钢罐耐火内衬的使用条件和对耐火材料的基本要求
发布日期： 2020-10-23 09:53:10 阅读量（419） 作者：
钢罐壳衬以耐火内衬，是为了保护罐壳金属结构免受钢水和熔渣的高温作用，并能保证钢水在罐内停留所需要的时间钢罐耐火内衬在受到高温作用的同时，自然还要受到钢水和熔渣的蚀损作用。为保证一定高温钢水在罐内停留所需时间，即保证罐内钢水和熔渣具有适宜的冷却速度，在顺利按浇钢制度完成浇钢过程的同时，不至于凝结成很大的残钢罐底。
正由于钢罐耐火内衬在使用中受到钢水和熔渣的高温、蚀损和冲蚀等有害作用，其使用寿命并不是理想的。罐衬的修理和更换所需要的时间，有时甚至超过其工作时间，导致耐火材料单耗的增高和生产管理的复杂化罐衬耐火材料单耗的增高，不仅增加了钢成本，而且影响了钢质量。因为随着耐火内衬蚀损量的增多，钢中非金属夹杂也相应增多。加之精炼钢罐的出现，各国的研究人员都重视钢罐耐火内衬使用条件和选用合适耐火内衬的研究。
钢罐内钢水的高温是加剧所有损毁的根源性因素。根据炼钢钢种、生产方法、炉外处理和浇钢工艺等因素，钢罐内钢水温度由1530〜1550℃波动到1680〜1700℃，在某些特殊情况下可能更高，日本某冶金厂80t碱性耐火内衬钢罐屮钢水的平均温度为1655℃，最高达1740℃。前苏联某钢厂两个130t砌以方镁石铬质不烧砖的真空钢罐，在浇铸低碳不锈钢时罐内钢水在真空下经过三次深脱碳出钢，温度高达1720〜1790℃。浇铸无碳铬铁的20m3钢罐，罐内温度高达2200捣打法真空处理钢罐内钢水温度比普通钢罐内钢水温度高50〜100℃真空吹氧脱碳并吹氬时，罐内钢水温度高达1650〜1850℃。
钢罐内钢水的高温往往又与钢水在罐内停留时间相联系钢水在罐内停留时间越长，越需要高温，则长时间高温对罐衬的破坏作用越大。高温钢水在罐内的停留时间，一般在30〜150min(见表1)。从表1可看出：(1)同样条件下(氧气转炉)模铸钢罐内钢水温度相对较低和钢水在罐内停留时间较短;而连铸钢罐内钢水停留时间几乎延长一倍，因而出钢温度也高。(2)氧气转炉炼钢、连铸和真空处理时，真空钢罐内钢水停留时间从80〜90min延长到100〜150min，出钢温度当然要提高50℃以上。(3)采用真空吹氧脱碳并吹氩时，钢水在罐内停留时间长达110〜180min(其中仅真空处理需60min)，钢水温度自然需要很高。此外，大容暈钢罐的盛接出钢和浇钢时间都很长，尽管钢水罐浇钢出口增大，钢水在罐内停留时间比中小容量钢水罐更长。
表1各种条件下钢罐内钢水温度和停留时间
钢罐内长时间停留高温钢水，会导致罐衬衬砖的体积显著变化。钢罐衬砖在高温下发生的重烧收缩或重烧膨胀，罐衬砌缝厚度发生变化。这在很大程度上影响罐衬的使用安全性和使用寿命。重烧收缩很大的衬砖(例如黏土砖)是完全不适用于高温钢罐罐衬的，因为它在长时间高温使用中随着严重收缩，砌缝厚度增大，渗进钢水和熔渣，结成残钢甚至结瘤，在清除这些残钢和结瘤时经常会破坏罐衬。重烧膨胀稍大的衬砖(例如铝镁尖晶石砖和高铝砖)，保证衬砖在使用中砌缝厚度减小和相互紧靠，从而减轻了钢水和熔渣的渗透但是砖的重烧膨胀过大(例如镁砖或镁碳砖)，在使用中便产生过大的膨胀应力，有时(当膨胀缝留设不足或留设不合理)甚至会胀坏罐衬砌砖，有些国家根据加热中线尺寸变化的特性，将钢水罐衬砖分为恒体积钢罐衬砖(1400℃重烧收缩率为0.2%〜0.3%)、微膨胀钢罐衬砖(1450〜1550℃时线膨胀率为0〜1%)和膨胀钢罐衬砖(1450〜1550℃时线膨胀率达1%〜2%)。不少国家为突出钢罐衬砖的重烧膨胀，都在衬砖名称冠以恒体积多熟料黏土砖(1400℃的重烧线收缩率不超过0.2%)、微膨胀叶蜡石砖(1400℃的重烧膨胀率不超过1%)、膨胀高铝砖(1500℃重烧线收缩率不超过0.3%)、膨胀镁铬砖(MgO73.8%，Cr2O315.0%，1000℃线膨胀率小于1%)、膨胀镁白云石砖(MgO84.7%，CaO14.1%，1000℃线膨胀率为1.25%)、聚磷酸钠结合方镁石质膨胀砖(MgO76.4%，Cr2O38.9%，1720℃烧成后的线收缩率为0.2%)和用于钢罐精炼炉工作衬的微膨胀复合尖晶石砖(MgO57.3%，Al2O37.7%，Cr2O320.2%，Fe2O312.7%，1550℃加热4h的线膨胀率仅为0.1%)。
