熔分电炉耐火材料的选择与优化

查笑乐，郝建章

（1.攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川攀枝花 617023；2.攀钢集团研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

根据钒钛磁铁矿综合利用的需要，攀钢于20 世纪80 年代着手于钒钛磁铁矿直接还原的工艺研究。该工艺在前人研究的基础上，根据钒钛磁铁矿特色大胆的提出直接还原-熔分深还原-铁水提钒-高钛渣的新工艺路线，不仅实现了钒钛磁铁矿冶炼铁水的短流程，还创造性的实现铁、钒、钛的一次性分离和综合回收利用[1]。但是新工艺熔分电炉自投产以来，存在较多生产运行问题，其中明弧温度过高导致炉盖变形严重、炉衬与酸性钛渣不匹配导致炉衬的过快侵蚀，对生产、试验运行影响最大。

目前，熔分电炉采用中碳镁碳砖（C：14%～16%）作为耐火材料，使用寿命较低，不能满足现场试验的需要。为此，需要选择一种适合熔分电炉冶炼的耐火材料。通过开展各种耐火砖的动态抗渣侵蚀对比试验、计算、分析等方式，找到满足熔分电炉工况可长期生产的耐火材料。特别是该耐火材料需具备较好的耐氧化亚铁和二氧化钛酸性炉渣的侵蚀性能，抗低碳铁水的冲刷性优良，而且本身耐火度高，适合电炉的高温和超高温冶炼。

1 熔分电炉耐火材料概况

1.1 熔分电炉概况

中试线的熔分电炉主要由炉基、炉身、炉壁（炉门）、炉盖、三相石墨电极（A 相、B 相、C 相）、耐火材料、出铁口、出渣口、操作平台、电极升降装置、加料系统、排烟系统等部分组成，功率12 500 kV·A，炉体直径7.4 m，炉膛直径5.2 m、深2.1 m，熔池直径3.8 m、深0.8 m。出渣口与出铁口垂直90°分布，出铁口正对中A 相电极。

熔分电炉冶炼末期渣铁分离后，开渣口出渣，渣出干净后再开铁口出铁。渣系为酸性渣，碱度0.2 左右。

1.2 熔分电炉耐火材料使用情况

1.2.1 初始设计耐火材料砌筑结构

熔分电炉初始设计耐火材料砌筑结构工作层主要材料是中碳镁碳砖，炉衬永久层用镁砖，炉底永久层采用高铝砖、镁砖综合砌筑。出铁口和出渣口采用镁碳质预制件。

1.2.2 熔分电炉1～5 炉役耐火材料砌筑情况

熔分电炉投产后，由于侵蚀过快，对耐火材料进行大修、更换，前后实施了2～5 炉役，情况如下：第2 炉役耐火材料砌筑结构是在第1 炉役砌筑结构基础上进行了改进和优化，减薄了熔池部位的耐火材料厚度，并在出铁口和出渣口采用转炉，目前使用出钢口套砖，替代了预制件。第3 炉役耐火材料砌筑结构进一步优化，降低了镁砖永久衬的厚度，增加了镁碳砖衬的厚度，同时在第2 炉役基础上增加熔池渣线以上部位耐火材料的厚度，出铁口和出渣口仍采用出钢口套砖，出铁口降低50 mm 左右。第4 炉役耐火材料砌筑结构与第3炉役接近，变化不大，主要是熔池部位耐火材料稍微加厚，熔池直径变小。第5 炉役前期耐火材料砌筑结构与第4 炉役相同，试验后期，熔分电炉上沿钢壳发红，对熔分电炉的上部耐火材料进行改进，加厚了上沿镁碳砖厚度，并砌筑镁砖用于保护钢壳。

1.2.3 熔分电炉1～5 炉役耐火材料侵蚀情况分析

熔分电炉1～5 炉役耐火衬在试验中后期出现严重侵蚀和损毁，炉衬侵蚀严重的位置主要在渣线附近，特别是三相电极背后区域，呈现明显的三相梅花瓣状轮廓。在铁线及以下耐火材料和渣线上部耐火材料侵蚀和损毁都不严重，说明炉渣对耐火材料的侵蚀影响最显著。

根据熔分电炉的工况和冶炼条件，分析炉衬侵蚀损毁原因主要有4 点：

（1）酸性熔渣（FeO、SiO2和TiO2）对耐火材料侵蚀，镁碳砖中的碳被氧化损失，形成孔洞，熔渣进入后与氧化镁反应形成铁酸镁、硅酸镁、钛酸镁等低熔点物质。

（2）超高温冶炼条件和电弧的照射与冲刷造成耐火材料侵蚀和损毁。

（3）间歇式操作使耐火材料受冷热交替的热震作用，产生裂纹并掉块，降低耐火材料的性能。

（4）熔渣与低碳铁水受电弧的搅拌，强烈冲刷耐火材料，造成炉衬的机械冲刷损毁。

2 耐火材料侵蚀机理分析

2.1 用后耐火材料的性质变化

对用后残存的镁碳砖进行物理性能分析：用后耐火砖气孔率高于原砖，超出原砖2～4 倍，体积密度略低于原砖，强度指标不到原砖强度性能的1/2，说明耐火砖使用后性能显著降低，同一块砖工作层性能最差，过渡层次之，永久层稍好；原砖的碳含量15%左右，经使用后，耐火砖沿工作层方向碳含量逐步降低，说明耐火砖靠近工作层的碳跟熔渣反应并被氧化流失，使砖基体疏松。

