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耐火材料行業知識

國外煉鋼轉爐用爐襯磚的性能指標及壽命情況

煉鋼用耐火材料的消耗是很大的,并且直接影響煉鋼爐的壽命和冶煉成本。因此,在選擇耐火材料時,除應滿足冶煉工藝要求外,還要根據資源狀況,合理利用,并不斷提高原料煅燒和制磚技術,以期采用最佳的耐火材料,達到爐子長壽和低耗的目的。
目前,氧氣轉爐爐襯使用的耐火材料主要是含碳的堿性耐火材料,如焦油白云石磚、焦油鎂白云石磚、焦油鎂磚、鎂碳磚和各種浸漬磚等。另外,還有噴補用的耐火噴涂料。
從采用氧氣轉爐煉鋼以來,各國普遍用鎂質和白云石質耐火材料作爐襯,或二者混合后制磚使用?偟内厔菔浅岣咴霞兌,適當增加氧化鎂含量,提高制品密度和增加殘余含碳量的方向發展,爐襯磚的質量逐步提高,品種也不斷增加。
日本在氧氣轉爐煉鋼初期,采用的是天然白云石砂和穩定白云石砂制成的爐襯磚。天然白云石磚價格低廉,目前仍在轉爐上使用。而穩定白云石磚雖然機械性能好,可防止水化,但雜質含量多,抗渣性差,早已被淘汰。在 20 世紀60年代初期,日本研制成功了合成鎂白云石砂。用這種原料制成的焦油結合和燒成的鎂白云石磚,原料較純,燒結良好,磚的質量大大提高,現在仍是日本氧氣轉爐主要采用的耐火材料,應用十分普遍。此外,日本還在氧氣轉爐的特殊部位上使用鎂砂、電熔鎂砂為原料制成的直接結合磚及浸漬磚;合成鎂白云石砂中添加電熔鎂砂制成的耐火磚;以及采用死燒高純鎂砂和天然鱗片狀石墨為原料,用合成樹脂作結合劑制造的鎂碳磚等,也取得了良好的效果。使爐襯壽命有了很大提高。
美國頂吹氧氣轉爐開始階段使用過鎂磚、鎂鉻磚和白云石磚等。 后來基本上不用鎂鉻磚,主要采用鎂磚。 用雜質含量小于1% 的輕燒瀝青結合或瀝青浸漬的燒成。 最近美國又采用瀝青浸漬方鎂石磚和鎂碳磚作爐襯, 爐子壽命有較明顯的提高。 俄羅斯氧氣轉爐主要采用焦油白云石磚,個別廠使用鎂磚。 同時也試驗過鎂鉻磚。 但因尖晶石相不能經受高堿度熔渣的侵蝕,目前僅限于易崩裂的爐帽部位使用。
西歐各國白云石資源十分豐富,價格便宜,因此在氧氣轉爐上普遍采用白云石爐襯磚。但其壽命不及鎂質磚。為此各國一般將白云石雜質含量限制在3%以下,并添加鎂砂以提高抗渣性。近來,鎂磚或鎂白云石磚的使用范圍正在不斷擴大。德國更多地使用浸漬堿性磚;而英國氧氣轉爐用耐火材料,鎂磚占20%,白云石磚占80%,法國氧氣轉爐爐襯則采用焦油白云石磚、鎂白云石磚和焦油鎂磚砌筑。表3為西歐轉爐爐襯磚的典型性能。
目前,許多國家氧氣轉爐用耐水材料的特點是雜質含量較低,以便促進MgO與CaO顆粒之間的直接結合,提高高溫性能。若將雜質總含量從8%降低到2%以下時,爐襯壽命能提高20%~40%。因此有些國家氧氣轉爐用磚的雜質總含量限制在1.5%以下。
隨著磚中MgO含量的增加,在超高溫冶煉操作時,爐襯壽命是逐漸提高的。在高溫冶煉或正常操作時,爐襯壽命有個最佳值,如圖 1所示。對于鎂白云石磚來說,隨著MgO含量的增加,高溫強度幾乎成直線上升,抗渣性也逐漸提高。當MgO含量為60~80%時,爐襯壽命最高。在轉爐冶煉的條件下,磚中有 CaO 的存在,不但可以提高熔渣的粘度,減少對磚的侵蝕,也可以使侵入脫碳層的硅酸鹽轉化為高熔點的物質,使爐襯不致熔融剝落。同時, CaO 還能抑制或減少 FeO 對方鎂石組織結構的破壞,也能抑制MgO 隨著脫碳作用而揮發。 圖2為熔渣中 MgO 含量與侵蝕率的關系。 從圖中可以看出,隨著熔渣中 MgO 含量的增加,侵蝕率降低。 也就是說, 若致密 MgO 層的形成與保存得好,就能提高抗化學侵蝕的能力, 使爐襯損毀程度降低。 為此, 在氧氣轉爐煉鋼過程中,經常采用輕燒白云石造渣,以提高熔渣中 MgO 的含量,保護爐襯。
