第10章 耐火材料的应用.ppt.Convertor.doc

第10章 耐火材料应用
耐火材料作为高温炉窑及热工设备的结构材料及元部件材料。耐火材料产品单位消耗在很大程度上与经营管理状况有关系。它在国民经济中有技术经济效率，国民经济吨钢产量所消耗的耐火材料公斤数称耐火材料综合消耗指标，它是衡量一个国家的工业水平，尤其是耐火材料质量的重要指标。
　 一般来说，质量好的耐火材料在炉窑上使用的效果好，寿命长。但使用条件不能忽视，如同一种耐火材料在同一热工设备上使用，由于使用条件改变，往往使用结果差别很大。因此，耐火材料科技工作者应该很好的学习和研究各种炉窑热工设备的使用条件，特别是冶金等使用部门创造新的高温工艺过程时，研究使用条件有特别大的意义。
耐火材料使用的科学技术问题有：
(1) 制定经营管理规则(温度，时间，气体介质成分，机械应力，加热过程各种强化剂的作用等)；
(2) 在经营管理规则的影响下，耐火材料发生的物理化学变化和化学矿物组成变化的研究；
(3) 保护耐火材料采取的措施；
(4) 选择和开发新的耐火材料，其性能应该最好的适合于使用条件。
10.1 耐火材料的选用
10.1.1 冶金炉窑对耐火材料的要求
冶金炉窑种类繁多，结构也很复杂，耐火材料的选择和应用往住有很大差别。但是，必须满足下列要求：能承受高温作用而不软化，不熔化；能承受高温荷重作用，不丧失结构强度，不发生变形和坍塌；有好的体积稳定性，在高温下不发生过大的体积膨胀和收缩，重烧线变化小；能抵抗温度急剧变化；能抵抗高温熔体的化学侵蚀和物理冲刷作用；外形尺寸规整，公差小。
10.1.2 耐火材料在使役中损毁的机理
冶金炉窑长期连续处在高温下运行，耐火材料工作条件恶劣，极易损毁，其中以熔炼炉最为典型。造成耐火材料损毁的因素很多，但归纳起来主要有以下几点：
渣蚀作用。由于熔渣和金属液或含尘腐蚀性气体的物理化学作用而引起的侵蚀。据统计有色冶金炉窑的炉衬60-70%是由于熔渣的侵蚀而损毁。炼钢转炉和电炉渣线区域主要是由于渣蚀，而成为损毁最严重的部位，并决定着炉衬的寿命。
温度剧烈变化作用。许多炉窑，特别是间歇式操作炉窑，温度波动大，骤然变化产生很大的内应力，砖砌体开裂、剥落，严重时变形或坍塌倾倒。如炼钢转炉、电弧炉和铜锡熔炼反射炉，熔炼期最高炉温可达1250-1650℃，而放渣和出钢、出铜后，炉内温度急剧降至600-800℃，温度在短时间内波动太快太大，造成耐火材料内应力大，产生崩裂、剥落而损毁。
(3) 气相的沉积作用。很多熔炼炉和火焰炉，在生产过程中会产生CO分解和铅、锌及碱金属氧化挥发，并在耐火材料气孔及砌缝内沉积，造成砖砌体龟裂、变形和化学侵蚀。这种现象在高炉，鼓风炉、竖窑及焦炉的上部较为突出。甚至成为这些部位损毁的主要原因。
(4) 机械冲击和磨损作用。许多炉窑内的物料是运动的。如高炉、鼓风炉及竖窑内的物料连续不断由炉顶向下运动；回转窑内物料作回转前进运动；转炉内液态金属作沸腾搅动等等。并且在运动的同时，物料还要发生一系列的物理化学变化。因此，对炉衬产生很大的机械冲击和严重的磨蚀作用，破坏性非常大。例如高炉炉喉磨损严重，不得不采用铸钢板加以保护。氧气转炉由于钢水的剧烈搅动，常发生炉衬被刷掉现象，而需经常补炉。
(5) 单纯熔融作用。许多耐火材料在高温热负荷作用下，往往发生重烧线变化，造成砌筑体失稳。有时操作温度过高，还会造成局部软化甚至熔融，形成熔滴，导致砌体坍塌。
10.1.3 耐火材料选用的原则
选用耐火材料时，一般应遵循下列原则：
(1) 掌握炉窑特点。根据炉窑的构造、各部位工作特性及运行条件，选用耐火材料。要分析耐火材料损毁的原因，做到有针对性的选用耐火材料。例如各种熔炼炉（如平炉、反射炉）渣线及以下部位的炉衬及炉底，以受渣和金属熔体的化学侵蚀为主，其次才是温度骤变所引起的热应力作用，一般选用抗渣性优良的镁质、镁铬质耐火砖砌筑。渣线以上部位可选用镁铝砖或镁铬砖或高铝砖砌筑。
(2) 熟悉耐火材料的特性。熟悉各种耐火材料的化学矿物组成、物理性能和工作性能，做到充分发挥耐火材料的优良特性，尽量避开其缺点。如硅砖荷重软化温度高，能抵抗酸性炉渣的侵蚀，但在600℃以下发生β晶型向α晶型的快速转变，耐热震性很差，而在600℃以上使用时耐热震性较好，高温下只会膨胀而不发生体积收缩，因而可选用作火焰炉炉顶砖、焦炉炭化室隔墙砖等。
(3) 保证炉窑的整体寿命。要使炉子各部位所用各种耐火材料之间合理配合，确定炉子各部位及同一部位各层耐火材料的材质时，既要避免不同耐火材料之间发生化学反应而熔融损毁，又要保证各部位的均衡损耗，或在采取合理技术措施下达到均衡损耗，保证炉子整体使用寿命。
(4) 实现综合经济效益合理。选用的耐火材料要在满足工艺条件和技术要求的前提下，将材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗以及对产品质量的影响，综合分析，力求做到综合经济效益合理。
随着工业炉窑大型化、高效化和自动化，炉窑操作条件日趋苛刻，对耐火材料的生产和使用提出了更高的要求。能源消耗急剧增长，供需矛盾日益紧张，工业炉窑节能已成为发展生产的重要关键环节之一。耐火材料也必须满足节能的需要。因此，应根据炉窑结构特点及热工制度和生产工艺条件，正确选择和合理使用相应的耐火材料，研究开发新型优质耐火材料，以进一步保证高温炉窑的高效运行，提高炉窑的使用寿命，降低耐火材料消耗和节能。
前已述及，耐火材料长期处在高温下，还可能经受熔融炉渣和金属及高温高尘腐蚀性炉气的冲刷、侵蚀；经受温度骤变及各种应力的综合影响；经受机械和物料的撞击和磨损作用。时至今日，没有一种耐火材料能完全满足上述使用条件的要求。虽然有些耐火材料品种性能优良，但价格昂贵，尚无法在炉窑上大量应用。这就需要认真分析各种工业炉窑的工作条件，研究耐火材料的损毁机理，做到有针对性地就具体炉窑、具体部位的特殊需要，选择和应用具有相应材质的耐火材料，并注意各部位耐火材料之间在使用寿命上的配合和协调一致。
10.2 炼铁用耐火材料
10.2.1 高炉用耐火材料
(1) 炉喉。炉喉为高炉的咽喉，受到固体炉料下降时的直接冲击和磨擦等物理作用，极易损毁。曾采用硬度高和密度大的高铝砖砌筑，但不耐久。因此，目前都采用耐磨铸钢护板保护。
(2) 炉身。炉身可分为上、中、下三带。从上至下炉料从300-400℃逐渐被加热至1250-1300℃，物料在下降过程中发生一系列的物理化学变化。炉身上部和中部温度为400-700℃，熔渣尚未形成，没有渣蚀情况发生。炉衬主要受到下降炉料和上升含尘气流的磨损和冲蚀；部分CO在砖缝、裂纹、气孔中分解产生碳素沉积，引起衬砖龟裂、变质、组织疏松导致剥落损毁。有的还受到锌、铅蒸气向砖内渗透，以ZnO·PbO形式沉积，并进一步与砖发生化学反应，生成硅酸锌(2ZnO·SiO2)和硅酸铅(2PbO·SiO2)，使砖组织变脆、剥落。
炉身上部和中部由于损毁程度较轻，一般采用含游离Fe2O3较低的高炉专用粘土砖、致密粘土砖、高铝砖砌筑，或由粘土质不定形耐火材料构成。
炉身下部温度较高，有大量初渣形成，炉渣与炉衬表面直接接触。炉衬在经受下降物料和含尘炉气的磨擦，冲蚀作用的同时，炉渣的化学侵蚀严重。高温下产生的碱金属蒸气对砖的化学反应也较上部和中部突出。若炉衬为硅酸铝质材料，砖内形成钾霞石(K2O·Al2O3·2SiO2)、白榴石(K2O·Al2O3·4SiO2）及玻璃相(K2O-SiO2)。由于这些新相的生成产生较大的体积膨胀，破坏了砖的组织结构，强度和耐火性能明显下降，炉身下部炉衬损毁较快，而且严重。一般选用耐火性能好、抗渣性强、高温结构强度大和耐磨性好的优质致密粘土砖或高铝砖砌筑。靠近炉腰部位可采用高铝砖或用耐磨、抗渣性好、导热系数高的刚玉砖、碳化硅砖或炭砖砌筑。大型高炉炉身下部主要采用高铝砖、刚玉砖、炭砖或碳化硅砖。

