镁碳砖在转炉各部位上的应用

　　贺东强　李建强　姜云龙
　　国家轻工业陶瓷耐火材料质量监督检测宜兴站
　　摘　要 　镁碳砖具有高耐火性 ,良好的抗热震性、抗剥落、抗渣性。作为炉衬材料在转炉上推广使用 ,与别的炉衬材料相比 ,转炉寿命大幅提高。叙述了镁碳砖的生产过程 ,工艺流程 ,以及在转炉各部位的应用。
　　关键词 　镁碳砖 　转炉 　应用 　发展趋势
　　前言
　　炼钢转炉是一不需要外加热源 ,主要以液态生铁为原料进行炼钢的直立式圆筒形炉。其主要特点是:靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分 如碳、锰、硅、磷等 与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量 ,使金属达到出钢要求的成分和温度。根据炉衬耐火材料的性质可分为酸性转炉和碱性转炉 2 种;根据气体吹入炉内的部位 ,转炉分为底吹、顶吹、侧吹和
　　顶底复合吹炼钢转炉。镁碳砖具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐热震性强及高温下具有优良稳定性能、导热性好、耐磨损、耐剥落性好等优良特性。已在电炉、转炉及精炼炉上广泛得到应用。同时 ,由于镁碳砖不需高温烧成 ,节省能源 ,制作工艺简单 ,因而被世界许多国家迅速推广应用。我国20 世纪 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、武钢、首钢及宝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。现在我国已经成为世界上最大的镁碳砖生产国。随着镁碳砖的档次不断提高 ,转炉炉龄也有较大幅度的提高 ,为降低炼钢成本奠定了基础。
　　镁碳砖的生产
　　原材料的选用
　　研究与实践表明 ,所用原材料的质量性能对镁碳砖的生产与使用效果有较大影响。因此 ,必须严格选用各种原材料。
　　镁砂的选择
　　镁碳砖在生产过程中镁砂颗粒的大小非常关键 ,其蚀损过程大致为以下3 个方面
　　方镁石颗粒与石墨在高温真空下产生固相反应
　　如下
               
     　生成的镁蒸汽和 CO挥发。
　　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。
　　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刷裹进炉渣内。
　　近年来 ,有日本学者对电熔镁砂中的MgO含量与侵蚀深度间的关系以及镁碳砖的抗渣性与镁砂中方镁石晶粒大小之间的关系进行了深入研究，其结果如图：
                  
 

                    

　　从图1 ,图2 可以明显看出 ,生产镁碳砖不仅要注意镁砂的纯度 ,而且还要注意选用大结晶的电熔镁砂 ,并希望 CaO?SiO ≥2。在充分考虑上述因素后 ,镁碳砖选用方镁石结晶晶粒大、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。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 ,是生产镁碳砖中主要选用的原料 ,化学成分见表1。
                 

　　石墨的选择
　　镁碳砖的碳源选用石墨 ,碳能防止炉渣向砖内浸入 ,有益于提高砖的抗侵蚀性。镁碳砖一般选用天然鳞片状石墨。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。选用的石墨应分为两个档次 ,易损部位如耳轴、渣线、装料侧的加长砖宜选用L197 牌号石墨;其他部位宜选用L195 牌号石墨。对石墨中 SiO 含量应控制在最低范围。
　　结合剂的选用
　　结合剂是生产镁碳砖的关键材料 ,要求应具备以
　　下条件
　　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。
　　在热处理过程中能进一步聚合 ,使制品具有较高的强度。
　　在升温过程中应有较高的残碳性 ,并与其他碳素材料聚合 ,使制品有良好的高温性能。
　　性能稳定可靠。
　　根据上述要求 ,经过反复实践 ,选用酚醛树脂或沥青结合剂作为生产镁碳砖的结合剂。
　　防氧化剂的选用
　　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。因此向镁碳砖中添加一些与氧的亲和力大于碳的粉末 ,可大大提高镁碳砖的抗氧化能力及高温强度。
　　硅粉:有良好的防氧化效果 ,硅粉本身氧化生成二氧化硅 ,熔点较低 ,对镁碳砖的使用会带来一些负面影响 ,所以一般使用在不接触渣的部位 ,比如转炉包底、转炉炉口、炉帽等。
　　碳化硅:该原料防氧化效果与硅粉相同 ,使用部位也相同。
　　铝粉:防氧化效果良好 ,主要用在转炉渣线部位。
　　碳化硼:该原料防氧化效果良好 ,主要使用在转炉的出钢口部位。
　　以上几种防氧化剂在使用过程中都有自己的优势和劣势 ,比如铝粉 ,使用在转炉耳轴部位就会降低该部位产品的抗剥落性能。在很多情况下 ,会将几种防氧化剂配合使用 ,比如在转炉整体出钢口就会同时使用铝粉、硅粉、碳化硼。另外 ,防氧化剂的使用不单单考虑其防氧化性能 ,有时还要考虑与其他性能的反应与使用效果 ,比如在包底制品中加入适量的铝粉能大幅度的提高该部位制品的高温强度 ,从而大幅提高了该制品的抗冲击性能。
　　生产工艺流程
　　泥料的配比
　　电熔烧结镁砂为70 %～85 % ,鳞片状石墨为15 %～20 %,添加剂为 5 %～10 %,酚醛树脂 外加 为 5 %～7 %,固化剂适量。
　　实验表明 ,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。以产品的原料质量来划分 ,镁碳砖可分为高、中、低3 档 ,如表2 所示。
　　镁碳砖的生产工艺流程如图3 所示。
                     

