150t電爐VOD鋼包耐火材料設(shè)計(jì)

VOD法即真空吹氧脫碳法，是一種利用真空裝置降低CO分壓，實(shí)現(xiàn)脫碳的爐外精煉法。其具體實(shí)施方式是將經(jīng)過預(yù)脫碳的鋼水倒入VOD鋼包中，然后將鋼包吊入真空罐（室），實(shí)現(xiàn)封閉抽真空狀態(tài)，在一定真空度下完成精煉工作。VOD鋼包主要冶煉不銹鋼和一些高鉻低碳的品種鋼，所以，對(duì)冶煉環(huán)境的要求非常高，因?yàn)殇撍疁囟雀摺嚢栊詮?qiáng)，合金化后鋼水黏度小等。VOD鋼包精煉對(duì)耐火材料（以下簡(jiǎn)稱“耐材”）的要求極高，它不僅要有良好的隔熱性能，還要與精煉工藝相匹配，要能夠承受電弧爐帶來的熱沖擊和鋼渣的侵害。真空處理延長(zhǎng)了鋼包的耐受時(shí)間，而且攪拌過程也增加了耐材的負(fù)擔(dān)。另外，鋼渣具有很強(qiáng)的侵蝕性，在整個(gè)施工過程中，還有大量的氧氣一直不斷地被吹入鋼包，長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間達(dá)3h，鋼水的溫度為1720℃。由此可知，耐材的損耗在所有二次冶煉操作中是多的。在大多數(shù)情況下，成渣反應(yīng)和鋼種規(guī)格要求不能使用含碳的耐材，鋼水的真空氧氣脫碳經(jīng)常與其他普通的鋼包處理操作同時(shí)進(jìn)行。由于鋼水在鋼包中停留的時(shí)間比較長(zhǎng)，所以，鋼包外殼的溫度更容易升高。在這種情況下，選擇鋼包耐材和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮VOD工藝的使用要求及其性和經(jīng)濟(jì)性。

1 VOD鋼包耐材的設(shè)計(jì)

電爐VOD鋼包具有使用連續(xù)性差、急冷急熱現(xiàn)象嚴(yán)重、冶煉鋼種復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此，鋼包耐材應(yīng)具備以下條件，即在高溫真空條件下，要具有良好的穩(wěn)定性；在高溫和鋼水循環(huán)產(chǎn)生的劇烈沖刷下，要具有較強(qiáng)的抗渣滲透能力、抗鋼水沖刷性能和耐低堿度渣的侵蝕性，同時(shí)，還要具備良好的抗熱震性能。

1.1鋼包的設(shè)計(jì)

1.1.1鋼包耐材結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鋼包耐材的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.2鋼包各部位耐材的理化及性能指標(biāo)

鋼包各部位耐材的理化及性能指標(biāo)如表1所示。

表1各部位耐材的理化及性能指標(biāo)

1.2選擇鋼包耐材的理論依據(jù)

1.2.1鋼包層耐材的選擇

保溫層的主要作用是防止處理過程中鋼包鐵殼溫度過高導(dǎo)致鐵殼變形。一般情況下，國內(nèi)外相關(guān)單位多選擇使用隔熱纖維。雖然隔熱纖維的保溫效果好，但是，它具有體積密度小、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。在使用過程中，受鋼水靜壓力的作用，其體積變化比較大，尤其是在將含碳耐材作為內(nèi)襯的鋼包里。在高溫條件下，CO2的氧化氣氛將加速纖維中結(jié)合鍵的斷裂，使纖維板失去壓縮強(qiáng)度。體積變化大會(huì)使層磚和工作層的外弧變大，從而擴(kuò)大磚縫，影響鋼包的使用。國外有體積變化小、強(qiáng)度高的隔熱纖維，但是，價(jià)格比較高。剛玉莫來石預(yù)制塊是一種新型的鋼包保溫材料，它的主要原料是空心氧化鋁球和莫來石，運(yùn)用它能提高制品中的氣孔率，從而達(dá)到良好的保溫效果。目前，一煉鋼300t鋼包已經(jīng)取得了良好的使用效果。燒成高鋁磚具有資源豐富、成本低、高溫性能好、耐火度高的特點(diǎn)，是目前鋼包層的主流產(chǎn)品。

在冶煉高鉻鋼種時(shí)，在高氧化鐵渣（%CaO/%SiO2＜1.7）的侵蝕下，磚中的碳被氧化，使得熔渣滲透，而且渣線磚中很容易出現(xiàn)明顯的環(huán)形侵蝕帶，甚至還會(huì)出現(xiàn)渣線磚被完全侵蝕的情況。由此可知，高鋁磚的抗渣性比較差，并不適用于渣線層。因此，在設(shè)計(jì)渣線層時(shí)，考慮至少一個(gè)爐次的鋼渣/鋼水沖擊。而鎂鉻磚的抗渣性比高鋁磚好，但它的導(dǎo)熱性比較差，在保持鋼包殼低溫性方面有較好的效果。為了減少鋼包鐵殼包底與包壁交接部位焊縫開裂的情況，鋼包包底全部設(shè)計(jì)為圓弧型過渡，但是，使用定型材料砌筑的難度相當(dāng)大。高鋁澆注料與高鋁磚的特性相同，包底層用澆注料澆注能大大降低砌筑的難度。

