转炉耐火材料优化：延长衬寿命与提升生产率的关键技术
转炉耐火材料开发目标
转炉（BOF）耐火材料开发主旨：获得工作衬有效寿命，实现转炉最大可用率。长衬寿命不仅降低耐火材料成本，更通过提高炉可用率实现高产出。
转炉耐火材料基本性能要求
- 热剥落抗性
- 耐腐蚀性
- 耐磨性
- 抗氧化性
- 高温抗折模量
转炉衬结构与材料演进
转炉通常为永久衬+工作衬。永久衬厚 100–120 mm，全高铬镁砖。工作衬材料从焦油/沥青结合白云石/镁砂、铬镁砖、镁铬砖，发展到树脂结合、含金属、石墨、烧结/电熔高纯镁砂（纯度 99%）的先进耐火材料。砖设计平衡高温强度、抗氧化、抗渣性能以求良好表现。
1950s BOF 钢法引入时，转炉用焦油白云石砖和稳定烧结白云石砖。后被半稳定烧结白云石砖、焦油结合烧结合成白云石熟料砖取代。铬镁/镁铬砖用于部分需炉。高纯烧结镁砖也用于部分需炉。1970s 末开发镁碳砖（抗腐蚀抗剥落），利用镁砂抗高碱度渣腐蚀和石墨高导热低润湿性，迅速普及。如今镁碳耐火材料衬转炉成普遍做法。
镁碳砖性能强化技术
- 防石墨氧化：添加易氧化金属（Al、Mg-Al）、碳化物（SiC、B₄C）、硼化物（CaB₆）；高纯石墨也抑制氧化
- 提升镁砂抗腐蚀：提高镁砂纯度（电熔镁砂/海水镁砂）；优化镁砂颗粒级配
- 加锆英石（ZrSiO₄）缓解服役热应力
现代高纯镁砂制备
主原料：深井/海水卤水。用烧结白云石/石灰石反应沉淀氢氧化镁 Mg(OH)₂，滤饼提固含量，直接回转窑烧制耐火级镁砂。现滤饼在多炉台炉 900–1000℃ 煅烧转化为活性镁砂，再压球/团球竖窑 2000℃ 烧结成致密耐火级镁砂（烧结镁砂）。电熔镁砂：电弧炉熔融耐火级镁砂/前驱体，出炉冷却破碎供耐火材料制造。杂质由卤水/海水成分、烧结白云石/石灰石成分、工艺技术控制，重点控 CaO/SiO₂ 比和含量，B₂O₃ 极低。高档耐火镁砂用于镁质耐火材料生产。
分带衬砌设计与平衡衬寿命
转炉不同区域磨损因素不同，实施分带衬砌：不同区域用不同质量/厚度镁碳砖或其他砖，实现磨损平衡延长衬寿。图 1 示意典型转炉分带衬砌。
优化工作衬设计关键在于平衡衬砌：依磨损规律研究，将不同耐火质量和厚度分配至各区段。磨损轻区段用低质量/薄耐火材料；最严重磨损区段保留高耐磨、通常高成本耐火材料。表 1 列出各区段磨损工况与拟用耐火材料：
| 转炉区段 | 磨损工况 | 拟用耐火材料 |
|---|---|---|
| 锥部 | 1) 氧化性气氛 | 1) 含抗氧化剂标质镁碳砖 |
| 2) 机械冲刷 | 2) 焦油结合镁砖 | |
| 3) 热机械应力 | 3) 含抗氧化剂树脂结合低碳砖 | |
| 4) 高温 | ||
| 转耳 | 1) 氧化性气氛 | 1) 含抗氧化剂优质镁碳砖 |
| 2) 渣腐蚀 | 2) 含熔融 MgO 和抗氧化剂优质镁碳砖 | |
| 3) 渣铁冲刷 | 3) 高强优质镁碳砖 | |
| 装料冲击区 | 1) 机械冲击 | 1) 浸焦油烧结镁砖 |
| 2) 废钢铁水磨蚀 | 2) 含抗氧化剂标质高强镁碳砖 | |
| 3) 高强低碳镁砖含抗氧化剂 | ||
| 出钢冲击区 | 1) 渣冲刷 | 1) 含抗氧化剂优质镁碳砖 |
| 2) 高温 | 2) 含金属添加剂高强低碳镁砖 | |
| 3) 机械冲蚀 | 3) 含抗氧化剂标质镁碳砖 | |
| 翻渣渣线 | 1) 严重渣腐蚀 | 1) 含抗氧化剂优质镁碳砖 |
| 2) 高温 | 2) 含熔融镁砂和抗氧化剂优质镁碳砖 | |
| 炉底及冶金区（底吹炉） | 1) 流动铁/渣/气冲刷 | 1) 含抗氧化剂标质高强镁碳砖 |
| 2) 膨胀致热机械应力 | 2) 无金属添加剂、低热膨胀良好导热镁碳砖 | |
| 3) 气冷风口与周围衬温差致内应力 | 3) 浸焦油烧结镁砖 |
耐火材料成本与技术经济权衡
耐火材料成本跨度大，高档砖可达常规焦油/沥青白云石砖 6 倍。衬砌设计升级使高成本耐火材料用量增加。但高成本耐火材料使用须论证转炉车间整体技术经济性。
例：转炉车间平均 4000 炉，衬成本增 25%，衬寿需增至 5000 炉维持耐火成本。但需炉可用率保产量高峰期时，较小衬寿增幅和较高耐火成本可被更高可用率合理化。
衬砌设计优化时，操作变量对衬磨损影响至关重要。据此可评估控制不利磨损参数的可能性和增加操作成本延长衬寿的经济权衡。总体上，改善工艺控制（如副枪）利于衬寿。此外，加白云石质石灰供渣 MgO、最小化萤石加入、控制熔剂加入和吹炼实践降低渣中 FeO 利于衬寿。这些实践需优化得最具成本效益的衬性能。
即使操作条件改善、衬砌设计平衡磨损、采用最佳砖技术，磨损仍不均匀。通常用喷补耐火材料和挂渣维护延长衬寿。
制造工艺