150t电炉VOD钢包耐火材料设计

VOD法即真空吹氧脱碳法，是一种利用真空装置降低CO分压，实现脱碳的炉外精炼法。其具体实施方式是将经过预脱碳的钢水倒入VOD钢包中，然后将钢包吊入真空罐（室），实现封闭抽真空状态，在一定真空度下完成精炼工作。VOD钢包主要冶炼不锈钢和一些高铬低碳的品种钢，所以，对冶炼环境的要求非常高，因为钢水温度高、搅拌性强，合金化后钢水黏度小等。VOD钢包精炼对耐火材料（以下简称“耐材”）的要求极高，它不仅要有良好的隔热性能，还要与精炼工艺相匹配，要能够承受电弧炉带来的热冲击和钢渣的侵害。真空处理延长了钢包的耐受时间，而且搅拌过程也增加了耐材的负担。另外，钢渣具有很强的侵蚀性，在整个施工过程中，还有大量的氧气一直不断地被吹入钢包，最长持续时间达3h，钢水的最高温度为1720℃。由此可知，耐材的损耗在所有二次冶炼操作中是最多的。在大多数情况下，成渣反应和钢种规格要求不能使用含碳的耐材，钢水的真空氧气脱碳经常与其他普通的钢包处理操作同时进行。由于钢水在钢包中停留的时间比较长，所以，钢包外壳的温度更容易升高。在这种情况下，选择钢包耐材和相关结构设计时，必须要充分考虑VOD工艺的使用要求及其安全性和经济性。
1 VOD钢包耐材的设计
电炉VOD钢包具有使用连续性差、急冷急热现象严重、冶炼钢种复杂等缺点。因此，钢包耐材应具备以下条件，即在高温真空条件下，要具有良好的稳定性；在高温和钢水循环产生的剧烈冲刷下，要具有较强的抗渣渗透能力、抗钢水冲刷性能和耐低碱度渣的侵蚀性，同时，还要具备良好的抗热震性能。
1.1钢包的设计
1.1.1钢包耐材结构的设计 1.1.2钢包各部位耐材的理化及性能指标
钢包各部位耐材的理化及性能指标如表1所示。 1.2选择钢包耐材的理论依据
1.2.1钢包永久层耐材的选择
保温层的主要作用是防止处理过程中钢包铁壳温度过高导致铁壳变形。一般情况下，国内外相关单位多选择使用隔热纤维。虽然隔热纤维的保温效果好，但是，它具有体积密度小、强度低的缺点。在使用过程中，受钢水静压力的作用，其体积变化比较大，尤其是在将含碳耐材作为内衬的钢包里。在高温条件下，CO2的氧化气氛将加速纤维中结合键的断裂，使纤维板失去压缩强度。体积变化大会使永久层砖和工作层的外弧变大，从而扩大砖缝，影响钢包的使用安全。国外有体积变化小、强度高的隔热纤维，但是，价格比较高。刚玉莫来石预制块是一种新型的钢包保温材料，它的主要原料是空心氧化铝球和莫来石，运用它能提高制品中的气孔率，从而达到良好的保温效果。目前，一炼钢300t钢包已经取得了良好的使用效果。烧成高铝砖具有资源丰富、成本低、高温性能好、耐火度高的特点，是目前钢包永久层的主流产品。
在冶炼高铬钢种时，在高氧化铁渣（%CaO/%SiO2＜1.7）的侵蚀下，砖中的碳被氧化，使得熔渣渗透，而且渣线砖中很容易出现明显的环形侵蚀带，甚至还会出现渣线砖被完全侵蚀的情况。由此可知，高铝砖的抗渣性比较差，并不适用于渣线永久层。因此，在设计渣线永久层时，必须考虑至少一个炉次的钢渣/钢水冲击。而镁铬砖的抗渣性比高铝砖好，但它的导热性比较差，在保持钢包壳低温性方面有较好的效果。为了减少钢包铁壳包底与包壁交接部位焊缝开裂的情况，钢包包底全部设计为圆弧型过渡，但是，使用定型材料砌筑的难度相当大。高铝浇注料与高铝砖的特性相同，包底永久层用浇注料浇注能大大降低砌筑的难度。
1.2.2工作层（包括熔池和渣线）