　　泥料混练
　　泥料混练的效果直接关系着制品的质量。因此对成形工序应采取以下技术措施
　　将镁砂颗粒预热至40 ℃左右 ,确保混练均匀。
　　结合剂预热至30～40 ℃,增加流动性。
　　将固化剂与树脂预先混合再加人泥料中。
　　严格控制树脂加入量 ,要确保其均匀的润湿泥料并防止结团 ,要保证泥料的陈腐时间。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。
　　成形
　　成形工序首先要选择合适吨位的压砖机。成形时要准确控制泥料重量、确保布料均匀 ,加压次数及轻重需满足要求。
　　热处理
　　镁碳砖不需高温烧成 ,但需进行热处理。在 150～200 ℃环境下进行 24 h 烘烤后 ,物料与结合剂固化 ,使制品的强度达到要求。
　　镁碳砖的分类
　　黑色冶金行业标准中规定:镁碳砖按碳含量分为3 类 ,每类又分为3 个牌号 ,镁碳砖的各项理化指标应符合表3 的要求。
                    

　　镁碳砖在转炉炉衬上的应用
　　转炉的结构
                   
　　镁碳砖在转炉上的应用
　　转炉各部位炉衬的工作条件见表 4 ,转炉结构示意图见图4。炉口、炉帽部位温度变化剧烈 ,受渣蚀较严重 ,应选用抗热震性好 ,抗渣性强的镁碳砖。耳轴区两侧除受吹炼时损毁作用外 ,表面无保护渣层覆盖 ,不易修补 ,砖中碳易氧化 ,应砌筑抗渣性优良、抗氧化性好的优质镁碳砖。渣线部位与熔渣长期接触 ,受渣蚀严重 ,需砌筑具有优良抗渣性的镁碳砖。装料侧吹气时炉渣和钢水的喷溅作用容易造成化学侵蚀、磨损、冲刷以及装入废钢和铁水时的直接撞击和冲蚀 ,应选用具有抗渣性强、高温强度高、抗热震性好的镁碳砖。炉缸、炉底与其他部位相比侵蚀较轻 ,可选用普通镁碳砖。当采用顶底复合吹炼技术时 ,尤其是底吹 CO 、
　　等气体时 ,损毁更为严重 ,应选用抗氧化性和抗热震性好 ,高温强度高 ,抗渣性强的高级镁碳砖。根据转炉炉体部位损毁的特点 ,使用不同品级的镁碳砖配合砌筑 ,形成均衡损毁的综合炉衬。
　　镁碳砖技术发展趋势
　　纳米技术在镁碳砖中的应用。日本某研究机构已经应用纳米技术生产镁碳砖在 RH炉上试验使用 ,但是该镁碳砖成本惊人。纳米技术能否在镁碳砖生产上得到推广 ,现在还不乐观。
　　超低碳镁碳砖。在冶炼超低碳钢和不锈钢时 ,对镁碳砖中碳含量提出了新的要求 ,要求制品具有高碳镁碳砖的性能的同时 ,碳含量尽可能低 ,目前碳含量在5 %以下的低碳镁碳砖已经是比较成熟的制品 ,进一步研发碳含量在3 %以下的镁碳砖是某些生产企业正在攻关的主要课题。
　　利用新工艺对废弃镁碳砖的综合利用是今后科技工作者研究的课题之一 ,对提高企业经济效益和社会效益具有重要意义 ,有利于推动我国循环经济的快速发展和构建“节约型社会”,走可持续发展道路。减少耐火材料废弃量 ,加大耐火材料的利用率 ,是未来该领域研究发展的方向。