浙江父子岭特种耐火有限公司 浙江省湖州市 313100
摘要：在炼钢过程中，控制钢中非金属夹杂物的精炼度是非常重要的转折点，作为整个精炼过程中与钢液实时接触的钢包内衬用耐火材料，因为高温物理化学反应易向钢中引入夹杂物，导致精炼效果达不到预期。通过对典型现役钢包内衬用耐火材料与不同脱氧钢之间的界面反应归纳发现，钢包内衬用耐火材料会对钢中夹杂物的形貌、成分和理化性能产生影响，既可向钢中引入夹杂物，也能够吸附去除夹杂物。提出未来钢包内衬用耐火材料应被赋予更多净化钢液等功能指标的发展方向。
关键词：非金属夹杂物；钢包内衬耐火材料；精炼；界面反应；净化钢液
引言
先进的生产工艺和设备需要相应的优质耐火材料相配合，炉外精炼苛刻的工艺条件对耐火材料提出了更高的要求，耐火材料的使用寿命已成为制约炉外精炼处理能否正常进行的关键环节。因此，只有不断研制开发新产品，改进提高现有产品的性能，发挥耐火材料衬里的全部效能，获最佳的经济效益，才能满足炼钢生产的需要。
1钢中夹杂物来源及对钢材性能的影响
钢中夹杂物通常意义是指钢中的非金属夹杂物，其产生按来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物．内生夹杂物是钢在脱氧和凝固时产生的。由于钢的冶炼过程中脱氧产物在钢液凝固前无法完全上浮，因此内生夹杂物的产生是无法完全避免的．但是通过冶炼设备的进步和冶金工艺的优化（超低氧冶炼和夹杂物塑性化等技术），可以对其数量、尺寸、类型、分布等进行有效的控制。外来夹杂物主要是来源于在冶炼或凝固过程中混入而未及时浮出的炉渣或耐火材料。因而，此类夹杂物常表现出尺寸较大、形状不规则和熔点较高的特点．尽管已有的先进冶炼技术可以有效减少这些夹杂物的数量，但无法实现高熔点大尺寸夹杂物的全部去除．针对高熔点大尺寸夹杂物的来源，研究人员采用多种方法进行研究发现，在炼钢中近乎全程与钢液接触的耐火材料是大尺寸非金属夹杂的重要影响因素之一，而进行精炼和合金化的钢包内衬材料又是非常关键的。
2钢包内衬耐火材料的选择
2.1材质对钢包内衬选用的影响
钢包内衬的材质对钢包的使用安全非常重要。钢包的使用安全是指在钢包内衬的设计使用寿命期间，确保不会发生钢包烧穿、钢包外壳软化，造成钢包掉落等生产安全事故。在考虑钢包的使用安全时，首先应考虑其使用寿命，即保证在内衬的使用寿命内，包壳的表面温度小于包壳材质的蠕变温度，一般应小于300～350℃（碳钢的蠕变温度300～350℃，合金钢的蠕变温度350～400℃）。理论上，应根据钢液温度、钢液在钢包内的存放时间、耐火材料的理化性能、预期的使用寿命来确定内衬的材质和砌筑厚度；但在实际生产上，通常根据各种耐火材料的蚀损速度来选择耐材种类和厚度。
2.2对硅锰脱氧钢中夹杂物的影响
对于特殊用途的中高碳长材产品而言，如帘线钢、切割线钢、弹簧钢等，为了避免在后期冷拔过程中因Al3O3夹杂物而引起断丝现象，在生产过程中一般采用硅锰复合脱氧，以控制夹杂物形态，使其拥有较好的塑性。ＤＥＮg Ｚ等研究了MgO耐火材料对硅锰脱氧钢中夹杂物的独立作用，试验结果发现：随着反应时间的增加，硅锰脱氧钢中原有的ＳｉO2－Al2O3－MｎO系和ＳｉO2－Al2O3－CAO系夹杂物熔点均会有所降低，最终稳定在1500℃以下。2.3底部的主要耐火材料磨损机理钢包底部的破坏，特别是冲击区域，有可能是钢包不能使用而需要维修或重新砌衬的第二个原因。典型特点是：钢包高度越高，底部区域的耐火材料磨损越厉害。其它有关的因素可能包括出钢温度和炉子高度Fuuratl等人已详细介绍了底部用尖晶石浇注料的主要磨损机理，Vert后来提供了更为详细的资料。
