卢 金，邹宏军

(攀枝花钢城集团协力分公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

自20世纪50年代末期开始，RH的功能和精炼钢种的范围不断扩大，已经发展成为多功能真空精炼技术，在炉外精炼中占主导地位。浸渍管是RH真空处理装置的关键组成部件，其使用寿命直接影响RH真空处理装置的作业率。目前，国内外各大型钢厂均采用纯净钢冶炼技术提高浸渍管的使用寿命，主要通过提高上一工序钢水的纯净度控制、增加维护时间和减少处理周期等手段实现浸渍管使用寿命的提高，对浸渍管自身要求较低。然而，攀钢炼钢厂受原材料高钛型钒钛磁铁矿的影响，在冶炼过程中，钢渣流动性差、易结壳，导致浸渍管易粘渣，且难清理;另一方面，炼钢生产节奏紧，每次处理完毕后，维护间隔仅10～15分钟不等(国内外企业维护间隔1小时以上)。与此同时，RH处理周期长达25～30分钟以上(国内外企业处理时间都在11分钟以下)，上述因素加剧了浸渍管的损毁，降低了浸渍管的使用寿命。

炼钢厂流程长，为补偿过程温降采用提高出钢温度，导致RH浸渍管受熔渣侵蚀严重。生产节奏紧，造成RH浸渍管维护时间明显不足且不均匀。由此可见，攀钢钢铁生产需对RH浸渍管的使用性能提出更高的要求。早期曾外购过国内较为先进的宝钢浸渍管，在宝钢使用次数高达120～140次，但在攀钢钒钛冶炼工艺中使用寿命仅40次左右，浸渍管使用寿命己成为制约攀钢炼钢厂RH真空精炼技术发展的难题。

2 工作原理

浸渍管由浇注料、镁铬砖和钢结构组成，分为上升管和下降管。当钢包移至处理工位时，浸渍管下端插入钢液500～700 mm，启动真空泵将真空室抽至100 mbar以下，产生的大气压力迫使钢液从浸渍管流入真空室内(见图1)。同时浸渍管上升管下部约三分之一处吹入Ar2，相对未吹Ar2的下降管产生较高的静压差，驱动钢液通过真空室下部流向下降管，如此不断循环反复。

图1 浸渍管工作原理

3 损毁原因

浸渍管在使用过程中，内壁受高速气流和钢液的冲刷作用，外壁受熔渣的侵蚀和急冷急热的作用，工作条件十分恶劣。此外，清理浸渍管外壁粘渣时机械损伤、浇注料与浸渍管钢结构受热后的热膨胀系数不匹配等原因，也易导致浸渍管发生损毁现象［1］。目前攀钢浸渍管损毁主要表现为掉料、衬砖剥落、穿孔和断裂四种情况(见图2)。通过跟踪调研，损毁因素主要有以下几方面:

图2 浸渍管常见损毁情况

(1)振动时间长

攀钢浸渍管浇注料为刚玉质耐火浇注料，趋于“速凝”类浇注料，加上施工现场温度超过50℃，对浇注料振动时间要求较高，一般不宜超过10 min。而目前浇注料振动方式为人工用振动棒振动，平均振动时间长达20～30 min，致使流动性变差，为提高浇注料流动性，只有提高加水量，降低了浇注料强度。且时间过长易使浇注料产生分层，细粉浮在表面，骨料沉在底部，导致浇注料结合度降低而产生剥落。另在振动过程中，由于个人经验水平不同以及操作责任心的差异，易造成浇注料振动不均匀而形成气孔，导致浇注料的整体性能降低，在干燥时形成横向裂纹。

