熔分電爐耐火材料的選擇與優化

查笑樂，郝建章

（1.攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川攀枝花 617023；2.攀鋼集團研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

根據釩鈦磁鐵礦綜合利用的需要，攀鋼于20 世紀80 年代著手于釩鈦磁鐵礦直接還原的工藝研究。該工藝在前人研究的基礎上，根據釩鈦磁鐵礦特色大膽的提出直接還原-熔分深還原-鐵水提釩-高鈦渣的新工藝路線，不僅實現了釩鈦磁鐵礦冶煉鐵水的短流程，還創造性的實現鐵、釩、鈦的一次性分離和綜合回收利用[1]。但是新工藝熔分電爐自投產以來，存在較多生產運行問題，其中明弧溫度過高導致爐蓋變形嚴重、爐襯與酸性鈦渣不匹配導致爐襯的過快侵蝕，對生產、試驗運行影響最大。

目前，熔分電爐采用中碳鎂碳磚（C：14%～16%）作為耐火材料，使用壽命較低，不能滿足現場試驗的需要。為此，需要選擇一種適合熔分電爐冶煉的耐火材料。通過開展各種耐火磚的動態抗渣侵蝕對比試驗、計算、分析等方式，找到滿足熔分電爐工況可長期生產的耐火材料。特別是該耐火材料需具備較好的耐氧化亞鐵和二氧化鈦酸性爐渣的侵蝕性能，抗低碳鐵水的沖刷性優良，而且本身耐火度高，適合電爐的高溫和超高溫冶煉。

1 熔分電爐耐火材料概況

1.1 熔分電爐概況

中試線的熔分電爐主要由爐基、爐身、爐壁（爐門）、爐蓋、三相石墨電極（A 相、B 相、C 相）、耐火材料、出鐵口、出渣口、操作平臺、電極升降裝置、加料系統、排煙系統等部分組成，功率12 500 kV·A，爐體直徑7.4 m，爐膛直徑5.2 m、深2.1 m，熔池直徑3.8 m、深0.8 m。出渣口與出鐵口垂直90°分布，出鐵口正對中A 相電極。

熔分電爐冶煉末期渣鐵分離后，開渣口出渣，渣出干凈后再開鐵口出鐵。渣系為酸性渣，堿度0.2 左右。

1.2 熔分電爐耐火材料使用情況

1.2.1 初始設計耐火材料砌筑結構

熔分電爐初始設計耐火材料砌筑結構工作層主要材料是中碳鎂碳磚，爐襯永久層用鎂磚，爐底永久層采用高鋁磚、鎂磚綜合砌筑。出鐵口和出渣口采用鎂碳質預制件。

1.2.2 熔分電爐1～5 爐役耐火材料砌筑情況

熔分電爐投產后，由于侵蝕過快，對耐火材料進行大修、更換，前后實施了2～5 爐役，情況如下：第2 爐役耐火材料砌筑結構是在第1 爐役砌筑結構基礎上進行了改進和優化，減薄了熔池部位的耐火材料厚度，并在出鐵口和出渣口采用轉爐，目前使用出鋼口套磚，替代了預制件。第3 爐役耐火材料砌筑結構進一步優化，降低了鎂磚永久襯的厚度，增加了鎂碳磚襯的厚度，同時在第2 爐役基礎上增加熔池渣線以上部位耐火材料的厚度，出鐵口和出渣口仍采用出鋼口套磚，出鐵口降低50 mm 左右。第4 爐役耐火材料砌筑結構與第3爐役接近，變化不大，主要是熔池部位耐火材料稍微加厚，熔池直徑變小。第5 爐役前期耐火材料砌筑結構與第4 爐役相同，試驗后期，熔分電爐上沿鋼殼發紅，對熔分電爐的上部耐火材料進行改進，加厚了上沿鎂碳磚厚度，并砌筑鎂磚用于保護鋼殼。

1.2.3 熔分電爐1～5 爐役耐火材料侵蝕情況分析

熔分電爐1～5 爐役耐火襯在試驗中后期出現嚴重侵蝕和損毀，爐襯侵蝕嚴重的位置主要在渣線附近，特別是三相電極背后區域，呈現明顯的三相梅花瓣狀輪廓。在鐵線及以下耐火材料和渣線上部耐火材料侵蝕和損毀都不嚴重，說明爐渣對耐火材料的侵蝕影響最顯著。

根據熔分電爐的工況和冶煉條件，分析爐襯侵蝕損毀原因主要有4 點：

（1）酸性熔渣（FeO、SiO2和TiO2）對耐火材料侵蝕，鎂碳磚中的碳被氧化損失，形成孔洞，熔渣進入后與氧化鎂反應形成鐵酸鎂、硅酸鎂、鈦酸鎂等低熔點物質。

（2）超高溫冶煉條件和電弧的照射與沖刷造成耐火材料侵蝕和損毀。

（3）間歇式操作使耐火材料受冷熱交替的熱震作用，產生裂紋并掉塊，降低耐火材料的性能。

（4）熔渣與低碳鐵水受電弧的攪拌，強烈沖刷耐火材料，造成爐襯的機械沖刷損毀。

2 耐火材料侵蝕機理分析

2.1 用后耐火材料的性質變化

對用后殘存的鎂碳磚進行物理性能分析：用后耐火磚氣孔率高于原磚，超出原磚2～4 倍，體積密度略低于原磚，強度指標不到原磚強度性能的1/2，說明耐火磚使用后性能顯著降低，同一塊磚工作層性能最差，過渡層次之，永久層稍好；原磚的碳含量15%左右，經使用后，耐火磚沿工作層方向碳含量逐步降低，說明耐火磚靠近工作層的碳跟熔渣反應并被氧化流失，使磚基體疏松。

