魏志江

河钢宣钢

摘要:本文系统研究了炼钢转炉用各种原燃料对不同部位耐火砖的侵蚀机理，并提出了相应的防范措施。在分析转炉炉衬分层结构与镁碳砖理化特性的基础上，重点考察了铁水、废钢、造渣料（石灰、轻烧白云石、萤石）、冷却剂等原燃料对耐火材料的侵蚀规律。研究表明，镁碳砖的侵蚀主要经历氧化-脱碳-冲蚀的三阶段过程，炉渣碱度和MgO含量是影响侵蚀速率的关键因素。通过本钢、莱钢等钢铁企业的炉衬结构与炉渣成分数据的对比分析，建立了原燃料特性与炉衬局部侵蚀的映射关系。从嵌入式炉底结构、多棱出钢口砖、溅渣护炉技术等方面系统阐述了防范措施。结果表明：优化装入制度、控制终渣碱度在3.0~3.5、MgO含量在8%~12%，配合炉龄500炉后每炉溅渣操作，可使转炉炉龄提升至4000炉以上，出钢口砖寿命突破540炉。本研究为转炉炼钢经济长寿耐火材料的应用提供了理论依据与实践指导。

关键词：转炉炼钢；耐火砖；镁碳砖；原燃料侵蚀；溅渣护炉；炉龄

1.前言

1.1研究背景与意义

转炉炼钢是当今世界最主要的炼钢方法，我国粗钢产量中超过90%来自转炉流程。转炉炉衬作为承载高温钢水、熔渣和气流的屏障，其使用寿命直接关系到炼钢生产效率、作业安全及吨钢成本。耐火材料消耗是炼钢工序一项重要的技术经济指标，研究经济耐火材料的消耗指标对提高钢材质量、减少吨钢耐火材料消耗、降低吨钢成本和实现钢铁工业绿色发展具有重大经济效益和社会效益。转炉炉衬在服役过程中承受着极为苛刻的热-化-力耦合环境：1600~1700℃的高温钢水冲刷、氧化性炉气和熔渣的化学侵蚀、废钢加入时的机械冲击、以及频繁的温度波动引起的热应力。这些因素共同作用导致耐火砖渐进式损毁。在各类损毁因素中，原燃料对耐火砖的化学侵蚀是最具破坏性且最难以完全规避的环节——铁水成分、废钢形态、造渣料种类与加入时机、冷却剂选择等，均从不同维度影响着炉衬各部位的侵蚀速率。

1.2转炉炉衬结构与耐火材料选型

现代转炉炉衬采用分层结构设计，由外向内依次为绝热层、永久层和工作层。绝热层通常采用多晶耐火纤维，起隔热保温作用；永久层多用低档镁碳砖、焦油白云石砖或烧结镁砖砌筑，作为工作层损毁后的后备屏障；工作层直接接触高温钢水和熔渣，全部由镁碳砖砌筑。

镁碳砖之所以成为转炉工作层的首选材料，源于其独特的组成-结构-性能关系。镁碳砖以高纯度烧结镁砂或电熔镁砂为主要原料，以石墨碳为碳源，采用酚醛树脂或沥青为结合剂经高压成型、低温热处理制成。石墨碳与熔渣的润湿性差，能有效阻碍熔渣向砖体内部渗透；同时碳的高导热性有助于缓解热应力集中。然而，镁碳砖的固有弱点在于碳易被氧化——无论是吹入的氧气、炉气中的CO₂，还是熔渣中的FeO，均能与碳发生反应，导致砖体表面脱碳、组织疏松，进而加速结构剥落。

转炉各部位工作条件差异显著，需要采用综合砌炉工艺：装料侧受废钢冲击和铁水冲刷最为严重，出钢侧承受钢水流出的长期磨蚀，两侧耳轴部位无渣层覆盖且不易修补，渣线区长时与熔渣接触——这些部位均需采用高品级镁碳砖（如MT18A）；熔池、炉口、炉底等部位蚀损相对较轻，可选用MT18B级镁碳砖。

