炼钢转炉用耐火材料的技术进步

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东 广州510300）

转炉是炼钢的重要设备，是一种不需要外加热源，主要以热态生铁、废钢、铁合金为原料的炼钢炉。根据炉衬耐火材料性质分为酸性转炉和碱性转炉，根据气体吹入炉内的部位分为底吹转炉、顶吹转炉、侧吹转炉和顶底复合吹炼的转炉。

转炉炼钢法历史悠久，早在1856年英国人贝斯麦（Bessemer）就发明了底吹酸性转炉，为近代炼钢法的开端。1879年又出现了托马斯碱性转炉，可以处理高磷生铁。1864年法国人马丁利用蓄热原理创立了平炉炼钢法，一度成为世界上主要炼钢设备，20世纪50年代，世界约有85%的粗钢由平炉冶炼。1952年奥地利出现纯氧顶吹转炉，解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，同时减少了随废气损失的热量，可以吹炼温度较低的生铁，节省了高炉焦炭消耗量，且能使用较多的废钢，炼钢速度特别快（一炉钢约10 min，而平炉要7 h），1968年又出现氧气底吹法转炉，1970年又发明了用碳氢化合物保护的双层套管式底吹氧枪的底吹法，各种类型的底吹法（如OBM、Q-BOP、LSW等）在实际生产中显示许多优于顶吹之处。奥地利人于1973年研究顶底复吹炼钢工艺，20世纪80年代初投入生产，它比顶吹和底吹更优越，有的国家基本淘汰了单纯顶吹的转炉。

在我国[1]，1951年唐山钢厂的空气侧吹转炉炼钢法试验成功，1952年投产，1954年开始小型氧气顶吹转炉试验成功，1962年首钢把空气侧吹转炉改成3 t氧气顶吹转炉，1964年投产两座30 t顶吹氧气转炉，随着唐山、上海、杭州等地的钢铁厂先后改建3.5～5 t顶吹氧气转炉，随后一些大型钢铁企业，如鞍钢、武钢等将平炉改为250～300 t氧气顶吹转炉，1985年投产，具有先进技术的宝钢也是采用300 t的大型氧气顶吹转炉炼钢，此后，我国基本上淘汰了平炉炼钢。近年来[2]，出现顶底吹复合吹炼转炉，滑板挡渣技术，使冶炼时间缩短，钢水成分和温度更均匀，减少钢中夹杂物，提高钢水洁净度等优点，我国一些钢厂也普遍采用顶底复合吹炼技术。根据统计，转炉钢占世界粗钢总产量的70%以上，而我国占90%。

转炉基本上是由耐火材料筑成的，炼钢用耐火材料成本约占炼钢工序成本的9%～13%[3]。由于各国的铁水成分及耐火原料资源不同，炉衬耐火材料的选择也各有侧重，欧美、俄罗斯等工业发达国家先后从白云石质，镁质制品发展到现在的镁碳砖，日本是最早使用镁碳砖的国家。我国转炉内衬经过焦油白云石质、焦油镁质、镁白云石质、镁白云石碳砖到现在普遍使用镁碳砖。由于镁碳砖耐侵蚀、抗热震、耐磨损、导热性好、抗剥落、高温下性能稳定，各国转炉内衬普遍采用。耐火材料的性能及质量，直接影响转炉的炼钢方法及使用寿命，对提高产品质量和经济效益有非常重要的意义，转炉用耐火材料问题引起人们的重视，涌现出一些耐火材料的新技术，如喷补技术、溅渣护炉技术、滑动水口挡渣技术等。转炉内衬寿命从过去的几百炉次提高到成千上万炉次，武钢二炼钢厂曾经创造30 368炉次的高寿命记录。

1 转炉内衬的结构及耐火材料损毁机制

炉衬结构可分成炉底、熔池、炉壁、炉帽、渣线、耳轴、炉口、出钢口、底吹供气砖等部分。转炉内衬由绝热层、永久层和工作层组成。绝热层一般用石棉板或多晶耐火纤维砌筑，现在有些采用镁砂填充层代替，炉帽绝热层用树脂镁砂制成；永久层各部位不一样，多用低挡镁碳砖、或焦油白云石砖或烧结镁砖砌筑；工作层全部用镁碳砖砌筑。我国的镁碳砖有三个牌号。转炉不同部位使用的镁碳砖对其性能有不同的要求，日本品川耐火公司开发出满足不同部位要求的系列镁碳砖产品，见表1。在转炉生产过程中，由于工作层直接受到加废钢的机械冲击和磨损作用、与高温钢水熔渣直接接触，受高温熔渣和钢水的渗透及侵蚀，以及受钢水、熔渣和炉气的冲刷等作用，工作条件十分恶劣，各部位的工作条件不同，而损毁程度也不同。在使用过程中，一般要反复拆除工作层，而永久层较完整，就不更换。

