鎂碳磚在轉爐上的應用

新陽機械人

鎂碳磚是70年代由日本九洲耐火材料公司渡邊明等開發研制成功的一種新型耐火材料。由于該種含碳耐火制品具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐熱振性強及高溫蠕變小等優點，在電爐、轉爐及精煉爐上廣泛得到應用，使用壽命大幅度提高。同時，由于鎂碳磚不需高溫燒成，節省能源，制作工藝簡單，因而被日本乃至全世界許多國家迅速推廣應用。
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2 d# v6 T& P$ k! b我國自80年代初開始研制鎂碳磚，經電爐和精煉爐小批量使用后，收到較好的使用效果。隨后，鞍鋼三煉鋼、武鋼二煉鋼及首鋼等鋼鐵廠陸續在大、中型轉爐上試驗鎂碳磚，轉爐爐齡均大幅度提高。其中鞍鋼三煉鋼在轉爐上采用鎂碳磚后，僅用一年時間就超額完成了“七·五”轉爐爐齡達千次的攻關目標。

本鋼煉鋼廠是于90年代開始在120t轉爐上應用鎂碳磚的，初次試驗就將轉爐爐齡由700次提高到1000次以上。在這以后隨著鎂碳磚的檔次不斷提高，轉爐爐齡也有較大幅度的增加。到2003年，本鋼轉爐爐齡已突破萬次，接近國內先進水平，為降低煉鋼成本奠定了基礎。

1 鎂碳磚的研制與生產
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: x0 M+ [( g( Z. E" S1.1 原材料的選用
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研究與實踐表明，原材料的質量性能對鎂碳磚使用效果有較大影響。因此，必須嚴格選用各種原材料。

  y0 n, r$ G7 v  c8 v1.1.1 鎂砂的選擇
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2 o' c$ `# W4 ~8 ~% A9 j鎂砂是生產鎂碳磚的主要原料。要確保鎂碳磚的質量要求，應選用低雜質、高純度、經過電爐重熔且結晶發育完好的鎂砂。

& H4 {  H/ c, C1 B8 y3 x鎂碳磚在使用過程中鎂砂顆粒的蝕損過程大致為:
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　 ①方鎂石顆粒與石墨在或高溫真空下產生固相反應如下:

8 {, k4 ?. u" \$ m1 f' W　　　 MgO+C→Mg↑+CO↑

　 生成的蒸汽和CO揮發;
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②方鎂石顆粒被熔渣化學熔損，包括外來爐渣及鎂砂雜質中的各類氧化物的熔損;

( H) a/ F' U+ u　 ③鎂碳磚工作層基質氧化脫碳后，其結合強度降低.在爐渣的滲透及沖刷下，方鎂石顆粒脫離磚體被沖裹進爐渣內。

) i1 N5 c  w) T在充分考慮上述因素后，使用的鎂碳磚選用了方鎂石結晶晶粒大、結合力強、雜質少的高氧化鎂含量的鎂砂作為主要原料，這種鎂砂不僅能降低方鎂石晶體被硅酸鹽相分割程度，減少熔渣對晶界的侵蝕速度，還可以提高鎂砂與石墨高溫共存時的穩定性。此外，由于其體積密度大、結合力強，在鎂砂加工過程中可得到邊界棱角鮮明的顆粒，加強與基質的鑲嵌結合，提高鎂砂顆粒在鎂碳磚中的穩定性。
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  d# T- A* S$ J6 A0 s0 L; X電熔鎂砂與燒結鎂砂相比具有方鎂石結晶粒粗大、顆粒體積密度大等優點，是使用的鎂碳磚中主要選用的原材料。考慮到使用效果與成本，使用的鎂碳磚按不同比例選用各種級別的電熔鎂砂。

! N+ x# U* g- g- t9 a  v. ^1 T* v) [鎂砂的顆粒配比對鎂碳磚的使用效果影響也比較大。粗顆粒作為骨料在配料中占有較大比例，而臨界尺寸的確定對磚的物理性能更有重要的影響。經過多年的實踐，使用的鎂碳磚選用了合適的粗顆粒臨界粒度與比例。

& ~: R# h' \! K( i; f% ~鎂碳磚的基質部分由鎂砂細粉和石墨組成，其品位對磚的使用性能有較大影響。經過多次調整，選用了滿足本鋼條件下使用的鎂碳磚的基質組成部分。
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1.1.2 碳素材料的選擇及加入方式

