鋼包用耐火材料占鋼鐵冶金耐火材料的30%以上，是冶金耐火材料消耗的焦點(diǎn)。目前，我國(guó)普通小鋼包用以高鋁為主要原料的鋁鎂質(zhì)澆注料，使用壽命達(dá)到了70次以上，好的達(dá)到了150次以上，特別是采用了冷剝皮再套澆復(fù)原的冷修補(bǔ)模式，并且重復(fù)進(jìn)行。

　　對(duì)于中、大型鋼包，一般渣線用鎂碳磚，其他部位用剛玉-尖晶石質(zhì)或鋁鎂質(zhì)澆注料或鋁鎂碳磚，且2、3個(gè)渣線和包底磚與1個(gè)熔池襯相平衡，使耐火材料的單耗在2～4kg/t。但還有采用低檔次的磚砌鋼包，使用壽命低，沒有修補(bǔ)，一次性更換，導(dǎo)致了耐火材料單耗高。

　　對(duì)于包括精煉在內(nèi)的鋼包，國(guó)外耐火材料消耗已經(jīng)降低到1kg/t以下，普遍達(dá)到了1kg/t左右。因此，我國(guó)鋼包耐火材料單耗與國(guó)外有很大的差距。

　　隨著鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的提高，需要在鋼包內(nèi)進(jìn)行吹氬攪拌、吹氧脫碳、加熱升溫、加合成渣、添加合金元素、真空等工藝處理工序的比例越來越大，這些工藝過程導(dǎo)致了鋼水在鋼包內(nèi)停留時(shí)間越來越長(zhǎng)，耐火材料包襯的侵蝕速度加快和使用壽命顯著下降。在包襯耐火材料相同的情況下，使用壽命由幾次到上百次，差別非常明顯。這些差距主要是由鋼包的精煉工藝條件所引起的。什么條件產(chǎn)生如此大的影響，目前尚缺少系統(tǒng)的分析研究和總結(jié)。本研究就每一個(gè)精煉工藝參數(shù)對(duì)包襯的影響進(jìn)行分析探討，揭示它們的影響規(guī)律。運(yùn)用這些規(guī)律，把操作條件和提高鋼包使用壽命結(jié)合起來，達(dá)到提高鋼包使用壽命和降低耐火材料單耗的目的。

　　使用條件對(duì)包襯耐材侵蝕的影響

　　1溫度的影響

　　溫度對(duì)不同鋼包材料溶解速度的影響

　　由表1可知，鋼包內(nèi)鋼水溫度的增加顯著增加了侵蝕速度。鋼包精煉的一個(gè)重要過程就是經(jīng)過電弧加熱、電磁攪拌加熱、加發(fā)熱劑或吹氧等輸入熱能而導(dǎo)致了鋼包溫度的提高，導(dǎo)致了鋼包襯的侵蝕速度加快和使用壽命降低。這就是VOD、LF等精煉設(shè)備的使用壽命顯著低于普通鋼包的重要原因之一。另一方面，溫度均勻性也是影響精煉鋼包使用壽命和安全性的一個(gè)重要因素。對(duì)于LF爐，電弧加熱，導(dǎo)致局部出現(xiàn)熱點(diǎn)而加速損毀，在沒有修補(bǔ)的情況下，侵蝕最快的局部決定了使用壽命，因此，導(dǎo)致了鋼包使用壽命的降低。在這種情況下，減少連續(xù)加熱時(shí)間和適當(dāng)降低加熱強(qiáng)度對(duì)降低熱點(diǎn)過熱度和提高鋼包襯使用壽命是非常有效的，再就是要適時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，均衡包襯。

