炼钢用耐火材料的研究

李玉书

摘要：耐火材料的性能与材质影响着钢水成分控制的精准化以及非金属夹杂含量，继而影响着炼钢质量。而生产耐火材料会造成严重的资源浪费与污染情况。在绿色经济不断发展的过程中，在生产过程中减少耐火材料的能耗可以有效节约资源、保护环境。同时，耐火材料在炼钢中发挥着重要作用，因此本文将对炼钢用耐火材料进行简要分析。

关键词：炼钢;耐火材料;冶炼

前言：

炼钢质量会受到耐火材料的影响，因此研究炼钢用耐火材料具有重要意义，需科学选择耐火材料并分析电炉用耐火材料、精炼包用耐火材料等各个方面。

1.炼钢设备与工艺

本文以某生产和制造大型铸锻件的重机厂为例分析炼钢用耐火材料。该重机厂配备了精炼炉与超高功率电炉，从而对铸件与钢锭进行处理。在对钢水进行真空脱气处理之后需要通过中间包对其进行真空浇铸，这样就可以生产出双真空钢锭以及铸件毛坯【1】。

2.炼钢用耐火材料

铸锻件的冶炼生产需要冶金设备的支持，钢锭的生产要求比铸件的要求更高一些，因此本文将以该重机厂钢锭冶炼生产所需的设备为例，分析如何选用耐火材料。

2.1科学选择耐火材料

对于炼钢设备来说，耐火材料需要具备在使用过程中不软化、不变形的性能，且需要具有一定的强度。因此，在選择耐火材料时需要分析耐火材料的常温耐压强度、重烧线收缩以及荷重软化温度等情况【2】。其次，在选择耐火材料时需要考虑炼钢设备的反应氛围。部分耐火材料对反应范围的敏感度较高，例如若耐火材料的含碳量较高，在氧化性氛围下就很容易出现氧化的情况，所以不能将这类耐火材料应用在氧化性氛围强的条件当中。此外，在选择耐火材料时需要考虑耐火材料的显气孔率以及体积密度等情况。在炼钢过程中，耐火材料会与高温钢水进行直接接触。若耐火材料的气孔较多、致密程度不足，钢水就会通过气孔渗透到耐火材料当中，从而改变耐火材料的结构组织，当出现温度变化时，耐火材料就会熔损剥落。

2.2电炉用耐火材料

在炼钢过程中，电炉可以为精炼炉提供磷、碳等物质以及符合温度要求的钢水。同时，电炉也可以通过脱碳过程中的碳氧反应去除钢水当中的夹杂与气。电炉当中发生的化学反应为：

[C]+（FeO）=[Fe]+CO（g）

2[P]+8[FeO]=（3FeO·P2O5）+5[Fe]

P2O5+4（CaO）=（4CaO·P2O5）

从电炉的工作环境来看，在选择耐火材料时需要考虑三个因素。第一，需要在高碱度的环境当中进行脱磷工作，需要使用大量的石灰，同时需要在高温环境当中进行脱碳工作，这就要求耐火材料具备在高温之下抗高碱性炉渣侵蚀的能力，即要求耐火材料具备高温力学性能以及高温化学稳定性。第二，重机行业中的炼钢采用的是间断式生产的方式，电炉在冶炼过程中的温度非常高，停炉出钢后，炉体会迅速降温，所以耐火材料需要具备较高的抗热震性。第三，电炉的炉料大多都是废钢，在加料过程中会对炉体造成较大的冲击，因此耐火材料需要具备抗机械冲击能力。

2.3精炼包用耐火材料

二十世纪七十年代时，日本发明了精炼炉，可以将电炉的还原与合金化处理工作转交给精炼炉，在这种情况下电炉就可以只进行粗炼钢水的生产工作，可有效提高生产效率，同时也可以充分发挥精炼炉底吹氩气搅拌钢液的优势，确保钢液的温度与成分更加均匀，使钢液当中的夹杂物上浮出来，提高钢液品质【3】。近年来，行业对铸锻件产品提出了更高的要求，精炼炉不可或缺。可以利用精炼炉对钢液进行合金化、脱氧以及脱硫处理。精炼炉当中的化学反应为：

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）

2（Al）+3[FeO]=（Al2O3）+3[Fe]

（Si）+2[FeO]=（SiO2）+2[Fe]

重机厂大多数钢锭对氧以及氢等气体的含量都有较高的要求，因此需要对钢液进行真空处理，且在进行真空处理之前，钢水的温度应该大于等于1660摄氏度。从精炼炉的使用情况来看，精炼包的工作环境是直接接触高碱度、氧化性强且高温的钢水，这就要求耐火材料具备良好的力学性能、高温化学性能以及抗渣性能。

精炼包耐火材料是由透气砖、工作层以及滑动水口系统共同构成的。当前，镁碳砖材料在电炉当中有成功应用的案例，所以大多数重机厂的精炼包工作层采用的都是具有稳定高温性能的镁碳砖材料。重机厂精炼包是间歇使用的，但是无论是滑板还是滑动水口系统都需要定期更换，即使用两次更换一下，为此需要选择铝碳质的耐火材料，即以刚玉、矾土或莫来石等铝基材料以及碳为主的耐火材料。铝碳质的耐火材料具有高温性能良好的优势，可以满足生产节奏的要求。透气砖在精炼包当中发挥着重要作用，在进入钢水前后需要经受剧烈高温的变化以及钢水的冲刷和化学侵蚀。当前常用以Al2O3基体的透气砖，例如铝镁铬质、刚玉尖晶石、铬刚玉质以及铝镁尖晶石等。相比于其他材质，铬刚玉质的抗热震稳定性相对较差，但是体积稳定性较好，所以可以选择这种材质的透气砖。

2.4精炼包渣线侵蚀

在使用精炼包的过程中，会出现钢液、耐火材料以及炉渣的润湿现象。从相关研究的结果来看，耐火材料的侵蚀性能影响着钢水、耐火材料与炉渣之间的润湿性，其中渣-钢-耐火材料三相处润湿性是最大的，而钢-耐火材料处的润湿性是最小的。从实际情况来看，渣-钢界面处的侵蚀现象是最严重的，钢水接触部位的侵蚀现象比较轻，这种情况就属于渣线侵蚀。很多学者都在研究如何处理渣线侵蚀这一问题，从重机厂精炼包的特点与材质来看，重机行业主流的渣线侵蚀理论涉及到了微域循环效应以及马兰戈尼效应。其中，微域循环效应指的是通过在精炼包钢水上部覆盖炉渣的方式实现钢液通电升温并降低钢水吸收大气气体的几率。而马兰戈尼效应即在精炼包渣线处，砖中的碳会与界面钢水当中的氧气发生化学反应，继而减少。

结语：

在炼钢过程中选择耐火材料应当充分考虑设备的工作环境，确保耐火材料可以满足生产需求，并不断优化耐火材料，从而满足冶炼洁净钢的要求，减少对环境的污染。

参考文献

[1]张晓东， 杜晶. 炼钢用耐火材料的研究[J]. 冶金与材料， 2020， v.40;No.152（01）：47-48.

[2]徐源. 炼钢耐火材料的应用现状及发展[J]. 产城（上半月）， 2019， 000（004）：P.1-1.

[3]张艳利， 王宪， 贾全利. 炼钢电炉用耐火材料的现状和发展[J]. 耐火与石灰， 2019， 044（003）：7-13.

（莱芜钢铁集团泰东实业有限公司）