，Al)2O3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反响形成六铝酸钙CA6和钙铝黄长石C2AS，随着熔渣的不断冲刷，反响层基质被熔蚀，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逐渐反响生成尖晶石致密层，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、
14、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处理完毕后，不会给钢水带来增碳，能够满足首钢迁钢冶炼超低碳钢开展的需要。参考文献1 陈敏,王楠,于景坤,* 伟.钢包工作衬用无碳预制块的研制与应用. 东北大学学报( 自然科学版). 2006年,第27卷第11期.2 王云春.钢包用无碳不烧衬砖的开发和应用. *冶金.2003年第2期.3 高文军,王迎春.无碳钢包衬砖的生产与应用.*建材.2004年第4期.4 阮国智,李楠.MgOC耐火材料对钢水的增碳作用及机理的研究进展.材料导报.2003.第17卷第7期.5 肖玉光,高艳宏,*广军,李广田等.超低碳钢中间包覆盖剂的冶金效果试验. 材料与冶金学报. 2005.第4卷第1期.Development and Application of Carbon-Free Ladle BrickWu Songgen(Shougang Research Institute of Technology) Shao Junning(Shougang Qianan Steel pany)
