魏志江

河钢宣钢

摘要：转炉炼钢作为现代钢铁冶炼的核心流程，其内衬耐火材料的设计直接决定炉龄寿命、生产成本与作业效率。本文基于转炉各部位服役工况的显著差异，系统阐述了炉底、熔池、炉身、耳轴、渣线、炉帽、炉口及出钢口等关键区域的损毁机理与耐火砖差异化设计策略。通过对比分析不同部位镁碳砖的理化指标（MgO含量、碳含量、体积密度、显气孔率、耐压强度等）及招标文件技术规格，揭示了“分区筑衬、性能定制”的设计内核。研究表明：装料侧需强调高温强度（耐压强度≥40MPa），耳轴区侧重抗氧化性（碳含量18%），渣线区追求极致抗侵蚀（MgO≥76%、显气孔率≤3%），熔炼区则通过“DC-P”结构创新将热应力峰值从153.56 MPa降至8.5 MPa以下。本文还探讨了不定形耐火材料的技术突破与定型砖的不可替代性，并对低碳化、智能化设计方向作出展望。

关键词：转炉内衬；耐火砖；分区设计；镁碳砖；损毁机理；热应力分析 

1.前言

氧气转炉是钢铁冶炼流程中容纳超高温熔池的核心反应器，其内衬耐火材料直接承受1650℃以上钢水、高氧化性炉渣、含尘气流的物理冲刷与化学侵蚀，同时面临废钢撞击、温度骤变（ΔT＞300℃/次）等极端工况的复合考验。炉衬寿命不仅是衡量炼钢技术水平的关键指标，更直接关联吨钢耐材成本、设备作业率及工序能耗。长期以来，转炉内衬设计经历了从“单一材质等厚砌筑”到“综合砌炉、分区优化”的深刻演变。这一转变的根本驱动力在于：转炉内部并非均质反应场——炉口承受热震与气流冲刷，装料侧遭遇机械撞击，耳轴区碳氧化裸露，渣线面长期熔渣侵蚀，各部位损毁主因迥异，对耐火材料的性能诉求截然不同。现代转炉长寿技术的核心，正是基于对上述损伤机制的精准认知，实现耐火材料性能与服役工况的“量身定制”。本文从转炉内衬各部位的服役环境与损毁机理切入，系统梳理炉底、熔池、炉身、耳轴、渣线、炉帽、炉口、出钢口等关键区域的耐火砖设计逻辑，通过招标技术规格与理化指标的多维对比，揭示“分区筑衬”策略下的材料性能差异化规律。同时，结合有限元分析在熔炼区结构优化中的最新应用，以及不定形材料的技术突破，探讨转炉内衬设计的未来演进方向。

2.转炉内衬服役环境与分区设计总论

转炉炉衬的损毁是机械磨损、化学侵蚀与热应力冲击三者复杂交织的过程。然而，这种复合损毁机制在各区域的权重分布存在显著差异，构成了分区设计的底层逻辑。

（1）炉口与炉帽位于转炉顶部，直接承受高温炉气（1400-1600℃）的高速冲刷与熔渣喷溅，冶炼间歇期暴露于空气中经历急冷急热，同时需频繁清理粘渣——这要求材料兼具高抗热震性、抗渣性、抗冲刷性及低粘附性。

（2）装料侧是炉衬最脆弱的环节。废钢（单块可达100kg）从3米以上高度坠落的冲击能达3kJ，铁水兑入时的湍流冲刷形成强烈机械磨损，加之化学侵蚀同步进行——高温强度与韧性是选材的首要准则。

（3）耳轴区因结构特殊，吹炼过程中难以被渣层有效覆盖，衬砖表面直接暴露于氧化气氛。碳素氧化导致结构疏松、强度下降，且该区域修补难度极大——抗氧化性成为性能设计的绝对核心。

（4）渣线区（尤其是排渣侧）与熔渣长时间、大面积接触，是化学侵蚀最剧烈的区域。炉渣中的FeO、SiO₂与MgO反应生成低熔点相（如2MgO·SiO₂，熔点1890℃），导致耐材结构疏松、逐层熔蚀——极致的抗侵蚀性是唯一目标。

（5）熔池（炉底）工况相对温和。现代溅渣护炉技术会在炉底形成保护性渣层，有时甚至导致炉底“上涨”——可采用性能要求较低的普通镁碳砖。

（6）出钢口是钢水流出的唯一通道，损毁机理兼具复杂性：高温钢水（＞1650℃）的高速冲刷、炉渣的化学侵蚀、出钢前后剧烈的温度波动——顶级的耐冲刷性、抗氧化性与高温体积稳定性缺一不可。