(2)烘烤时间短

浸渍管中水分主要为吸附水和结晶水，吸附水是指吸附在耐火材料表面和缝隙中的自由水，结晶水是指在耐火材料结晶构造中占有固定位置的水分。其中吸附水在加温至100～110℃时可全部从耐火材料中逸出，而结晶水需加温至300℃以上才可逸出［2］。由于攀钢生产节奏紧张，浸渍管烘烤时间仅40小时，其中0～110℃升温时间为10小时，恒温18小时，能够充分排除吸附水;110～300℃升温时间为12小时，无恒温时间，结晶水无法及时排除，造成内存水汽压力过高而在耐火材料表面形成裂纹，在浸渍管使用过程中，裂纹逐渐扩大直至被钢渣侵蚀造成热剥落，进而导致掉料甚至整体垮料。另外由于升温过快，浇注料的中心与表面温度差越来越大，出现温度梯度诱导热应力的产生，从而导致浸渍管表面开裂、凸起、脱落。

(3)焊接性能差

锚固件是将耐火材料与钢结构连接起来的构件，一般焊接在一定位置上，以抵消静荷载、热应力、机械转动或震动的作用，有助于预防浸渍管在使用过程中产生塌陷，并使收缩性均匀分散，避免浸渍管形成大而集中的裂纹。目前锚固件材质为1Cr20Ni14Si2不锈钢，而钢结构材质为20g，锚固件与钢结构之间的焊接属异种钢焊接(化学成分对比见表1)，焊接后需进行热处理以消除应力，但由于厂家选用的焊条与锚固件材质相近，焊接后未进行热处理。且锚固件为圆形，在焊接时锚固件与钢结构之间为点接触，焊接处强度较差，在使用过程中由于温度的急剧变化变化导致热应力作用造成锚固件脆化而脱落;同时在使用过程中，浇注料受热应力的作用，裂纹扩展加深、延长，当裂纹相互连接时，浇注料就被分割成块，再加上锚固件蚀损后浇注料无依托，很容易出现垮料。

表1 锚固件和钢结构化学成分对比(%)

(4)熔渣蚀损

以高钛型钒钛磁铁矿为原料冶炼的高温金属熔体，在炼钢过程中熔渣中的 V2O5、TiO2含量较高，使钢渣具有熔化温度低、粘度小的特点，对镁铬砖的渗透能力远大于普通钢渣。加上镁铬砖存在一定的气孔，含钒熔渣极易渗入，并在砖内形成了变质层，导致变质层与未变质层之间产生了与工作面平行的龟裂以致剥落而造成提前损毁。同时，渗入的熔渣中富含 Si4+、Ca2+、AL3+与镁铬砖中的方镁石固溶体反应形成低熔点硅酸盐相，使砖热面结构疏松，强度降低，破坏了颗粒间脱落的直接结合，再加上高速流动的钢水冲刷作用极易使颗粒脱落而损毁［3］。浸渍管镁铬砖共4环，连接处均存在一定的缝隙，在处理钢液时易被熔渣渗入，特别是第二环砖和第三环砖接缝处，经常在表面形成30～50 mm深，35～45 mm长的渗透层，渗入熔渣较多且深。

4 改进措施

(1)改进振动方式

浇注料成型后的充填密度与振动器数量、振动频率有密切关系。为使浇注料振动均匀，振动器数量须≥2台;为提高充填密度，振动频率应在50 Hz以上［4］。目前攀钢模具为“三瓣”式模具，在每瓣模具外壁上安装一台功率1.1 kW，额定频率为50 Hz的振动电机，振动电机不直接与浇注料接触，通过模具振动而提高浇注料致密性，将振动方式优化为自动振动。

原先浇注料需全部加至模具后方能开始振动，优化后可边加料边振动，料全部加完后，再振动3～4 min，总体振动时间控制在8～10 min，满足了需求。且浇注料振动均匀，耐火骨料和粉料结合紧密，使体积密度提升。同时因浇注料流动性较好，加水量由原先7%缩至4%，避免因加水量过多导致浇注料成型后内部气孔率高，材料强度降低的现象。

振动方式改进后，从显微结构看(见图3)，人工振动后的浇注料致密性较差，颗粒与颗粒之间存在较多白色的气孔;而自动振动后的浇注料颗粒密集地充填于每个角落，致密性较强，白色气孔大幅降低;当插入钢水后，可有效阻止钢渣对浇注料的侵蚀，阻止钢渣持续渗透。