表1 系列镁碳砖的性能

2 转炉应用耐火材料的技术进步

炉龄是转炉炼钢的重要技术指标。提高炉龄不仅降低了生产成本，而且提高了生产效率。转炉内衬的耐火材料是影响炉龄的主要因素，近年来，通过科技人员的开发研究，内衬的寿命得到显著提高，耐火材料的单耗降低到2～0.38 kg/t钢。具体措施如下。

2.1 综合均衡砌炉

针对炉衬不同部位的侵蚀状况不同，选择3～6个不同档次的镁碳砖，分别砌筑在渣线、耳轴、炉壁、熔池等部位，以求最好的经济效益。侵蚀最严重的部位，砌筑质量最好的砖。内衬都采用镁碳砖干法砌筑，或者泥砌一些含碳的镁白云石砖，这些砖在高温下有不同程度的膨胀性，不必砌得过分紧密。各部位的工况大致如下：（1）炉口温度变化剧烈、熔渣和高温炉气冲刷厉害、加料和清理残钢残渣时，炉口受到冲击，因此，要求镁碳砖有较高的抗热震性和抗渣性，且不易粘渣；（2）炉帽受熔渣侵蚀最严重，同时受温度急变和废气冲刷的影响，要用热震稳定性和抗渣性好的镁碳砖；（3）装料侧炉衬在吹炼过程中除受钢水、熔渣的冲刷和化学侵蚀外，还受废钢装入和铁水兑入的撞击与冲蚀，要求砌筑高抗渣性、高强度、高抗热震性的镁碳砖；（4）出钢侧炉衬主要是出钢时受钢水的热冲击和冲刷作用，损坏速度低于装料侧，如两侧用同样的镁碳砖，可以稍薄些；（5）渣线在吹炼过程中炉衬与熔渣长期接触，特别是排渣侧受到熔渣的强烈侵蚀，炉衬损毁较严重，要用抗渣性良好的镁碳砖；（6）耳轴部位炉衬表面无保护渣覆盖层，镁碳砖中的碳素极易被氧化，并难以修补，所以要砌筑抗渣性良好、抗氧化性强的高级镁碳砖；（7）熔池和炉底虽然受钢水的冲蚀，但与其他部位相比损毁较轻，可砌筑含碳量较低的镁碳砖。若是顶底复吹转炉，炉底中心部位容易损毁，可砌筑与装料侧相同质量的镁碳砖。

2.2 提高镁碳砖质量

前面已经说明，镁碳砖具有抗热震、耐侵蚀等优异性能，广泛用于转炉内衬。但在使用过程中发现，由于镁碳砖易氧化，导致抗热震、抗侵蚀性能变差。研究人员探索出一种抗氧化自修复新型复合抗氧化剂：采用金属Al、Si粉或Al-Si复合粉为抗氧化剂，经热处理或高温服役时原位生成SiC、AIN等高抗侵蚀物相；还有的是添加各种预合成纳米碳，如炭黑、纳米石墨氧化物复合粉，选择合适的过渡元素（Fe、Co、Ni）无机或有机化合物作为催化剂，酚醛树脂裂解产生CO、C2H2、CH4等气体，在过渡金属催化作用下，形成碳纳米管、纳米碳纤维等低维石墨化碳。通过这些技术使镁碳砖保持良好的耐侵蚀、抗热震性能。

2.3 开发不定形耐火材料，修补炉衬

为了提高转炉内衬使用寿命，对于局部损毁部分进行随时修补。应用新型不定形耐火材料及修补技术[4]，大幅提高了转炉内衬的使用寿命，普遍在8 000炉次以上，有的在20 000炉次以上。目前，普遍采用大面热修补，对加料侧、炉底和出钢侧进行维护。对熔池圆角和耳轴用喷补料，在转炉出钢口更换时采用灌浆料填缝及出钢口区域的维护。其中大面修补料主要有MgO-SiO2质（也称水基大面料）、MgO-C质、MgO-CaO质等；喷补料主要有MgO质、MgO-CaO质、MgO-Cr2O3质等。这些不定形耐火材料按结合剂分为无水修补料（主要是沥青、煤焦油及沥青粉、树脂等）和水系修补料（MgO-SiO2-H2O结合和磷酸盐结合）。修补料的种类及性能特征见表2。