1.2.2工作層（包括熔池和渣線）

傳統(tǒng)的VOD鋼包使用的耐材是高溫?zé)傻逆V鉻磚和鎂鈣磚，但是，使用這兩大類材料時(shí)存在一些問題。渣滲透會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落，縮短其使用壽命。鎂鉻磚使用中六價(jià)鉻的化合物會(huì)污染環(huán)境，影響人們的身體健康；鎂鈣磚存在水化的問題，不適合間斷生產(chǎn)，如果將產(chǎn)品存放在潮濕的環(huán)境中，會(huì)因?yàn)樗绊懫涫褂玫姆€(wěn)定性，有些甚至無法用來砌筑。而低碳鎂碳磚的使用性能良好，是一種很好的替代產(chǎn)品。

1.2.2.1工作層的熔損形式

鋼包工作層的熔損形式主要有機(jī)械沖刷、磨損和化學(xué)侵蝕3種。對(duì)于熔池部分（包壁和包底），主要熔損形式是機(jī)械沖刷和磨損，化學(xué)侵蝕只占一部分；對(duì)于渣線部位，主要熔損形式是機(jī)械沖刷、磨損和化學(xué)侵蝕的綜合作用。這是渣線磚的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于包壁和包底磚的主要原因。

1.2.2.2低碳鎂碳磚的特性

低碳鎂碳磚是在普通鎂碳磚的基礎(chǔ)上，通過降低碳的加入量改善其熱震性而開發(fā)出的產(chǎn)品。該產(chǎn)品將結(jié)晶良好的電熔鎂砂作為主原料，采用復(fù)合結(jié)合劑、特殊碳源和復(fù)合抗氧化劑，使磚在各溫度點(diǎn)保持較高的強(qiáng)度，具有良好的高溫抗折強(qiáng)度和抗氧化性，而且它對(duì)低堿度渣也有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

1.2.2.3低碳鎂碳磚蝕損機(jī)理

在VOD精煉過程中，含碳磚存在C（固）＋（O）＝CO（氣）反應(yīng)和MgO、C反應(yīng)的可能，一旦反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，磚就會(huì)被損壞。但是，低碳鎂碳磚的含碳量低，渣線部位磚的熱面容易與渣結(jié)合形成富鎂致密層。而渣與氧化性物質(zhì)不易滲入材料內(nèi)部，能起到阻止熔渣侵蝕原磚層的作用。由此可知，低碳鎂碳磚比鎂鉻磚的抗渣滲透性更好。因?yàn)檠趸晕镔|(zhì)不易滲透，所以，可以阻止磚氧化，表現(xiàn)出較好的抗氧化性能。溶池部位沒有足

夠的氧氣輸送到磚的正面，因此，磚的氧化性小。另外，鋼水對(duì)氧化鎂的潤(rùn)濕性差，鋼水很難滲透到脫碳層中，所以，磚具有較強(qiáng)的抗侵蝕性。雖然MgO、C反應(yīng)在吹氧階段和脫氣階段結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的可能性比較大，但是，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度看，MgO-C反應(yīng)主要在磚的熱面進(jìn)行。要想使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行下去，則需要不斷去除反應(yīng)產(chǎn)物，否則該反應(yīng)就會(huì)遇到機(jī)械屏障。低碳鎂碳磚的碳含量非常有限，因此，應(yīng)用它可以預(yù)防這些反應(yīng)的發(fā)生，滿足VOD鋼包的使用要求。

1.2.2.4低碳鎂碳磚對(duì)產(chǎn)品成分的影響分析

當(dāng)鋼包用鎂碳磚作為內(nèi)襯材料時(shí)，很有可能出現(xiàn)鋼水吸碳等問題。當(dāng)鋼種規(guī)定的含碳量為0.05%時(shí)，將從鎂碳磚中吸碳作為控制碳含量的一種主要方式。而采取以下措施可以改善這種情況，即將鎂碳磚放置在氧化環(huán)境中進(jìn)行預(yù)處理，并將碳含量降到8%以下。

2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法

在電爐現(xiàn)有的VD鋼包上用低碳鎂碳磚砌筑一個(gè)VOD鋼包進(jìn)行比較試驗(yàn)。鋼包的層砌筑與VOD鋼包相同，使用條

件與VD鋼包相同，使用次數(shù)為24爐。試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足VOD鋼包的要求：①在鋼包傾翻臺(tái)測(cè)得的鋼包外殼溫度小于VD鋼包50℃；②渣線磚無明顯剝落，殘厚大于VD鋼包30mm；③熔池部分無明顯剝落，殘厚大于VD鋼包20mm。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1鋼包外殼溫度

鋼包外殼溫度如表2所示。

表2鋼包外殼溫度比較

由表2可知，初使用鋼包時(shí)，由于其本身溫度不高，外殼溫度相差不大；鋼包使用了一段時(shí)間后，未用保溫層的VD鋼包溫度上升到了380℃以上，而使用了保溫層的鋼包保持在330℃左右。由此可以確定，鋼包外殼的保溫效果良好，能滿足使用要求。

2.2.2各部殘厚比較

各部殘厚比較情況如表3所示。

表3各部殘厚比較（使用24次）

VOD鋼包各部?jī)?nèi)襯的殘厚明顯高于VD鋼包。

3結(jié)論

由現(xiàn)場(chǎng)比較試驗(yàn)可知，低碳鎂碳磚的熱穩(wěn)定性、抗渣侵蝕性和抗氧化性良好，能夠滿足電爐長(zhǎng)材優(yōu)化改造項(xiàng)目對(duì)VOD鋼包提出的生產(chǎn)要求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，剛玉莫來石預(yù)制塊作為保溫材料被應(yīng)用于電爐鋼包上，保溫性能良好，能夠滿足VOD鋼包的使用要求。