耐火材料对洁净钢的影响及其发展

时间：2024-05-20

赵飞葛铁柱任桢

（郑州大学高温材料研究所，河南郑州 450052）

0 前言

钢铁技术进步对耐火材料制品的影响十分显著，两者相互依存，互为促进，共同发展[1]。随着品种钢数量增加和对钢质量要求的提高，由于耐火材料在高温下对钢水或多或少会产生污染[2]，耐火材料在使用过程中对钢质量的影响问题已经得到各方面的关注，钢中有害夹杂物中有多少来自耐火材料在使用中的熔损或剥落，耐火材料如何才能少污染，不污染钢水，甚至在保证使用寿命的前提下能有效去除钢中夹杂物是目前需要研究的重要问题。

1 耐火材料对洁净钢质量的影响

耐火材料对钢水质量的作用主要分为三个方面[3]：

（1）耐火材料在热震和侵蚀作用下引起的结构变化，在钢水冲刷下进入钢水形成杂质；

（2）耐火材料成分与钢水和钢渣互相反应，产生高熔点物质形成夹杂，或引起钢水成分的变化，如增C、N和H含量等；

（3）耐火材料可吸收钢中C、P、S等杂质，降低夹杂物，起到净化钢水的作用。

（一）耐火材料对钢水含P量的影响

对钢中脱P能产生积极作用的主要有MgO和CaO两种碱性氧化物。匡加才等[4]对MgO-CaO质浇注料中CaO含量对钢中P含量的影响进行了研究，实验结果表明：当浇注料中有25%的CaO存在时，钢中P含量大幅度降低，进一步提高 CaO含量，脱磷作用仅有小幅度提高。这是因为从热力学的计算结果和生产实践均已证实CaO的脱磷效果明显优于MgO。

（二）耐火材料对钢水中含S量的影响

耐火材料的材质对于钢水脱S有很大影响[5]，在相同的冶炼工艺条件下，使用硅砖包衬时的脱S率为50-60%，使用粘土砖包衬时为60-70%，而使用碱性的白云石砖包衬时则可以提高到80%。李楠等[6]研究了MgO-CaO材料在1600℃下对钢水脱S的影响，结果随CaO含量增加，钢水中S含量趋于降低。

（三）耐火材料对钢中含碳量的影响

碳极易溶于钢水，而钢中碳含量直接会对钢的组成、结构和性能等造成影响。对含碳白云石质和氧化铝-碳质浸入式水口的研究发现[7]，当耐火材料第一次使用时，钢水发生了严重增碳，而同一制品在第二次使用时钢水仅发生轻微的增碳。初始暴露阶段，钢水和耐火材料由于存在很大的碳浓度差，促进了通过扩散界面的质量传输，使砖表面发生脱碳。随时间推移，脱碳层厚度增加，界面浓度差下降，从耐火材料内部通过脱碳层到接触界面，碳的溶解路径变长，使钢水增碳减少。

（四）耐火材料对钢中氧含量和含氧夹杂物的影响

对不同材质耐火材料对深脱氧钢氧含量的影响的研究表明[8]：一般来说，随着耐火材料由碱性→中性→酸性的变化顺序，耐火材料的氧势指数逐渐增大。采用碱性耐火材料有利于钢中氧含量的降低。为了降低钢中的氧含量，在选择钢包内衬材料时一般应选择碱性材料。因为含铁、铬和硅的氧化物耐火材料很容易使钢水氧含量增加，这主要是受到了存在固溶氧化物的影响，因为不稳定的氧化物要优先溶解。

2 洁净钢用耐火材料的发展

2．1 LF炉用精炼耐火材料

近几年来，随着我国洁净钢产量的不断增加和质量的不断提高，对LF精炼炉及其它炉外精炼设备用耐火材料提出了更高的要求。它不仅要求耐火材料的使用寿命长，而且还要对钢水有净化作用，至少不对钢水产生污染。目前，能够满足这种要求的耐火材料只有镁钙质耐火材料，包括烧成镁钙砖和不烧镁钙砖。镁钙质耐火材料具有优良耐高温性能和抗炉渣侵蚀性能，其中的游离CaO能够吸附钢水中的[S]，[P]和非金属夹杂物，有净化钢水的功能[9]。

2.2 AOD精炼炉用耐火材料

AOD炉由于长时间在高温苛刻条件下操作，所以风口及风口周围、耳轴渣线部位蚀损严重，需使用耐蚀性好、耐热剥落、高温强度大的耐火材料。太钢经过多年的研究自主开发生产的镁钙砖适合太钢AOD炉冶炼工艺的要求[10]，并使 AOD炉龄大幅度提高。通过近几年的不断改进，镁钙砖质量有了更进一步的提高，与镁钙砖相适应的AOD单渣法不锈钢冶炼工艺也更加成熟，目前太钢自产镁钙砖的AOD炉龄月平均已达到160次，单炉最高达到187次，达到了国内先进水平。

2．3 水口用耐火材料

对于容易引起增碳和增硅的洁净钢冶炼，一般多采用复合耐火材料，即在与钢液接触的部分采用无碳和无硅耐火材料，而在其外部采用抗震和抗渣侵蚀性能优良的含碳和含硅耐火材料。已开发的有复合结构的浸入式水口，内衬复合无碳无硅的尖晶石材料，出钢口复合尖晶石-硅质材料，浇注超低碳高氧钢效果良好。尖晶石材料不与钢中的MnO、FeO反应，不仅不熔蚀,并且在工作面形成致密耐侵蚀层。