表2 高温修补料种类及性能特征

使用煤焦油、沥青、树脂等有机物作为结合剂，有污染环境，烧结时间长，不耐侵蚀等问题。秦岩等人[5]开发了一种用高纯镁砂粉（MgO97.02%）和中挡镁砂（MgO94.80%）颗粒为主要原料，SiO2超微粉（SiO2=97.02%）为结合剂的无碳环保型大面修补料。这种水基大面修补料，采用湿式直流浇注的方式，高温铺展性好，高温烧结过程中不产生有害气体，形成陶瓷结合，烧结时间缩短50%以上，结构致密，抗氧化、耐冲刷，经过多家使用，现场无烟尘，使用寿命延长2～3倍。大面修补料的具体配料情况见表3。

表3 大面修补料颗粒配比 （w%）

对于容易损毁的耳轴及渣线等部位采用喷补的方法。目前国内普遍使用镁质喷补料[6]，使用寿命比较低。有人开发出镁碳质喷补料，主要原料为3～0 mm镁砂（MgO95.2%），3～0 mm碳（C=94.2%），沥青A（固定C=46.3%，软化点140～160℃），沥青B（固定C=43.5%，软化点100～120℃）以及添加剂等。经过实际使用得出其反弹率低、附着性好、烧结强度高，使用寿命较镁质喷补料提高30%，减少了转炉修补次数。

还有铁块渣补炉技术，是利用铁块与高温液体渣的快速换热，而高效冷固粘合，对局部薄弱部位修补，节省了补炉料成本，留渣操作节省了造渣料消耗，减少缓了炉衬侵蚀，提高了金属收得率，延长了炉衬寿命。福建三安钢铁公司[7]通过控制炉渣碱度、MgO含量、FeO含量等参数，出钢后利用适量的生铁块加速炉渣冷却，使炉渣混合生铁块冷凝粘结在转炉废钢、铁水冲击区域，达到补炉的目的。此方法能利用生产间隙进行补炉，一次只需10 min，较常规补炉节省1 h以上，而且非常环保。

为了解决炉口、炉帽的粘渣问题，采用一种防粘渣喷补料，是用用后镁碳砖的再生料为主要原料，通过半干法喷补施工，喷补层厚度35～50 mm，附着率80%以上，取得了较好的使用效果[8]。

日本品川耐火公司开发出可快速硬化的MgOC质喷补料（见表4），硬化时间大幅度缩短。

表4 快速硬化的MgO-C质喷补料性能

2.4 护炉

可以通过良好的操作来保护炉衬。20世纪90年代美国开发成功转炉溅渣护炉技术，就是在出钢结束后，炉内液体炉渣不倒掉，并向炉内加一些轻烧镁球或白云石料，使渣的熔点和黏度升高，通过氧枪向炉内放氮气，使液体炉渣飞溅到炉衬上，因为炉渣的成分有MgO，对炉衬有好处。我国推广溅渣护炉后，炉龄提高3～4倍，普遍在20 000炉次以上，吨钢耐火材料消耗降低0.2～1.0 kg，补炉料消耗减少0.5～1.0 kg/t，转炉利用系数提高2%～3%。溅渣护炉比补炉成本低，但使用效果没有补炉好，也不稳定。

2.5 提高顶底复吹转炉供气元件寿命

通过低部吹气搅拌熔池，提高钢水收得率和钢水质量。供气元件分喷嘴型和砖型两大类。其中砖型是应用的主流，砖型主要有弥散型、环缝型和直通孔型。直通孔型供气阻力小、气流调节范围大、气密性好、不易漏气、金属管对砖有增强作用，使砖不易剥落、开裂等优点，是发展的主流。洛耐院[9]用高纯镁砂、鳞片状石墨为主要原料，加Al、Si粉和B4C抗氧化剂，用热固性沥青改性树脂作为结合剂，加适量沥青粉的配料，泥料搅拌均匀后，用等静压成型制备MgO-C质供气元件，使用结果是：侵蚀速率为0.28 mm/炉次，最高使用寿命达2 113炉次。为了降低不锈钢管的渗碳速度，提高使用寿命，表面涂大于1 mm的涂层，使之在不锈钢表面形成热稳定，抗碳还原的致密保护隔离层。

日本品川耐火公司开发出具有较高断裂韧性，抗热震性优异的透气砖，见表5。在220 t转炉上使用，与传统透气砖相比，损耗速率降低约40%，转炉运行4 000炉没有更换透气砖。