　　2盛鋼水時(shí)間的影響

　　一般情況下，鋼水幾乎不溶蝕耐火材料，或鋼水對(duì)耐火材料的溶蝕很慢，鋼包耐火材料的侵蝕主要是由渣引起的。鋼水對(duì)耐火材料作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是在出鋼、澆鋼和吹氬攪拌的過程中，鋼水的流速和沖擊力很大，沖刷耐火材料包襯，導(dǎo)致耐火材料損耗和耐火材料顆粒進(jìn)入鋼水，進(jìn)入鋼水的大部分耐火材料顆粒上浮到渣中，而有小部分微小顆粒不能上浮而形成鋼的非金屬夾雜物，影響了鋼的質(zhì)量;二是包襯耐火材料向鋼水中溶解，一般耐火材料在鋼中的溶解度很低，溶解侵蝕很少，但是耐火材料內(nèi)有些成分(如碳)在鋼中溶解度較高，向鋼中溶解，影響了低碳鋼和超低碳鋼的生產(chǎn);三是耐火材料某些成分與鋼水內(nèi)的某些成分(尤其是某些特鋼成分)相互作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼成分改變和耐火材料的侵蝕。

　　鋼水在鋼包內(nèi)停留時(shí)間分為出鋼時(shí)間(2～7min)、精煉時(shí)間、停留時(shí)間和澆鋼時(shí)間。這些時(shí)段對(duì)耐火材料襯的侵蝕程度是不一樣的。在出鋼過程中，鋼水對(duì)包襯的沖擊力導(dǎo)致局部沖刷損耗，同時(shí)由于強(qiáng)烈攪拌導(dǎo)致渣與耐火材料的反應(yīng)侵蝕也很激烈。在精煉過程中，精煉時(shí)間越長(zhǎng)，渣與耐火材料反應(yīng)越多，熔蝕量越大，即鋼包的使用壽命就越低，包襯的使用壽命隨精煉時(shí)間延長(zhǎng)而線性地減少。停留期間，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，界面反應(yīng)層增厚，反應(yīng)物和生成物要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散，侵蝕是由擴(kuò)散控制的。根據(jù)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程可知，侵蝕量與停留時(shí)間的平方根成正比，因此，停留期間包襯耐火材料侵蝕較慢。在澆鋼過程中，渣至上而下落過鋼包不同位置，這是導(dǎo)致鋼包熔池侵蝕的主要原因。但在澆鋼過程中，渣與某處的包襯接觸時(shí)間很短，所以在澆鋼過程中包襯的侵蝕還是很少的。

　　3鋼渣的影響

　　3.1 渣堿度的影響

　　渣中的堿度，即CaO/SiO2比例，反映了渣對(duì)不同耐火材料的侵蝕性和渣本身的黏度及液化溫度。這些研究要從渣圖集去分析。由于渣中CaO/SiO2的變化，導(dǎo)致了渣液相量、液化溫度、渣黏度和化學(xué)組成的變化，而這些變化又與鋼包壁耐火材料相互作用，生成更低溫度的液相，進(jìn)入渣本體內(nèi)，導(dǎo)致了耐火材料的熔蝕消耗。這方面對(duì)于不同材料和不同渣系是不同的。一般來講，低堿度渣用鎂鈣系和鎂鉻系材料為好，高堿度渣用鎂質(zhì)材料為好，爐渣堿度對(duì)鎂鈣(MD8)、鎂鉻(MK)試樣溶解速度的影響(1650℃，200r/min)見圖1。目前普遍使用含碳耐火材料，對(duì)應(yīng)低堿度渣應(yīng)該用鎂鈣碳耐火材料，高堿度渣應(yīng)該用鎂碳質(zhì)耐火材料。

　　3.2 渣氧化性的影響

　　目前精煉鋼包渣線多用鎂碳磚，鎂碳磚易氧化，受渣的氧化性影響較大。渣的氧化性越強(qiáng)，越易氧化和侵蝕鎂碳磚。

　　鋼包渣的氧化性主要由下列操作條件形成。

　　1) 煉鋼爐內(nèi)的渣是含氧化鐵20%以上的氧化性很強(qiáng)的渣，當(dāng)從煉鋼爐出鋼到鋼包時(shí)，如果擋渣不好，煉鋼渣部分進(jìn)入鋼包，不但影響了精煉，耗費(fèi)更多的脫氧劑，同時(shí)加快了對(duì)鋼包襯的侵蝕。因此，在煉鋼出鋼過程中，應(yīng)該采用無渣技術(shù)，即良好的擋渣出鋼技術(shù)將顯著降低鋼包襯的侵蝕和減少脫氧劑的用量。