2.2 用后耐火材料微观结构分析

取用后镁碳砖残砖（粘渣）分析渣层的物相组成，其XRD（X-Ray Diffraction，X 射线衍射仪）图如图1 所示。用后镁碳砖物相分析显示：镁碳质耐火材料与渣反应后的主要物相为镁橄榄石（Mg2SiO4）、镁钛尖晶石（MgTi2O5）和镁铝尖晶石（MgAl2O4）。镁橄榄石、镁钛尖晶石和镁铝尖晶石的耐火性能远低于氧化镁或镁碳质耐火材料，在高温或超高温下形成熔体，对耐火材料侵蚀严重。

图1 镁碳砖XRD 图谱

3 熔分电炉耐火材料的选择

3.1 常规物理性能对比分析

选择镁碳砖（高碳、中碳、低碳）、镁碳化硅碳砖、镁砖、铝碳化硅碳砖、碳砖、奥尔砖（刚玉复合砖）、镁铬砖、碳化硅砖等进行常规物理性能分析，镁碳砖系列体积密度、气孔率、常温耐压强度、高温抗折强度等性能都随着碳含量的增加而降低，相比于镁碳砖系列，镁砖、碳砖、奥尔砖、镁铬砖、碳化硅转气孔率都较高，说明致密性较差。此外，由于该类砖都属于烧成砖，表明该类砖高温强度性能相对较差[2]。结合熔分电炉的冶炼条件，可初步确定镁碳砖系列优于其他品种的耐火砖。

3.2 动态抗渣侵蚀性分析

经过3 组动态抗渣侵蚀试验，第1 组为镁碳系列砖（高、中、低镁碳砖）、碳砖、镁砖、铝碳砖、奥尔砖（刚玉复合砖）、镁铬砖、碳化硅砖；第2 组为镁碳系列砖（高、中、低镁碳砖）、镁碳化硅碳砖、铝碳砖、铝碳化硅碳砖及铝镁碳砖；第3 组为高镁碳砖、铝碳化硅碳砖系列、镁碳化硅碳砖系列，3 组通过互相对比，找出最佳抗熔分电炉熔渣侵蚀性的耐火材料种类。

（1）第1 组：镁碳砖系列优于铝碳砖，碳砖、镁砖、碳化硅砖、镁铬砖、刚玉砖浸入熔渣中的部已经被全部侵蚀掉，说明碳砖、镁砖、碳化硅砖、镁铬砖、刚玉砖抗熔分渣侵蚀较差，不能满足现场需求。铝碳化硅碳砖抗侵蚀能力明显比镁碳砖系列差。而且镁碳砖系列呈现随着碳含量的增加，抗渣侵蚀性有所提高，说明碳的含量的提高与抗侵蚀性呈正比[3]。而对比熔渣及铁水对耐火砖的侵蚀程度，渣是耐火材料被侵蚀的第一因素。

通过第1 组试验对比，得出镁碳砖系列耐火材料动态抗熔分渣侵蚀性明显优于铝碳砖，碳砖、镁砖、碳化硅砖、镁铬砖、刚玉砖。

（2）第2 组：高碳镁碳砖、铝碳化硅碳砖和镁碳化硅碳砖的渣线被侵蚀深度最少，抗侵蚀性能最好。低碳镁碳砖、中碳镁碳砖渣线侵蚀相对较重，铝镁碳砖和铝碳砖渣线侵蚀深度最深，抗侵蚀性能最差。

通过第2 组试验对比，得出高碳镁碳砖、镁碳化硅碳砖和铝碳化硅碳砖动态抗熔分渣侵蚀性优于其他耐火砖。

（3）第3 组：镁碳化硅碳砖的抗熔分渣侵蚀性优于铝碳化硅碳砖和高碳镁碳砖，而且随着碳化硅含量的增加，抗侵蚀性有进一步提高的趋势，说明在镁碳砖中添加碳化硅，能提高砖的抗渣侵蚀性。

表1 给出了高碳镁碳砖（GMT）、中碳镁碳砖（MT）、低碳镁碳砖（DMT）、镁碳化硅碳砖（MST）、铝碳化硅碳砖（LST）、铝碳砖（LT）、铝镁碳砖（LMT）的脱碳反应层厚度，其中GMT、MST 和LST 试样被侵蚀深度最小，LT 试样被侵蚀深度最大。

4 结束语

通过常规物理性能分析和动态抗渣侵蚀试验分析，得出以下结论：

表1 试样脱碳反应层的厚度 mm

（1）镁碳砖系列耐火材料耐高温性能优良，基体密实，气孔率低，动态抗熔分渣侵蚀性较好，而且随着碳含量的增加，性能更优。

（2）在镁碳砖中添加碳化硅，能进一步改善砖的抗熔分渣侵蚀性，提高砖在高温下的抗氧化性能。

（3）高碳镁碳砖、镁碳化硅碳砖更适合熔分电炉的冶炼要求。

（4）提出在熔分电炉上采用高碳镁碳砖替代中碳镁碳砖开展应用试验的建议。