精炼炉用耐火材料

1、精炼炉用耐火材料RH真空钢液循环脱气法是德国蒂森公司所属鲁尔钢（Ruhrstahl）公司和海拉斯（Heraeus）公司于1956年共同开发成功的。命名为RH真空脱气法（RH Vacuum Degassing），简称RH法。如图1所示。其法是在真空室抽真空，并在浸渍管（Immersion tube or snorkel）的上升管（Up-leg）吹入氩气，使盛钢桶中的钢液进入真空室，然后钢液从浸渍管中的另一根下降管（Down-leg）流回盛钢桶。钢液经过循环真空脱气可以脱去钢液中氢等气体并除去夹杂物。现在的RH真空精炼炉由于增设了吹氧与喷脱硫粉剂等装置，具有吹氧脱碳、提温、脱硫、脱气、排除非金属夹

2、杂物，控制钢液成分，有利于合金均匀化等功能；对钢质量有保证，可精炼出许多洁净钢种；因此，近年来，RH精炼炉发展与推广极为迅速，已成为许多钢铁公司精炼优质超低碳等钢种的一种普遍流行方法。便如我国宝山钢铁公司有300吨不同类型RH精炼炉5台，鞍山钢铁公司有100吨至260吨不同类型RH精炼炉5台，武汉钢铁公司有4台，攀枝花钢铁公司3台，其他钢铁公司和重型机械厂（如上海重型、洛阳矿山）也已有或正在新建不同类型的RH精炼炉。显然开展对RH精炼炉用耐火材料，提高其使用寿命是十分需要和重要的。 本文将根据RH精炼炉精炼条件，对耐火材料性能的要求，选用合适的耐火材质，提高其使用寿命进行分析与讨论，并针对精炼

3、硅钢需要耐火材质进行探讨。1、RH真空精炼炉类型现在RH真空精炼炉除图1所示的RH真空脱气装置外，基本上有以下类型。（1）RH-O1969年联邦德国蒂森公司恒尼西钢厂开发出了RH-O顶吹氧技术。其法是用水冷氧枪从真空室顶部向真空室内循环流动的钢液表面吹氧，降低钢液中的碳，以冶炼低碳不锈钢。（2）RH-OB（Oxyen Blowing Degassing1972年新日铁室兰制铁所根据VOD生产超低碳不锈钢原理，在RH真空室下部的炉壁砌风口砖，装置Ar冷却吹氧喷嘴，进行对循环流动钢液吹氧脱碳，加Al提温的方法，称之为RH-OB法。这一方法可炼超低碳不锈钢，铝镇静钢等。如图2所示。该技术在上世纪70

4、-80年代得到了迅速应用。但由于风口区砖蚀损严重，真空室结瘤等影响了其发展。Fig1 Schematic diagram of RH degasser图2 RH-OB法示意图(3) RH-KTB(Kawasaki Top Oxygen Blowing Degassing)或RH-TOB(RH-Top Oxygen Blowing)或RH-OTB。1988年日本川崎制铁所在真空宝顶部装置水冷氧枪吹氧,进行顶吹氧,对循环流动钢液吹氧真空脱碳，CO二次燃烧，提温，以生产汽车用冷轧超低碳薄板钢，IF钢的方法；如图3所示：图3 RH-KTB示意图 图4 RH精炼炉采用的几种脱硫技术RH-KTB法，我国引

5、进较多。（4）RH-IJ（Ingection）1985年新日铁开发出从插入盛钢桶的喷枪，向RH精炼炉的上升管中循环脱气的流动钢液喷吹脱硫粉剂的方法。脱硫粉剂用氩气携带。其优点是喷入的脱硫粉剂可以在钢液中停留较长时间，不会受到盛钢桶钢液上部来自转炉的炉渣影响。如图4所示。（5）RH-PB（RH-Powder Blowing）如图4所示脱硫粉剂或其他粉剂是从RH真空室下部炉壁的吹氧孔喷吹到钢液。（6）RH-KPB（RH-Kawasaki Top Powder Blowing）日本川崎制铁所在开发出RH-KTB后，1989年又开发了由真空室顶部氧枪向真空室钢液喷吹脱硫粉剂的技术。称之为RH-KPB。