这种工况异质性决定了：一套优秀的内衬设计，本质上是多牌号耐火砖的精准组合。下文将逐区展开具体设计参数与性能指标的深度对比。

3.各部位耐火砖设计特点的差异化解析

3.1炉底与熔池区：稳定性优先

炉底与熔池在吹炼过程中虽受钢水冲刷，但相比炉身其他部位，机械冲击与化学侵蚀强度均较弱，且溅渣护炉形成的渣层提供了额外保护。因此，该区域的设计逻辑是在满足基本抗侵蚀能力的前提下，追求经济性与施工便利性。

（1）理化指标对比显示（表1），炉底镁碳砖的MgO含量通常控制在74%-76%，碳含量14%-16%，体积密度≥2.93-2.95 g/cm³，耐压强度≥35MPa。这一指标组合在转炉各部位中处于“基础档位”——碳含量低于耳轴区，致密度低于出钢口，高温抗折强度要求也相对宽松。

（2）值得注意的是，不同钢企的技术规格存在细微差异。武钢2025年9月的120吨转炉招标中，炉底砖要求MgO≥76%、C≥14%、体积密度≥2.95 g/cm³；而在同年10月的另一批次招标中，炉底砖调整为MgO≥74%、C≥16%、体积密度≥2.93 g/cm³。这一波动反映了企业在“高抗蚀”与“高抗热震”之间的权衡——提高碳含量增强抗热震性，但可能牺牲部分抗渣性。

3.2炉身与装料侧：强度与韧性并重

装料侧是炉衬损毁的“短板”——其局部蚀损速率往往决定全炉役是否需停炉修补。废钢撞击与铁水冲刷构成物理破坏的主因，要求耐火砖具备极高的高温强度和断裂韧性。

（1）从招标数据看，炉身加强砖的技术门槛明显高于炉底：MgO≥76%、C≥14%，但体积密度需达到3.00 g/cm³，显气孔率≤3%，高温抗折强度（1400℃×30min）≥9MPa。这一指标组合意味着更致密的基质结构、更低的气孔率，从而在承受机械冲击时具有更高的抗剥落能力。

（2）相比之下，普通炉身砖的体积密度要求为2.97 g/cm³，高温抗折强度≥8MPa。两者差异表明：在装料侧等关键冲击区，材料致密度的轻微提升即可带来寿命的显著延长。这与某钢厂实践吻合——采用高纯镁碳砖后，炉龄从800炉次提升至1200炉次，吨钢耐材成本降低12%。

3.3耳轴区：抗氧化性为核心

耳轴区是转炉内衬设计的“技术高地”。由于渣层覆盖缺失，衬砖直接暴露于炉气气氛，碳素氧化速率远高于其他区域。一旦碳氧化导致结构疏松，侵蚀将呈指数级加速，且修补极为困难。

（1）设计应对策略十分明确：大幅提升碳含量，以补偿因氧化造成的碳损失。表1显示，炉身/耳轴专用砖MT-18A的碳含量高达18%，显著高于炉底砖（14%-16%）和出钢口砖（10%）。武钢招标文件同样明确：炉身/熔池镁碳砖碳含量要求≥18%。

（2）抗氧化剂添加是另一关键技术路径。在镁碳砖中加入Al、Si等金属粉末，可在高温下优先与氧反应生成Al₂O₃、SiO₂或碳化物（Al₄C₃、SiC），填充气孔、致密化表层，从而延缓碳素氧化。这是耳轴区镁碳砖虽碳含量高但抗氧化性仍可达标的微观机制。

3.4渣线区：抗侵蚀性的极致追求

（1）渣线是熔渣化学侵蚀的“主战场”。炉渣碱度（CaO/SiO₂）、FeO含量、流动速度共同决定侵蚀速率。实验表明，当炉渣碱度从1.8提升至2.5时，镁碳砖侵蚀速率可下降60%——但冶炼工艺并非为保护炉衬而设，耐火材料必须主动适应炉渣化学。

（2）渣线砖的设计指向极致的抗渣性。高MgO含量（≥76%）、低显气孔率（≤3%）、高纯度石墨、致密基体。这一组合可有效抑制炉渣沿气孔的渗透深度（常规渗透层5mm，优化后可减少75%），并减缓MgO向熔渣的溶解速率。

（3）排渣侧与出钢侧的渣线工况存在强度差异。排渣侧因熔渣剧烈搅动，蚀损速率远高于出钢侧。综合砌炉策略允许在此处采用更高档次的镁碳砖，而出钢侧可适度减薄厚度。

3.5炉帽与炉口：抗热震性主导

（1）炉帽与炉口是热震疲劳最严重的区域。出钢后空炉、加废钢兑铁水、吹炼升温——每个冶炼周期内，该区域表面温度在800-1600℃之间剧烈振荡，热应力循环导致裂纹萌生、扩展、剥落。