1.3现有研究不足与本文工作

尽管国内外学者对转炉耐火材料侵蚀机理已开展大量研究，但现有成果多集中于单一因素分析，缺乏对“原燃料特性—炉衬部位—侵蚀类型—防范措施”四位一体的系统性梳理。此外，部分研究侧重事后残砖分析，难以动态揭示侵蚀过程的演变规律。本文以炼钢工序上游的原燃料为逻辑起点，追溯其对转炉各部位耐火砖的差异化侵蚀路径，并结合国内钢铁企业近年的实践数据，提出可量化、可复制的防范技术方案。

2.原燃料特性及其对耐火砖的侵蚀机理

转炉炼钢用原燃料主要包括金属料（铁水、废钢）、造渣料（石灰、轻烧白云石、萤石、铁矾土等）、冷却剂（铁矿石、铁皮球、烧结返矿）、燃料及氧化剂（氧气、煤粉/焦炭）等。各类物料的理化特性不同，对炉衬的侵蚀机制亦有本质差异。

2.1铁水成分与温度的影响

铁水是转炉炼钢的主要热源和金属来源，其化学成分和物理温度直接影响炉衬工作环境。

(1)硅含量的双重效应。铁水中的硅在吹炼初期迅速氧化生成SiO₂，显著降低初期渣碱度。在开吹3~5分钟内，炉渣碱度常低于1.5，呈强酸性。酸性渣对镁碳砖中的MgO具有高溶解度，反应式为：

2MgO+SiO₂→2MgO⋅SiO₂（镁橄榄石）2MgO+SiO₂​→2MgO⋅SiO₂​（镁橄榄石）

镁橄榄石熔点为1890℃，虽属高熔点相，但其生成消耗了大量MgO，导致砖体表面方镁石颗粒剥落。本钢实践表明，铁水w[Si]每升高0.10%，终渣MgO消耗量增加约1.2 kg/t钢。

(2)磷硫含量的影响。铁水高磷会迫使造渣期延长、渣量增大，加剧渣线砖的冲刷侵蚀；高硫则要求高碱度渣脱硫，炉渣流动性增强，渗透能力上升，对镁碳砖气孔通道的浸润深度增加。

(3)铁水温度的影响。铁水温度偏低（<1250℃）时，为保障终点温度需增加吹氧量或延长冶炼时间，炉衬暴露于高温氧化性气氛的时长增加；铁水温度过高（>1400℃）则加剧初期炉衬热负荷。广钢曾因铁水温度低至1230℃且供应不正常，导致轻烧白云石加入量不足、终渣MgO仅5%~7%，最终引发1#炉在847炉次发生穿炉事故。

2.2废钢形态与加入方式

废钢对炉衬的损伤以机械冲击为主，化学侵蚀为辅。

(1)块度与棱角效应。大块度（单重＞800kg）、尖锐棱角的废钢在加入时直接撞击装料侧炉衬，造成镁碳砖表层脆性剥落。若剥落区恰逢砖缝或砌筑缺陷处，极易发展为凹坑，形成钢水冲刷沟槽。本钢采取“小块轻料先入、大块重料后入”的加入顺序，并在大块废钢加入前用轻废钢铺垫大面，显著降低了装料侧的局部蚀损速率。

(2)废钢洁净度。锈蚀严重、附着油污或夹杂非金属物的废钢，入炉后会产生大量氧化铁及氢、氮等气体。氧化铁进入渣相提高FeO含量，加速镁碳砖脱碳反应；氢、氮气体则可能渗透进入砖体微裂纹，加剧热剥落。

2.3造渣料的侵蚀差异

造渣料是调整炉渣成分、控制脱磷脱硫反应的核心辅料，同时也是影响炉衬侵蚀最活跃的变量。

(1)石灰（CaO）。石灰是提供碱度的主料，但若煅烧不完全、活性度低，在吹炼前期难以快速成渣，导致低碱度期延长，酸性渣对炉衬侵蚀加剧。此外，石灰加入量过大时，为维持渣流动性需提高温度或加入助熔剂，间接增加炉衬热负荷。