6、武汉钢铁公司在引进RH-KTB技术的同时，只购买了PB顶喷粉装置，自行开发出喷吹工艺技术，称之为RH-WPB。1（7）RH-MFB（RH-Multifuncfion Burner）RH-MFB技术为1992年新日铁开发出，称之为多功能喷嘴技术。其冶金功能与RH-KTB相近，但在真空吹炼中还能吹入一定量天然气，天然气的燃烧可提高钢液温度，优点是真空室结瘤少。我国攀枝花钢铁公司，梅山钢铁公司引进了该技术。2RH精炼条件，侵蚀严重的部位21精炼条件RH精炼温度一般在1560至1650，真空度最高可达0.5Torr（66pa），真空处理时间每炉不超过40min。265tRH，钢液循环流动量每分钟约为2

7、00t。盛钢桶钢液上部渣层厚度一般在50-100mm，渣的碱度CaO/SiO2比在2以上，主要是从炼钢炉带来的渣。22侵蚀严重部位现在世界各国如日本、韩国、欧洲、美国等，其RH炉内所砌筑的耐火材料主要是镁铬砖。图5与5图6示出了RH-OB与RH-OTB（KTB）在真空室上部砌一般镁铬砖，真空室下部与浸渍管内砌直接结合镁铬砖时，其使用后的侵蚀情况2，3。图5 RH-OB-炉役后的侵蚀情况2图6 RH-OTB使用后真空室下部侵蚀情况3从图5与图6可以看出，不论是RH-OB或是RH-OTB（即KTB），其使用后蚀损严重的部位基本相似，主要是真空室下部、真空室底部、喉口与浸渍管；不同之处是：RH-OB

8、在真空室下部吹氧孔附近与吹氧孔对面炉壁显得侵蚀严重；而RH-OTB（即RH-KTB）则是在距真空室底上面约500mm处炉壁显得侵蚀严重。图7示出了RH-OTB在真空精炼过程中钢液剧烈流动与形成的低碱度渣对RH-OTB真空室下部炉壁侵蚀的影响。3 而RH-OB吹氧孔附近炉壁的严重侵蚀，显然是吹氧导致的局部高温以及富氧化铁渣的侵蚀与渗透的结果。图7. RH-OTB钢液流动和形成的低碱度渣对炉壁的侵蚀3在这些浸蚀严重的部位，其实浸渍管与喉口的浸蚀最为严重，一般浸渍管耐火材料的寿命只有真空室下部衬砖寿命的20%30%4。德国Thyssen Krupp钢厂RH炉通过对浸渍管与真空室联结上的改进，对浸渍管

9、即时喷补维修与间歇时间的保温，浸渍管耐火材料寿命由原来的77炉次提高到148炉次。由于浸渍管耐火材料寿命显著提高，减少了更换时导致真空室内耐火材料衬骤冷的次数，真空室下部耐火材料衬的寿命由原来288炉次提高到412炉次，真空室上部由2600炉次提高到3300炉次5。在欧洲浸渍管与喉口耐火材料衬寿命在120-180炉次，真空室下部耐火材料衬寿命在200-600炉次，真空室上部耐火材料衬寿命在1500-3000炉次6。我国RH浸渍管耐火材料衬寿命为70-100炉次，真空室下部为200-400炉次，真空室上部在2000炉次以上。总之，浸渍管耐火材料衬的寿命或耐用性制约了RH一个炉役的寿命的长短。RH

10、炉各部位耐火材料衬的寿命除与耐火材料的材质有关外，还与所炼钢种、每天精炼炉次多少，精炼一炉的时间、温度等有很大关系。例如精炼一炉深脱碳的IF钢与深脱碳、低氧电工钢要求高的真空度，精炼时间一般需要35min以上；而用RH炼纯净钢与脱气钢如船板钢、气瓶钢、低碳05板、镀锡板等钢种则只需20分钟7。 3、造成一些部位侵蚀严重部位的原因分析31高速循环流动钢液的冲刷侵蚀RH精炼过程中，由于真空室抽真空，浸渍管的上升管吹 Ar,使钢液产生速度甚大的循环流动。例如265吨的RH ，其循环流动钢液的速度高达每分钟200吨。高速流动的钢液会使与其接触的真空室下部、底部、喉口与浸渍管等通道的耐火材料衬受到甚大的