图3 浇注料振动后显微结构

从外观质量来看(见图4)，浇注料在额定频率的振动作用下，加强了流动性，颗粒之间相互撞击、摩擦，将空气排挤出去。外部横向或纵向裂纹明显减少，无明显气孔或坑洞，光滑度也有所增加，改善了浇注料的抗热震性，达到了提高使用寿命的目的。

图4 浇注后浇注料表面质量

振动方式改变后，振动时间由20～30 min减至8～10 min，提高了浇注料料动性和致密性;加水量降至4%，气孔率降低，体积密度升高。成型后的浇注料生成的水化物较少，在加热烘烤时随着温度提高而逐渐烧结，强度也逐渐提高。无论从显微结构还是从外观质量看，整体性能均有大幅提高，避免在使用过程中钢水沿裂纹渗入熔化锚固件，使浇注料失去支撑而掉料，或钢水沿裂纹渗入蚀损钢结构而烧穿。

(2)优化升温曲线

浸渍管在干燥过程中，如果升温过快，聚集在耐火材料中的内部水分无法及时排除，当水分压力超过了耐火材料的极限强度，就会造成平行于工作面的层裂和表面剥落。这种内部层裂会导致在使用过程中出现大面积脱落和粘钢，从而使浸渍管使用寿命下降。因此，升温曲线应遵循“宜长不宜短，宜慢不宜快”的原则，既要使干燥速度尽可能快，而又不在浸渍管内产生大于破坏力的应力［5］。为彻底排除耐火材料中吸附水和结晶水，将烘烤时间延长至76小时，升温曲线划分为3个阶段(升温曲线见图5):

①脱去吸附水阶段:0～110℃升温时间为10小时，恒温12小时;

②脱去结晶水阶段:110～300℃升温时间为12小时，恒温18小时;

③调整阶段:由300℃缓慢降温至0℃，降温时间为24小时。

图5 延长后烘烤升温曲线

升温曲线优化后，充分排除了耐火材料中的吸附水、结晶水和有机杂质等，促进了耐火材料的致密化。从烘烤后浸渍管浇注料和镁铬砖外观来看(见图6)，表面无横向或纵向裂纹，提升了浸渍管耐磨性、抗氧化性和抗侵蚀性。

充分的养护时间以及合理的烘烤升温曲线，让浸渍管的内部水分得以充分排除而不产生恶性裂纹(如横裂纹)，提高了耐火材料强度及抗热震性能，最大限度地确保了浸渍管的使用寿命。

图6 烘烤后浸渍管表面质量

(3)优化锚固件

针对锚固件存在的问题，结合钢结构的形状、浇注料的厚度、使用温度和使用条件等，此次优化主要分为三个部分:

①攀钢浸渍管钢结构材质为20 g，用钢结构本体材质替代原锚固件材质1Cr20Ni14Si2不锈钢，使其线膨胀系数、屈服强度和抗拉强度相同，具有易焊接、相容性好、连接性强和冷热膨胀匹配的优点。

②锚固件形状优化为“波浪形”(见图7)，长度为6～8 mm，为浇注料厚度的2/3，以免受高温作用而融化和氧化;整体呈扁平状，侧面为锯齿状，以增大其与浇注料的接触面积并起支撑作用;为了防止锚固件在加热过程中有较大膨胀而使浇注料内产生过大的张应力，故而在锚固件表面涂上防腐漆，这些涂层在加热过程中分解融化或烧掉，调节浇注料与锚固件之间的膨胀差别，从而减少裂纹和剥落。

图7 锚固件优化后形状

③金属锚固件形状优化为“Y”型，焊接方式改为坡口焊(见图8)，增强焊接强度，加大对浇注料拉力，避免垮料情况的发生。将锚固件行内间距优化为200 mm，行与行之间间距为100 mm，锚固件最高高度不得超过浇注高度的80%，这样使锚固件既具有足够的支撑强度又不会导致耐火材料在热胀冷缩过程中产生较大长度的裂纹。

