高性能轉爐出鋼口管磚的開發與應用

蔡長秀 雷中興 徐小峰 周 輝 李亞偉 朱天彬

1）武鋼耐火材料有限責任公司 湖北武漢 430080

2）武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 湖北武漢 430081

3）武漢科技大學 高溫材料與爐襯技術國家地方聯合工程研究中心 湖北武漢 430081

轉爐出鋼口管磚的使用壽命是衡量轉爐連續作業率的一個重要指標，直接影響轉爐效率及鋼水的質量，在煉鋼過程中起著重要作用。因此，提高出鋼口管磚的使用壽命對于提高轉爐生產效率、降低生產成本具有重要意義。

由于直接受到高溫鋼水的沖刷和氧化性氣氛的氧化，以及頻繁的急冷急熱作用，出鋼口管磚的使用環境相當惡劣，使用壽命低［1］。為了提高出鋼口管磚的使用性能，研究者做了大量的工作，如改進出鋼口結構、提高原料的品味、調整原料的粒度級配、引入抗氧化劑等。引入抗氧化劑，提高鎂碳材料的抗氧化性是最近的熱點［2-8］，而且復合抗氧化劑效果較明顯。除了抗氧化性，其他性能的提高也至關重要。為了進一步優化和提高轉爐出鋼口管磚的高溫使用性能，在前人的研究基礎上，擬通過引入復合抗氧化劑、不同碳源來提高材料的高溫強度、抗熱震性和抗氧化性，以提高出鋼口管磚的使用壽命。

1 試驗

1.1 原料

試驗原料有：大結晶電熔鎂砂，w（MgO）≥98.2%，w（SiO2）≤0.6%，粒度為3～1、≤1和≤0.088 mm；鱗片石墨，w（固定碳）≥98%，揮發分≤1.0%（w），粒度≤0.15 mm，并將鱗片石墨造粒處理為造粒石墨或制備成膨脹石墨；Al粉，w（Al）≥99%，粒度≤0.088 mm；工業Si粉，w（Si）≥98%，粒度≤0.045 mm；六硼化鈣，w（CaB6）≥99%，粒度≤0.045 mm；熱固性酚醛樹脂，固定碳含量（w）≥36%。

1.2 試樣的制備

以大結晶電熔鎂砂、鱗片石墨為主要原料，分別采用Al粉、Al粉+Si粉、Al粉+Si粉+CaB6粉為抗氧化劑，制備出的試樣編號分別記為A1、A2、A3，其配比見表1。

在選定的抗氧化劑基礎上，進行碳源種類（分別為鱗片石墨、造粒石墨和膨脹石墨）的試驗，制備出的試樣編號分別記為B1、B2、B3，其配比見表2。按對應配方將原料混合均勻后在150 MPa壓力下冷等靜壓成型，經200℃保溫24 h熱處理后，加工成相應尺寸的試樣用于性能測試。

1.3 性能測試

利用相應標準測定40 mm×40 mm×40 mm試樣的顯氣孔率和體積密度（GB/T 2997—2015）以及常溫耐壓強度（GB/T 5073—2005）；采用三點彎曲法測定25 mm×25 mm×160 mm試樣的高溫抗折強度（GB/T 3002—2017），測試條件為：埋碳氣氛，1 400℃保溫30 min；對于抗氧化試驗，采用GB/T 13244—1991將干燥處理后的40 mm×40 mm×40 mm試樣在空氣氣氛下于1 600℃處理3 h，用氧化層厚度來表征試樣的抗氧化性；采用GB/T 30873—2014油淬5次（ΔT≈1 100℃）的方法來測試試樣的抗熱震性，測定熱震5次前后的常溫抗折強度，并計算熱震5次后的強度保持率（熱震后抗折強度÷熱震前抗折強度×100%）。采用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微結構。

2 結果與討論

2.1 不同抗氧化劑對試樣性能的影響

不同抗氧化劑對試樣性能的影響見表3。可以看出：三組試樣中，體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度差別不大；但高溫抗折強度變化明顯，試樣A1的高溫抗折強度最小，試樣A3的最大。這是因為在高溫條件下，試樣A3中加入的CaB6氧化生成熔融B2O3，有很好的流動性，并且與鎂砂反應生成硼酸鹽共熔體，促進燒結，提高了試樣的高溫抗折強度。

