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1、第15章 炉衬材料及其维护,徐祥斌2012-12-28,1878年，两英国人用含氧化镁或白云石的碱性耐火砖做转炉炉衬，再向熔池中加入石灰脱除磷和硅。碱性转炉提供了铁水与石灰发生反应的条件，从而避免了炉衬的损坏。当代LD 转炉镁碳砖作炉衬。镁碳砖以“死烧”或电熔镁砂和碳素材料为原料，兼备了镁质和碳质耐火材料的优点，耐火度高，抗渣性强，热稳定性好，避免镁砂颗粒产生脱落。碳网络结构将氧化镁颗粒紧密牢固地连接在一起。提高炉衬寿命，可达万炉以上。,一、转炉内衬用砖,转炉内衬：绝热层（耐火纤维）、永久层（低档镁碳砖、焦油、白云石或镁砖）和工作层（镁碳砖）综合砌炉：视衬砖损坏程度的差异，砌筑不同不同材质或同
2、一材质不同级别的耐火砖。如工作层等环境恶劣、容易损坏或不宜修补的部位，砌筑高档镁碳砖；而永久层等损坏较轻又易修补的部位，可砌筑中档或低档镁碳砖。这样整个炉衬的蚀损程度均衡，可延长炉衬的整体寿命。,炉口部位。这个部位温度变化剧烈，熔渣和高温废气的冲刷比较厉害，在加料和清理残钢、残渣时，炉口受到撞击，因此用于炉口的耐火砖必须具有较高的抗热震性和抗渣性，耐熔渣和高温废气的冲刷，且不易粘钢，即便粘钢也易于清理的镁碳砖。炉帽部位。这个部位是受熔渣侵蚀最严重的部位，同时还受温度急变的影响和含尘废气的冲刷，故使用抗渣性强和抗热震性好的镁碳砖。此外，若炉帽部位不便砌筑绝热层时，可在永久层与炉壳钢板之间填筑镁砂
3、树脂打结层。,渣线部位。这个部位是在吹炼过程中，炉衬与熔渣长期接触受到严重侵蚀而形成的。在出钢侧，渣线的位置随出钢时间的长短而变化，大多情况下并不明显，但在排渣侧就不同了，受到熔渣的强烈侵蚀，再加上吹炼过程其他作用的共同影响，衬砖损毁较为严重，需要砌筑抗渣性能良好的镁碳砖。两侧耳轴部位。这部位炉衬除受吹炼过程的蚀损外，其表面又无保护渣层覆盖，砖体中的碳素极易被氧化，并难于修补，因而损坏严重。所以，此部位应砌筑抗渣性能良好、抗氧化性能强的高级镁碳砖。,熔池和炉底部位。这部位炉衬在吹炼过程中受钢水强烈的冲蚀，但与其他部位相比损坏较轻。可以砌筑含碳量较低的镁碳砖，或者砌筑焦油白云石砖。若是采用顶底复
4、合吹炼工艺时，炉底中心部位容易损毁，可以与装料侧砌筑相同材质的镁碳砖。,二、转炉出钢口砖,转炉的出钢口除了受高温钢水的冲刷外，还受温度急变的影响，蚀损严重，其使用寿命与炉衬砖不能同步，经常需要热修理或更换，影响冶炼时间。改用等静压成型的整体镁碳砖出钢口，由于是整体结构，更换方便多了，材质改用镁碳砖，寿命得到大幅度提高，但仍不能与炉衬寿命同步，只是更换次数少了而已。,三、复吹转炉底部供气用砖,在转炉炉衬中底吹供气砖是一个具有特殊地位的砖种。严格地讲，底吹供气砖已经脱离了原有耐火砖的概念，而具有一定的功能特征。因此，一般定义这类耐火材料为功能性耐火材料。通过供气砖向炉内吹入CO2、N2、Ar，在钢
5、水中形成大量气泡、搅动钢水，使供气砖及其周边的炉底衬砖受到严重冲刷和侵蚀。尽管采用的是优质镁碳质耐火材料，但还是难以达到与整个炉衬同步损毁的目的。因此，如果炉衬寿命在几千上万次时，中途则要更换供气砖。,四、炉衬寿命,炉龄：一个炉役炼钢的炉数叫做炉龄，也称炉衬寿命。意义：这是转炉炼钢生产的一个重要技术经济指标，炉龄的高低或炉衬寿命的长短，不仅影响炉衬的吨钢消耗，而且影响转炉的生产率，从而影响工厂的经济效益。因此，各厂均在想方设法提高炉龄，降低衬耗。现状：20世纪70年代以来，转炉的衬砖由原来的白云石砖改用镁碳砖配合溅渣护炉，炉衬寿命从几百炉至千余炉提升到目前的万炉以上。,炉衬破损的规律1）不同的
