王桂鹏 王健
鞍山市奥鞍耐火材料有限责任公司 辽宁鞍山 114000
摘要：近年来，随着炼钢工艺不断变化，包括更高的操作温度、越来越大的炼钢电炉容量、更强的温度急变、日益提高的合金钢质量等，对耐火材料提出了更高的要求。基于此，本文主要对炼钢用耐火材料技术的发展方向进行分析探讨。
关键词：炼钢用；耐火材料技术；发展方向
1、前言
钢铁企业是耐材消耗的大户，随着我国钢铁工业的发展，耐火材料工业相应也获得了迅速发展。炼钢用耐火材料品种多，数量大，质量要求高，如转炉炉衬最初阶段用白云石砖，炉衬寿命仅为200炉～400炉，其后用镁白云石碳砖、烧成白云石砖，于20世纪80年代中期各厂又相继开发使用了镁碳砖，使转炉炉衬寿命大幅度提高至1000炉以上。随着炼钢技术的发展，对所用的耐火材料必然提出更高的要求，炼钢用耐火材料的现状和发展必将成为大家关注的焦点。
2、炼钢电炉用耐火材料的损毁机理
炼钢电炉工作过程中通常处于碱性侵蚀气氛中，因此电炉所用的耐火材料多以碱性耐火材料为主，如MgO-C砖、MgO-Cr2O3砖、MgO-CaO质捣打料等，少部分为中性耐火材料，如Al2O3-C质材料、高铝质材料等。总体来看，电炉耐火材料的损毁因素主要有:侵蚀、氧化、冲刷及剥落等，其中占主导地位的是氧化、化学侵蚀和高温冲刷。
(1)化学侵蚀
氧化铁(FeO)或渣中的酸性组分，例如SiO2与CaO和MgO之间发生化学反应，如下所示:
FeO+MgO=FeO·MgO(1)
SiO2+2MgO=2MgO·SiO2(2)
CaO+SiO2+MgO=CaO·MgO·SiO2(3)
以上反应均能使炉衬变为熔渣，从而导致耐火材料损毁。
(2)氧化
氧化是造成电炉炉衬中耐火材料侵蚀的主要原因之一。在此过程中耐火材料中的碳成分被含氧成分(如氧化铁、氧气、氧化镁)氧化而导致材料脱碳损毁。
FeO+C(s)=Fe+CO(g)(4)
O2(g)+2C(s)=2CO(g)(5)
MgO(s)+C(s)=Mg(g)+CO(g)(6)
渣中的氧化铁与衬砖的热面中的石墨或树脂反应，或氧气侵蚀衬砖冷面的石墨或结合剂，在这两种情况下砖的强度降低，并可能被熔渣或钢水冲蚀。
在实际电炉的气氛条件下，从1700℃以上开始，反应(6)特别容易发生，产生的Mg蒸气容易扩散，产生组织劣化，这是造成镁碳砖高温损毁的主要因素之一。
(3)冲刷或机械冲击
由于钢水或熔渣流过耐火材料表面并物理性磨损或冲刷炉衬而导致了物理损毁。在电炉的出钢口、渣线、电极口或排气口平台等处冲刷蚀损是最普遍的。剥落是一种错综复杂的耐火材料损毁机理。这是由于炉衬耐火材料遭受迅速加热和冷却或与熔渣反应导致耐火材料产生应力或变质层而造成的。该应力常常超过耐火材料的强度，因而导致裂纹的相交贯穿，炉衬的碎片将会剥落或完全脱落，这种情况普遍发生在电炉炉顶上。
(4)水化
水化也是电炉耐火材料损毁的一个因素。在使用过程中水容易渗入炉盖或炉墙，水或水蒸汽能侵蚀耐火材料炉衬，其中氧化镁(或其他碱性氧化物)与水(或水蒸汽)发生如下反应而被水化。
MgO(s)+H2O(l/g)=Mg(OH)2(s)(7)
反应(7)会导致耐火材料性能大幅削弱，抗熔渣和钢水的渗透性变差。由以上损毁原因分析可知，炼钢电炉各部位选用的耐火材料对性能有以下要求:①良好的化学稳定性和体积稳定性;②材质组成不易和钢水、SiO2反应，不易产生结瘤;③不易被钢水润湿和渗透;④耐急冷、急热性能好，不易破损和剥落;⑤致密度高、气孔率低，气孔分布均匀，钢水不易渗透;⑥强度高，可抵抗机械外力冲击和钢水冲刷。
3、炼钢电炉用耐火材料的研发和应用
表1列出了世界主要国家和地区炼钢电炉用主要耐火材料，包括炉底电极、炉底、炉膛(金属线)、出钢系统和炉盖等。
表 1 世界主要国家和地区炼钢电炉用耐火材料