隨著轉爐爐襯磚體積密度的提高,鋼液和熔渣的侵蝕能力會顯著降低。 提高轉爐爐襯磚的體積密度,應采用高純原料, 經過高溫煅燒而制成燒結料。 當原料達不到要求的密度時,根據晶格活化理論,可采用二步煅燒的方法, 制取高密度的原料, 從而提高轉爐磚的體積密度及其他性能。 如圖3 所示為轉爐爐襯磚體積密度與其壽命的關系。 
在制造轉爐爐襯磚時,一般用結合劑或浸漬的方法加入碳,或者另加適量的鱗片狀石墨等,常用的結合劑有煤焦油瀝青、石油瀝青、石蠟和樹脂等。這些物質在常溫時,不但能使磚坯產生暫時的結合強度,也可防止白云石質原料顆粒的粉化;在高溫時可使耐火原料顆粒間形成碳鍵結合,提高磚的高溫性能,同時碳不易被熔渣濕潤,可降低爐襯的蝕損速度。對于白云石磚,有了炭素物質,渣中的Fe2O3不與CaO發生反應,而是被還原成FeO,并被吸收在鎂富氏體的固熔體中,對于瀝青浸漬堿性磚,其炭素均勻分布在磚基質的全部細小氣孔中,體積密度和碳含量均有提高,這樣高溫強度不但得到改善,而且抗渣性能也有較大的提高。圖4為轉爐磚中殘余碳與侵蝕深度的關系。隨著殘余碳的增加,爐襯被熔渣侵蝕的深度降低。這是由于磚中殘余碳多,熔渣難以濕潤磚襯,同時又能形成較好的致密MgO 層,可阻止熔渣的侵蝕。
在相同的條件下,磚的品種不同, 其損毀情況也有所差異。 對于焦油白云石磚的熔化層,在冶煉過程初期,熔渣呈酸性, SiO2、Fe2O3、Al2O3和MnO等雜質含量顯著增加, 并與白云石發生反應,生成 2CaO·Fe2O3、2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、MgO·FeO等低熔點物質,降低了高溫性能,使磚發生熔損。 隨著熔渣中堿度的提高, 粘性增大, 化學反應與滲透均減慢,同時由于磚中炭素的濕潤作用, 脫碳層形成得比較快, 則蝕損速度減慢, 爐襯壽命延長。
對于焦油鎂磚, 其熔化層主要礦物是方鎂石, 還有 MgO·FeO、2CaO·Fe2O3、 2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和少量的2MgO·SiO2 等。 由于 MgO 比CaO穩定, 熔化層形成較慢, 熔渣浸入磚內較深,并在脫碳層與熔化層之間積聚和反應, 致使磚組織收縮而產生龜裂。因此,鎂磚爐襯的損毀主要是熱剝落,熔損次之。
鎂白云石磚具有適宜的 MgO 和 CaO 成分, 其損毀情況介于白云石磚和鎂磚之間。當脫碳層較厚時,熔渣浸入后會使變質層增大, 容易引起結構剝落, 當熔渣侵入磚中時,鎂白云石顆粒周圍的 CaO 與其反應,使熔渣粘度提高,又能抑制熔渣的繼續侵入。 這時,爐襯磚的損毀則以熔蝕為主,而較少發生結構剝落。
鎂碳磚護襯的損毀主要是氧化—熔蝕造成的。 除氣態和液態的氧化外, 就是 MgO與碳進行反應,最終形成致密的 MgO 層。 由于磚中含有較多的鱗片狀石墨, 在氧氣轉爐煉鋼的條件下,最易形成致密層。 同時, 鎂碳磚爐襯表面有熔渣覆蓋著, 又在還原氣氛下,氧化損毀是極其緩慢的,主要是熔蝕而造成爐襯的損毀。
