煉鋼轉爐用耐火材料的技術進步

轉爐是煉鋼的重要設備，是一種不需要外加熱源，主要以熱態生鐵、廢鋼、鐵合金為原料的煉鋼爐。根據爐襯耐火材料性質分為酸性轉爐和堿性轉爐，根據氣體吹入爐內的部位分為底吹轉爐、頂吹轉爐、側吹轉爐和頂底復合吹煉的轉爐。

轉爐煉鋼法歷史悠久，早在1856年英國人貝斯麥就發明了底吹酸性轉爐，為近代煉鋼法的開端。1879年又出現了托馬斯堿性轉爐，可以處理高磷生鐵。1864年法國人馬丁利用蓄熱原理創立了平爐煉鋼法，一度成為世界上主要煉鋼設備，20世紀50年代，世界約有85%的粗鋼由平爐冶煉。1952年奧地利出現純氧頂吹轉爐，解決了鋼中氮和其他有害雜質的含量問題，同時減少了隨廢氣損失的熱量，可以吹煉溫度較低的生鐵，節省了高爐焦炭消耗量，且能使用較多的廢鋼，煉鋼速度特別快（一爐鋼約10min，而平爐要7h），1968年又出現氧氣底吹法轉爐，1970年又發明了用碳氫化合物保護的雙層套管式底吹氧槍的底吹法，各種類型的底吹法（如OBM、Q-BOP、LSW等）在實際生產中顯示許多優于頂吹之處。奧地利人于1973年研究頂底復吹煉鋼工藝，20世紀80年代初投入生產，它比頂吹和底吹更優越，有的國家基本淘汰了單純頂吹的轉爐。

在我國，1951年唐山鋼廠的空氣側吹轉爐煉鋼法試驗成功，1952年投產，1954年開始小型氧氣頂吹轉爐試驗成功，1962年首鋼把空氣側吹轉爐改成3t氧氣頂吹轉爐，1964年投產兩座30t頂吹氧氣轉爐，隨著唐山、上海、杭州等地的鋼鐵廠先后改建3.5～5t頂吹氧氣轉爐，隨后一些大型鋼鐵企業，如鞍鋼、武鋼等將平爐改為250～300t氧氣頂吹轉爐，1985年投產，具有先進技術的寶鋼也是采用300t的大型氧氣頂吹轉爐煉鋼，此后，我國基本上淘汰了平爐煉鋼。近年來，出現頂底吹復合吹煉轉爐，滑板擋渣技術，使冶煉時間縮短，鋼水成分和溫度更均勻，減少鋼中夾雜物，提高鋼水潔凈度等優點，我國一些鋼廠也普遍采用頂底復合吹煉技術。根據統計，轉爐鋼占世界粗鋼總產量的70%以上，而我國占90%。

轉爐基本上是由耐火材料筑成的，煉鋼用耐火材料成本約占煉鋼工序成本的9%～13%。由于各國的鐵水成分及耐火原料資源不同，爐襯耐火材料的選擇也各有側重，歐美、俄羅斯等工業發達國家先后從白云石質，鎂質制品發展到現在的鎂碳磚，日本是最早使用鎂碳磚的國家。我國轉爐內襯經過焦油白云石質、焦油鎂質、鎂白云石質、鎂白云石碳磚到現在普遍使用鎂碳磚。由于鎂碳磚耐侵蝕、抗熱震、耐磨損、導熱性好、抗剝落、高溫下性能穩定，各國轉爐內襯普遍采用。耐火材料的性能及質量，直接影響轉爐的煉鋼方法及使用壽命，對提高產品質量和經濟效益有非常重要的意義，轉爐用耐火材料問題引起人們的重視，涌現出一些耐火材料的新技術，如噴補技術、濺渣護爐技術、滑動水口擋渣技術等。

1 轉爐內襯的結構及耐火材料損毀機制

爐襯結構可分成爐底、熔池、爐壁、爐帽、渣線、耳軸、爐口、出鋼口、底吹供氣磚等部分。轉爐內襯由絕熱層、永久層和工作層組成。絕熱層一般用石棉板或多晶耐火纖維砌筑，現在有些采用鎂砂填充層代替，爐帽絕熱層用樹脂鎂砂制成；永久層各部位不一樣，多用低擋鎂碳磚、或焦油白云石磚或燒結鎂磚砌筑；工作層全部用鎂碳磚砌筑。我國的鎂碳磚有三個牌號。轉爐不同部位使用的鎂碳磚對其性能有不同的要求，日本品川耐火公司開發出滿足不同部位要求的系列鎂碳磚產品，見表1。在轉爐生產過程中，由于工作層直接受到加廢鋼的機械沖擊和磨損作用、與高溫鋼水熔渣直接接觸，受高溫熔渣和鋼水的滲透及侵蝕，以及受鋼水、熔渣和爐氣的沖刷等作用，工作條件十分惡劣，各部位的工作條件不同，而損毀程度也不同。在使用過程中，一般要反復拆除工作層，而永久層較完整，就不更換。