表3 含不同抗氧化劑試樣的性能

在1 600℃保溫3 h氧化燒后試樣的斷面照片見圖1，試樣A1、A2和A3的氧化層厚度分別為4.2、2.6和2.0 mm。

圖1 經1 600℃保溫3 h氧化氣氛燒后試樣的斷面圖

由圖1可以看出，采用復合抗氧化劑的試樣A2和A3的抗氧化性能明顯優于采用單一Al粉為抗氧化劑的試樣A1的，且引入CaB6粉的試樣A3的抗氧化性能最佳。這是因為試樣A1采用單一Al粉為抗氧化劑，鋁粉在中低溫時親氧性較強，在高溫下抗氧化能力不足；試樣A2中采用Al粉和Si粉的復合粉作為抗氧化劑，彌補了高溫下鋁粉抗氧化能力的不足，同時Si粉氧化生成的SiO2能堵塞材料氣孔，進一步保護碳不被氧化［9］；試樣A3中抗氧化劑除了Al粉和Si粉外，加入的CaB6粉在1 100℃左右與鎂砂反應生成一定量的低熔點硼酸鹽共熔體，對碳起防氧化作用［10］。

2.2 不同碳源對試樣性能的影響

不同碳源對試樣性能的影響如表4所示。

表4 含不同碳源試樣的性能

由表4可以看出：三組試樣顯氣孔率和體積密度沒有明顯的變化；在高溫抗折強度方面，試樣B1和B2的高溫抗折強度較高，均在28 MPa左右。

經1 600℃保溫3 h氧化氣氛中燒后試樣的斷面照片見圖2，試樣B1、B2和B3的氧化層厚度分別為4.6、4.4和9.2 mm。可以看出，試樣B3（含膨脹石墨）的氧化層最大，試樣B1（含鱗片石墨）的次之，試樣B2（含造粒石墨）的最小。分析其原因，認為與膨脹石墨具有更多的表面缺陷以及更高的反應活性有關。

圖2 經1 600℃保溫3 h氧化氣氛燒后試樣的斷面圖

含不同碳源試樣經5次熱震試驗后的抗熱震性見表5。

表5 含不同碳源試樣的抗熱震性

由表5可以看出，熱震5次后，試樣B1（含鱗片石墨）的抗熱震性最差，試樣B2（含造粒石墨）的次之，試樣B3（含膨脹石墨）的最好。這可能是因為造粒石墨或膨脹石墨的引入導致了鎂碳材料的熱膨脹系數在成型方向和平行于成型方向的差異減少，使得材料在承受冷熱沖擊時能夠降低其內部的熱應力，從而減緩或抑制了裂紋的成核及擴展，最終使得含造粒石墨或膨脹石墨的鎂碳試樣具有更優的抗熱震性。

3 現場應用

基于以上研究工作，選取綜合性能最佳的含造粒石墨試樣B2的方案制備了轉爐出鋼口管磚，并于某鋼廠轉爐試用了3根，使用壽命分別為188次、155次和200次，平均使用壽命181次。而原保產出鋼口管磚平均使用次數為125爐次，新研制管磚使用壽命提高了45%。

采用掃描電鏡觀察了原保產管磚和新研制管磚使用后的顯微結構，如圖4和圖5所示。可以發現，原保產管磚在使用后，靠近渣面及遠離渣面殘磚內部鎂砂顆粒均出現了明顯的裂紋和破碎，表明使用過程中產生了巨大的熱應力而導致試樣損壞。新研制產品在使用后，靠近渣面區域內鎂砂顆粒因為物相間熱膨脹系數的差異產生熱應力以致鎂砂骨料表面生成較多的裂紋；隨著遠離渣面方向距離增大，造粒石墨起到吸收和釋放熱應力的作用，使得試樣內鎂砂顆粒表面裂紋顯著減少，從而賦予了材料更長的使用壽命。

圖4 原保產管磚使用后的SEM照片

圖5 新研制管磚使用后的SEM照片

4 結論

（1）復合添加Al粉+Si粉+CaB6粉，鎂碳出鋼口管磚的抗氧化性能、高溫抗折強度顯著改善。

（2）以造粒石墨作為碳源有利于鎂碳出鋼口管磚的抗熱震性和抗氧化性的提高；而膨脹石墨的添加雖提高了鎂碳出鋼口管磚的抗熱震性，但降低了材料的抗氧化性。

（3）綜合考慮鎂碳出鋼口管磚的高溫強度、抗熱震性和抗氧化性，添加造粒石墨和Al粉+Si粉+CaB6粉復合抗氧化劑的鎂碳出鋼口管磚具有最優的綜合使用性能，并在某鋼廠轉爐應用，平均使用壽命181次，比之前提高了45%，效果良好。