RH真空炉镁铬砖循环管损毁原因分析及解决办法

1 前言

循环管为RH炉真空室最重要的组成部分，由于受到高速循环钢液的剧烈冲击和温度的反复变化，加之结构上的特殊性，导致真空室循环管耐火材料成为整个RH炉最薄弱的一个部位，真空室的使用寿命往往受到循环管的限制。

2 循环管的损毁及机理分析

该钢厂具有多条RH炉生产线，配套不同的连铸机。除此之外，其他条生产线RH炉设定容量均高于100 t。而目前钢厂使用的100 t RH炉产能不足，采取间歇式生产方式，炉次之间的间歇时间较长，生产间歇真空室顶部顶枪由于机械故障无法进行有效的烘烤，造成炉内温度波动较大。该条生产线采用机械泵抽真空方式，极限真空度为36 Pa，为节省设备反应时间，处理钢液前机械泵会预抽压力至30 kPa。在处理开始时，钢液在预抽压力的作用下迅速上升并发生剧烈反应，高温钢液对循环管内表面剧烈冲击。通过对循环管的使用状况进行跟踪，发现循环管第一环砖与浸渍管接触部位剥落熔损异常形成环形凹槽，且凹槽在使用过程中逐渐扩大加深，如图1(a)和(b)所示。

图1 循环管凹槽的使用状况

正常情况下，循环管镁铬砖损毁分为结构剥落和侵蚀，其损毁机理如表1所列。

表1 循环管的损毁机理

表1 循环管的损毁机理

拆解使用后的循环管，分别将正常部位和凹槽部位制成切片，如图2(a)和(b)所示。两个部位的残砖均分为渣层、渗透层和原砖层。

图2 正常部位和凹槽部位残砖剖面图

镁铬砖显气孔率较大，熔渣渗入镁铬砖基质，在反应过程中会形成高熔点复合尖晶石相使熔渣变黏，但其不能形成一个整体，不能有效阻止熔渣继续渗入[1]。随着熔渣的渗入，砖形成渣层和渗透层，渣层表面不平整，呈现黑褐色;渗透层厚度均匀，呈现青灰色。循环管正常部位使用70炉后分别测量渣层、渗透层、原砖层、残砖厚度，其数据列于表2。循环管正常部位镁铬砖损毁速率为0.714 mm/炉。

mm

表2 循环管正常部位损毁数据

由图2(b)可见，渣层、渗透层与原砖层之间存在明显的、平行于受热面的裂纹，并呈片状剥落趋势。熔渣向砖内部侵蚀形成的渗透层与原砖层之间存在一定的密度差异;当RH炉的温度变化时，由于渗透层与原砖层的膨胀系数存在差异，在镁铬砖内部产生一定的体积变化;加之渗透进镁铬砖内的铁的价态随温度而变化[2]，受到钢渣侵蚀后的镁铬砖受热时内部膨胀不一，使得渣层、渗透层与原砖层之间均有横向裂纹，进而导致镁铬砖的结构剥落。分别测量此部位渣层、渗透层、原砖层和残砖厚度，其数据列于表3。此部位循环管镁铬砖损毁速率为1.714 mm/炉，明显高于正常部位的损毁速率。

表3 循环管凹槽部位损毁数据

3 循环管损毁原因分析 3.1 材料原因

拆解下线后的循环管，发现同一块循环管镁铬砖只有和浸渍管对接面的附近熔损异常，其他部位均正常，这说明镁铬砖材质无质量问题，需要从结构上寻找原因。

3.2 炉次间歇无法下顶枪烘烤

该条RH炉生产线产能不足，炉次之间间歇时间长，该RH炉顶枪频繁上下运转，会出现卡枪故障使生产中断。因此目前炉次之间选择不下枪烘烤，但这会导致炉内温度快速下降，下一炉冶炼开始后炉内温度又快速上升，温度发生大较的波动，渗透层与原砖层的边界会产生很大的应力，这些应力就导致一些平行于热面的裂纹产生，从而使材料开裂、剥落[3]。

3.3 循环管砖上浮及浸渍管砖下沉

循环管砖上浮主要存在以下3个原因。

(1)循环管砖密度为3.3 g/cm3，钢液密度为7 g/cm3，密度差较大，循环管砖受到钢液的浮力，存在上浮趋势。

(2)砌筑循环管和下部槽时，第一环砖与真空室底部耐火砖间的预留间隙小。耐火砖受热膨胀，在底部槽砖和第一环砖之间产生较大的挤压应力而处于不稳定状态，即使受到较小的向上的外力作用也易诱发中部向上隆起，即表现为第一环砖上浮[4]。

(3)高速向上流动的钢液对上升管循环管砖产生向上的摩擦力，会导致上升管循环管砖上浮。

浸渍管砖下沉主要因为浸渍管组装工艺存在缺陷，缺少托砖板或砖与钢胆之间浇注料的浇注工艺存在缺陷，在使用过程中产生挤压应力而导致其下沉。

经现场拆解浸渍管和循环管部位，未发现循环管砖上浮或浸渍管砖下沉的现象，使用后浸渍管砖上表面依然保持与法兰面水平，循环管砖内部未见分层现象，如图3和图4所示。

图3 浸渍管上表面情况

图4 循环管内部情况

3.4 热膨胀

将该批次镁铬砖制成试样，测得其室温至1 500℃的线膨胀率，示于图5。由图可见，镁铬砖线膨胀率随温度升高而增加，1 450℃时达到1.69%。

图5 镁铬砖线膨胀率

镁铬砖在高温下膨胀产生挤压应力，造成循环管与浸渍管接触面挤压，循环管砖边角开裂。受钢液冲刷剥落，在冷热交替的使用过程中，凹槽逐渐发展，导致其提前损毁。

4 解决循环管凹槽缺陷的方法

(1)合理调配生产，提高RH炉的使用效率，增加精炼炉次，缩短间歇时间，并在间歇期间采取下顶枪烘烤的措施，减少炉内温度波动。

(2)监控循环管凹槽部位熔损状态，在两炉次之间的停歇期间进行喷补维修，以减缓凹槽发展速度。

(3)循环管和下部槽施工时在局部留有合理膨胀缝隙，以减缓因镁铬砖膨胀挤压而造成的局部剥落。具体措施如下:①循环管与浸渍管之间填2～3 mm铬刚玉火泥;②循环管与工作层第一层之间填5～7 mm镁铬捣打料;③筋板以下工作层由干砌改为湿砌;④筋板与工作层之间空隙由捣打料填充改为纤维棉填充。

通过采用以上方法，循环管在使用过程中不再出现凹槽，每套真空室寿命由70炉提升至100炉左右，延长了耐材使用寿命，降低了生产成本。

5 结语

分析了RH炉循环管的损毁原因及机理，找到了解决循环管凹槽缺陷的方法。对这一问题的成功解决，延长了真空室的使用寿命，降低了生产成本，为企业创造了经济效益。