镁碳砖在转炉上的应用

新阳机械人

镁碳砖是70年代由日本九洲耐火材料公司渡边明等开发研制成功的一种新型耐火材料。由于该种含碳耐火制品具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐热振性强及高温蠕变小等优点，在电炉、转炉及精炼炉上广泛得到应用，使用寿命大幅度提高。同时，由于镁碳砖不需高温烧成，节省能源，制作工艺简单，因而被日本乃至全世界许多国家迅速推广应用。
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我国自80年代初开始研制镁碳砖，经电炉和精炼炉小批量使用后，收到较好的使用效果。随后，鞍钢三炼钢、武钢二炼钢及首钢等钢铁厂陆续在大、中型转炉上试验镁碳砖，转炉炉龄均大幅度提高。其中鞍钢三炼钢在转炉上采用镁碳砖后，仅用一年时间就超额完成了“七·五”转炉炉龄达千次的攻关目标。

本钢炼钢厂是于90年代开始在120t转炉上应用镁碳砖的，初次试验就将转炉炉龄由700次提高到1000次以上。在这以后随着镁碳砖的档次不断提高，转炉炉龄也有较大幅度的增加。到2003年，本钢转炉炉龄已突破万次，接近国内先进水平，为降低炼钢成本奠定了基础。
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1 镁碳砖的研制与生产

9 Z# O4 M5 l5 `  L$ M+ m  u: P) v5 F1.1 原材料的选用
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研究与实践表明，原材料的质量性能对镁碳砖使用效果有较大影响。因此，必须严格选用各种原材料。

1.1.1 镁砂的选择
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镁砂是生产镁碳砖的主要原料。要确保镁碳砖的质量要求，应选用低杂质、高纯度、经过电炉重熔且结晶发育完好的镁砂。

5 x) n1 ^& K! n7 b$ a镁碳砖在使用过程中镁砂颗粒的蚀损过程大致为:
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　 ①方镁石颗粒与石墨在或高温真空下产生固相反应如下:
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* r1 W4 W& R. F0 p　　　 MgO+C→Mg↑+CO↑

　 生成的蒸汽和CO挥发;
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②方镁石颗粒被熔渣化学熔损，包括外来炉渣及镁砂杂质中的各类氧化物的熔损;

& U7 x3 ~7 z0 `0 z3 ?　 ③镁碳砖工作层基质氧化脱碳后，其结合强度降低.在炉渣的渗透及冲刷下，方镁石颗粒脱离砖体被冲裹进炉渣内。

在充分考虑上述因素后，使用的镁碳砖选用了方镁石结晶晶粒大、结合力强、杂质少的高氧化镁含量的镁砂作为主要原料，这种镁砂不仅能降低方镁石晶体被硅酸盐相分割程度，减少熔渣对晶界的侵蚀速度，还可以提高镁砂与石墨高温共存时的稳定性。此外，由于其体积密度大、结合力强，在镁砂加工过程中可得到边界棱角鲜明的颗粒，加强与基质的镶嵌结合，提高镁砂颗粒在镁碳砖中的稳定性。
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' Y- n: I1 {3 S1 Q电熔镁砂与烧结镁砂相比具有方镁石结晶粒粗大、颗粒体积密度大等优点，是使用的镁碳砖中主要选用的原材料。考虑到使用效果与成本，使用的镁碳砖按不同比例选用各种级别的电熔镁砂。
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) W$ X  j/ k) m镁砂的颗粒配比对镁碳砖的使用效果影响也比较大。粗颗粒作为骨料在配料中占有较大比例，而临界尺寸的确定对砖的物理性能更有重要的影响。经过多年的实践，使用的镁碳砖选用了合适的粗颗粒临界粒度与比例。
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镁碳砖的基质部分由镁砂细粉和石墨组成，其品位对砖的使用性能有较大影响。经过多次调整，选用了满足本钢条件下使用的镁碳砖的基质组成部分。

5 ^2 w5 Z" v2 G. z$ B1.1.2 碳素材料的选择及加入方式
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碳素材料也是生产镁碳砖的主要原料。其种类很多，本钢使用的镁碳砖选用天然鳞片状石墨。
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, P$ Y" T' q& I! Q/ Y" O8 m天然鳞片石墨的熔点高达3700℃，它具有典型的片层状结构、高的导热率和低膨胀系数及弹性模量，是生产镁碳砖理想的碳素材料。石墨的纯度越高、鳞片越厚大，抗氧化性能就越好.高温失重也就越小，但同时价格也就越高。因此，本钢使用的镁碳砖在选择石墨时将使用效果与成本综合进行考虑。
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1.1.3 结合剂的选用