(2)轻烧白云石（MgO·CaO）。轻烧白云石是补给炉渣MgO的主要来源。MgO进入渣相后提高炉渣耐火度，降低熔渣过热度，从而减缓对镁碳砖的溶解侵蚀。终渣MgO含量控制在8%~12%时，炉渣对镁碳砖的侵蚀速率最低。然而，MgO的溶解是动态不平衡过程：吹炼初期炉渣温度低、碱度低，MgO溶解度较高；中期随碱度上升、MgO溶解度下降；后期渣量增加、MgO总量增加。莱钢实践表明，采用吹炼初期加入全部或大部分含MgO渣料的策略，可使冶炼过程炉渣MgO始终保持近饱和状态，有效抑制炉衬侵蚀。

(3)萤石（CaF₂）。萤石是强助熔剂，能迅速降低炉渣粘度、加速石灰熔化。但氟离子对镁碳砖的侵蚀具有破坏性：一方面显著降低炉渣耐火度，提高渣对砖体的润湿铺展能力；另一方面，氟化物可能与SiC（镁碳砖中常用抗氧化剂）反应，破坏砖体微观结构。本钢明确要求“杜绝萤石、铝矾土等对炉衬侵蚀较大的助熔剂的使用”。

(4)铁矾土、铝矾土。含Al₂O₃的助熔剂虽不如萤石剧烈，但Al₂O₃进入渣相会改变镁碳砖表面反应产物的矿物类型。研究显示，高Al₂O₃炉渣易与MgO反应生成镁铝尖晶石（MgO·Al₂O₃），伴随体积效应导致砖表面微裂纹扩展。

(5)铁皮球、烧结返矿。作为环保型冷却剂和助熔剂，铁皮球（轧钢铁鳞）主要成分为Fe₃O₄/Fe₂O₃，入炉后还原放热并生成FeO。适量FeO有助熔作用，但过量FeO（终渣∑FeO＞15%）会显著加剧镁碳砖脱碳。烧结返矿成分稳定、粒度均匀，对炉衬侵蚀较萤石、铝矾土温和，已成为主流替代方案。

2.4冷却剂与氧化剂

(1)冷却剂的选择逻辑。转炉冶炼需精确控制终点温度，冷却剂是重要调节手段。传统矿石冷却剂（铁矿石、氧化铁皮）加入时会带入FeO，若在冶炼后期加入，将造成终渣FeO异常升高，炉渣稀释、溅渣护炉效果下降。本钢采取“避免冶炼后期金属降温料加入”的操作制度，将温度调控前移至吹炼中期，有效保障了终渣黏度。

(2)氧气射流的冲刷。氧气射流不仅是氧化剂，还直接冲击熔池液面，形成凹坑并驱动钢水环流。炉壁（尤其是耳轴区域）受钢水冲刷强度与射流参数（枪位、马赫数、喷头夹角）密切相关。钢水冲刷携带熔渣颗粒，对炉衬产生磨蚀，同时不断更新砖-渣界面，加速化学反应的物质传递。

2.5侵蚀机理的综合模型

综合上述分析，可将原燃料对镁碳砖的侵蚀归纳为三条并行路径：

(1)路径A：碳氧化主导型。主要作用于吹炼全程，尤以氧化期和终点后为甚。氧化剂包括：O₂（直接吹氧）、CO₂（炉气）、FeO（熔渣）。反应（1）～（3）构成自催化循环：

FeO + C → CO↑ + Fe(1)

CO₂ + C → CO↑(2)

MgO + C → Mg↑ + CO↑(3)

碳脱除后砖体表面形成厚度0.2~2mm的脱碳层，方镁石颗粒失去碳网络束缚，结构酥松。

(2)路径B：熔剂溶解型。主要作用于渣线区和熔池壁。低碱度渣（R＜2.0）溶解MgO形成低熔点硅酸盐相（CMS、C₃MS₂）；高FeO渣则与MgO反应生成镁铁固溶体（MgO·Fe₂O₃），后者在温度波动下易剥落。