　　2) 對(duì)于VOD和AOD爐，要進(jìn)行吹氧脫碳，因此渣中的氧化鐵非常高。渣中的氧和鋼液中的氧相互擴(kuò)散而形成動(dòng)態(tài)平衡。這樣也反映了鋼液的氧化性。高氧化性產(chǎn)生如下作用：①渣中的氧化鐵增多，導(dǎo)致渣黏度和熔化溫度降低，因而對(duì)包襯的侵蝕加快;②對(duì)于含碳耐火材料還有一個(gè)重要的反應(yīng)就是碳的氧化，即[{C}+{O}=CO2↑，{C}+[O]+CO2↑]，造成包襯脫碳，形成松散結(jié)構(gòu)的脫碳層，導(dǎo)致包襯被渣滲透和熔蝕，同時(shí)也加快了沖刷。氧化性渣對(duì)耐火材料的侵蝕是非常嚴(yán)重的。

　　3) 采用脫氧劑和潔凈劑對(duì)鋼包內(nèi)鋼水進(jìn)行脫氧和脫硫，導(dǎo)致鋼包上表面的渣呈現(xiàn)還原性和成分的變化，這種還原性渣，對(duì)耐火材料侵蝕較低。在鋼水潔凈劑中，有鋁鈣系渣和硅鈣系渣，它們對(duì)耐火材料的侵蝕不同。一般鋁鈣系渣對(duì)鎂碳磚侵蝕較輕，對(duì)鎂鈣碳磚侵蝕較重。而硅鈣系渣就由圖1所示的鈣硅比所影響。渣中氧化鎂增加，導(dǎo)致耐火材料內(nèi)氧化鎂在渣中的不飽和度降低和濃差變小，因此溶解的驅(qū)動(dòng)力降低和熔蝕速度變慢。即通過白云石或鎂質(zhì)造渣劑可以有效地減少包襯的侵蝕和提高使用壽命。

　　3.3 渣黏度的影響

　　渣黏度降低，會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散層變薄。因?yàn)榍治g速度與擴(kuò)散層成反比，因此，渣黏度的降低會(huì)使熔蝕速度加快。另一方面，渣黏度與渣滲透耐火材料深度的關(guān)系為：

　　(4)式中：X、r、σ、θ、η和t分別為渣滲透深度、耐火材料氣孔半徑、表面張力、潤(rùn)濕角、渣黏度和滲透時(shí)間。

　　由(4)式可知，渣向耐火材料滲透深度與渣黏度的平方根成反比。因此渣黏度降低，導(dǎo)致擴(kuò)散深度增加，即渣黏度降低，會(huì)使耐火材料反應(yīng)變質(zhì)層加厚，導(dǎo)致了侵蝕增加。渣滲入的耐火材料層的耐火度降低，燒結(jié)致密度增加，與耐火材料原始層的熱膨脹等性能差異增加，在鋼包間歇使用過程中，導(dǎo)致渣滲透層裂紋和剝落，從而造成了耐火材料包襯損耗。因此，提高渣的黏度能降低耐火材料包襯的侵蝕，提高鋼包的使用壽命?？梢酝ㄟ^添加適量的白云石和選用合理的造渣劑而控制渣黏度，達(dá)到減少耐火材料侵蝕和提高鋼包使用壽命的目的。

　　4真空處理的影響

　　很多精煉設(shè)備具有真空處理功能，如LF-VD、VOD、RH和DH等。真空條件對(duì)耐火材料的損耗特別是含碳耐火材料具有很大影響。根據(jù)化學(xué)平衡原理，在真空條件下，將促進(jìn)下列反應(yīng)向右進(jìn)行，造成耐火材料內(nèi)部氣化：MgO+C=Mg↑+CO↑，4MgO+2Al=3Mg↑+MgAl2O4，MgO+Si=Mg↑+SiO↑，5MgO+B4C=5Mg↑+CO↑+2B2O2↑。

