轉爐爐襯指的是轉爐金屬爐殼內砌築的耐火材料層。轉爐爐襯的主要功能是為高溫冶金熔體完成煉鋼反應提供經久耐用的容器。要求爐襯材料能耐受高溫及溫度的劇烈波動，耐爐渣的化學侵蝕能抵抗鋼水的機械衝擊和磨損。
基本介紹
- 中文名：轉爐爐襯
- 外文名：converter lining
- 學科：冶金工程
- 定義：轉爐金屬爐殼內砌築的耐火材料層
- 作用：提供經久耐用的容器
- 材料：鹼性耐火材料
品種和質量,選用,損毀原因,
品種和質量
轉爐爐襯全部用鹼性耐火材料。耐火材料種類十分廣泛。按其形態可分為定形製品和不定形製品兩大類，或分為燒成製品和不燒成耐火材料。定形製品包括燒成磚和打結成形磚。不定形材料是散狀的耐火材料，可在砌爐時填充於特殊部位或打結成整個爐襯。
鹼性耐火氧化物主要是MgO和CaO。根據其比例的不同有白雲石、高鎂白雲石和方鎂石等類別。自然界的菱鎂礦煅燒後成為方鎂石。方鎂石是純MgO晶體，熔點2800℃，是優質鹼性耐火材料。白雲石是相等的CaO和MgO相間構成的晶體，熔點約2500℃，資源分布廣泛，價格便宜。高鎂白雲石的MgO含量比白雲石高，但低於方鎂石。有天然存在的高鎂白雲石，也有以人工配製提高了白雲石MgO含量製成的。方鎂石的耐火度和抗爐渣侵蝕能力優於白雲石，但適當的CaO含量可以提高耐火材料的抗急冷急熱性能，經研究MgO/CaO比在80/20左右有最好效果，所以鎂白雲石磚是轉爐爐襯的優良材料。
碳有很高的耐火度（3000℃以上）。以碳和石墨為主體的碳磚，其耐熱性、耐磨性、高溫強度均很好，是高爐爐缸的理想砌築材料。但碳磚不抗氧化，不能用在煉鋼爐上。然而在鎂磚和白雲石磚中加入10%～20%的碳，它便兼有MgO和C的優點，即耐火度高、高溫強度大、抗熱震性好、抗爐渣侵蝕能力強。耐火磚中的碳用一定粒度和碳含量>90%的鱗片狀石墨混入鎂砂（或鎂白雲石砂）中，並用酚醛樹脂等結合劑使之相互結合，有的還加入鋁粉等抗氧化劑。耐火材料中方鎂石晶粒完全被碳素膜所包圍，碳素膜又和一些大的片狀碳相連，形成堅固的碳網路結構。自20世紀70年代以來，在轉爐和爐外精煉鋼包的渣線、出鋼口、爐嘴等高蝕損部位改用碳複合耐火材料砌築，壽命顯著提高，而且能保持設計的幾何形狀。
白雲石耐火材料中含有CaO，容易吸水潮解變質，是其嚴重缺點。為了防止白雲石吸水，用無水瀝青作結合劑打製成磚，磚中含碳量可達約2%。為了進一步提高其含碳量，可將瀝青結合的磚埋在炭粉中低溫度焙燒，使瀝青中的揮發分氣化去除，再將輕燒過的磚重新在瀝青中浸漬。這樣使磚中含碳量增至5%～6%。雖然其性能比不上碳複合耐火材料，但優於一般的白雲石磚，而且成本較低，稱為輕燒油浸磚。
選用
沿爐襯剖面由外向內的結構分為：金屬爐殼、永久層和工作層。永久層為了在工作層局部蝕穿後保護爐殼不受侵蝕，露出永久層的磚體表明應該停爐大修。永久層多選用燒成鎂磚或瀝青浸漬的燒成鎂磚。永久層可使用1～2年。工作層的厚度比永久層大得多，在使用一個爐役後拆除重砌。工作層可以選用白雲石磚和鎂白雲石磚，有條件時也可以選用鎂磚。為了提高爐襯壽命，在蝕損嚴重部位也可以增加工作層局部厚度，並且用不同品質的耐火材料砌築（如圖1所示）。靠近永久層的“冷麵”用一般材料如白雲石磚，面向熔池的“熱面”用優質材料如輕燒油浸磚、鎂碳磚等。爐襯的磚縫或形狀特殊的部位用不定形耐火材料充填。磚縫多為爐襯的薄弱環節，為了減少磚縫，工作層襯磚厚度可以比永久層大得多。但這樣大磚的運輸和砌築比小磚要麻煩。
