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refractories for steelmaking converter
简介
砌筑炼钢转炉使用的耐火材料。转炉是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料进行炼钢的直立式圆筒形炉(见图)。根据炉衬耐火材料的性质，分为酸性转炉和碱性转炉两种。根据气体吹入炉内的部位，分为底吹、顶吹、侧吹和顶底复合吹炼转炉 (见彩图插页第19页)。
世界各国由于铁水成分及耐火材料资源不同，因而炉衬砖的选择也有所侧重。美国主要使用焦油结合镁砖、方镁石砖、焦油浸渍烧成方镁石砖，20世纪90年代以来也使用镁碳砖。法国主要使用白云石砖、镁白云石砖、白云石碳砖、沥青结合镁砖和镁碳砖。英国曾使用过焦油白云石砖，烧成白云石砖，1989年以后大量使用镁碳砖。俄罗斯多采用焦油白云石砖，少数工厂也使用焦油镁砖和方镁石尖晶石砖。日本是最早将镁碳砖从电炉移置于转炉的国家，使用效果在世界上处于领先地位。中国转炉炉衬的发展经历了焦油结合白云石砖、焦油结合镁砖、镁白云石砖、高钙镁砖、镁白云石碳砖及镁碳砖(见彩图插页第19页)等过程。综上所述，世界各国均逐渐采用镁碳砖取代其他砖种。由于镁碳砖具有抗热震性能好、抗侵蚀性能强，在高温下具有优良稳定性能、导热性好、耐磨损及耐剥落性好等优点，加之冶炼技术的改善与进步以及喷补技术的推广应用，90年代以来，炉衬寿命大幅度提高，吨钢消耗耐火材料一般不超过2kg。
转炉结构示意图
1—炉身; 2—炉膛; 3—炉帽; 4—出钢口;5—炉底; 6—供气砖
各部位炉衬的工作条件和所用耐火材料 由于转炉各部位工作条件的差异和操作因素的影响，炉衬侵蚀速度极不均匀，导致两侧耳轴、渣线、炉帽、出钢口等部位过早损坏，其余部位虽然基本上完好，但是整个炉衬无法继续使用。中国在20世纪50～60年代大都使用单一焦油白云石砖砌炉，满足不了使用要求，进入70年代后，陆续开发了以焦油或树脂结合的二步煅烧料制成的白云石砖，镁白云石砖、镁白云石碳砖及烧成白云石油浸砖等。根据炉衬各部位的损毁特点，选用不同等级和质量的衬砖进行综合砌炉，使损毁达到基本均衡。转炉各部位炉衬的工作条件及采用的砖种见表1。
表1 各部位炉衬的工作条件及采用的砖种
| 部位名称 | 炉衬工作条件 | 采用砖种 | |
| 炉口 |
装料、吹炼、出钢、倒渣时温度变化大;炉渣侵蚀， 携尘废气冲刷;装料及清钢、渣时受机械撞击 |
烧成白云石砖、烧成镁白云石砖，镁碳砖、方镁石 尖晶石砖 |
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| 炉帽 |
取样及出钢时受炉渣侵蚀， 温度变化大， 空炉时砖 中碳素易被氧化，受废气及粉尘的侵蚀与磨损 |
烧成镁白云石砖、镁白云石碳砖，焦油结合镁砖、热 处理焦油结合镁砖、镁碳砖 |
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炉 身 |
装料侧 | 受废钢及铁水的撞击与冲刷，温度变化大 |
油浸烧成镁白云石砖、热处理焦油结合镁砖、 油浸 沥青结合方镁石砖、镁碳砖 |
| 出钢侧 |
受炉渣及钢水的侵蚀与磨损， 出钢时受炉渣及钢水 的热冲击与冲刷 |
焦油结合镁砖、油浸镁碳砖、镁碳砖、焦油结合镁 白云石砖 |
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| 耳轴区 |
炉衬挂渣少， 空炉时砖中碳素被氧化;炉子倾动时 受异常力的作用 |
烧成镁白云石砖、优质镁碳砖 | |