6、部位，工作条件不同，损坏的程度不同一般地，出钢口四周损坏较为严重（出钢时冲刷）；熔池液面的一周即渣线损坏得最为严重（炉渣侵蚀厉害），尤其是耳轴处（承受扭矩，易裂而加速炉渣侵蚀）；其余的地方则损坏较轻。2）一炉钢冶炼过程中的不同时期侵蚀速度不同吹炼的前2分钟侵蚀速度最快（碱度低），28分钟稍慢，89分钟再次加快（脱碳速度快冲刷厉害），912分钟很慢，而后至终点侵蚀速度又略加大（温度高）。,炉衬损坏的原因：（1）化学侵蚀：渣中的SiO2、FeO等可与碱性炉衬作用生成低熔点的盐类；（2）高温热流的作用：来自炉内高温钢液和炉渣，尤其是一次反应区的高温热流有可能使炉衬表面软化或处于熔融状态；（3）机械破
7、坏：如熔池内环流的冲刷、装料时的撞击和冲刷等；（4）急冷急热的作用：终点前温度很高，出钢后温度急降，装完料开吹后又急升。炼钢生产的这一特点会使炉衬表面出现裂缝，而加速炉衬的破损过程。,五、炉衬砖的蚀损机理,炉衬耐火材料的损毁机理与耐火材料的化学成分、矿物结构，炼钢工艺过程等一些十分复杂的因素有密切关系，因此要在理论上完全说清楚几乎是不可能的。几十年来，人们对炼钢熔体与耐火材料之间的高温物理化学反应做过大量的研究，但是现在所能作出的结论，也还只是宏观的或是经验性的。归纳起来炉衬损毁的原因大致分成四类：机械冲击和磨损；耐火材料高温溶解；高温溶液渗透；高温下气相挥发；。,基本蚀损原因,转炉渣的成分主
8、要为CaO，SiO2，FeO等，当炉渣碱度偏低时，对以CaO，MgO为主要成分的炉衬耐火材料侵蚀严重，炉衬寿命降低；相反，当炉渣碱度较高时，对炉衬的侵蚀则较轻微，炉衬寿命也相对有所提高。这导致炼钢工艺中造渣技术的变革，采用轻烧白云石造渣，结果炉衬寿命有较大幅度的提高。炉渣中含有氟离子、金属锰离子等时，或者熔池温度升高到l700以上，溶液的粘度会急骤下降，炉衬的损毁速度加快，寿命大幅度降低。所以转炉钢水温度偏高，会使炉衬寿命相应降低。,溶液渗入耐火材料内部的成分包括：渣中的CaO、SiO2、FeO；钢液中的Fe、Si、Al、Mn、C，甚至还包括金属蒸气、CO气体等。这些渗入成分沉集在耐火材料的毛
9、细孔道中，造成耐火材料工作面的物理化学性能与原耐火材料基体的不连续性，在转炉操作的温度急变下，出现裂纹、剥落和结构疏松，严格地说这个损毁过程要比溶解损毁过程严重得多。因此，要降低溶液对耐火材料的渗透，措施有：a.应降低炉衬耐火材料的气孔率和气孔的孔径；b.在耐火材料中加入与溶液不易润湿的材料，如石墨、碳素等；c.严格控制溶液的粘度，即控制冶炼强度、控制出钢温度等。,由炉衬材料的抗渣侵蚀性试验，可得出镁碳砖的渣浸蚀过程为：石墨氧化方镁石相被渣中SiO2、Fe2O3侵蚀反应生成的低熔物被熔失。在含碳炉衬的耐火材料中，随着碳含量的增加抗渣侵蚀性会有提高，但不是碳含量越高越好，因为碳含量越高，氧化失碳
10、后炉衬耐火材料的结构越疏松，使用效果会变差。通过从大量的抗渣试验研究和转炉实际操作可以得出一些炉衬耐火材料抗侵蚀性的认识：(1)铁水成分对炉衬耐火材料寿命有显著影响，特别是硅、磷、硫的含量。(2)转炉终点温度过高将导致炉衬寿命降低，特别是当终点温度在1700以上，每提高10，炉衬耐火材料的侵蚀速率都会有显著增加。,(3)提高炉渣碱度有利于降低炉渣对碱性耐火材料的侵蚀。(4)提高渣中MgO含量，可以降低炉渣对炉衬耐火材料的侵蚀。(5)提高渣中FeO含量会导致炉衬耐火材料侵蚀加剧。(6)转炉吹炼初期，渣碱度比较低，对炉衬侵蚀严重，应采用白云石造渣，使渣中MgO含量接近饱和状态。(7)萤石对炉衬也有