氧氣轉爐煉鋼生產初期,爐襯各部位通常采用相同的磚種,其厚度也基本相同。后來,根據各國的生產實踐,發現由于各部位使用條件的差異,其爐襯損毀程度也是不同的,在耳軸區、渣線區、裝料側和出鋼側等部位的爐襯最容易損毀;底吹氧氣轉爐爐底襯體也是薄弱環節。因此,目前氧氣轉爐普遍采用綜合爐襯,即根據轉爐各部位爐襯的使 用條件,選擇最適宜的轉爐磚砌筑, 以使各部位均衡蝕損, 達到延長爐襯壽命, 增加鋼產量,降低成本的目的。
氧氣轉爐采用綜合爐襯技術,是根據爐襯各部位損毀機理的不同而制定的。 從磚材質和尺寸兩個方面采取有效的措施進行選擇砌筑。 有些國家, 單純在最易損毀的部位增加爐襯厚度以提高爐齡,雖有一定的效果, 但轉爐重量增加, 爐容相對減小, 這是很不經濟的;有些國家,整個轉爐爐襯均采用優質堿性磚,也是不合理的。
轉爐裝料側受廢鋼或鐵水的機械沖擊嚴重, 當爐子直立時, 該部位又與渣線重合, 侵蝕最為嚴重,因此,應選用優質堿性磚砌筑,并適當加厚襯里。 日本在該部位采用THD-SD 磚或高純度鎂白云石磚。 美國采用瀝青浸漬燒成高純方鎂石磚, 而加拿大則使用瀝青浸漬燒成鎂磚。
渣線區爐襯主要受熔渣侵蝕, 應選用雜質含量少、組織結構致密和抗渣性強的燒成磚砌筑;耳軸區爐襯除受熔渣侵蝕外, 由于生產操作時掛渣少, 會發生劇烈的脫碳反應,因此要選用組織結構致密和含碳量高的堿性磚。
出鋼口和爐口區周圍的爐襯因受溫度驟變的影響較大, 一般采用抗熱震性好的電熔鎂磚或焦油結合穩定白云石磚砌筑。 轉爐爐底襯體受機械沖擊和磨損較重, 但遠離高溫區又不易氧化,因此采用一般堿性磚砌筑就是以滿足冶煉工藝的要求。 但當轉爐采用底吹時,爐底襯體孔洞較多, 又易產生渦流而損毀爐底。 所以應采用優質堿性磚砌筑。 轉爐永久襯損毀較輕,一般采用白云石磚或普通鎂磚砌筑, 厚度為114~150mm, 壽命可達1~2年。
日本氧氣轉爐典型的綜合爐襯, 該爐襯采用黑崎窯業公司生產的堿性磚砌筑,其性能見表7。 其中,鎂磚系采用電熔鎂砂直接結合的, 抗熱震性比較好,一般用于出鋼口等部位; 牌號THD-SDUH磚是用粗顆粒鎂白云石砂制造的, 牌號THD-ME磚則添加了電熔鎂砂。 焦油白云石磚和牌號THD-SD 磚使用在一般部位,其余大多數部位均采用鎂白云石磚砌筑,使用效果較好。
西歐大部分氧氣轉爐爐襯采用焦油白云石磚(TBD)、輕燒焦油白云石磚(TD)、富鎂白云石磚(TBE)和輕燒富鎂白云石磚(TE)等。 近來也采用焦油鎂磚(TBM)、輕燒焦油鎂磚(TM)和浸漬燒成鎂磚(FM); 美國氧氣轉爐最近也用瀝青結合或浸漬的方鎂石磚(FTM)。 如果一座轉爐從中選擇3~5 種不同材質或尺寸的堿性磚, 砌筑成綜合爐襯, 便可取得較好的使用效果。
轉爐磚尺寸也需合理設計,這對提高爐襯壽命, 降低耐火材料消耗具有重要的意義。日本某廠110t頂吹氧氣轉爐選用9 種尺寸的堿性磚, 砌筑成綜合爐襯, 其中最薄處為360mm,最厚部位為 900mm,該爐爐底采用焦油白云石磚和燒成白云石磚砌筑,厚度各為250mm;爐底拐角處厚度為630~720mm, 出鋼側厚度為 450~540mm, 均用不燒合成白云石磚砌筑;裝料側厚度為540mm, 鐵水或廢鋼沖擊處加厚至900mm, 采用燒成鎂白云石磚砌筑;兩側耳軸區損毀不一樣,一側厚為540mm, 另一側厚為450mm, 同樣采用燒成鎂白云石磚砌筑;出鋼口和爐口部位采用鎂磚作爐襯。 由于采取上述措施, 爐襯壽命提高了1倍左右,耐火材料消耗也降低了一半。


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