（2）抗热震性设计涉及多重参数协同：较高碳含量（MT-14B级含碳≥14%）提升导热系数、降低温度梯度；适中的MgO含量（≥74%-76%）平衡抗渣性与热膨胀系数；显气孔率适度放宽（≤4%-5%）可吸收部分热应变。

（3）值得注意的是，炉帽砖的体积密度要求（≥2.90 g/cm³）显著低于炉身砖（≥2.97 g/cm³）。这一“性能降级”并非设计缺陷，而是主动选择——过于致密的砖体热传导过快、热应力集中，反而不利于抗热震性。

3.6出钢口：复合考验下的特材设计

（1）出钢口是转炉内衬中工况最恶劣、损毁最快的部件。高温钢水（1650℃+）以2m/s流速冲刷、炉渣化学侵蚀、间歇操作的热震冲击——三重损毁机制叠加。

（2）出钢口砖的设计逻辑呈现多维极致化特征。武钢招标要求出钢口镁碳砖MgO≥80%、体积密度≥3.00 g/cm³、显气孔率≤4%、耐压强度≥40MPa。这一指标组合在转炉各部位中“MgO含量最高、体积密度最大”——高MgO保证抗渣侵蚀能力，高致密提供耐冲刷性，适度放宽的显气孔率（4%）则为快速升降温提供热应变缓冲。

（3）结构设计同样关键。实践中常采用整体式或组合式镁炭质出钢口砖，其材质、锥度、安装方式均经过专项优化。砌筑时出钢口座砖需底部找平、内孔校正、火泥涂抹，周围捣打料对称填充以防转动——工艺细节与材料性能共同决定最终寿命。

转炉各部位镁碳砖典型理化指标与设计特点对比见表1。

表1.转炉各部位镁碳砖典型理化指标与设计特点对比

4.结构设计创新：从经验砌筑到有限元优化

传统转炉内衬设计长期依赖经验积累与工程类比。炉底与炉身过渡区采用“翻身砖”结构，虽施工便利，但热应力集中问题突出。戴晨晨等（2024）采用ANSYS热-结构耦合模块对传统熔炼区衬体进行有限元分析，揭示了一个惊人的事实：第一、第二转向区热应力峰值高达153.56 MPa，约为镁碳砖固有强度的10余倍。这一发现彻底颠覆了对传统设计的认知——长期以来被视为“成熟可靠”的翻身砖结构，实际上在服役初期即已处于热应力超载状态，裂纹萌生不可避免。研究团队提出的“DC-P”结构优化方案包含三项核心创新如下。

（1）双圆弧砌体结构。将传统直角/锐角转向改为大曲率半径双圆弧过渡，显著降低几何突变处的应力集中系数。

（2）面-面衔接技术。摒弃翻身砖的点/线接触，实现相邻砌块的面支撑，应力分布均匀化。

（3）应力吸收缓冲层。在炉底与熔池交界处嵌入可压缩性微高干主材的缓冲薄层，主动吸收热膨胀应变。

有限元验证显示：优化后熔炼区工作面最大热-结构耦合应力降至8.5 MPa以下，原第一、第二转向区的热应力“双峰”完全消失。该方案在国内某260吨转炉实施后，炉衬底角始终保持圆滑过渡形貌，全炉役未现“底角深坑”；与传统翻身砖炉衬相比，整体炉龄提高36%，平均耐材单耗下降33%。这一案例具有范式意义：内衬寿命的提升不仅依赖于材料性能的改进，结构设计的科学化同样能释放巨大潜力。有限元分析正在将转炉砌筑从“手艺”转化为“工程科学”。

5.不定形材料与定型砖的协同设计

本文聚焦于耐火砖（定型制品），但不可忽视的是，不定形耐火材料在转炉内衬维护与特定区域应用中正扮演日益重要的角色。

（1）应用场景的互补性是理解两类材料关系的钥匙。定型砖在转炉内衬主体结构中仍占据绝对主导地位——其高温烧制形成的稳定晶体结构、可精准控制的几何尺寸、经数十年验证的服役可靠性，在炉底、炉身、耳轴等核心承力/承温区具有不可替代性。不定形材料的优势则体现在：复杂形状填充、局部快速修补、在线热施工。

（2）近年来不定形技术的突破正在改变边界条件。环保型水基大面修补料实现烧结时间缩短50%、寿命延长2.3倍；高性能镁碳质喷补料使耳轴修补周期从每班1次延至每2班1次；日本品川公司的碳结合喷补料可在1300℃砖面直接施工，单次修补时间从45分钟压缩至15分钟。这些进步使不定形材料从“临时应急”向“长效维护”演进。

（3）复合衬里结构正在成为大型转炉的主流设计范式：主体承力区采用高纯镁碳砖定型砌筑，侵蚀严重区域预留喷补空间，炉役中后期通过智能喷补机器人精准修复局部损毁。这种“定型保基础、不定形强维护”的协同模式，实现了炉衬全生命周期成本的最优化。