其中有三个主要阶段：l）热剥落—温度梯度和出钢引起了炉龄初期阶段底部热面蛛网状垂直裂缝的形成；2）钢水和炉渣的渗透—钢水和熔渣渗透进底部的热面，特别是通过那些形成于表面的垂直裂缝；3）结构崩裂—随后的热循环导致热面交替变化区域的结构崩裂，然后形成一个新的耐火材料表面。一旦新形成的耐火材料表面暴露于钢水和炉渣中，那么第二和第三个阶段将重复进行。
2.4抗氧化剂复合化
毫无疑问，低碳耐火材料相较于传统碳复合耐火材料更容易因为碳的氧化而发生严重的渣侵，因而低碳耐火材料对抗氧化剂的要求更高．但是目前除了上述所提的金属和非金属类抗氧化剂外，并没有新的有效的抗氧化剂出现．因而，目前只能采用抗氧化剂复合的方式以期达到可接受的效果．已有的工作包括Aneziris等采用的TiO2--Al复合粉体，曹亚平等采用的SiC--Si复合粉体，王志强等采用的B4C和Si复合粉体在一定程度上提升了低碳耐火材料的抗氧化能力．但是这些复合氧化剂还是存在如上所述的降低材料高温性能或者向钢水中引入夹杂的隐患．因此，更有效的新型抗氧化剂的开发仍是今后推广和长效使用低碳耐火材料的热点方向。
2.5超低氧钢（或洁净钢）用钢包工作衬耐火
材料的发展高铝砖系、碳复合系、高纯铝镁系和氧化钙系耐火材料尽管满足了使用寿命的要求，但都无法真正实现对钢水的洁净化和无污染．基于此，钟香崇院士等国内外知名学者提出未来冶金耐火材料应该从单一的优异热机械性能向功能化方向发展，即：（1）耐钢水侵蚀性好；（2）材料具有能吸附、改性以及促进夹杂物去除等净化钢水的功能．基于此，国内外在钢包工作衬用耐火材料方面主要围绕材料组分选择和结构优化展开相应的工作。从热力学上讲，耐火氧化物与钢水在高温下存在一个氧势平衡，氧势的大小对钢水洁净度有重要影响，这主要是因为氧势高易造成钢水增，从而形成非金属夹杂物．基于此，陈肇友与Bannen-berg分别从理论计算和实验上系统研究了不同的耐火材料组成对钢水增作用．基于他们的研究结论并综合考虑材料的性能和成本，Al2O3、MgO、CaO或者MgO•Al2O3等组分更适宜作为钢包衬耐火原料。
结语
综上所述，MgO系耐火材料会向铝脱氧钢中溶解镁，促使钢中的Al２O３夹杂物向MgO•Al２O３夹杂转变；但在硅锰脱氧钢冶炼过程中却有利于钢中低熔点夹杂物的形成。镁铝质耐火材料对铝脱氧低合金钢中的夹杂物影响很小，但会与铝镇静中锰钢之间发生较为强烈的界面反应形成变质层，通过变质层向钢中输送夹杂物；在硅锰脱氧钢中使用时也会以同样的方式向钢中输送夹杂物，但在一定程度上会降低钢中夹杂物的熔点。未来钢包内衬用耐火材料应该打破传统研发思维，不应只局限于延长使用寿命方面，应该更多考虑在服役性能稳定和不污染钢液的前提下赋予其功能性，对钢中的夹杂物和杂质元素进行去除或者无害化处理。CMA材料的成功研制，为未来钢包内衬用耐火材料的发展提供了新的思路。
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