(3)路径C：机械冲刷型。主要作用于装料侧、出钢侧和耳轴。钢水、熔渣的高流速产生剪应力，将已脱碳但尚未完全脱落的镁砂颗粒从砖体表面“拔出”，形成物理流失。

三条路径存在协同增强：脱碳层为熔渣渗透打开通道，熔渣溶解扩大孔隙，孔隙连通后砖体强度下降，机械冲刷效率随之提高。

3.典型部位侵蚀特征的数据对比分析

转炉各部位受力、热、化学作用的权重不同，呈现出差异化的侵蚀形貌与速率。本节基于国内多家钢企的实测数据，建立“原燃料—部位—侵蚀程度”的定量关系。

3.1炉衬分层蚀损速率

本钢180t转炉采用综合砌炉工艺，各部位镁碳砖牌号及设计厚度如表1所示。

表1.本钢180t转炉综合砌炉方案与蚀损速率对比

数据来源：根据文献:唐克, 等. 高寿命转炉滑板挡渣出钢口砖的研制[C]. 科创中国, 2025-09-10.整理。

对比可见：耳轴区蚀损速率最高（0.42~0.50 mm/炉），装料侧次之，炉底最轻。耳轴区之所以成为“短板”，根本原因在于该区域难以通过溅渣护炉形成有效保护层——耳轴处于炉体旋转中心，溅渣时氮气流股难以直接覆盖，挂渣薄且易脱落；同时耳轴区炉衬长期暴露于气相，碳氧化反应持续进行。

3.2炉渣成分对侵蚀速率的影响

广钢45t转炉在2005年溅渣护炉工艺调试期间积累了不同炉渣成分下的炉衬维护数据，具有重要对比价值。见表2。

表2.广钢45t转炉炉渣成分与炉衬维护效果对比

数据来源：根据文献: 游杰刚. 钢铁冶金用耐火材料[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2014-06-01.计算整理。

关键发现：

(1)MgO含量与炉衬寿命呈强正相关。2005年1月渣MgO均值7.52%时，炉龄仅847炉次即发生穿炉；4月渣MgO提升至10.91%后，炉龄突破4000炉。MgO过饱和度每提高1个百分点，炉衬蚀损速率降低约8%~10%。

(2)碱度过高需配合足量MgO。2005年3月渣碱度高达3.85，但MgO仅3.05%，炉衬状况反而恶化。高碱度渣虽然自身对MgO溶解度低，但若渣中MgO本就不足，炉衬中的MgO仍会向渣中传质溶解。单纯提碱度不能替代MgO补充。

(3)∑FeO宜控制在13%~15%。FeO既是脱碳反应的氧化剂，又降低炉渣粘度，双渠道加剧侵蚀。当∑FeO＞16%时，即使MgO≥10%，炉渣耐火度仍显著下降，溅渣层熔化快。

3.3出钢口砖寿命改进数据

滑板挡渣出钢技术对出钢口砖的寿命匹配提出了更高要求。濮耐公司在本钢、永洋钢铁等企业开展了系统的出钢口砖改进研究。见表3。

表3.滑板挡渣出钢口砖寿命改进效果对比

数据来源：根据文献: 中国金属学会. 转炉烟气处理及耐火材料蚀损评价研究综述[J]. 钢铁研究学报, 2024, 36(10-12).整理。

出钢口砖的损毁机制与炉衬工作层有本质区别：除高温钢水冲刷和熔渣侵蚀外，滑板挡渣系统启闭时产生的机械应力、间歇性热震、以及座砖与套砖接缝处的渗钢烧结，是制约寿命的关键因素。采用分节式多棱机压镁碳砖替代整体浇注套砖，配合座砖子母口设计，使套砖与法兰固定更牢靠，既提高了抗冲刷能力，又消除了更换钻眼时的松动问题。

3.4不同冷却剂/助熔剂的侵蚀对比

    不同冷却剂/助熔剂对炉衬侵蚀影响的工业数据见表4。

表4.不同冷却剂/助熔剂对炉衬侵蚀影响的工业数据

数据来源：综合文献: 陈洋, 邓承继, 娄晓明, 等. 低碳MgO-C耐火材料结构和性能优化的研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2022, 41(6): 2153-2159. 及唐克, 等. 高寿命转炉滑板挡渣出钢口砖的研制[C]. 科创中国, 2025-09-10. 和游杰刚. 钢铁冶金用耐火材料[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2014-06-01. 整理。