0 a/ r% J+ K: k7 ~) |4 O& F碳素材料也是生產鎂碳磚的主要原料。其種類很多，本鋼使用的鎂碳磚選用天然鱗片狀石墨。
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2 u" Z$ ?. d8 J( J3 ~天然鱗片石墨的熔點高達3700℃，它具有典型的片層狀結構、高的導熱率和低膨脹系數及彈性模量，是生產鎂碳磚理想的碳素材料。石墨的純度越高、鱗片越厚大，抗氧化性能就越好.高溫失重也就越小，但同時價格也就越高。因此，本鋼使用的鎂碳磚在選擇石墨時將使用效果與成本綜合進行考慮。
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1.1.3 結合劑的選用
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結合劑是生產鎂碳磚的關鍵材料應具備以下條件:
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　 ①常溫下能保持適當的粘度和流動性，對鎂砂和石墨有良好的潤濕性和親和性，不產生時效硬化;
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　 ②在熱處理過程中能進一步聚合，使制品有較高的強度;
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　 ③在升溫過程中應有較高的殘碳性，并與其它碳素材料聚合，使制品有良好的高溫性能;

$ x, ?  V* L- d, _* ^7 Z  G　 ④性能穩定可靠。

3 v0 H& w1 _0 I* U; Z根據上述要求，經過反復實踐，選用了熱塑性酚醛樹脂結合劑作為生產鎂碳磚的結合劑。
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1.1.4 金屬添加物的選用
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鎂碳磚的氧化脫碳是導致其蝕損的重要原因。鎂碳磚脫碳后，造成了基質疏松、結合強度降低，被爐渣滲透熔損，鎂砂骨料脫落。向鎂碳磚中添加一些與氧的親和力大于碳的金屬粉末，可大大提高鎂碳磚的抗氧化能力及高溫強度。但由于各種金屬添加物的價格較高，在選用時需兼顧成本和使用效果。

1.2 鎂碳磚主要生產工藝參數的確定
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1.2.1 鎂砂顆粒級別的確定
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鎂砂顆粒級別配比是否合理，決定了物料的堆積密度，也直接影響鎂碳磚的密度和強度。
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* p9 B8 b. k2 @' V實踐表明，采用多級配比、選用合適的細粉粒度生產出的鎂碳磚具有較高的密度和強度，可以滿足使用要求。

1.2.2 泥料混練
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/ q- F$ H: ~$ d/ e泥料混練的效果直接關系著制品的質量。因此對成型工序應采取以下技術措施:
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; {0 S0 {+ o  r& |  N& p7 B) L6 q　 ①將鎂砂顆粒預熱至40℃左右，確保混練均勻;
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" m+ }, C) K) w6 q7 I) f9 N　 ②結合劑預熱至30~40℃，增加流動性;

　 ③將固化劑與樹脂預先混合再加人泥料中;

　 ④嚴格控制樹脂加人量，要確保其均勻的潤濕泥料并防止結團，要保證捆料時間。
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5 u3 z" y6 h4 I; G- P加料順序為:鎂砂顆粒→石墨→結合劑→筒磨細粉→瀝青，必須確保總混練時間。
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! V, _" S+ |8 r+ a1 Z7 E1 t3 h& Z  J1.2.3 成型
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5 E8 f/ @( r' ~成型工序首先要選擇合適噸位的壓力機。成型時要準確控制泥料重量、確保布料均勻，打擊次數及輕重需滿足要求。
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/ W- n" y3 {: B% L1.2.4 熱處理

鎂碳磚不需高溫燒成，但需進行熱處理。在150~200℃環境下進行24h烘烤后，物料與結合劑固化，使制品的強度達到要求。

遠紅外線加熱室具有加熱均勻的特點，因此被廣泛用于鎂碳磚熱處理。

3 m5 X9 j8 ^$ Z; P* S2 鎂碳磚在轉爐上的應用

本鋼120t轉爐自90年代開始使用鎂碳磚砌筑爐襯，轉爐爐齡大幅度上升，目前已達到萬次水平。

0 T% I9 F7 M6 ^( `2.1 轉爐爐襯砌筑
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) P8 N( ]0 U5 V: [' Q8 I轉爐爐襯由爐底、爐身(直段)、爐帽(錐段)等部位爐襯構成，其中爐身(直段)、爐帽(錐段)的交界處砌筑出鋼口磚，各部位均爐襯均包括有工作層、永久層和隔熱層。對爐底的砌筑要求是:應以滿足復吹及確保球型表面為原則，同時各層的所留縫隙及填料需符合使用要求。爐身(直段)、爐帽(錐段)的砌筑方針是:橫平、豎直、背緊、靠實和歸圓。出鋼口的砌筑要滿足于外法蘭中心對正。

& w% q# a2 `7 d3 N# _* L2.2 鎂碳磚在轉爐爐襯上的應用

7 X, p, W  T5 s+ f4 a盡管鎂碳磚具有耐火度高、抗渣侵性能好、耐熱振性強及高溫蠕變小等優點，但使用環境對其使用效果仍有較大影響。具體有以下幾個方面:
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　 (1)裝入制度:即確定轉爐合理的裝入量，合適的鐵水、廢鋼比。確定轉爐裝入量，除了考慮要有一個合適的爐容比外，還應保持合適的熔池深度。為保證爐底不受氧氣射流的沖擊, 熔池深度必須超過氧流對熔池的最大穿透深度。
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5 h) K8 ~* z% p5 V2 K  e　 (2)爐容比:合適的爐容比對轉爐煉鋼操作有一定的影響。爐容比過大則會增加煉鋼成本;爐容比過小則容易出現噴濺，降低爐襯使用壽命，不利于提高轉爐生產率。因此在轉爐生產過程中應保持設計時確定的爐容比。
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* t) y0 A7 x  W6 P0 z7 v/ {2 F　 (3)供氧制度:確定科學、合理的供氧制度，保證雜質去除速度、熔池升溫速度、造渣速度、控制噴濺和去除鋼中氣體與夾雜物，合理控制終點碳和溫度，對轉爐強化冶煉、擴大鋼的品種、提高鋼的質量以及提高爐襯使用壽命都有重要影響。