传统的VOD钢包使用的耐材是高温烧成的镁铬砖和镁钙砖，但是，使用这两大类材料时存在一些问题。渣渗透会导致结构剥落，缩短其使用寿命。镁铬砖使用中六价铬的化合物会污染环境，影响人们的身体健康；镁钙砖存在水化的问题，不适合间断生产，如果将产品存放在潮湿的环境中，会因为水化影响其使用的稳定性，有些甚至无法用来砌筑。而低碳镁碳砖的使用性能良好，是一种很好的替代产品。
1.2.2.1工作层的熔损形式
钢包工作层的熔损形式主要有机械冲刷、磨损和化学侵蚀3种。对于熔池部分（包壁和包底），主要熔损形式是机械冲刷和磨损，化学侵蚀只占一部分；对于渣线部位，主要熔损形式是机械冲刷、磨损和化学侵蚀的综合作用。这是渣线砖的使用寿命远远低于包壁和包底砖的主要原因。
1.2.2.2低碳镁碳砖的特性
低碳镁碳砖是在普通镁碳砖的基础上，通过降低碳的加入量改善其热震性而开发出的产品。该产品将结晶良好的电熔镁砂作为主原料，采用复合结合剂、特殊碳源和复合抗氧化剂，使砖在各温度点保持较高的强度，具有良好的高温抗折强度和抗氧化性，而且它对低碱度渣也有较强的适应性。
1.2.2.3低碳镁碳砖蚀损机理
在VOD精炼过程中，含碳砖存在C（固）＋（O）＝CO（气）反应和MgO、C反应的可能，一旦反应连续进行，砖就会被损坏。但是，低碳镁碳砖的含碳量低，渣线部位砖的热面容易与渣结合形成富镁致密层。而渣与氧化性物质不易渗入材料内部，能起到阻止熔渣侵蚀原砖层的作用。由此可知，低碳镁碳砖比镁铬砖的抗渣渗透性更好。因为氧化性物质不易渗透，所以，可以阻止砖氧化，表现出较好的抗氧化性能。溶池部位没有足
够的氧气输送到砖的正面，因此，砖的氧化性小。另外，钢水对氧化镁的润湿性差，钢水很难渗透到脱碳层中，所以，砖具有较强的抗侵蚀性。虽然MgO、C反应在吹氧阶段和脱气阶段结束时出现的可能性比较大，但是，从热力学和动力学的角度看，MgO-C反应主要在砖的热面进行。要想使反应连续进行下去，则需要不断去除反应产物，否则该反应就会遇到机械屏障。低碳镁碳砖的碳含量非常有限，因此，应用它可以预防这些反应的发生，满足VOD钢包的使用要求。
1.2.2.4低碳镁碳砖对产品成分的影响分析
当钢包用镁碳砖作为内衬材料时，很有可能出现钢水吸碳等问题。当钢种规定的最高含碳量为0.05%时，必须将从镁碳砖中吸碳作为控制碳含量的一种主要方式。而采取以下措施可以改善这种情况，即将镁碳砖放置在氧化环境中进行预处理，并将碳含量降到8%以下。
2现场试验
2.1试验方法
在电炉现有的VD钢包上用低碳镁碳砖砌筑一个VOD钢包进行比较试验。钢包的永久层砌筑与VOD钢包相同，使用条
件与VD钢包相同，使用次数为24炉。试验完成后，试验结果能够满足VOD钢包的要求：①在钢包倾翻台测得的钢包外壳温度小于VD钢包50℃；②渣线砖无明显剥落，残厚大于VD钢包30mm；③熔池部分无明显剥落，残厚大于VD钢包20mm。
2.2试验结果
2.2.1钢包外壳温度
钢包外壳温度如表2所示。 由表2可知，最初使用钢包时，由于其本身温度不高，外壳温度相差不大；钢包使用了一段时间后，未用保温层的VD钢包温度上升到了380℃以上，而使用了保温层的钢包保持在330℃左右。由此可以确定，钢包外壳的保温效果良好，能满足使用要求。
2.2.2各部残厚比较
各部残厚比较情况如表3所示。
VOD钢包各部内衬的残厚明显高于VD钢包。
3结论
由现场比较试验可知，低碳镁碳砖的热稳定性、抗渣侵蚀性和抗氧化性良好，能够满足电炉长材优化改造项目对VOD钢包提出的生产要求。现场试验数据表明，刚玉莫来石预制块作为保温材料被应用于电炉钢包上，保温性能良好，能够满足VOD钢包的使用要求。