11、侵蚀，因此应尽量降低萤石的加入量。(8)白云石、镁白云石耐火材料中，MgO的抗渣侵蚀性要优于CaO，但是有CaO存在可以提高耐火材料的高温热塑性和抗渣渗透性。(9)要求炉衬耐火材料的原料有较高的纯度，如镁白云石砂要求杂质总量SiO2+A12O3+FeO小于3；其他如电熔镁砂、石墨等也有类似要求。,六、炉衬寿命的影响因素,炉衬转的材质：高温下衬砖中的碳被渣中的FeO及炉气中的O2氧化，使得熔渣对炉衬的润湿程度增加，渣中的FeO、Fe2O3、SiO2便侵入砖中与MgO及CaO作用生成低熔点的盐如CaOMgOSiO2（1390）、2CaOMgO2SiO2（1450）等，使衬砖的耐火度和高温强度下降，
12、炼钢温度下呈熔融的薄膜状态，在钢液、炉渣及炉气的冲刷下脱落下来，如此“氧化脱碳化学侵蚀机械冲刷”往复进行，炉衬便渐被侵蚀。,应该指出的是：熔渣的化学侵蚀作用在冶炼的前几分钟主要是SiO2，而后则主要是FeO；而且SiO2的侵蚀作用远不如FeO，这是因为：（1）FeO可增大熔渣对炉衬润湿的程度；（2）Fe2+、Fe3+、O2-的半径最小，传质系数最大；（3）FeO还具有氧化脱碳作用；（4）FeO可与CaO、MgO生成更多的低熔点化合物。吹炼工艺：铁水成分和工艺制度等对炉衬寿命有很大影响。,七、提高炉龄的措施,提高衬砖的质量：措施主要是采用高质量的制砖原料，生产镁碳砖的材料主要有镁砂、石墨和结合剂
13、三种。综合砌炉：据炉衬各部位的工作条件不同，生产中侵蚀程度不同的特点，在同一转炉上采用不同质量的衬砖搭配砌筑，使炉衬均衡破损，炉龄延长的砌炉方法。系统优化生产工艺：采用铁水预处理-少渣冶炼工艺；实现冶炼过程自动控制；应用复吹技术和活性石灰：及时喷补侵蚀严重部位：喷补是通过专门设备利用高压气体将耐火材料喷射到红热的炉衬表面，进而烧结成一体，使损坏严重的渣线、耳轴等部位得到修复，从而延长炉衬的使用寿命。喷补的方法有湿法、半干法和火焰喷补三种。应用溅渣护炉技术，充分发挥护炉效果。,15.2溅渣护炉,一、发展概况,1991年，美国LTV公司的印地安那哈的厂用溅渣作为全面护炉的一部分。1994年9月该厂
14、232t顶吹转炉的炉衬寿命达到15658炉，喷补料消耗降到0.38kgt钢，喷补料成本节省66，转炉作业率由1984年的78提高到1994年的97。美国内陆钢公司炉龄已超过20000炉。加拿大、英国、日本等也已相继投入试验和应用。我国从1994年开始转炉溅渣护炉试验，采用和发展的速度很快。鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等一些转炉厂采用溅渣护炉技术，炉龄大幅度提高，取得了明效果。其中，宝钢、首钢炉龄已逾万炉。,二、基本原理,溅渣补炉的基本原理：是在转炉出钢后，调整终渣成分，并通过喷枪向渣中吹氮气，使炉渣溅起并附着在炉衬上，形成对炉衬的保护层，减轻炼钢过程对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀，从而达到保护炉衬
