150t電(diàn)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(yòng)真空装置降低CO分(fēn)压，实现脱碳的炉外精炼法。其具體(tǐ)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，因為(wèi)钢水温度高、搅拌性强，合金化后钢水黏度小(xiǎo)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(yǒu)良好的隔热性能(néng)，还要与精炼工艺相匹配，要能(néng)够承受電(diàn)弧炉带来的热冲击和钢渣的侵害。真空处理(lǐ)延長(cháng)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(yǒu)很(hěn)强的侵蚀性，在整个施工过程中，还有(yǒu)大量的氧气一直不断地被吹入钢包，長(cháng)持续时间达3h，钢水的温度為(wèi)1720℃。由此可(kě)知，耐材的损耗在所有(yǒu)二次冶炼操作中是多(duō)的。在大多(duō)数情况下，成渣反应和钢种规格要求不能(néng)使用(yòng)含碳的耐材，钢水的真空氧气脱碳经常与其他(tā)普通的钢包处理(lǐ)操作同时进行。由于钢水在钢包中停留的时间比较長(cháng)，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，要充分(fēn)考虑VOD工艺的使用(yòng)要求及其性和经济性。
1 VOD钢包耐材的设计
電(diàn)炉VOD钢包具有(yǒu)使用(yòng)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(yǒu)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(yǒu)较强的抗渣渗透能(néng)力、抗钢水冲刷性能(néng)和耐低碱度渣的侵蚀性，同时，还要具备良好的抗热震性能(néng)。
1.1钢包的设计
1.1.1钢包耐材结构的设计
钢包耐材的结构如图1所示。
1.1.2钢包各部位耐材的理(lǐ)化及性能(néng)指标
钢包各部位耐材的理(lǐ)化及性能(néng)指标如表1所示。
表1各部位耐材的理(lǐ)化及性能(néng)指标
1.2选择钢包耐材的理(lǐ)论依据
1.2.1钢包层耐材的选择
保温层的主要作用(yòng)是防止处理(lǐ)过程中钢包铁壳温度过高导致铁壳变形。一般情况下，國(guó)内外相关单位多(duō)选择使用(yòng)隔热纤维。虽然隔热纤维的保温效果好，但是，它具有(yǒu)體(tǐ)积密度小(xiǎo)、强度低的缺点。在使用(yòng)过程中，受钢水静压力的作用(yòng)，其體(tǐ)积变化比较大，尤其是在将含碳耐材作為(wèi)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。體(tǐ)积变化大会使层砖和工作层的外弧变大，从而扩大砖缝，影响钢包的使用(yòng)。國(guó)外有(yǒu)體(tǐ)积变化小(xiǎo)、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(xīn)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(yòng)它能(néng)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(yòng)效果。烧成高铝砖具有(yǒu)资源丰富、成本低、高温性能(néng)好、耐火度高的特点，是目前钢包层的主流产品。
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，而且渣線(xiàn)砖中很(hěn)容易出现明显的环形侵蚀带，甚至还会出现渣線(xiàn)砖被完全侵蚀的情况。由此可(kě)知，高铝砖的抗渣性比较差，并不适用(yòng)于渣線(xiàn)层。因此，在设计渣線(xiàn)层时，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(yǒu)较好的效果。為(wèi)了减少钢包铁壳包底与包壁交接部位焊缝开裂的情况，钢包包底全部设计為(wèi)圆弧型过渡，但是，使用(yòng)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，包底层用(yòng)浇注料浇注能(néng)大大降低砌筑的难度。
1.2.2工作层（包括熔池和渣線(xiàn)）
传统的VOD钢包使用(yòng)的耐材是高温烧成的镁铬砖和镁钙砖，但是，使用(yòng)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(yòng)寿命。镁铬砖使用(yòng)中六价铬的化合物(wù)会污染环境，影响人们的身體(tǐ)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，会因為(wèi)水化影响其使用(yòng)的稳定性，有(yǒu)些甚至无法用(yòng)来砌筑。而低碳镁碳砖的使用(yòng)性能(néng)良好，是一种很(hěn)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(yǒu)机械冲刷、磨损和化學(xué)侵蚀3种。对于熔池部分(fēn)（包壁和包底），主要熔损形式是机械冲刷和磨损，化學(xué)侵蚀只占一部分(fēn)；对于渣線(xiàn)部位，主要熔损形式是机械冲刷、磨损和化學(xué)侵蚀的综合作用(yòng)。这是渣線(xiàn)砖的使用(yòng)寿命遠(yuǎn)遠(yuǎn)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電(diàn)熔镁砂作為(wèi)主原料，采用(yòng)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(yǒu)良好的高温抗折强度和抗氧化性，而且它对低碱度渣也有(yǒu)较强的适应性。
1.2.2.3低碳镁碳砖蚀损机理(lǐ)
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(kě)能(néng)，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，渣線(xiàn)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(wù)质不易渗入材料内部，能(néng)起到阻止熔渣侵蚀原砖层的作用(yòng)。由此可(kě)知，低碳镁碳砖比镁铬砖的抗渣渗透性更好。因為(wèi)氧化性物(wù)质不易渗透，所以，可(kě)以阻止砖氧化，表现出较好的抗氧化性能(néng)。溶池部位没有(yǒu)足
够的氧气输送到砖的正面，因此，砖的氧化性小(xiǎo)。另外，钢水对氧化镁的润湿性差，钢水很(hěn)难渗透到脱碳层中，所以，砖具有(yǒu)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(kě)能(néng)性比较大，但是，从热力學(xué)和动力學(xué)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(wù)，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(yǒu)限，因此，应用(yòng)它可(kě)以预防这些反应的发生，满足VOD钢包的使用(yòng)要求。
1.2.2.4低碳镁碳砖对产品成分(fēn)的影响分(fēn)析
当钢包用(yòng)镁碳砖作為(wèi)内衬材料时，很(hěn)有(yǒu)可(kě)能(néng)出现钢水吸碳等问题。当钢种规定的含碳量為(wèi)0.05%时，将从镁碳砖中吸碳作為(wèi)控制碳含量的一种主要方式。而采取以下措施可(kě)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(lǐ)，并将碳含量降到8%以下。
2现场试验
2.1试验方法
在電(diàn)炉现有(yǒu)的VD钢包上用(yòng)低碳镁碳砖砌筑一个VOD钢包进行比较试验。钢包的层砌筑与VOD钢包相同，使用(yòng)条
件与VD钢包相同，使用(yòng)次数為(wèi)24炉。试验完成后，试验结果能(néng)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(xiǎo)于VD钢包50℃；②渣線(xiàn)砖无明显剥落，残厚大于VD钢包30mm；③熔池部分(fēn)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。
表2钢包外壳温度比较
由表2可(kě)知，初使用(yòng)钢包时，由于其本身温度不高，外壳温度相差不大；钢包使用(yòng)了一段时间后，未用(yòng)保温层的VD钢包温度上升到了380℃以上，而使用(yòng)了保温层的钢包保持在330℃左右。由此可(kě)以确定，钢包外壳的保温效果良好，能(néng)满足使用(yòng)要求。
2.2.2各部残厚比较
各部残厚比较情况如表3所示。
表3各部残厚比较（使用(yòng)24次）
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(kě)知，低碳镁碳砖的热稳定性、抗渣侵蚀性和抗氧化性良好，能(néng)够满足電(diàn)炉長(cháng)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為(wèi)保温材料被应用(yòng)于電(diàn)炉钢包上，保温性能(néng)良好，能(néng)够满足VOD钢包的使用(yòng)要求。