　 (4)造渣制度:轉爐爐渣狀況對爐襯侵蝕程度有較大影響。制定合理的造渣制度不僅可以確保轉爐冶煉順行、降低原材料消耗，還可以減緩轉爐爐渣對爐襯的侵蝕，提高爐襯使用壽命。

　 (5)原材料質量:轉爐煉鋼用原材料質量對爐襯壽命有一定影響。具體有:

  k) P0 J3 ^1 z) {* U　 ①鐵水:鐵水是轉爐煉鋼的主要原料。

3 z$ B, ^4 }$ ]$ V3 x合適的硅含量、低硫含量、具有高而穩定的溫度、帶渣量少的鐵水對保證轉爐冶煉操作穩定、減少爐襯侵蝕速度具有重要作用。

' x( f+ }" f" v7 l5 Z1 J　 ②廢鋼:廢鋼是用于平衡轉爐熱量的材料。其塊度、各種元素含量及清潔程度直接影響轉爐爐襯侵蝕速度。一般對廢鋼的要求有:塊度大小應保證能從爐口順利加入，不能過重，不得混入鐵合金，不能帶入任何雜質，各種成分含量需符合規定要求。
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" ]' r/ i- E8 K& I' D6 ?　 ③造渣材料:石灰是煉鋼主要造渣材料，其有效氧化鈣、生過燒率以及活性度指標對使用效果有很大影響，必須符合規定要求;
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　 ④調渣劑:為確保爐渣中保持一定的氧化鎂含量，減少爐襯鎂含量的流失，在造渣過程中需加入一定的調渣劑。因此要求調渣劑中要具有一定的鎂含量，同時雜質含量要符合規定要求。⑤助熔劑:由于螢石供應原因及使用時的副作用，因此現在一般采用鐵錳礦石、氧化鐵皮或鐵礦石作為助熔劑。
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　 (6)溫度制度:煉鋼過程溫度控制和終點溫度控制對轉爐爐襯侵蝕速度影響也比較大。因此，在滿足鋼水澆鑄的前提下，煉鋼過程溫度控制和終點溫度越低對提高爐襯壽命就越有利。

　 (7)轉爐爐襯維護

! k4 \4 y* _& c2 k- l! A, t/ U　 ①濺渣護爐
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1 U& ]1 ^, {, p, P2 m0 s　 濺渣所用的終點爐渣要“濺得起、粘得住、耐侵蝕”。故首先要調整好爐渣的成分、溫度和流動性，濺渣時需采用合適的槍位、壓力及流量，要保證有充足的濺渣時間。

　 ②及時修補爐襯
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* [# `7 T! I7 F轉爐前、后大面及兩側耳軸是易損部位.在轉爐服役過程中必須進行修補。修補原則是:及時修補，在爐襯侵蝕不嚴重進行修補可提高補爐效果，包括前后大面和兩側耳軸。如果侵蝕嚴重了再補爐或噴補，則會大大降低補爐效果。出鋼口狀況不僅影響其使用安全，同時也影響鋼水質量，必須及時進行更換。
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2 J9 n7 ^  w& C1 J　 (8)生產組織
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生產組織是否合理對轉爐爐齡也產生一定影響:減少鐵水或鋼水的泡爐時間、及時安排轉爐爐襯維護、保證轉爐濺渣護爐、提高設備運轉率以減少轉爐熱停時間、根據品種計劃合理安排生產等等。這些因素都對轉爐爐襯維護有較大影響。

5 @, l  I; F% w3 V: f3 結論
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8 a* N2 `+ x2 ?  r! ?" o+ q* I鎂碳磚具有生產工藝簡單、理化性能優良、對環境沒有任何污染、施工方法簡便的特點，被廣泛用于各種冶金爐窯。本鋼煉鋼廠于90年代初期將鎂碳磚用于轉爐砌筑，經過不斷進行改進，轉爐平均爐齡已從最初的千次左右提高到2003年的9425次，最高爐齡達到10328次。

' B3 i$ Z  \) q. t轉爐爐齡是衡量煉鋼廠管理水平的一項綜合技術指標，影響因素多且互相牽連。不僅對煉鋼成本產生直接影響，同時也對煉鋼廠的生產效率有較大的影響。轉爐爐齡的大幅度提高，對降低煉鋼成本、提高煉鋼生產效率具有重大意義。