15、、提高炉龄的目的。如：太钢目前的三段溅渣法(前期不溅，中期间隔溅，后期炉炉溅)，溅渣时炉衬最大平均侵蚀速度为0.095mm炉，相当于不溅渣时侵蚀速度的13。,溅渣,未溅渣,溅渣与未溅渣时残留炉衬对比图,三、特点,操作简便 炉渣调整成分后，利用氧枪和自动控制系统，改供氧气为供氮气，即可降枪进行溅渣操作；成本低 充分利用了转炉高碱度终渣和制氧厂副产品氮气，加少量调渣剂(如菱镁球、轻烧白云石等)就可实现溅渣，还可以降低吨钢石灰消耗；时间短 一般只需34min即可完成溅渣护炉操作，不影响正常生产；溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上，基本上不改变炉膛形状；工人劳动强度低，无环境污染；炉膛温度较稳定，炉衬砖无急
16、冷急热的变化；由于炉龄提高，节省修砌炉时间，对提高钢产量和平衡、协调生产组织有利；,三、溅渣护炉用熔渣的要求,合适的炉渣成分，成份决定黏度终渣中MgO8%10%，渣中TFe含量决定于终点碳含量和是否后吹炉渣的黏度：“溅得起、黏得住、耐侵蚀”，黏度与矿物组成和温度有关。溅渣层炉渣的分熔现象 温度升高时，低熔点矿物首先熔化，缓慢地从溅渣附着层流淌下来，与高熔点相分离，熔入高温熔渣中，残留于炉衬表面的溅渣附着层为高熔点化合物，提高了附着层的耐高温性能。,四、溅渣层与炉衬的结合和保护炉衬的机理,溅渣层与镁碳砖的结合部分为三个区域：烧结层、结合层和溅渣层。其结合机理为：在溅渣初期，低熔点流动性好的富铁炉
17、渣沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散，形成以（MgOCaO）Fe2O3为主的烧结层，固化了镁碳砖表面脱碳层，随溅渣进行，颗粒状的高熔点氧化物（C3S，C2S和MgO）被溅射到衬砖表面，形成以镶嵌为主的机械结合，同时富铁的低熔点炉渣包裹在砖表面突出的MgO颗粒周围形成的化学结合层，减轻了熔渣对衬砖表面的直接冲刷蚀损，抑制了镁碳砖表面的氧化。随溅渣的进一步进行，大颗粒C3S，C2S和MgO晶团被溅射到结合层表面，并与铁酸钙、RO相结合，冷却固熔形成衬砖表面溅渣层，新溅有效了炉衬地保护渣层-溅渣层的结合届。,五、溅渣工艺操作步骤,1)将钢出尽后留下全部或部分炉渣；2)观察炉渣稀稠、温度高低，
18、决定是否加入调渣剂，井观察炉衬侵蚀情况；3)摇动炉子使炉渣涂挂到前后侧大面上；4)下枪到预定高度，开始吹氮、溅渣，使炉衬全面挂上渣后，将枪停留在某一位置上，对特殊需要溅渣的地方进行溅渣；5)溅渣到所需时间后，停止吹氮，移开喷枪；6)检查炉衬溅渣情况，是否尚需局部喷补，如已达到要求，即可将渣出到渣罐中，溅渣操作结束。,有效地利用高速氮气射流将炉渣均匀地喷溅在炉衬表面，是溅渣护炉的技术关键，其效果取决于：熔池内留渣量和渣层厚度；熔渣的物化性质，包括成分、熔点、过热度、表面张力和粘度；溅渣气体的动力学参数，包括喷吹压力和流量，枪位及喷枪孔数和夹角等。,六、基本工艺参数,1)熔池内的合适渣量冷态试验结
19、果，各种顶吹气体流量条件下，11渣量溅渣效果最好。国内几家钢厂溅渣实践和效果表明，渣量在100kgt较为合适。2)炉渣性质渣成分-终渣碱度(GaO/SiO2)为3左右、MgO含量8左右就可以保证MgO达到饱和。严格控制渣中FeO含量。炉渣粘度-渣稠不易溅起且附着力差；渣稀，溅渣覆盖较易，但覆盖层较薄。调渣剂-改变渣成分，提高熔化温度，提高护炉效果。,3)氮气压力和流量按照各厂溅渣经验，氮气压力一般与氧气压力接近时，可取得较好效果。4)顶吹喷枪工艺参数枪位-最大溅渣量与一定枪位对应，枪位过高或过低都使溅渣量减少。喷枪夹角-12喷孔夹角喷枪溅渣效果优于14.5夹角喷枪。5)复吹转炉底气对溅渣的影响