2 轉爐應用耐火材料的技術進步

爐齡是轉爐煉鋼的重要技術指標。提高爐齡不僅降低了生產成本，而且提高了生產效率。轉爐內襯的耐火材料是影響爐齡的主要因素，近年來，通過科技人員的開發研究，內襯的壽命得到顯著提高，耐火材料的單耗降低到2～0.38kg/t鋼。具體措施如下。

表1 系列鎂碳磚的性能

2.1 綜合均衡砌爐

針對爐襯不同部位的侵蝕狀況不同，選擇3～6個不同檔次的鎂碳磚，分別砌筑在渣線、耳軸、爐壁、熔池等部位，以求最好的經濟效益。侵蝕最嚴重的部位，砌筑質量最好的磚。內襯都采用鎂碳磚干法砌筑，或者泥砌一些含碳的鎂白云石磚，這些磚在高溫下有不同程度的膨脹性，不必砌得過分緊密。各部位的工況大致如下：

（1）爐口溫度變化劇烈、熔渣和高溫爐氣沖刷厲害、加料和清理殘鋼殘渣時，爐口受到沖擊，因此，要求鎂碳磚有較高的抗熱震性和抗渣性，且不易粘渣；

（2）爐帽受熔渣侵蝕最嚴重，同時受溫度急變和廢氣沖刷的影響，要用熱震穩定性和抗渣性好的鎂碳磚；

（3）裝料側爐襯在吹煉過程中除受鋼水、熔渣的沖刷和化學侵蝕外，還受廢鋼裝入和鐵水兌入的撞擊與沖蝕，要求砌筑高抗渣性、高強度、高抗熱震性的鎂碳磚；

（4）出鋼側爐襯主要是出鋼時受鋼水的熱沖擊和沖刷作用，損壞速度低于裝料側，如兩側用同樣的鎂碳磚，可以稍薄些；

（5）渣線在吹煉過程中爐襯與熔渣長期接觸，特別是排渣側受到熔渣的強烈侵蝕，爐襯損毀較嚴重，要用抗渣性良好的鎂碳磚；

（6）耳軸部位爐襯表面無保護渣覆蓋層，鎂碳磚中的碳素極易被氧化，并難以修補，所以要砌筑抗渣性良好、抗氧化性強的高級鎂碳磚；

（7）熔池和爐底雖然受鋼水的沖蝕，但與其他部位相比損毀較輕，可砌筑含碳量較低的鎂碳磚。若是頂底復吹轉爐，爐底中心部位容易損毀，可砌筑與裝料側相同質量的鎂碳磚。

2.2 提高鎂碳磚質量

前面已經說明，鎂碳磚具有抗熱震、耐侵蝕等優異性能，廣泛用于轉爐內襯。但在使用過程中發現，由于鎂碳磚易氧化，導致抗熱震、抗侵蝕性能變差。研究人員探索出一種抗氧化自修復新型復合抗氧化劑：采用金屬Al、Si粉或Al-Si復合粉為抗氧化劑，經熱處理或高溫服役時原位生成SiC、AIN等高抗侵蝕物相；還有的是添加各種預合成納米碳，如炭黑、納米石墨氧化物復合粉，選擇合適的過渡元素（Fe、Co、Ni）無機或有機化合物作為催化劑，酚醛樹脂裂解產生CO、C2H2、CH4等氣體，在過渡金屬催化作用下，形成碳納米管、納米碳纖維等低維石墨化碳。通過這些技術使鎂碳磚保持良好的耐侵蝕、抗熱震性能。