圖1 轉爐各層爐襯磚砌築法沿爐襯一周和不同高度的部位，根據其受蝕損的情況可以選用不同耐火材料：例如渣線和耳軸部位用抗化學侵蝕能力較強的鎂白雲石磚，受廢鋼和鐵水衝擊的裝料面用耐機械磨損的高密度燒成鎂磚，出鋼口和底吹供氣元件周圍用優質鎂碳磚等。當全部爐襯工作層用碳複合耐火材料砌造時，不同部位的磚中含碳量也可以各不相同。這種根據不同的損毀程度和損毀原因而選擇不同品質、不同厚度的耐火材料的方法稱為均衡爐襯技術，或稱綜合砌爐。其目的在於爐役結束時殘餘磚厚差別較小，既提高了爐襯壽命，又充分利用不同種類耐火材料的能力，使耐火材料消耗較低。由於鋼廠所在地區、資源條件、爐子大小和所煉鋼種的不同，具體的砌爐方法的材料選擇也各不相同，沒有統一的標準。
損毀原因
爐襯損毀的原因是很複雜的。歸結起來，有以下三方面的因素：
（1）化學侵蝕。爐渣對耐火材料有很大的化學侵蝕能力。從爐渣方面而言，吹煉前期矽、錳激烈氧化生成的偏酸性渣和吹煉末期生成的高溫高氧化鐵爐渣對爐襯的損害最大。就爐襯方面而言，方鎂石晶粒抗爐渣侵蝕能力很強，然而耐火材料中的雜質SiO2+Al2O3+Fe2O3較多時，方鎂石晶粒被雜質形成的矽酸鹽或鐵鋁酸鹽所包圍，這些膠結物質熔點低，容易和爐渣相作用，使爐渣沿晶粒界進入磚內，方鎂石晶粒脫落失效。另外磚的體積密度較低時，氣孔較多，對磚材潤濕性好的渣子可以沿氣孔侵入，使方鎂石晶粒脫落失效。一般白雲石磚中，方鎂石晶粒被CaO所包圍，CaO抗化學侵蝕能力不如方鎂石好，所以也易受侵蝕。但高鎂白雲石中方鎂石形成結晶網路包圍了CaO，可提高抗化學侵蝕能力。因此要求耐火材料具有高純度，SiO2+Al2O3+Fe2O3應在2%～3%以下，MgO應達到75%～85%。增加磚中的碳含量，對於減少爐襯與爐渣的潤濕性和抗氧化鐵侵蝕有極顯著的效果。
（2）急冷急熱的衝擊。轉爐間歇性的操作使爐襯受忽冷忽熱的溫度波動，又稱為熱震。致使耐火材料內部產生熱應力而剝落。鎂磚抗熱震性能較差。添加CaO或加入碳材料均可改善抗熱震性能。另外，磚製造時採用高壓成型和高溫燒成的技術，能提高磚的高溫機械強度，也有利於改善抗熱震性能。從煉鋼操作條件方面組織均衡生產，縮短出鋼後空爐等待時間，減輕爐襯溫度波動也很重要。
（3）機械磨損。裝廢鋼和鐵水時對爐襯有很大的衝擊力。熔池的激烈運動也對爐襯有沖刷作用。提高耐火材料的高溫機械強度，可改進爐襯抗沖刷能力。高壓成型技術可以使磚坯組織緻密，提高磚的體積密度。高溫燒成有利於方鎂石晶粒的發育長大，使磚的高溫機械強度增大。
總之，要提高轉爐爐襯壽命，從耐火材料方面要採用高純原料、高壓成型、高溫燒成，即所謂“三高”技術。從煉鋼工藝方面，可套用白雲石造渣技術。冶煉前期酸性渣中MgO溶解度約9%，加入適量白雲石可迅速溶於渣中，減輕渣子對爐襯的侵蝕。後期鹼性渣中MgO溶解度僅有3%～4%，於是過飽和的MgO析出於渣中，增大渣的黏度，並可能在爐襯表面上掛一層高MgO渣，起保護爐襯的作用。白雲石造渣對提高爐襯壽命很有必要。另外在吹煉末期應避免後吹，並減少拉碳次數。在溫度制度上避免過高溫度吹煉。這些都是維護爐襯的必要措施。
雖然在砌爐時套用綜合砌爐技術，但難免仍有局部爐襯提前損毀。利用噴補技術修復早損毀部位，使未損爐襯繼續使用。噴補料用鎂砂粉。噴補方法有乾法、半乾法和濕法。火焰噴補技術使噴補和燒結同時進行，噴補層耐用性高。