20、-复吹转炉溅渣量比顶吹转炉多，而且溅渣量更集中于耳轴部位。6)溅渣时间-一般吹氮时间为35min。溅渣护炉存在的问题之一是炉底上涨、底吹喷孔堵塞，这一问题在国内外均未得到很好解决。,溅渣量与顶枪枪位、气体流量及渣量之间的关系(顶枪夹角14.5),a渣量8%；b渣量11%；c顶吹气体流量26.8m3/h 顶吹气体流量：1-19.2m3/h；2-23.0m3/h；3-26.8m3/h,底气对转炉溅渣量影响,顶枪夹角14.5，顶吹气体流量23.0m3/h，渣量11%底吹气体流量：1-0 m3/h；2-0.825 m3/h;3-1.65 m3/h;,七、溅渣护炉带来的问题,1)炉底上涨-炉渣在炉底停留
21、的时间越长，粘结在炉底的就越多，导致炉底上涨。炉底上涨太多时，可加入小块硅铁并吹氧，将上涨部分侵蚀掉。2)喷枪粘结-喷枪冷却强度大时，喷枪不易结渣，即使有粘渣，移出喷枪喷水冷却，粘渣就会掉落。如果炉内有残留钢液，则会使喷枪表面粘钢，这时，粘结的炉渣在冷却后不易脱落。,3)设备维修问题-炉衬寿命的延长，原来更换炉衬时维修的项目如水冷烟罩、管道的清理维修，转炉驱动装置、冷却系统、除尘系统、盛钢桶车、吊车等都有相应延长服役时间问题，现在一些钢厂采用不同炉龄段计划维修的办法。4)经济炉龄问题-经济炉龄与炉龄和原料价格有关。每个转炉厂不同阶段都有一个经济炉龄区，即吨钢成本最低，取得最佳经济效益炉龄区。炉
22、衬砖和修砌费的成本与炉龄成反比关系，而氮气、补炉料、稠渣剂等的费用随炉龄增长而消耗量增加，对降低成本的负效应也越大，所以炉龄不是越高越好。,八、溅渣护炉的经济效益,1)耐火材料消耗大幅度降低 美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉炉役达到15658炉时，炉衬砖消耗由1.2kgt钢降到0.38kg/t钢，补炉料消耗也降到0.37kgt钢。由于耐火材料消耗降低，使吨钢成本减少0.45美元。鞍钢转炉溅渣护炉试验也取得了明显效益，炉衬砖消耗下降0.7kgt，减少至0.8kgt；喷补料下降1.22kgt，减少至0.88kgt。2)减少废渣排出 溅渣护炉采用炼钢终渣作为护炉材料，从而减少了废弃渣量。废旧炉衬砖作为
23、含镁稠渣剂，也减少了废弃衬砖的数量，有利于环境保护。,3)大幅度地提高转炉作业率美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉后，转炉作业率由原来的78提高到97，砌炉造成的炼钢停产由原来每年81天减少到11天。鞍钢转炉试验后很短时间炉龄提高到2倍以上，生产能力提高5以上，吨钢综合成本降低6元。4)投资回报率高 美国阿尔戈马钢公司认为：溅渣是一种经济可行的操作，投资回收期不到一年。我国对19个冶金企业62座转炉的测算，投资回收期为1.3年。,九、开新炉操作,准备工作：检查所有设备和系统并试车炉衬的烘烤：均采用焦炭烘烤法，使炉衬表面具有一定厚度的高温层开新炉操作：第一炉不加废钢，全部加铁水配加材料Fe-Si或焦炭补充热量加造渣材料不回收煤气，降罩操作出钢温度比正常吹炼高20开新炉6炉内连续炼钢，100炉内部计划停产,十、炼钢系统其他耐火材料,铁水包、钢包、中间包与转炉相似，内衬都由绝热层、永久层、工作层组成。绝热层与转炉相同，永久层用高铝砖或粘土砖。铁水包：高铝砖或红柱石,钢包：包壁和包底可砌筑高铝砖，渣线部位砌筑镁碳砖,中间包：多使用MgO含量80%的30mm的干式耐火材料+石墨捣固成型或热振东成型。包底安装水口用坐砖用高铝质砖,