4.防范措施与技术进展

基于原燃料侵蚀机理的分析，防范措施应从“阻断侵蚀路径”和“提高砖体耐受性”两个维度展开。前者属炼钢工艺优化范畴，后者属耐火材料设计与砌筑范畴。

4.1炼钢工艺优化

4.1.1装入制度优化

废钢加入应遵循“先小后大、先轻后重、铺垫保护”原则。本钢规定：单重＞500kg废钢须在轻废钢铺垫后再加入；精料废钢棱角尖锐时，可视生产节奏先加部分轻废钢垫护大面再兑铁。铁水装入量应根据钢包容积、废钢比动态调整，避免因剩钢或终点温度不足而强制过吹。

4.1.2造渣制度优化

(1)“早补MgO”原则。开吹即加入全部或大部分轻烧白云石，使炉渣MgO在吹炼前期即达到6%~8%，全程维持近饱和状态。莱钢实践表明，吹炼前3min加入白云石总量的70%以上，终渣MgO稳定性显著改善。

(2)“多批次、少批量”加料。石灰分2~3批加入，避免单批次过量造成渣温骤降和碱度陡升，防止渣-砖界面反应过于剧烈。

(3)禁用强助熔剂。以铁皮球、烧结返矿替代萤石、铝矾土，既满足化渣需求，又避免氟、铝对炉衬的额外侵蚀。

4.1.3终点控制优化

(1)高拉碳工艺。对于中高碳钢种，采用副枪检测提前提枪，终点w[C]控制在0.06%~0.10%，较传统0.03%~0.05%提高约0.03个百分点。每提高0.01%终点碳，钢水溶解氧降低约5~8ppm，终渣FeO下降约1.5个百分点。

(2)控温下限出钢。避免1700℃以上高温钢出钢。出钢温度每降低10℃，炉衬蚀损速率下降约3%~5%。

(3)减少补吹。补吹一次，终渣FeO上升2~4个百分点，炉衬蚀损速率增加15%~25%。通过提高一拉命中率将补吹率控制在5%以内，是延长炉龄最经济的措施。

4.2炉衬结构优化与砌筑改进

4.2.1嵌入式炉底结构

针对活炉底转炉炉底接缝处易穿钢的痛点，莱钢设计了“嵌入式炉底”结构：将原水平接缝改为阶梯状横竖组合缝，接缝位置下移300mm，有效规避了钢水冲刷核心区。该结构使炉底接缝事故率降低90%以上。

4.2.2多棱出钢口砖

将传统圆柱形整体浇注出钢口套砖改为分节式多棱机压镁碳砖。多棱结构与法兰形成机械互锁，防松动能力大幅提升；机压成型较浇注成型砖体致密度更高（显气孔率降低2~3个百分点），耐侵蚀性显著增强。本钢应用该技术后出钢口砖寿命由82炉提升至208炉。

4.2.3综合砌炉的精细化

炉衬砌筑严格执行“靠紧、背实、填严”六字诀：砖缝：工作层砖缝≤1mm，上下层错缝≥20mm；膨胀缝：按计算预留，用陶瓷纤维毡填塞；合门：选在低应力区，合门砖须机加工成型；炉底水平度：控制≤2mm/m。

4.3溅渣护炉技术的量化控制

溅渣护炉是利用终渣MgO过饱和、通过高压N₂吹溅附着于炉衬表面形成保护层，是目前最成熟、成本最低的在线护炉手段。

4.3.1溅渣工艺参数

N₂压力：0.65~0.98MPa，流量≥11000m³/h（45t转炉）；溅渣时间：2~3min，时间过长易导致炉底上涨；溅渣频率：炉龄＜200炉视情溅渣；200~500炉每2炉溅渣1次；＞500炉每炉溅渣。

4.3.2终渣成分窗口

基于广钢、本钢、莱钢三家企业的数据融合，推荐终渣成分控制目标如下,见表5。

表5.溅渣护炉终渣成分推荐范围

4.3.3调渣技术

出钢后若炉渣过稀（过热度高）、FeO偏高或MgO不足，须进行调渣：增粘：加入轻烧白云石或专用改质剂，提高MgO含量，提升炉渣耐火度；稀释：若炉渣过粘、铺展困难，可少量加入铁皮球适度稀渣，但严格控制加入量。