表5 转炉供气元件性能

宣钢集团炼钢厂[10]采用金属管型镁碳质透气砖，每块砖嵌入30根不锈钢管，用300 t压砖机冲压成型。透气砖在80 t复吹转炉低部吹入N2、Ar气体，转炉炉龄达5 000炉次，低部供气与炉龄同步，力争10 000炉次同步。

2.6 采用滑板挡渣技术，提高滑板质量

滑板挡渣技术是近年来迅速发展的新技术[11-12]。滑板挡渣设备是将类似钢包滑动水口机构系统移植到转炉出钢口部位，以机械或液压控制方式开启或关闭出钢口，达到挡渣的目的。滑动水口挡渣技术对提高钢水收得率，减少钢中夹杂物，提高钢水洁净度，减少钢包粘渣，延长钢包寿命等方面有突出的优势。

出钢口内水口连接出钢口砖末端，下接出钢口上滑板，而外水口连接出钢口下滑板。内/外水口及滑板要有较好的抗渣侵蚀、高温抗氧化、抗热震等性能，滑板还要有耐磨性。目前外水口主要有不烧镁碳质、不烧铝锆碳质和氧化锆质（镶嵌内芯）制品，其理化指标及使用寿命见表6，不烧水口大都经过沥青浸渍处理，使用寿命30～90炉次。

表6 外水口的材质，理化指标和使用寿命

目前国内挡渣滑板的材质、理化指标及使用寿命见表7。使用寿命偏低，有研究表明，引人膨胀石墨、Si粉能够促进砖中形成SiC晶须，提高滑板韧性，抵抗裂纹扩展，提高滑板的抗热震性，延长使用寿命。

表7 不同材质滑板理化指标和使用寿命

洛耐院总结了挡渣滑板损毁原因，发现上滑板与钢水接触，主要是侵蚀扩孔损毁，下滑板与外界空气接触，主要是热震裂纹扩展损毁。因此，通过上滑板镶嵌锆环，下滑板镶嵌锆板工艺，提高了锆环锆板的抗侵蚀及抗热震性，使滑板的寿命稳定在20炉次左右。开发3个系列产品，满足不同工况的需求（见表8）。

表8 滑板锆环、锆板的理化指标和性能

3 转炉用耐火材料的发展趋势及优化技术方向

转炉炼钢技术的发展推动了耐火材料的技术进步，但有些部位的耐火材料的使用寿命及使用方法仍不尽人意，今后的发展趋势是：（1）开发高性能，耐磨损、抗热震低碳镁碳砖；（2）开发快速烧结，无污染的环保型热修补料，长寿喷补料以及好的修补方法；（3）开发火焰喷补，大面水基半干喷补料虽然无烟尘，但有水分，易产生蒸汽，给工作面的粘结及使用留下隐患，而火焰喷补与工作面马上熔融烧结成一体，时间短，使用寿命长；（4）开发炉体冷却工艺，进一步提高炉衬寿命，溅渣护炉，炉龄升高，但炉衬减薄，会使炉壳变形，冷却技术能抑制炉壳变形，使炉壳寿命提高到10～15年；（5）开发长寿复合吹炼供气元件，如复合型供气元件，优化底风口结构布置，适应顶底复吹、低氧出钢、低部喷粉、低部供氧、低部吹CO2等先进技术；（6）改进挡渣滑板性能与结构，如复合型滑板等，延长使用寿命，减少更换次数；（7）开发轻量节能型并具有良好高温性能的耐火材料；（8）研究开发长寿水冷烟罩、烟道等附属设备。

4 结语

转炉是一种不需外加热源的重要炼钢设备，有悠久的历史，几经改造，是目前运用最广泛的炼钢方法之一。随着炼钢工艺的进步，推动了耐火材料的发展，现在炉衬普遍使用耐侵蚀、抗热震的镁碳砖，根据不同部位的使用条件，均衡砌筑不同档次的镁碳砖。当转炉采用顶底复合吹炼技术，转炉炉龄下降，为了提高炉龄采用自流修补料对前后大面进行修补，对耳轴及其他部位进行喷补，可使炉龄达8 000炉次以上。采用溅渣护炉技术，炉衬寿命可达20 000炉次以上，武钢曾创造30 368炉次的记录。另外，顶底复吹供气元件（透气砖）的寿命短，影响复吹效果；滑动水口挡渣技术的滑板系统易损毁问题，有待进一步提高。