　　上述反應(yīng)導(dǎo)致了含碳耐火材料內(nèi)部松散，強(qiáng)度下降，甚至粉化，使包襯的使用壽命隨VD比例和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而線性下降[8]。因此，在高溫真空條件下，不宜選擇鋁粉、硅粉和碳化硼這些易與氧化鎂發(fā)生氧化還原反應(yīng)的添加物。它們不但不能提高鋼包的使用壽命，反而降低使用壽命。而CaO不易與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所以在一定條件下，MgO-CaO-C比鎂碳更適合這些特殊條件。

　　5超高溫的影響

　　在冶煉不銹鋼過程中需要超高溫，即在AOD和VOD精煉爐內(nèi)往往出現(xiàn)1700℃以上高溫。溫度增加，顯著提高了耐火材料的侵蝕速度，因此超高溫會(huì)導(dǎo)致耐火材料的嚴(yán)重侵蝕。超高溫不但使渣黏度降低和溶解度增加而導(dǎo)致熔蝕速度加快，而且對(duì)于含碳耐火材料嚴(yán)重影響了下列氧化還原反應(yīng)：MgO+C=Mg↑+CO↑-熱量，MgO+2Al=Mg↑+Al2O↑-熱量，MgO+Si=Mg↑+SiO↑-熱量，5MgO+B4C=5Mg↑+CO↑+2B2O2↑-熱量，2MgO+SiC=2Mg↑+SiO↑+CO↑-熱量。

　　上述反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)平衡原理，升高溫度，使反應(yīng)向右進(jìn)行，這就造成了像真空條件一樣的后果，即在超高溫下，含鋁粉、硅粉等添加物的鎂碳磚包襯不會(huì)有好的使用效果，甚至?xí)睢Ｒ虼嗽诰珶掍摪氖褂眠^程中，應(yīng)該控制超高溫以及在高溫的時(shí)間。

　　6吹氬攪拌的影響

　　在鋼包精煉過程中，一般都吹氬攪拌，這樣導(dǎo)致了渣對(duì)耐火材料界面擴(kuò)散層變薄，因此侵蝕介質(zhì)擴(kuò)散加快，即侵蝕速度變快。如試樣在渣中旋轉(zhuǎn)侵蝕，試樣的侵蝕速度與旋轉(zhuǎn)速度的0.7次方成正比(J=A+Bn0.7)[4]。但是，吹氬導(dǎo)致鋼包渣表面的氧氣濃度降低，而氬氣本身對(duì)爐襯不產(chǎn)生腐蝕性，所以吹氬可以減少含碳耐火材料的氧化。因此，鋼包吹氬，對(duì)包襯耐火材料侵蝕的影響并不是很嚴(yán)重。

　　7間歇操作的影響

　　鋼包處于盛鋼—運(yùn)輸—精煉—停留—澆鋼—翻渣—修理—等待(預(yù)熱)交替進(jìn)行的過程中，鋼包的溫度可從室溫到1700℃不停地發(fā)生變化，這種溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致耐火材料包襯產(chǎn)生很大的應(yīng)力。耐火材料在低溫下是脆性材料，在這樣溫度波動(dòng)的條件下，容易產(chǎn)生裂紋和剝落，從而導(dǎo)致了異常的損耗和降低了包襯的使用壽命。因此，要減少剝落和異常損耗，應(yīng)該加快鋼包周轉(zhuǎn)和加強(qiáng)鋼包預(yù)熱保溫，防止鋼包等待接鋼時(shí)的溫降，由此可使鋼包壽命提高30%以上。

　　8不同精煉設(shè)備的影響

　　不同的精煉設(shè)備對(duì)鋼液的處理方法不同，即精煉條件不同，對(duì)鋼包襯的侵蝕也不同。

　　普通鋼包的渣線用鎂碳磚，其一次性使用壽命可達(dá)到120次[1，15-16]。而一般LF爐，即增加了吹氬、脫氧劑、合成渣和電弧加熱的操作工藝，盛鋼水時(shí)間也由普通澆注鋼包的60min左右增加到約100min，這樣100%LF爐襯渣線一次性使用壽命約為60次[12]，侵蝕速度提高了1倍，即使用壽命降低了50%。如果鋼包LF處理比例為R1，則鎂碳磚鋼包渣線一次性使用壽命為S=120-60R1。