图8 优化锚固件排列方式

优化后的锚固件与钢结构之间线膨胀系数、屈服强度和抗拉强度匹配，易于焊接;增加了与浇注料的接触面积，支撑能力也随之增加，有效减少了浸渍管在加热过程中产生的热应力;且调节了浇注料与锚固件之间的膨胀差别，膨胀系数与耐火材料相近，消除了因热膨胀不匹配而产生的开裂、剥落。

(4)改进砖型

原 有 浸 渍 管 由 45FIC、45JICB7B、45JICB7A、45FIC24S四环砖构成(见图9)，现将45JICB7A、45JICB7B合并为一环砖，合并后厚度为460 mm，氩气管A距45FIC24S环砖缝高度为 110 mm，氩气管 B距45JICB7A环砖缝高度为85 mm，下降管与上升管相同(只是不带氩气孔)。

图9 改进后砖型

改进后试制了12套浸渍管，其中4环砖试制6套，3环砖试制6套。从试验结果看(见表2)，3环砖浸渍管平均侵蚀深度仅13.78 mm，较4环砖浸渍管减少27.85 mm;蚀损率由2.53%降至1.24%，降低了1.29%，效果极其明显。

表2 浸渍管残砖蚀损情况

3环镁铬砖型减少了间隙，表面形成较光滑的致密层，既强化了材料性能，减少了粘钢的数量，又堵住了气孔，阻止钢渣的进一步渗透，表现出优异的抗渣性能。

5 实施效果

2012年8月试制了12套优化后浸渍管，于2012年9月至12月在攀钢炼钢厂2#方坯进行了试验，使用寿命见图8。最低使用寿命75次，最高使用寿命84次，平均使用寿命80.17次，浸渍管使用寿命大幅提高且稳定，达到攀钢冶炼技术要求75次/套。

图10 优化后浸渍管使用寿命

从下线后浸渍管显微结构看(见图11)，浸渍管在高温使用过程中形成了大量白色的镁铝尖晶石，缓冲了耐火材料内部的热应力，提高了热震稳定性。同时由于浇注料中存在大量的镁铝尖晶石，颗粒与颗粒之间充填致密，体积密度高，黑色熔渣明显减少，阻止了熔渣的进一步渗透，抗渣性明显提升。

图11 下线浸渍管显微结构

优化后的浸渍管，不论是热震稳定性、抗渣性还是使用寿命，与以前比均有大幅提高。特别是浸渍管使用寿命由40次/套提升至80．17次/套，减少了更换频次，保证了攀钢生产组织的正常运行。目前，本技术成熟，应用稳定，并已成为攀钢炼钢厂提升RH真空处理装置作业率的一种新方法。

6 结论

①改进后的浇注料抗剥落性和耐侵蚀性能优良，能够满足RH真空精炼炉的使用要求。

②衬砖平均侵蚀深度由41.67 mm减至13.78 mm，蚀损率由2.53%降至1.24%，有效阻止钢渣的进一步渗透，抗渣性优异。

③浸渍管使用寿命由40次/套提升至80.17次/套，减少了更换频次，保证了攀钢生产组织的正常运行。

［1］ Innocentini M D M．Cardoso F A，Akyioshi M M，etc．Drying stages during the heating of highalumina，ultra-low-cement refractory castables［J］．Journal of the american ceramic society，2003，86(7):1146-1148．

［2］ Gong Z X，Mujumdar A S．Review of R＆D in drying of refractories［J］．Drying technology，2007(25):1917-1925．

［3］ 程家国．RH插入管的技术改进［R］．太原:钢铁集团公司，2003．

［4］ 顾立德．特种耐火材料［M］．北京:冶金工业出版社，1982．

［5］ 王维邦．耐火材料工艺学［M］．北京:冶金工业出版社，1984．