7 y3 q0 ?! v2 Y" M* u结合剂是生产镁碳砖的关键材料应具备以下条件:

　 ①常温下能保持适当的粘度和流动性，对镁砂和石墨有良好的润湿性和亲和性，不产生时效硬化;
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　 ②在热处理过程中能进一步聚合，使制品有较高的强度;

& i  h- l# N, e　 ③在升温过程中应有较高的残碳性，并与其它碳素材料聚合，使制品有良好的高温性能;

: V( I* }4 p3 z7 y& U; g- f　 ④性能稳定可靠。
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根据上述要求，经过反复实践，选用了热塑性酚醛树脂结合剂作为生产镁碳砖的结合剂。
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1.1.4 金属添加物的选用

$ s. o5 t! [( `4 t6 K4 \. I8 E镁碳砖的氧化脱碳是导致其蚀损的重要原因。镁碳砖脱碳后，造成了基质疏松、结合强度降低，被炉渣渗透熔损，镁砂骨料脱落。向镁碳砖中添加一些与氧的亲和力大于碳的金属粉末，可大大提高镁碳砖的抗氧化能力及高温强度。但由于各种金属添加物的价格较高，在选用时需兼顾成本和使用效果。

1.2 镁碳砖主要生产工艺参数的确定

1.2.1 镁砂颗粒级别的确定
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镁砂颗粒级别配比是否合理，决定了物料的堆积密度，也直接影响镁碳砖的密度和强度。
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/ I  d# n8 G' U. r9 j% r' K1 o实践表明，采用多级配比、选用合适的细粉粒度生产出的镁碳砖具有较高的密度和强度，可以满足使用要求。
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1.2.2 泥料混练

泥料混练的效果直接关系着制品的质量。因此对成型工序应采取以下技术措施:

" L7 P- Y" p& J; n- h　 ①将镁砂颗粒预热至40℃左右，确保混练均匀;

/ l4 c3 m/ i: d% l; A　 ②结合剂预热至30~40℃，增加流动性;
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　 ③将固化剂与树脂预先混合再加人泥料中;

　 ④严格控制树脂加人量，要确保其均匀的润湿泥料并防止结团，要保证捆料时间。
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7 h* {2 ~% V. m7 h; i! `% H2 e+ {加料顺序为:镁砂颗粒→石墨→结合剂→筒磨细粉→沥青，必须确保总混练时间。
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. w# ^2 D. q1 ~0 Q9 Q2 ]! H1.2.3 成型
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/ O: D  e& ]6 R. J& U3 B& b. y2 @9 q& M成型工序首先要选择合适吨位的压力机。成型时要准确控制泥料重量、确保布料均匀，打击次数及轻重需满足要求。

4 F) c2 u. B9 _" \. H/ w! B1.2.4 热处理
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# J; Q. t4 ?# Y' n- _0 m. _镁碳砖不需高温烧成，但需进行热处理。在150~200℃环境下进行24h烘烤后，物料与结合剂固化，使制品的强度达到要求。

" S8 `$ v( ^. U/ N远红外线加热室具有加热均匀的特点，因此被广泛用于镁碳砖热处理。

2 镁碳砖在转炉上的应用
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本钢120t转炉自90年代开始使用镁碳砖砌筑炉衬，转炉炉龄大幅度上升，目前已达到万次水平。

3 ]* `. g: y6 S2 U; T7 s8 j2.1 转炉炉衬砌筑

转炉炉衬由炉底、炉身(直段)、炉帽(锥段)等部位炉衬构成，其中炉身(直段)、炉帽(锥段)的交界处砌筑出钢口砖，各部位均炉衬均包括有工作层、永久层和隔热层。对炉底的砌筑要求是:应以满足复吹及确保球型表面为原则，同时各层的所留缝隙及填料需符合使用要求。炉身(直段)、炉帽(锥段)的砌筑方针是:横平、竖直、背紧、靠实和归圆。出钢口的砌筑要满足于外法兰中心对正。
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& \) N0 h  y& L9 e; S6 v2.2 镁碳砖在转炉炉衬上的应用
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尽管镁碳砖具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐热振性强及高温蠕变小等优点，但使用环境对其使用效果仍有较大影响。具体有以下几个方面:
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　 (1)装入制度:即确定转炉合理的装入量，合适的铁水、废钢比。确定转炉装入量，除了考虑要有一个合适的炉容比外，还应保持合适的熔池深度。为保证炉底不受氧气射流的冲击, 熔池深度必须超过氧流对熔池的最大穿透深度。
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5 n) z5 d3 l! j/ a6 c　 (2)炉容比:合适的炉容比对转炉炼钢操作有一定的影响。炉容比过大则会增加炼钢成本;炉容比过小则容易出现喷溅，降低炉衬使用寿命，不利于提高转炉生产率。因此在转炉生产过程中应保持设计时确定的炉容比。

