電爐煉鋼過程渣線鎂碳磚侵蝕機(jī)理研究

陳 輝,徐迎鐵

(1.寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900;2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

電爐冶煉過程中保護(hù)爐襯,降低爐渣和電弧等對(duì)爐襯的侵蝕意義重大,可以提高爐齡降低生產(chǎn)成本。電爐耐火材料工作層主要由鎂碳磚、爐底搗打料等組成。總體來看,電爐耐火材料損毀因素有:侵蝕、氧化、沖刷、熔融、剝落和水化,其中主要是氧化、化學(xué)侵蝕和沖刷[1]。鎂碳磚因?yàn)槭艿綘t渣化學(xué)侵蝕及電弧熱侵蝕的交互作用,侵蝕最為嚴(yán)重,需在冶煉間隙補(bǔ)爐來維持其厚度確保生產(chǎn)穩(wěn)定進(jìn)行;電爐爐底搗打料的侵蝕主要由廢鋼加入、爐頂高位兌鐵水對(duì)爐底耐火材料造成較大的機(jī)械沖撞與沖刷形成[2-5];另外,爐門口區(qū)域也是爐襯薄弱環(huán)節(jié),在日常使用過程中受熱膨脹的影響,該位置耐火材料易出現(xiàn)起拱、跑磚現(xiàn)象。為了提高爐齡,國內(nèi)某電爐廠采取優(yōu)化耐火材料材質(zhì)、改變爐底搗打方式、改進(jìn)爐襯耐火材料砌筑工藝及優(yōu)化冶煉操作工藝等措施,使電爐爐齡得到顯著提升[6]。

控制電爐冶煉渣線鎂碳磚的侵蝕是提高爐齡和減少噴補(bǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過造泡沫渣加強(qiáng)對(duì)電弧的保護(hù)可大大降低電弧對(duì)爐襯的輻射,但電爐爐渣對(duì)鎂碳磚侵蝕仍不可避免。對(duì)于其侵蝕機(jī)理,相關(guān)研究認(rèn)為,電爐爐內(nèi)氧化性高的爐渣會(huì)脫除鎂碳磚中部分碳,致使磚體工作面顯微結(jié)構(gòu)松動(dòng)脆化,在煙氣、爐渣、鋼液沖刷下剝落而被蝕損[6],鎂碳磚的侵蝕隨爐渣中FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而加劇,控制爐渣FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于16%可有效降低爐渣對(duì)爐襯侵蝕[7];通過對(duì)電爐鎂碳磚使用后觀察分析發(fā)現(xiàn),鎂碳磚使用后可分為渣層、鎂砂層、脫碳層、原質(zhì)層,渣層中有大量類球形鎂浮氏體和鈣鎂硅酸鹽,在靠近原質(zhì)層的脫碳層區(qū)域,有氧化鐵被石墨還原生成的大量鐵珠,這些觀察結(jié)果也從側(cè)面說明了爐渣脫碳加劇侵蝕鎂碳磚[8]。堿度小于2的爐渣在侵蝕界面處生成低熔點(diǎn)物CMS,低熔點(diǎn)物的出現(xiàn)促進(jìn)鎂砂顆粒的溶解,進(jìn)而加速鎂砂顆粒的脫落[9-11]。為了防止?fàn)t渣對(duì)鎂碳磚的侵蝕,陳昱等[7]在實(shí)驗(yàn)室條件下觀察到侵蝕滲透層主要由還原Fe相、渣相及鎂鋁尖晶石相等組成,鎂鋁尖晶石相的形成對(duì)熔渣向鎂碳磚中滲透起到了抑制作用,適當(dāng)提高爐渣中MgO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于8%),能夠抑制耐火材料向爐渣中的溶解過程,促進(jìn)尖晶石相的形成,降低爐渣對(duì)爐襯耐火材料的侵蝕速率。以上研究并未對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的電爐爐渣侵蝕鎂碳磚機(jī)理,以及電爐爐渣氧化性和堿度哪個(gè)因素對(duì)鎂碳磚侵蝕影響更大進(jìn)行深入探討,同時(shí)耐火材料受熱變化對(duì)侵蝕過程影響也少有研究報(bào)道。本文通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)爐襯的顯微分析及利用現(xiàn)場(chǎng)爐渣進(jìn)行鎂碳磚侵蝕試驗(yàn),進(jìn)一步深入研究電爐渣線鎂碳磚的侵蝕機(jī)理,為現(xiàn)場(chǎng)提高爐齡提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

