VOD钢包炉衬的工作条件及耐火材料的选择、应用与侵蚀机理

       VOD装置的七个主要部分：(1)钢包、(2)真空罐、(3)底吹氩系统、(4)氧枪系统、(5)真空系统、(6)测温取样系统、(7)加料系统。VOD炉是以将在初期吹炼炉中将钢液成分调整适合以后(除C和Si)，将其放入精炼钢包里面，只讲将精炼钢包转到真空罐里让其静置。当真空罐里面的压力达到理想的数值时，开始进行吹氧脱碳，并由透气砖吹入氢气以达到搅拌的效果。

　　1、VOD炉衬工作条件

　　VOD炉是必须与钢包同时配合使用的装置，所以钢包成为了VOD炉不可或缺的装置。进而钢包内的耐火装质量就关系着整个VOD精炼过程是都能够顺利进行。采用了VOD方法之后，钢包的任务明显加重，所以耐火砖的侵蚀也会更加剧烈，刘国平等人概括了精炼钢包的工作条件：

　　1)碱性熔渣对精炼钢包有侵蚀性，并且自身碱度变化范围大：

　　LF炉在精炼时以石灰、电石和萤石为原料制成的合成渣为精炼渣。腐蚀性很强的CaF和CaAlO3又会形成液态熔渣，所以炉渣的成分会有很大改变：碱度会在0.6-4，最强时为0.3，强酸性的炉渣流动性很强、温度很高，对渣线部分不断进行侵蚀和冲刷;在氧化初期，从顶部进行吹氧去除碳，这个期间大约占整个精炼周期的80%，而且这个时期炉渣碱度很小，酸性渣对耐火砖有着严重的冲刷和侵蚀，直接影响了耐火砖的使用寿命。

　　2)高真空度：

　　在VOD法时会应用达到133.3Pa左右的强真空度，会使耐火砖的一些成分挥发，此时酸性熔渣伴随着钢水就会侵蚀到耐火砖里面，是耐火砖的住址进一步恶化。

　　3)钢包内的吹气搅拌很强：

　　为了将吹入的氧气和碳反应产生的一氧化碳以及钢包内的杂质气体排除，在精炼时必须吹入高压得氩气以达到降低一氧化碳分压的目的，钢水会因此而沸腾，使渣线部位的耐火砖受到强烈冲刷。

　　4)要求保温时间太长：

　　整个精炼和冷却后再加热的时间达到四个半小时左右，炉子内衬的温度会因此而升高。也会使耐火砖受到更严重的侵蚀和渗透。

　　5)间歇式的操作导致热震效果很强：

　　冶炼时炉衬会经过骤冷骤热的改变，使炉料因为炸裂和热剥落导致损坏。

　　6)高温：

　　应用埋弧加热的操作使得渣线部分的耐火砖比其他部分温度要高很多，熔渣的流动性、酸性熔渣对耐火砖的侵蚀以及高温的操作都是会给耐火砖带来巨大的破坏。因为采用了埋弧加热方式具有不稳定性，有时会造成钢包侧壁出现“过热点”。

　　由于以上原因对钢包耐火砖的使用性能提出了更高的目标。

　　2、VOD炉衬用耐火材料

　　起初VOD使用镁铬质耐火材料作为内衬，可是铬的污染性太强，使得人们不得不放弃它，而选择白云石质、镁钙质材料作为替代，近年来也有将锆质耐火材料作为钢包底部材料的。

　　最近，日本已经以不定型耐火材料为主的方式替代了原先的以耐火砖为主修建钢包内衬，诸如半锆英石质、高铝质等浇注料的效果非常好;而在英国则采用再渣线部位以镁炭砖做铺垫，侧壁应用浙青和白玉石相结合的炭砖;美国一般采用白云石结合树脂的耐火砖和水泥进行浇注;法国以镁铬质作为渣线部分材料，以白云石质制品作为侧壁的方式进行砌筑;我们国家在以我过所应有广泛资源的菱镁矿、石墨为基础的前提下开发出以镁炭砖作为渣线部分材料，铝尖晶石炭砖、铝镁炭砖作为其他部分的砌筑材料的方式，而且使用起来非常好。从长远来看，虽然不定型钢包内衬需要进一步的努力研究，耐火砖材料制品的前景还是很好的。优质的碱性耐火材料将使以后的必然发展方向。

　　镁铬砖

　　3、VOD钢包内衬耐火材料的选择

　　只有具备以下两种特性的耐火材料才能作为VOD炉的内衬使用：1)能抵抗高温炉渣的侵蚀;2)在骤冷骤热的环境下能有出色的抵抗剥落能力。现在，VOD炉所采用的耐火材料一般为镁白云石砖和镁铬砖。