4.4新型耐火材料研发

4.4.1低碳镁碳砖

传统镁碳砖碳含量通常为14%~18%，碳氧化是侵蚀的起点。降低碳含量可减少气孔生成源，但须解决低碳化带来的抗热震性下降难题。研究显示，引入纳米碳源、改性酚醛树脂、添加Al-Si复合抗氧化剂，可在碳含量降至6%~10%时保持优良抗热震性。

4.4.2轻量化工作衬

传统观念认为炉衬越致密越耐侵蚀。近年研究表明，引入微孔轻量骨料制备的方镁石-镁铝尖晶石砖，显气孔率虽略有升高（16%~18%），但微孔平均孔径＜5μm，毛细管力极高，熔渣难以渗入；同时导热系数降低15%~20%，炉壳温度下降，散热损失减少。莱钢已在部分钢包试用铝镁质轻量化浇注料，抗渣渗透性优于传统致密浇注料。

4.4.3出钢口砖原料升级

濮耐公司在本钢的实践证明，采用电熔镁砂替代部分烧结镁砂、添加微粉复合结合剂，出钢口砖体积密度由2.95g/cm³提升至3.05g/cm³，显气孔率由5.5%降至4.0%，寿命提升幅度超过50%。

5.结语

（1）转炉用原燃料对耐火砖的侵蚀通过三条耦合路径实现：碳氧化导致砖体脱碳疏松，熔渣溶解造成方镁石流失，钢水冲刷加速颗粒剥落。铁水硅含量、废钢块度、造渣料种类与时机、冷却剂FeO负荷是关键的工艺变量。

（2）炉衬各部位侵蚀速率差异显著：耳轴区因无渣层保护且碳氧化持续，蚀损速率最高（0.42~0.50 mm/炉）；装料侧次之（0.38~0.45 mm/炉）；炉底最轻（0.15~0.20 mm/炉）。综合砌炉须依据部位工况匹配砖型牌号。

（3）炉渣成分与炉衬寿命存在定量关系：终渣MgO控制在8%~12%、碱度R 3.0~3.5、∑FeO 10%~15%是溅渣护炉的最佳窗口。MgO每提高1个百分点，炉衬蚀损速率降低约8%~10%；∑FeO每升高1个百分点，蚀损速率增加约5%。

（4）防范措施已形成“工艺优化—砌筑改进—溅渣护炉—材料升级”的四级技术体系。嵌入式炉底、多棱出钢口砖、高拉碳、控温出钢、每炉溅渣等组合应用，可使转炉炉龄突破4000炉，出钢口砖寿命突破540炉。

6.展望

（1）侵蚀过程的可视化与数字化。传统残砖分析是“事后冷态”评价，缺少侵蚀过程的动态信息。数字图像相关法（DIC）可在高温下实时监测耐火材料表面的应变场演变，声发射（AE）技术可捕捉微裂纹萌生与扩展。将DIC-AE联合监测嵌入转炉炉衬，有望建立侵蚀速率预警模型，实现从“定期补炉”到“按需护炉”的跨越。

（2）低碳/无碳耐火材料。“双碳”背景下，镁碳砖的高碳含量既是性能优势，也是碳排来源。开发低碳（w(C)≤6%）、无碳（氧化物结合）的转炉工作衬材料是长期方向。瓶颈在于：无碳砖抗热震性较差，目前尚难以完全替代镁碳砖。可能的突破路径包括：引入ZrO₂相变增韧、构建微孔梯度结构、开发新型非氧化物结合相等。

（3）固废资源化利用。我国每年产生大量铝硅质工业固废（尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶金尘泥），将其资源化制备轻质耐火骨料，既可降低耐火材料成本，又能消纳固废。当前研究集中在骨料制备工艺优化，下一步应着力解决固废成分波动对制品性能稳定性的影响，并建立相应的产品标准。

（4）智能炼钢与炉衬自适应维护。随着转炉二级模型、副枪动态控制、炉衬激光测厚等技术的普及，炉衬维护正从经验驱动向数据驱动转型。未来可构建“原燃料特性—冶炼参数—炉衬蚀损图像—溅渣补炉指令”闭环控制系统，实现炉衬寿命与冶炼节奏的最优匹配。

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