钢罐衬遭受高温钢水和随同钢水一起进入的熔渣的化学侵蚀作用，即外来组分对耐火内衬组分的作用。钢水罐衬遭受外来组分的侵蚀作用，主要来自熔渣：为防止普通钢罐内钢水的迅速冷却和被空气氧化，有意在熔池钢水上面积存一定量的熔渣是必要的。在精炼钢罐内要完成二次炼钢，钢水上面的熔渣是必然存在的关于熔渣对各种钢罐内衬的侵蚀机理，王诚训等运用多元相图作了详尽的解释，从中可体会到：(1)无论被现代大容量精炼钢罐淘汰的SiO2-Al2O3系耐火内衬，还是含尖晶石的耐火内衬，甚至含碳的MgO-C砖和MgO-CaO-C砖，都因熔渣反应而被侵蚀。(2)熔渣经受长时间高温作用，其黏度减小、活度增大、扩散速度加快，对罐衬的侵蚀加剧。(3)普通钢罐和精炼钢罐的渣线部位内衬，经受高温熔渣最剧烈的侵蚀作用。(4)在真空脱氧和炉外精炼条件下，熔渣对罐衬的侵蚀加剧。
钢罐周期性的操作，决定了罐衬不断交替地受热和冷却热的作用在每次浇铸中都发生变化。钢罐接受头批高温钢水的最初阶段，钢水与罐衬的温差可高达800〜1350℃，此时罐衬(特别是罐底冲击区)经受相当大的冲击热。烘烤到400〜500℃的罐衬，接触并急速升温1600℃左右的钢水，罐衬将出现相当大的热应力每罐钢水浇完后，等待下一炉出钢或更换滑板等，罐衬又要经受冷却。有时为加速罐衬的冷却，往往采取通风等强制冷却，这些都会恶化罐衬的使用条件。由于电炉产量低，电炉钢罐周转慢和周期性操作明显(钢罐用用停停)，罐衬温度波动大由于转炉产量大，转炉钢罐周转快和周期性操作不太明显(经常红罐操作)，罐衬温度下降不多和波动不大
高温熔渣对罐衬化学作用的侵蚀是罐衬(特别是渣线部位)损毁的主要因素。而高温钢水对罐衬机械作用的冲蚀也是不可忽视的因素。首先，具有相当大静压力的钢水不断地向罐衬(特别是熔池)材料的气孔、裂纹或砌缝渗透。其次，钢罐底冲击区和对着炉子出钢口的罐壁迎钢面遭受出钢钢水的剧烈热冲击和机械冲击。第三，浇钢过程中罐内钢水自上而下和不停地作垂直方向的流动。甚至镇静状态的钢水，其实也在不停地流动，接触罐壁部分钢水的冷却比罐中央迅速，导致罐壁附近的钢水向下沉降。为搅拌钢水向罐内吹氩、电磁搅拌、电弧加热和真空脱气等更加剧了钢水的流动。钢水在罐内的剧烈流动，必然加剧罐衬的损毁。此外，在清理和拆除钢水罐的残渣、残钢和结瘤时，对罐衬不可避免地产生机械破坏。
遭受高温、渣侵、钢水冲蚀、热冲击和周期性操作等破坏因素作用后，钢罐内衬的损毁是不均匀的。除滑动水口系统外，按损毁程度罐衬可分为三部分：(1)渣线强蚀区。虽然位于钢水罐上部，烘烤不充分和接触钢水的时间比其他部位短，但经受流动性和侵蚀性最强的高温熔渣的破坏作用最大。渣线部位的使用条件最苛刻，因而损毁最严重。(2)罐底中(等程度)蚀区。钢罐底衬承受金部钢水和熔淹的静压力，经受高温作用比其他部位大和时间长，经受热负荷最大。当接受头批钢水时常常受到剧烈热冲击作用。(3)罐壁低蚀区。罐壁内衬受熔渣侵蚀作用比渣线部位轻微得多，接触高温钢水的时间(特别是罐壁上部)比罐底短得多。此外罐壁在整个浇钢过程中都能经罐壳散热冷却而减轻损毁。每个部位内的损毁程度也是不均匀的。LF精炼钢罐渣线的底吹氩搅拌侧MgO-C砖的损毁速度比渣线其余部位高得多当采用轻烧白云石造渣时(熔渣中MgO浓度从3%增大到12%)，底吹搅拌侧渣线的损毁速度降低60%。罐底衬的钢水落点冲击区的损毁，比罐底其余部位严重得多，不得不采取特殊的加长罐底砖或耐冲击砌块。罐壁高度方向(上、中和下层)的使用条件也有区别。罐壁下层经受高温作用时间长，遭受钢水冲蚀作用较剧烈，使用条件较坏。国外某厂的研究表明，罐壁上层、中层和下层内衬的蚀损比例大致为1:1.6:2.95。当然各个钢罐的尺寸、罐衬种类、冶炼钢种和操作条件等因素不同，这个蚀损比例会有所改变，但仍然遵循罐壁蚀损不均匀并沿着上层、中层和下层方向损毁逐渐加剧的总规律。
考虑到钢水罐耐火内衬的上述使用条件，用作罐衬的耐火材料的综合性能应包括：抵抗高温(高于1600℃)作用的性能，非常好的抗熔渣侵蚀和抗渗透性能，好的抗钢水冲蚀性能、良好的抗热震性能和使用温度下良好的体积稳定性，以及不降低钢的质量。
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