2.3 開發不定形耐火材料，修補爐襯

為了提高轉爐內襯使用壽命，對于局部損毀部分進行隨時修補。應用新型不定形耐火材料及修補技術，大幅提高了轉爐內襯的使用壽命，普遍在8000爐次以上，有的在20000爐次以上。目前，普遍采用大面熱修補，對加料側、爐底和出鋼側進行維護。對熔池圓角和耳軸用噴補料，在轉爐出鋼口更換時采用灌漿料填縫及出鋼口區域的維護。其中大面修補料主要有MgO-SiO2質（也稱水基大面料）、MgO-C質、MgO-CaO質等；噴補料主要有MgO質、MgO-CaO質、MgO-Cr2O3質等。這些不定形耐火材料按結合劑分為無水修補料（主要是瀝青、煤焦油及瀝青粉、樹脂等）和水系修補料（MgO-SiO2-H2O結合和磷酸鹽結合）。修補料的種類及性能特征見表2。

表2 高溫修補料種類及性能特征

使用煤焦油、瀝青、樹脂等有機物作為結合劑，有污染環境，燒結時間長，不耐侵蝕等問題。秦巖等人開發了一種用高純鎂砂粉（MgO97.02%）和中擋鎂砂（MgO94.80%）顆粒為主要原料，SiO2超微粉（SiO2=97.02%）為結合劑的無碳環保型大面修補料。這種水基大面修補料，采用濕式直流澆注的方式，高溫鋪展性好，高溫燒結過程中不產生有害氣體，形成陶瓷結合，燒結時間縮短50%以上，結構致密，抗氧化、耐沖刷，經過多家使用，現場無煙塵，使用壽命延長2～3倍。大面修補料的具體配料情況見表3。

對于容易損毀的耳軸及渣線等部位采用噴補的方法。目前國內普遍使用鎂質噴補料，使用壽命比較低。有人開發出鎂碳質噴補料，主要原料為3～0mm鎂砂（MgO95.2%)，3～0mm碳（C=94.2%），瀝青A（固定C=46.3%，軟化點140～160℃），瀝青B（固定C=43.5%，軟化點100～120℃）以及添加劑等。經過實際使用得出其反彈率低、附著性好、燒結強度高，使用壽命較鎂質噴補料提高30%，減少了轉爐修補次數。

表3 大面修補料顆粒配比（w%）

還有鐵塊渣補爐技術，是利用鐵塊與高溫液體渣的快速換熱，而高效冷固粘合，對局部薄弱部位修補，節省了補爐料成本，留渣操作節省了造渣料消耗，減少緩了爐襯侵蝕，提高了金屬收得率，延長了爐襯壽命。福建三安鋼鐵公司通過控制爐渣堿度、MgO含量、FeO含量等參數，出鋼后利用適量的生鐵塊加速爐渣冷卻，使爐渣混合生鐵塊冷凝粘結在轉爐廢鋼、鐵水沖擊區域，達到補爐的目的。此方法能利用生產間隙進行補爐，一次只需10min，較常規補爐節省1h以上，而且非常環保。

為了解決爐口、爐帽的粘渣問題，采用一種防粘渣噴補料，是用用后鎂碳磚的再生料為主要原料，通過半干法噴補施工，噴補層厚度35～50mm，附著率80%以上，取得了較好的使用效果。

日本品川耐火公司開發出可快速硬化的MgO-C質噴補料（見表4），硬化時間大幅度縮短。

表4 快速硬化的MgO-C質噴補料性能

2.4 護爐

可以通過良好的操作來保護爐襯。20世紀90年代美國開發成功轉爐濺渣護爐技術，就是在出鋼結束后，爐內液體爐渣不倒掉，并向爐內加一些輕燒鎂球或白云石料，使渣的熔點和黏度升高，通過氧槍向爐內放氮氣，使液體爐渣飛濺到爐襯上，因為爐渣的成分有MgO，對爐襯有好處。我國推廣濺渣護爐后，爐齡提高3～4倍，普遍在20000爐次以上，噸鋼耐火材料消耗降低0.2～1.0kg，補爐料消耗減少0.5～1.0kg/t，轉爐利用系數提高2%～3%。濺渣護爐比補爐成本低，但使用效果沒有補爐好，也不穩定。

2.5 提高頂底復吹轉爐供氣元件壽命

通過低部吹氣攪拌熔池，提高鋼水收得率和鋼水質量。供氣元件分噴嘴型和磚型兩大類。其中磚型是應用的主流，磚型主要有彌散型、環縫型和直通孔型。直通孔型供氣阻力小、氣流調節范圍大、氣密性好、不易漏氣、金屬管對磚有增強作用，使磚不易剝落、開裂等優點，是發展的主流。洛耐院用高純鎂砂、鱗片狀石墨為主要原料，加Al、Si粉和B4C抗氧化劑，用熱固性瀝青改性樹脂作為結合劑，加適量瀝青粉的配料，泥料攪拌均勻后，用等靜壓成型制備MgO-C質供氣元件，使用結果是：侵蝕速率為0.28mm/爐次，最高使用壽命達2113爐次。為了降低不銹鋼管的滲碳速度，提高使用壽命，表面涂大于1mm的涂層，使之在不銹鋼表面形成熱穩定，抗碳還原的致密保護隔離層。