　　1、镁白云石砖

　　MgO是镁白云石耐火砖的主要成分，当杂质元素低于1.5%时它的高温强度会很好。日本和一些欧洲国家所设计生产的镁白云石砖的氧化镁成分变化在60%到90%浮动，但氧化镁和氧化钙的总和却达到98%左右。镁白云石耐火砖比镁铬砖有着更为突出的耐热震强度，因为耐火砖中的氧化钙能与熔渣形成熔点非常高的新相，继而耐火砖受到的侵蚀也就会减弱，内火内衬里的氧化钙能是润湿角变大，加强了耐火砖抵抗钢液侵蚀的能力。

　　2、镁铬砖

　　VOD炉主要使用在高温时具有很强的抗侵蚀能力的镁铬砖作为钢包内衬，在日本，主要以不同合成方式和不同组成方式的综合修筑方法。一般戒指结合的耐火砖主要在除了渣线部分应用，半再结合砖则在渣线部位应用。一般AOD和VOD所应用的耐火砖使用共同烧结镁铬砖，因为它的抗热剥落和抗结构破裂能力。其成分应控制在SiO2<1.5%、Fe2O3<6%、Cr2O3>21%和CaO<1.0%的范围内。Fe2O3、CaO和SiO2含量一定要再这个范围之内。

　　4、 使用MgO-CaO系的耐火材料的VOD炉

　　在V0D的精炼钢包内衬上使用的是系的耐火材料或者MgO-Cr2O3系的耐火材料，在底部使用MgO--CaO系的耐火材料或者MgO--Cr2O3系的耐火材料之外也有使用高铝质的耐火材料，最近也有使用含有锆的耐火材料。在V0D炉内衬上使用MgO-CaO系的耐火材料能够使钢水净化，而且还能脱磷。相关研究显示，当MgO的含量达到3050%的时候，其脱硫率最高。在精炼的过程中，因为白云石中含有CaO，其进行脱硫，使得钢水中硫转移到高硫含量氧势低的粘度较低的炉渣中去。

　　镁钙砖

　　为了减少低粘度渣的侵蚀从而导致结构脱落的情况，日本研发出了低透气的白云石砖，通过改变砖的结构，还有改变粒度的组合，能够使砖的孔径分布合理，所以使得开口气孔和闭口气孔之间的连通性大大降低，使得白云石砖具有透气性能低，对熔渣浸透有很好的抑制效果。这样的砖的耐侵蚀的性能、本身的强度、抗炉渣渗透的能力等高温性能都有很大的提升，其损坏的速度也减缓了许多，这样就延长了VOD炉的使用寿命。

　　在德国，40-60t的炉衬，包壁和包底上都采用了MO-Cr2O3砖砌成，其余的都是使用白云石砖，在永久衬和工作衬之间，打开一个夹层，这样就能保证包衬的密封性能，使得使用寿命是35次。在日本川崎炉材公司，在70tVOD的炉侧壁上采用烧成的镁白云石砖，在包底处采用烧成的镁铬砖，由于受钢水冲刷的部位损毁较为严重，所以就要求全衬都改用砌筑不烧的镁白云石碳砖，其蚀损的速度是5.6mm/次，这样就比原来烧成的镁铬砖蚀损速度1214mm/次降低了5060%，也使得寿命能够提升一倍以上。在上海的浦东钢铁公司，30tVOD精炼钢包，采用的都是进口的镁白云石砖，使其最高的包龄是19次，其平均的包龄为16次，吨钢耐火材料的消耗是85元左右。

　　5、VOD炉镁钙砖的侵蚀机理

　　在冶炼过程中，第一阶段是还原期，高钙镁钙材料中含有约56%CaO，炉渣与之反应性较低;第二阶段是高碱度的脱硫期，LWB公司的高钙镁钙炉衬特别适应高碱度渣要求。因此，相对来说所以高钙镁钙耐火材料在VOD炉内使用寿命很好。VOD工艺将显著的热应力、机械应力和化学应力施加于内衬上，这些损毁机理相互影响，所以实现全部工艺的最佳化不是一件容易的事。镁钙砖在使用过程中同时承受诸多化学介质和机械作用力的侵蚀作用，导致砖体开裂、变形，直至砖体脱落。VOD包衬的多次用后分析观察发现渣线部分耐火材料因受热化学应力和热机械应力作用而严重剥蚀。侵蚀性硅酸盐渣的化合物在高温(往往超过1750℃)和低压(1200毫巴)下证实是有害的。

　　VOD炉衬材料的侵蚀介质主要成份为MgO、SiO2、CaOAl2O3、Fe2O3等，源于炉渣中的石灰、铁渣等，作用于VOD炉中上部的渣线部位，其主要进行如下的反应：

　　以上反应产物2CaO·SiO2、CaO·Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·Al2O3·2SiO2和3CaO·SiO2熔点各为2130℃、1600℃、1780℃、1557℃和2160℃;3CaO·Al2O3熔点1535℃;12CaO-7Al2O3熔点1365℃所以炉渣中的Al2O3对砖体的危害最大，它与砖体中的氧化钙反应生成的产物熔点过低会造成砖体的解体。