11、冲刷侵蚀。32温度波动造成的结构剥落RH精炼为间歇式生产，炉次之间的间歇时间长，会造成炉内温度很大的波动。熔渣与耐火材料都是氧化物体系，他们之间的润湿性很好；熔渣易渗入耐火材料气孔，并相互作用，形成一层甚厚的与原砖（即未变层）在化学性质与物理性质上不同的致密变质层。变质层与未变层之间热膨胀性不同，当温度发生大的波动时，变质层与未变层的边界处就会产生很大的应力，这些应力就导致产生一些平行于热面（工作面）的裂纹，从而开裂、剥落。这种剥落称为结构剥落。结构剥落对耐火材料衬造成的危害要比高温下熔体的熔蚀大得多。根据对各钢厂RH精炼炉用后镁铬砖的观察、测量，皆发现在距热面10到30mm处有平行于热面的裂

12、纹，证明确实存在结构剥落。Hong等准RH炉用的镁铬砖砌成40×40×160mm尺寸的试样，在1500×2h加热，然后分别放入温度为1000、800、600（T分别为500、700、900）炉内，保温2h，经冷一热循环各5次后，冷至室温测定其抗折强度。由测得的抗折强度与原砖的抗折强度计算出不同温差T的强度变坏率，其结果示于图82。图8 温差T对镁铬砖抗折强度损伤的影响从图8可见，温度波动越大，对耐火材料损伤越厉害。33 真空、吹氧对镁铬砖的损害图9 一些氧化物在不同温度下的蒸气压图9示出了一些氧化物在高温下的蒸气压8。从图可知镁铬砖中的主要组员：MgO、Cr2O3

13、与Fe2O3在精炼温度下，其蒸气压是不小的，属易挥发性氧化物。图10在1600氧分压PO2（atm）PO2/ PO对Mg Cr2O3与MgO蒸发速度的影响图10示出了李弘林与佐多敏之在1600时,氧分压对Cr2O3 与MgO·Cr2o3蒸发速度的影响9。图11示出了Anderson的研究结果10，图11中的一些点，是不同温度时MgCr2O4的数据，而其中实线为Cr2O3的蒸发速率，取自Ownby与Jungguist（11）。表明在1600氧分压Po2(atm)或PO2/P对Cr2O3与 MgO·Cr2O3材质蒸发速率有很大影响。从图10与图11可见，只有gPo2/P=-4-

14、5时，Cr2O3的蒸发速度最低，最适宜于铬质或MgO·Cr2O3质材料烧结致密化。这就是为什么高铬砖烧成时，炉气气氛中的氧压要控制在gPo2/ P在-4至-5或Po2=10-410-5（atm）的原因。图11氧分压对Mg Cr2O4蒸发速率影响（实线为）Cr2O3的蒸发速率取自Ownby与Jungguist11）图10与图11也正好说明Cr2O3与Mgo·Cr2o3在低氧压与高氧压下其高温蒸发反应是不同的。在高温低氧压或真空条件下：MgO(s)=Mg(g)+1/2O2(g)Cr2O3(s)=2Cr(g)+3/2O2(g)MgO·Cr2O3(s)=Mg(g)+2Cr

15、(g)+2O2(g)在高温高氧压（如吹氧）条件下：MgO(s)=MgO(g)Cr2O3(s)+3/2O2(g)=2CrO3(g)MgO·Cr2O3(s)+3/2O2(g)=MgO+2CrO3(g)在RH精炼中，既有吹氧又有抽真空。在抽真空时，氧压很低，镁铬砖中的MgO、MgO·Cr2O3会按上列高温低氧压下的反应以气体从砖中逸出。吹氧时，氧压Po2会高，镁铬砖中的MgO、MgO·Cr2O3会按上列高温高氧压下的反应以气体逸出。在真空与吹氧下，镁铬砖中的一些成分的气化逸出，会导致镁铬砖中晶粒或颗粒之间的结合减弱、鬆弛，结构恶化；在高速钢流的冲出下，很容易被冲蚀掉。Q