日本品川耐火公司開發出具有較高斷裂韌性，抗熱震性優異的透氣磚，見表5。在220t轉爐上使用，與傳統透氣磚相比，損耗速率降低約40%，轉爐運行4000爐沒有更換透氣磚。

表5 轉爐供氣元件性能

宣鋼集團煉鋼廠采用金屬管型鎂碳質透氣磚，每塊磚嵌入30根不銹鋼管，用300t壓磚機沖壓成型。透氣磚在80t復吹轉爐低部吹入N2、Ar氣體，轉爐爐齡達5000爐次，低部供氣與爐齡同步，力爭10000爐次同步。

2.6 采用滑板擋渣技術，提高滑板質量

滑板擋渣技術是近年來迅速發展的新技術?；鍝踉O備是將類似鋼包滑動水口機構系統移植到轉爐出鋼口部位，以機械或液壓控制方式開啟或關閉出鋼口，達到擋渣的目的?；瑒铀趽踉夹g對提高鋼水收得率，減少鋼中夾雜物，提高鋼水潔凈度，減少鋼包粘渣，延長鋼包壽命等方面有突出的優勢。

出鋼口內水口連接出鋼口磚末端，下接出鋼口上滑板，而外水口連接出鋼口下滑板。內/外水口及滑板要有較好的抗渣侵蝕、高溫抗氧化、抗熱震等性能，滑板還要有耐磨性。目前外水口主要有不燒鎂碳質、不燒鋁鋯碳質和氧化鋯質（鑲嵌內芯）制品，其理化指標及使用壽命見表6，不燒水口大都經過瀝青浸漬處理，使用壽命30～90爐次。

表6 外水口的材質，理化指標和使用壽命

目前國內擋渣滑板的材質、理化指標及使用壽命見表7。使用壽命偏低，有研究表明，引人膨脹石墨、Si粉能夠促進磚中形成SiC晶須，提高滑板韌性，抵抗裂紋擴展，提高滑板的抗熱震性，延長使用壽命。

表7 不同材質滑板理化指標和使用壽命

洛耐院總結了擋渣滑板損毀原因，發現上滑板與鋼水接觸，主要是侵蝕擴孔損毀，下滑板與外界空氣接觸，主要是熱震裂紋擴展損毀。因此，通過上滑板鑲嵌鋯環，下滑板鑲嵌鋯板工藝，提高了鋯環鋯板的抗侵蝕及抗熱震性，使滑板的壽命穩定在20爐次左右。開發3個系列產品，滿足不同工況的需求（見表8）。

表8 滑板鋯環、鋯板的理化指標和性能

3 轉爐用耐火材料的發展趨勢及優化技術方向

轉爐煉鋼技術的發展推動了耐火材料的技術進步，但有些部位的耐火材料的使用壽命及使用方法仍不盡人意，今后的發展趨勢是：（1）開發高性能，耐磨損、抗熱震低碳鎂碳磚；（2）開發快速燒結，無污染的環保型熱修補料，長壽噴補料以及好的修補方法；（3）開發火焰噴補，大面水基半干噴補料雖然無煙塵，但有水分，易產生蒸汽，給工作面的粘結及使用留下隱患，而火焰噴補與工作面馬上熔融燒結成一體，時間短，使用壽命長；（4）開發爐體冷卻工藝，進一步提高爐襯壽命，濺渣護爐，爐齡升高，但爐襯減薄，會使爐殼變形，冷卻技術能抑制爐殼變形，使爐殼壽命提高到10～15年；（5）開發長壽復合吹煉供氣元件，如復合型供氣元件，優化底風口結構布置，適應頂底復吹、低氧出鋼、低部噴粉、低部供氧、低部吹CO2等先進技術；（6）改進擋渣滑板性能與結構，如復合型滑板等，延長使用壽命，減少更換次數；（7）開發輕量節能型并具有良好高溫性能的耐火材料；（8）研究開發長壽水冷煙罩、煙道等附屬設備。