| 渣线 | 炉渣侵蚀 | 烧成镁砖、优质镁碳砖 | |
| 炉底 | 受钢水剧烈冲刷与磨损 |
焦油结合白云石砖、油浸镁白云石碳砖、焦油结合 镁砖、镁碳砖 |
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顶底复合吹 炼转炉炉底 供气砖 |
受钢水及炉渣化学侵蚀与剧烈冲刷， 温度骤变及氧 化作用 |
焦油结合镁质供气砖、烧成镁质供气砖、镁碳质供 气砖 (分定向气孔式、 环缝式及弥散式数种) |
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| 出钢口 | 受钢水冲刷，炉渣侵蚀及温度变化剧烈 |
焦油结合白云石砖，焦油结合电熔镁砂砖， 电熔镁 砖， 镁碳砖 |
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采用全镁碳砖砌筑炉衬后，也根据转炉炉体部位损毁的特点使用不同品级的镁碳砖配合砌筑，形成均衡损毁的综合炉衬，取得较好的经济效益。300t转炉各部位用镁碳砖的性能(举例)见表2。
表2 300t转炉各部位用镁碳砖的性能及特征
| 使用部位 | 化学成分/% |
气孔率/ % |
体积 密度/ g ·cm-3 |
耐压 强度/ MPa |
高温抗 折强度 (1400℃， 0.5h) / MPa |
砖的特征 | ||||
| MgO | SiO2 | CaO | Fe2O3 | 固定碳 | ||||||
| 炉 口 | 78.1 | 1.21 | 1.40 | 0.40 | 14.1 | 2.4 | 2.96 | 42.5 | 12 | 低碳镁碳砖 |
| 炉 帽 | 73.1 | 1.02 | 1.41 | 18.4 | 1.89 | 2.95 | 41.8 | 12～13 | 中碳镁碳砖 | |
| 炉 帽 | 71.2 | 1.06 | 2.13 | 0.44 | 19.86 | 2.46 | 2.95 | 39.8 | 14 |
高碳镁碳砖，用优质镁 砂和石墨 |
| 装料侧 | 76.12 | 0.74 | 0.36 | 0.67 | 18.06 | 1.78 | 2.96 | 42 | 14 |
以优质镁砂、石墨为原 料 |
| 炉 身 | 71.6 | 0.87 | 1.41 | 0.83 | 18.90 | 1.80 | 2.96 | 40.1 | 12 | |
| 耳 轴 | 75.23 | 0.75 | 0.40 | 0.83 | 19.78 | 1.80 | 2.96 | 41.6 | 14～16 | 添加新型抗氧化剂 |
| 风口周圈 | 75.37 | 0.82 | 0.48 | 0.87 | 19.6 | 2.24 | 2.95 | 41.8 | 17.10 |
大结晶镁砂并添加新 型抗氧化剂 |
| 炉 底 | 74.6 | 0.92 | 0.86 | 0.91 | 17.6 | 1.86 | 2.95 | 41.3 | 12 | |
出钢口砖 出钢口受钢水冲击、炉渣侵蚀、空气和炉渣的氧化作用及温度剧烈变化等综合因素的影响而损毁严重。提高出钢口质量的途径是采用高温烧成电熔镁砖或优质原料并添加特殊抗氧化剂的镁碳砖，并采用等静压成型以增加制品的致密度与均匀度。
传统的出钢口系以若干外方内圆筒形砖构成，并固定在周围的炉衬中，后改进为以浇注料或捣打料筑成圆筒形出钢口大砖。较新的结构是外部直径较小，而进口端较大，形成有利的钢水束流，其寿命比传统的出钢口砖约高30%～50%。
供气元件 也称透气砖，设在炉底。目的是使惰性气体(氩气、氮气)均匀地从炉底通入熔池。它是顶底复合吹炼转炉的关键制品。20世纪90年代采用的供气元件分为喷管和透气砖两种。透气砖又分为弥散型、环缝型及定向气孔型等。一般认为透气砖的使用效果好，特别是定向气孔型透气砖尤佳。