　 (3)供氧制度:确定科学、合理的供氧制度，保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速度、控制喷溅和去除钢中气体与夹杂物，合理控制终点碳和温度，对转炉强化冶炼、扩大钢的品种、提高钢的质量以及提高炉衬使用寿命都有重要影响。

　 (4)造渣制度:转炉炉渣状况对炉衬侵蚀程度有较大影响。制定合理的造渣制度不仅可以确保转炉冶炼顺行、降低原材料消耗，还可以减缓转炉炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬使用寿命。

　 (5)原材料质量:转炉炼钢用原材料质量对炉衬寿命有一定影响。具体有:
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* l0 h4 |7 {6 Q. H　 ①铁水:铁水是转炉炼钢的主要原料。
# a( U3 y$ B+ A
, I  p( b9 u" ~/ U合适的硅含量、低硫含量、具有高而稳定的温度、带渣量少的铁水对保证转炉冶炼操作稳定、减少炉衬侵蚀速度具有重要作用。

　 ②废钢:废钢是用于平衡转炉热量的材料。其块度、各种元素含量及清洁程度直接影响转炉炉衬侵蚀速度。一般对废钢的要求有:块度大小应保证能从炉口顺利加入，不能过重，不得混入铁合金，不能带入任何杂质，各种成分含量需符合规定要求。

　 ③造渣材料:石灰是炼钢主要造渣材料，其有效氧化钙、生过烧率以及活性度指标对使用效果有很大影响，必须符合规定要求;
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  _# [0 D# k$ [( k* Y　 ④调渣剂:为确保炉渣中保持一定的氧化镁含量，减少炉衬镁含量的流失，在造渣过程中需加入一定的调渣剂。因此要求调渣剂中要具有一定的镁含量，同时杂质含量要符合规定要求。⑤助熔剂:由于萤石供应原因及使用时的副作用，因此现在一般采用铁锰矿石、氧化铁皮或铁矿石作为助熔剂。

　 (6)温度制度:炼钢过程温度控制和终点温度控制对转炉炉衬侵蚀速度影响也比较大。因此，在满足钢水浇铸的前提下，炼钢过程温度控制和终点温度越低对提高炉衬寿命就越有利。

　 (7)转炉炉衬维护
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# |$ s, u. S  H/ D1 @( f　 ①溅渣护炉

* C- V( W0 ?) _5 m! T0 z3 D　 溅渣所用的终点炉渣要“溅得起、粘得住、耐侵蚀”。故首先要调整好炉渣的成分、温度和流动性，溅渣时需采用合适的枪位、压力及流量，要保证有充足的溅渣时间。
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; [' `; l- P( l1 F　 ②及时修补炉衬

转炉前、后大面及两侧耳轴是易损部位.在转炉服役过程中必须进行修补。修补原则是:及时修补，在炉衬侵蚀不严重进行修补可提高补炉效果，包括前后大面和两侧耳轴。如果侵蚀严重了再补炉或喷补，则会大大降低补炉效果。出钢口状况不仅影响其使用安全，同时也影响钢水质量，必须及时进行更换。
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　 (8)生产组织

6 E! V( {/ e, l" m生产组织是否合理对转炉炉龄也产生一定影响:减少铁水或钢水的泡炉时间、及时安排转炉炉衬维护、保证转炉溅渣护炉、提高设备运转率以减少转炉热停时间、根据品种计划合理安排生产等等。这些因素都对转炉炉衬维护有较大影响。
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' F% _. r- W3 F- a% c7 j3 结论

2 T  K) i/ @0 e) N! J: V镁碳砖具有生产工艺简单、理化性能优良、对环境没有任何污染、施工方法简便的特点，被广泛用于各种冶金炉窑。本钢炼钢厂于90年代初期将镁碳砖用于转炉砌筑，经过不断进行改进，转炉平均炉龄已从最初的千次左右提高到2003年的9425次，最高炉龄达到10328次。

转炉炉龄是衡量炼钢厂管理水平的一项综合技术指标，影响因素多且互相牵连。不仅对炼钢成本产生直接影响，同时也对炼钢厂的生产效率有较大的影响。转炉炉龄的大幅度提高，对降低炼钢成本、提高炼钢生产效率具有重大意义。