　　目前，不少鋼廠使用了LF-VD，即在LF處理的基礎(chǔ)上，增加了真空處理，導(dǎo)致了使用壽命下降幅度約50%。100%VD處理的LF爐襯使用壽命為純LF爐使用壽命的一半，約30爐次。VD比例增加，使用壽命線性降低，即對(duì)于LF-VD的使用壽命(S2)與VD比例(R2)的關(guān)系約為S2=60-30R2。

　　另一種精煉設(shè)備VOD，在鋼包內(nèi)吹氧進(jìn)行鋼水22提溫和脫碳，同時(shí)添加脫硫劑進(jìn)行脫硫以及真空脫氣。渣的成分變化很大，渣堿度從酸性變成堿性，渣也由強(qiáng)氧化性變化到還原性。其操作條件比LF-VD條件還要惡劣，導(dǎo)致了鋼包襯一次性使用壽命進(jìn)一步降低約50%，即一次性使用壽命為15次左右。如果和LF-VD混合使用，VOD的比例為R3，則這種VOD爐的使用壽命(S3)與VOD比例(R3)的關(guān)系約為S3=30-15R3。如果與LF混合使用，一次性使用壽命約為S3=60-45R3。

　　值得指出的是，120次、60次、30次、15次隨著鋼包的維護(hù)、襯的設(shè)計(jì)和耐火材料質(zhì)量以及殘厚而改變，上述數(shù)字是目前國(guó)內(nèi)比較好或正常的結(jié)果。

　　綜上所述，普通鋼包、LF、LF-VD、VOD由于各自的精煉條件不同，導(dǎo)致了侵蝕速度的差別為：鋼包︰LF︰LF-VD︰VOD≈1︰2︰4︰8;或使用壽命差別為：鋼包︰LF︰LF-VD︰VOD=(100～130)︰(50～70)︰(20～30)︰(12～20)≈8︰4︰2︰1，即耐火材料單耗為2.5、5、10和20kg/t。

　　上述侵蝕速度的差異體現(xiàn)在渣線等關(guān)鍵部位，這些部位只占包襯的極少一部分。如果通過用少量修補(bǔ)料進(jìn)行修補(bǔ)維護(hù)，使用壽命就會(huì)提高，耐火材料單耗也會(huì)大幅降低。因此，冶金爐襯侵蝕的不均勻性給降低耐火材料單耗帶來了很大的空間。

　　結(jié) ?論

　　3.1鋼包溫度增加，顯著增加了耐火材料的侵蝕速度;鋼包襯熔蝕隨著精煉時(shí)間延長(zhǎng)而增加。

　　3.2渣是侵蝕鋼包襯的主要介質(zhì)。渣氧化性增強(qiáng)、黏度和堿度降低都導(dǎo)致耐火材料侵蝕加快。

　　3.3鋼包超高溫和真空處理不僅導(dǎo)致熔蝕加快，還造成了含碳耐火材料內(nèi)部氣化的氧化還原反應(yīng)發(fā)生，從而使耐火材料侵蝕損耗更加迅速。

　　3.4在長(zhǎng)期真空處理和超高溫的冶煉條件下，含碳耐火材料是不合適的，含傳統(tǒng)添加劑的含碳耐火材料有更壞的使用效果。

　　3.5吹氬沒有顯著增加包襯的侵蝕，而吹氧大大加速了耐火材料的侵蝕。

　　3.6不同精煉設(shè)備對(duì)耐火材料侵蝕的影響是不同的。不同精煉設(shè)備的侵蝕速度的差別為：鋼包︰LF︰LF-VD︰VOD≈1︰2︰4︰8。包襯的使用壽命隨著精煉比例而線性降低。

　　通過良好的擋渣出鋼技術(shù)和控制渣的氧化性，通過控制添加合成渣以控制渣的黏度、堿度和成分是減少耐火材料侵蝕非常有效的方法;適當(dāng)降低煉鋼溫度，防止煉鋼溫度過高是提高鋼包使用壽命的有效方法之一;平穩(wěn)操作是減少局部過熱和嚴(yán)重侵蝕的有效方法;快速周轉(zhuǎn)和鋼包保溫以減少溫度波動(dòng)能顯著提高鋼包的使用壽命。