2.2 用后耐火材料微觀結構分析

取用后鎂碳磚殘磚（粘渣）分析渣層的物相組成，其XRD（X-Ray Diffraction，X 射線衍射儀）圖如圖1 所示。用后鎂碳磚物相分析顯示：鎂碳質耐火材料與渣反應后的主要物相為鎂橄欖石（Mg2SiO4）、鎂鈦尖晶石（MgTi2O5）和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）。鎂橄欖石、鎂鈦尖晶石和鎂鋁尖晶石的耐火性能遠低于氧化鎂或鎂碳質耐火材料，在高溫或超高溫下形成熔體，對耐火材料侵蝕嚴重。

圖1 鎂碳磚XRD 圖譜

3 熔分電爐耐火材料的選擇

3.1 常規物理性能對比分析

選擇鎂碳磚（高碳、中碳、低碳）、鎂碳化硅碳磚、鎂磚、鋁碳化硅碳磚、碳磚、奧爾磚（剛玉復合磚）、鎂鉻磚、碳化硅磚等進行常規物理性能分析，鎂碳磚系列體積密度、氣孔率、常溫耐壓強度、高溫抗折強度等性能都隨著碳含量的增加而降低，相比于鎂碳磚系列，鎂磚、碳磚、奧爾磚、鎂鉻磚、碳化硅轉氣孔率都較高，說明致密性較差。此外，由于該類磚都屬于燒成磚，表明該類磚高溫強度性能相對較差[2]。結合熔分電爐的冶煉條件，可初步確定鎂碳磚系列優于其他品種的耐火磚。

3.2 動態抗渣侵蝕性分析

經過3 組動態抗渣侵蝕試驗，第1 組為鎂碳系列磚（高、中、低鎂碳磚）、碳磚、鎂磚、鋁碳磚、奧爾磚（剛玉復合磚）、鎂鉻磚、碳化硅磚；第2 組為鎂碳系列磚（高、中、低鎂碳磚）、鎂碳化硅碳磚、鋁碳磚、鋁碳化硅碳磚及鋁鎂碳磚；第3 組為高鎂碳磚、鋁碳化硅碳磚系列、鎂碳化硅碳磚系列，3 組通過互相對比，找出最佳抗熔分電爐熔渣侵蝕性的耐火材料種類。

（1）第1 組：鎂碳磚系列優于鋁碳磚，碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚浸入熔渣中的部已經被全部侵蝕掉，說明碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚抗熔分渣侵蝕較差，不能滿足現場需求。鋁碳化硅碳磚抗侵蝕能力明顯比鎂碳磚系列差。而且鎂碳磚系列呈現隨著碳含量的增加，抗渣侵蝕性有所提高，說明碳的含量的提高與抗侵蝕性呈正比[3]。而對比熔渣及鐵水對耐火磚的侵蝕程度，渣是耐火材料被侵蝕的第一因素。

通過第1 組試驗對比，得出鎂碳磚系列耐火材料動態抗熔分渣侵蝕性明顯優于鋁碳磚，碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚。

（2）第2 組：高碳鎂碳磚、鋁碳化硅碳磚和鎂碳化硅碳磚的渣線被侵蝕深度最少，抗侵蝕性能最好。低碳鎂碳磚、中碳鎂碳磚渣線侵蝕相對較重，鋁鎂碳磚和鋁碳磚渣線侵蝕深度最深，抗侵蝕性能最差。

通過第2 組試驗對比，得出高碳鎂碳磚、鎂碳化硅碳磚和鋁碳化硅碳磚動態抗熔分渣侵蝕性優于其他耐火磚。

（3）第3 組：鎂碳化硅碳磚的抗熔分渣侵蝕性優于鋁碳化硅碳磚和高碳鎂碳磚，而且隨著碳化硅含量的增加，抗侵蝕性有進一步提高的趨勢，說明在鎂碳磚中添加碳化硅，能提高磚的抗渣侵蝕性。

表1 給出了高碳鎂碳磚（GMT）、中碳鎂碳磚（MT）、低碳鎂碳磚（DMT）、鎂碳化硅碳磚（MST）、鋁碳化硅碳磚（LST）、鋁碳磚（LT）、鋁鎂碳磚（LMT）的脫碳反應層厚度，其中GMT、MST 和LST 試樣被侵蝕深度最小，LT 試樣被侵蝕深度最大。

4 結束語

通過常規物理性能分析和動態抗渣侵蝕試驗分析，得出以下結論：

表1 試樣脫碳反應層的厚度 mm

（1）鎂碳磚系列耐火材料耐高溫性能優良，基體密實，氣孔率低，動態抗熔分渣侵蝕性較好，而且隨著碳含量的增加，性能更優。

（2）在鎂碳磚中添加碳化硅，能進一步改善磚的抗熔分渣侵蝕性，提高磚在高溫下的抗氧化性能。

（3）高碳鎂碳磚、鎂碳化硅碳磚更適合熔分電爐的冶煉要求。

（4）提出在熔分電爐上采用高碳鎂碳磚替代中碳鎂碳磚開展應用試驗的建議。