為了觀察爐渣如何侵蝕鎂碳磚耐火材料,電爐爐殼下線維修時(shí)從渣線部位取得仍粘有渣的鎂碳磚作為觀察試樣,經(jīng)過切割處理后拋光,在掃描電子顯微鏡(JEOL-IT300LV)下觀察爐渣侵蝕鎂碳磚耐火材料形貌并做侵蝕相構(gòu)成的能譜分析,對(duì)元素進(jìn)行能譜半定量成分分析。

爐渣侵蝕耐火材料不僅與爐渣成分相關(guān),而且還與耐火材料的受熱狀態(tài)相關(guān)。為了模擬溫度及其變化對(duì)耐火材料損耗的影響,在鉬絲爐進(jìn)行爐渣侵蝕耐火材料試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備及鉬絲爐中試驗(yàn)樣品的分布如圖1所示。先把鎂碳磚切割成長(zhǎng)方體狀,把中心部位掏空,塞入需要試驗(yàn)的鋼鐵料和渣料,放入鉬絲爐內(nèi)升溫,鋼水和爐渣熔化后保溫,相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1,典型爐次的溫度控制曲線如圖2所示。

表1 試驗(yàn)過程相關(guān)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)示意圖

圖2 溫度控制曲線

表1中1#～6#試驗(yàn)在鎂碳磚掏空部位加鋼鐵塊模擬鋼水,發(fā)現(xiàn)鎂碳磚內(nèi)是否有鋼水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎無影響,后續(xù)試驗(yàn)不再加鋼鐵料。試驗(yàn)結(jié)束后,將鎂碳磚剖開,觀察侵蝕情況。表1中9#～12#試驗(yàn)為高溫保溫一段時(shí)間后冷卻,冷卻階段可取出鎂碳磚切割一段觀察侵蝕情況,然后再加熱保溫完成試驗(yàn),溫度變化曲線參見圖2中9#對(duì)應(yīng)曲線。9#～12#試驗(yàn)?zāi)康氖悄M鎂碳磚在冷熱交替情況下的侵蝕過程。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 渣線鎂碳磚侵蝕微觀分析

爐渣侵蝕渣線鎂碳磚總體形貌所觀察的兩個(gè)視場(chǎng)如圖3所示。兩個(gè)視場(chǎng)均發(fā)現(xiàn)在爐渣側(cè)有氣泡,鎂碳磚與爐渣間有一界面清晰反應(yīng)層,其他視場(chǎng)觀察結(jié)果一樣。

圖3 爐渣侵蝕鎂碳磚耐火材料總體形貌

鎂碳磚基體、界面反應(yīng)層及渣中的相構(gòu)成如圖4所示。可以看出,界面反應(yīng)層發(fā)現(xiàn)了MgO·FeO·C相,而渣相主要是由FeO·MnO·MgO相和CaO·SiO2相組成。從形貌看FeO·MnO·MgO在煉鋼溫度條件下充當(dāng)溶液角色,而CaO·SiO2充當(dāng)溶質(zhì)角色,并未發(fā)現(xiàn)耐火材料主體成分MgO與SiO2組成新相。進(jìn)一步對(duì)電爐爐渣相進(jìn)行深入觀察,所發(fā)現(xiàn)的相是FeO·MnO·CaO、FeO·MnO·MgO、CaO·SiO2相,如圖5所示。由此可見,FeO·MnO·MgO相的形成是鎂碳磚溶解到爐渣后形成的主相,渣中FeO·MnO具備了溶解MgO能力,同時(shí)因電爐冶煉過程中爐渣中FeO還與鎂碳磚中的碳發(fā)生反應(yīng)生成CO氣泡,鎂碳磚邊界變得疏松,形成脫碳層,在沖刷、熱應(yīng)力變化(爐冷爐熱)作用下鎂碳磚中MgO逐漸脫落或溶解進(jìn)入渣中,變成渣的一部分,最終導(dǎo)致渣線鎂碳磚被侵蝕。爐渣中FeO溶解MgO是導(dǎo)致鎂碳磚侵蝕的主要因素,FeO含量偏高會(huì)導(dǎo)致侵蝕嚴(yán)重。電爐爐渣堿度經(jīng)檢測(cè)均在2.5以上,本次觀察并未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[9-11]所報(bào)道的CMS相,這說明在電爐爐渣體系內(nèi),爐渣堿度對(duì)耐火材料侵蝕影響不明顯。