16、uon等在研究真空精炼VOD炉渣线镁铬砖的损毁时，也证实了这一点12。3-4 铁硅酸性渣对真空室下部炉衬的侵蚀RH-OB是在真空室下部炉壁吹氧孔进行吹氧，RH-KTB是从炉顶插入的氧枪吹氧。吹氧会使钢液中的脱碳加速。C+OCO同时由于2 CO+ O22 CO2二次燃烧,以及钢液中Fe、Si、Mn等元素氧化：2Fe+O22(FeO)Si+2O=(SiO2)Mn+o=(Mn0)2Al+3O=(Al2O3)使钢液升温，并形成高氧化铁含量的酸性渣FeO-SiO2-Mn0- Al2O3。氧化铁高的酸性渣流动性很好，易渗入耐火材料内。镁铬砖在抗酸性渣的渗透与侵蚀上很好13，14。因此，在RH精炼炉真空室下

17、部砌筑直接结合镁铬砖是合适的。3-5 脱硫粉剂的侵蚀钢的精炼过程中都要进行脱硫。脱硫粉剂主要是由萤石与石灰构成，属CaF2-CaO-Al2O3渣系。脱硫粉剂无论从盛钢桶向上升管喷入或是从顶部插入的氧枪喷入，一般都会在循环流动的钢液中保留相当时间以达到好的脱硫效果。这种保留在循环钢流中的CaF2-CaO-Al2O3渣由于其熔点低、流动性好（粘度低）对耐火材料的侵蚀与渗透都很厉害。渗入耐火材料内的熔渣会溶解耐火材料颗粒之间的一些结合物或基质，减弱结合，降低高温强度，从而更易被高速流动的钢液所冲刷带走。图12示出了Al2O3含量不同的MgO-CaO-CaF2-Al2O3系在1600时的液相区15。从

18、图12可知，当渣中同时存在有CaF2-与Al2O3时，液相区显著扩展很大。这说明MgO或MgO-CaO材料在抗CaF2-CaO-Al2O3精炼渣熔蚀上是不好的。图12含Al2o3量不同的MgO-CaO- CaF2- Al2O3系在1600时的液相区李柳生等16曾用旋转图柱体法研究过镁铬试样（MgO55%、 Cr2O327%、 Al2O310%、Fe2O35%、SiO20.65%）在加入2%5% CaF2的炉外精炼渣（CaO43%、SiO236%、Al2O35%、MgO10%、FeO3%）中的侵蚀，得出加入CaF2使镁铬试样的侵蚀速度增大，侵蚀后的镁铬试样其尖晶石的蚀洞显著增多增大如图13所示。

19、图13 KMS经SI.2A5F2渣蚀（1650，200r/min）缓冷（×270），左端为工作面Suto等用迴转抗渣法，在1650×6h条件下，进行了直接结合镁铬砖（MgO64%、Cr2O324%、Al2O34%、Fe2O35.5% 、SiO21.4，显气孔率14%）与熔粒再结合镁铬砖（MgO63%、Cr2O323%、Al2O35%、Fe2O38%、SiO21%，显气孔率13%）分别在含CaF2脱硫渣CaO- CaF2- Al2O3（CaO36.5%、CaF220%、 Al2O335%、 SiO28.5%）与铁硅酸性渣（Fe2O335%、SiO236%、CaO29%）中的侵

20、蚀试验研17。试验结果可归纳为：（1）在抗含CaF2渣与铁硅酸性渣侵蚀上，熔料再结合镁铬砖比直接结合镁铬好。熔料再结合镁铬砖抗侵蚀好的原因是由于熔料的化学成分分布均匀，结构致密。（2）直接结合镁铬砖在经含CaF2渣侵蚀后，热面基质明显地被渣优先侵蚀，表面不平，铬矿有鲜体与虫蛀的外观。而直接结合镁铬经铁硅酸性渣侵蚀后，整个表面平滑，铬矿颗粒显露。（3）脱硫渣在往镁铬砖的渗透过程中，渣中Al2O3不断与砖内MgO反应生成高熔点的MgO· Al2O3，剩余渣在渗透过程中不断溶解砖中的SiO2，生成C2S(2CaO·SiO2)或C3MS2(3 CaO· MgO·2SiO2)，最后在相当于CMS（CaO· MgO·SiO2）熔点的温度下冷凝，终止了渗透。因此熔渣在渗透过程中，余渣的Al2O3与CaO不断减少，而SiO2则不断增多，使砖中的SiO2发生了迁移。36 浸渍管耐火材料衬易蚀损的其他原因浸渍管耐火材料衬是RH炉精炼过程中蚀损最快的部位。造成浸渍管耐火材料易蚀损的原