6.结语

转炉内衬耐火砖的设计，已经从单一材质的简单选型，发展为基于损毁机理认知、匹配服役工况梯度、融合材料科学与结构力学的系统工程。本文通过分区解析与数据对比，揭示了以下核心结论。

（1）转炉各部位损毁主因差异显著，耐火砖设计必须采取“分区筑衬、性能定制”策略。装料侧强调高温强度（耐压强度≥40MPa），耳轴区侧重抗氧化性（碳含量18%），渣线区追求极致抗侵蚀（MgO≥76%、显气孔率≤3%），出钢口兼顾耐冲刷与抗热震（体积密度≥3.00 g/cm³）——没有一种“万能砖”能同时满足所有区域的性能诉求。

（2）不同牌号镁碳砖的理化指标呈现清晰的分化规律。从炉底到出钢口，MgO含量波动于72%-80%，碳含量跨度为10%-18%，体积密度介于2.90-3.00 g/cm³。这些差异并非工艺波动，而是针对特定损毁机制的有意设计。

（3）结构优化对寿命的提升效果可与材料改进等量齐观。“DC-P”方案使260吨转炉炉龄提升36%、单耗下降33%——这一数据有力证明：内衬设计不应止步于材料选型，砌体几何、应力分布、过渡衔接同样是决定性的技术变量。

7.展望

（1）低碳化。传统镁碳砖碳含量8%-18%，高碳带来优异抗热震性，却也成为碳氧化损毁的“阿喀琉斯之踵”。碳含量＜5%的超低碳镁碳砖乃至无碳砖（镁铝尖晶石砖等）是研发热点。关键在于通过复合抗氧化剂、纳米改性、非氧化物结合相等技术，在低碳条件下复刻高碳砖的抗热震与抗侵蚀性能。

（2）智能化。3D扫描+机器人喷补已进入工业应用。下一步发展方向是：内衬全生命周期数字孪生——将砌筑数据、过程检测、损毁模型集成一体，实现侵蚀预警、智能修补、炉役动态规划。这不仅是维护技术的升级，更将反向驱动初始设计的优化：当炉衬可以被精准修复，“等强等厚”的传统设计原则将被“梯度设计、可修复性预留”的新范式取代。

（3）多功能化。耐火材料正在从“被动承受”向“主动参与”演进。例如，底吹供气元件不仅是透气砖，更是冶金反应的控制手段；MgO-Fe-C砖在提钒转炉中通过原位形成MgO-FeOss固溶体，主动优化脱碳层烧结性。未来的转炉内衬，可能集成传热调控、渣系调节、耐材-冶金协同等功能，从“防护层”升维为“功能层”。

转炉内衬设计是一门“妥协的艺术”——在抗蚀与抗热震之间、寿命与成本之间、标准化与定制化之间寻求最优平衡。而随着损毁机理的透明化、材料基因组的工程化、数字孪生的普及化，这门艺术的“经验成分”将不断减少，“科学权重”持续提升。这既是钢铁工业高效低碳转型的内在要求，也是耐火材料学科向精密工程迈进的时代印记。

参考文献

[1]  精工博研测试技术（河南）有限公司. 转炉工作衬耐火材料的分区设计与性能考量[EB/OL].2025-08-05.

[2]  上海宝华国际招标有限公司. 120吨转炉砌筑耐材整体承包公开招标招标公告[EB/OL].2025-09-18.

[3]  淄博赫鲁节能材料有限公司. 炼钢转炉不定形耐火材料的开发与应用[EB/OL]. (2025-12-16.

[4]  我的钢铁网. 综合砌炉转炉各部位用耐火砖[EB/OL].2020-05-15.

[5]  上海宝华国际招标有限公司. 武汉钢铁集团耐火材料有限责任公司转炉镁碳砖招标项目（10月）招标公告[EB/OL].2025-10-24.

[6]  李勇. 我国铜镍转炉用耐火材料的最新研制[J]. 有色金属（冶炼部分）, 1994(1): 15-16. 

[7]  戴晨晨, 赵进宣, 聂波华, 等. 提钒转炉用MgO-Fe-C砖性能研究[J]. 工程科学学报, 2016, 38(11): 1575-1581. 

[8]  淄博赫鲁节能材料有限公司. 不定形耐火材料与定型制品在应用上的对比[EB/OL].2025-11-10.

[9]  戴晨晨, 赵进宣, 聂波华, 钱凡, 黄启国, 何苗. 基于有限元分析的转炉熔炼区耐火衬体优化设计及应用[J]. 冶金研究, 2024(8): 45-52. 

[10]  淄博赫鲁节能材料有限公司. 炼钢转炉用耐火材料及其损毁机制[EB/OL].2025-12-12.