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由表1可以看出，电炉所用的耐火材料种类主要包括:含碳耐火材料、不定形耐火材料等。炼钢电炉不同部位用耐火材料有不同的要求，关键部位(电极、工作衬)用耐火材料的要求为:①致密度高，高温结构稳定，耐磨损;②与钢液不润湿，抗渣蚀性好;③材质以碱性或中性为宜。为了满足节能长寿、低碳环保的要求，炼钢电炉用耐火材料总体具有以下特征:低碳化、轻量化、无铬化，不定形耐火材料用量增多且发展迅速。
3．1低碳化
由于洁净钢及超低碳钢的发展以及节能降耗的要求，开发低碳耐火材料已成为必然趋势。目前，电弧炉各部位所用的含碳耐火材料如镁碳砖、铝碳质材料、Al2O3-MgO-C材料或其他含碳不定形材料，其主要的发展趋势是低碳化且长寿化。近年来，随着制备工艺的发展、新型结合剂的开发以及纳米碳在耐火材料中的应用技术的开发，使得含碳耐火材料向低碳化甚至无碳化方向发展变得有可能。
众所周知，含碳耐火材料中碳含量降低引起的主要问题是抗热震性及抗渣性下降。目前解决此问题的途径主要包括:①通过改善结合碳的碳结构提高材料的抗热震性。传统含碳材料的结合剂多为沥青或酚醛树脂，这些结合剂碳化以后的碳结构呈各向同性的玻璃态，所以使材料呈脆性，弹性模量高，对材料的热稳定性不利，且材料的高温强度也低。在沥青或酚醛树脂中引入能石墨化的炭素前躯体或具有催化作用的氧化物后，这种改性结合剂在制品使用环境下能碳化成为石墨化碳，或原位形成纳米炭纤维，通过碳结构的改善及纳米炭纤维形成的增强作用来提高材料的抗热震性及高温强度。②优化材料的基质结构。在碳含量大幅度降低的情况下，如何提高骨料颗粒与碳粒子的接触比率，即降低碳粒子的尺度并保证其高度分散，是改善低碳材料抗热震性及抗渣渗透性的重要措施之一。通过调整基质配料的粒度组成来控制气孔的尺寸、形状和分布，也会对材料的热导率产生明显影响。③采用高效抗氧化剂。随着材料中碳含量的降低，对碳的防氧化保护尤为重要，所以采用合适的高效抗氧化剂也是十分必要的。
3.2不定形化
由于电炉炼钢所用废钢资源种类的增多，尤其是低品级废钢资源的应用，使得电炉工况更加苛刻，耐火材料损毁加速。为了提高电炉的使用寿命，对电炉各个部位所用的耐火材料提出更高要求，新型不定形耐火材料的开发及修补技术的应用得到极大发展，可在不影响正常生产的情况下大幅提高炉衬的整体使用寿命。镁质捣打料多用于电炉炉底层的工作衬，由于与钢液直接接触，该部位损毁很快。白云石质捣打料具有优异的抗剥落性和耐磨性，成为可替代的材料，应用效果很好。国内某耐材公司以优质镁砂、特殊合成镁钙砂为主要原料，控制适宜的颗粒级配开发出了具有极好堆积密度的镁钙质捣打料，材料易于烧结可以形成陶瓷结合并有分层、过渡性烧结的特点，具有良好的抗冲刷与抗熔蚀性能。而喷补料主要还是镁质材料，可用于超高功率电炉渣线及热点部位。日本的研究人员开发的高抗侵蚀性白云石质捣打料以及可在高于1100℃下热喷补的白云石质与镁硅质喷补料，它们易于施工，附着性良好。对于直流电弧炉的电极套砖，通电流时受到极高温度的影响以及钢水和精炼渣的侵蚀，经常需要修补。电极套砖的修补也是通过热喷补实现的，其喷补温度≥800℃。
4、结语
为了满足电炉炼钢技术的发展需求，国内外开发了一系列高性能的耐火材料并推广应用。这些耐火材料不仅具有高温结构稳定、抗剥落、耐磨损、抗渣性好的特征，而且体现出新时代节能降耗、绿色环保的发展理念。随着电炉炼钢领域的兴起，电炉用耐火材料必将得到更好的发展。
参考文献：
[1]王铁铮等.中国耐火材料生产与进出口六十年情况简要回顾.耐火材料，2009年6月，161-163．
[2]崔新华等.承德建龙炼铁厂75吨铁水罐使用耐材的生产实践．2012年全国炼铁用耐火材料技术交流会，2012年，63-64．