复合吹炼过程中，供气元件承受钢水和炉渣的化学侵蚀和强烈的搅拌作用，频繁的温度骤变，以及供气的氧化作用，其工作条件极其苛刻，要求透气砖具有耐高温、耐侵蚀、耐冲刷、抗剥落和抗氧化等性能。从冶炼角度，要求透气砖能通过所需容量的气体，产生的气泡细小且分布均匀，使用安全可靠，其寿命要求与炉龄同步或基本同步。
制造透气砖时，可选用镁质及镁碳质原料，内嵌数十根很细的不锈钢管，用等静压法或真空法成型，其外形可制成圆形或方形(见彩图插页第16页)，使用寿命已超过1200炉次。中国300t转炉顶底复吹供气元件性能如下：
体积密度2.9g/cm3，显气孔率0.6%，耐压强度40MPa，高温抗折强度(1400℃，0.5h)11MPa，MgO≥74%，C≥17%。
炉衬的维护 即便采取综合砌炉，也会由于炉衬局部过早损坏而被迫停炉，必须对炉衬实行热补，通常热补的方法为投补、贴补和喷补，上述3种方法可以兼用。以喷补法使用较广，80年代又发展为火焰喷补，它与传统的半干法、湿法喷补不同的是粉料颗粒从喷枪喷出后，在达到受喷体的过程中，被加热至塑性或熔融状态，在喷补处粘附非常牢固，效果极佳。常采用的补炉料根据炉衬的砖种分为镁质和镁白云石质两种，前者含MgO>90%，后者含MgO80%～86%。补炉料应具有合理的颗粒组成，一定的粘结性和较小的收缩，在低温时借助结合剂的化学作用形成较高的结合强度，在高温下又能形成陶瓷结合并与炉衬砖牢固地粘附在一起，以提高补炉效果。
炉衬损毁原因 大体上可以分为以下几方面：(1)炉渣及钢水在高温下的化学侵蚀;
(2) 炉内温度变化以及局部过热导致炉衬胀缩不均，产生应力，因而发生脱落现象;
(3)因加入废钢及熔池搅拌引起机械磨损，加之由于炉渣及钢水的化学侵蚀使炉衬强度降低而加剧磨损;
(4)对镁碳砖而言，由于氧化性炉渣，高温氧化气氛及MgO在高温下气化等因素的影响，使镁碳砖严重脱碳，是损毁的重要原因。
炉衬损毁的程度与冶炼的钢种、操作及维护条件，以及衬砖的品种有关。总的来说，渣线附近及出钢口的下部损毁剧烈，顶底复合吹炼条件下由于钢水剧烈搅动，熔池损毁亦严重。
炉衬砖的使用结果表明： 工作面的基质成分与熔渣反应，形成厚度为0.5～2.0mm的熔化层，接着是厚度为0.5～1.0mm的脱碳层，脱碳层后面为原砖层。
焦油结合白云石砖的熔化层中SiO2、Fe2O3、Al2O3和MnO等杂质含量显著增加，并与白云石发生反应，生成2CaO·Fe2O3、2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和MgO·FeO等低熔点物质，使砖发生连续性熔损，损毁速度取决于脱碳层形成的快慢。
焦油结合镁砖的熔化层中的主要矿物为方镁石、还有MgO·FeO、2CaO·Fe2O3，2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和少量的MgO·SiO2，CaO·MgO·SiO2等。由于MgO比CaO稳定，熔化层形成较慢，熔渣侵入砖内较深，并在脱碳层和熔化层之间积聚并发生反应，致使砖组织收缩而产生龟裂。镁质炉衬砖的损毁主要是热剥落，而熔损是次要的。
镁白云石砖含有适量的MgO和CaO，其损毁状况介于白云石砖和镁砖之间。此种砖的损毁以熔损为主，较少发生结构剥落。
镁碳砖的损毁主要是熔渣中的FeO和空气中的O2使石墨氧化，衬砖热面的碳部分逸出以及一部分碳溶解于钢水中或被砖中MgO氧化形成薄的脱碳层;溶渣渗入砖脱碳层的气孔中，并与镁砂发生反应形成低熔点氧化物; 变质弱化的表面层被搅动的熔渣和钢水冲刷而脱落。