圖4 鎂碳磚與爐渣反應(yīng)界面物相分析

圖5 電爐爐渣物相分析

2.2 爐襯侵蝕熱態(tài)試驗(yàn)分析

爐襯侵蝕熱態(tài)試驗(yàn)1#～12#試樣切割后的剖面圖如圖6所示。肉眼觀察侵蝕結(jié)果,高溫(1 600 ℃)下鎂碳磚的燒損情況明顯要比低溫(1 550 ℃)嚴(yán)重,侵蝕情況也嚴(yán)重;在加熱時(shí)間為1、2、3 h時(shí),鎂碳磚的侵蝕情況看不出差別,可能在煉鋼溫度下高溫時(shí)間不是侵蝕的主要原因;模擬熱爐冷爐交替的9#～11#試樣兩次加熱,其侵蝕的結(jié)果比加熱溫度和總時(shí)間相同的一次加熱要嚴(yán)重,也比其中間取樣的侵蝕結(jié)果嚴(yán)重,中間過程取樣侵蝕狀態(tài)見圖6中9#～12#樣品耐火材料剖面上1/4部分。由此可以推斷,在實(shí)際電爐生產(chǎn)中,渣線部位的溫度對(duì)侵蝕有較大影響,溫度越高侵蝕越嚴(yán)重;冶煉過程爐況的冷熱交替形成的熱應(yīng)力也對(duì)爐襯侵蝕有著較大影響。

圖6 試驗(yàn)后鎂碳磚形貌

實(shí)驗(yàn)室鎂碳磚侵蝕結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果看起來要輕微,主要是實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下爐渣和耐火材料之間運(yùn)動(dòng)沒有現(xiàn)場(chǎng)劇烈,但其反應(yīng)的規(guī)律應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)一致。

3 降低渣線鎂碳磚侵蝕措施

根據(jù)前面對(duì)鎂碳磚侵蝕微觀結(jié)構(gòu)的觀察,爐渣中的FeOx不僅脫去鎂碳磚中的碳導(dǎo)致其疏松,而且直接侵入耐火材料深處溶解MgO。同時(shí),如果爐渣FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于35%還存在流動(dòng)性過好導(dǎo)致其黏度偏低從而惡化泡沫渣的特點(diǎn),電弧失去泡沫渣的保護(hù)對(duì)爐襯侵蝕更為嚴(yán)重。為此在實(shí)際生產(chǎn)中采取措施降低爐渣FeOx含量,措施包括:強(qiáng)化供電,縮短通電時(shí)間從而避免吹氧時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致鋼水過氧化;略增加石灰和白云石的加入量來降低爐渣FeOx活度。這些措施實(shí)施后,爐渣FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定控制在30%以下。

根據(jù)前面所述鉬絲爐試驗(yàn)結(jié)果,渣線部分溫度高和冷熱交替對(duì)耐火材料侵蝕影響較大,為此在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過造良好泡沫渣,并在冶煉末期泡沫渣不良時(shí)適當(dāng)降低電弧長(zhǎng)度來防止電弧過多輻射傳熱到渣線部位;通過加強(qiáng)生產(chǎn)管理,配合適當(dāng)補(bǔ)爐操作從而縮短了連續(xù)生產(chǎn)爐與爐間隔時(shí)間,避免鎂碳磚渣系爐襯嚴(yán)重冷熱交替,降低熱應(yīng)力對(duì)爐襯侵蝕影響。

上述措施實(shí)施后,爐壁鎂碳磚侵蝕得到緩解,電爐中期爐齡穩(wěn)定提升到450爐以上。

4 結(jié)論

(1)FeO·MnO·MgO相的形成是鎂碳磚溶解到爐渣后形成的主相,渣中FeO·MnO具備溶解MgO能力,爐渣中FeOx含量偏高是導(dǎo)致鎂碳磚侵蝕嚴(yán)重的主要因素。

(2)電爐爐渣堿度通常大于2.5,爐渣堿度對(duì)耐火材料侵蝕影響不明顯。

(3)渣線耐火材料溫度越高,鎂碳磚侵蝕越嚴(yán)重;高溫段保溫時(shí)間對(duì)侵蝕影響不大;渣線鎂碳磚冷熱交替試驗(yàn)顯示鎂碳磚侵蝕相對(duì)嚴(yán)重。

(4)電爐生產(chǎn)過程通過降低爐渣FeOx含量、縮短冶煉過程爐與爐之間間隔時(shí)間等措施,爐壁鎂碳磚侵蝕得到緩解,電爐中期爐齡穩(wěn)定提升到450爐以上。