(3) 炉腰。炉腰是高炉最宽大的部位。炉料体积膨胀至最大，并开始在此形成大量的熔渣，因此，渣的化学侵蚀和碱金属蒸气的侵蚀较炉身下部严重。下降炉料和高温焦炭对炉衬表面的磨损，冲刷也很突出，高温上升气流的冲蚀作用也比炉身部分强。碱金属和碳素在砖内沉积作用仍然存在。这些因素的综合作用，使得炉腰成为高炉最易损毁的薄弱部位之一。中小高炉可采用优质致密粘土砖或高铝砖或刚玉砖。大型现代高炉一般采用高铝砖或刚玉砖或碳化硅砖。有的也采用碳砖砌筑。
(4) 炉腹。炉腹位于炉腰之下。下部炉料温度可达1000-1650℃，气流的温度更高，高温作用特别强烈。由于低粘度熔渣形成，对炉衬的化学侵蚀也特别严重，熔渣和高温气流对炉壁的冲刷突出，碱金属的沉积引起炉衬的膨胀作用仍有相当大的影响。因此，炉腹是高炉炉衬损毁最严重的部位。一般高炉开炉后不久就几乎全部损毁，而靠覆盖在炉腹处一层坚实的渣层来保护钢壳。因此，炉腹部位采用高铝砖(Al2O3＞70%)、刚玉砖砌筑。现代化大型高炉，普遍采用碳砖和石墨−石油焦、石墨−无烟煤等半石墨砖，外加水冷或汽化冷却，以提高使用寿命 。

表10-1 炉腹用碳砖的性能
性 能
焦炭质
人造石墨质
半石墨质(A)
半石墨质(B)
体积密度，g/cm3
1.62
1.69
1.67-1.70
1.67
显气孔率，%

12.8
15-18
15.5
耐压强度，%
41.16
45.27
29.4-34.3
29.4
工业分析灰分，%
5.10
8.34

工业分析固定炭，%
94.5
90.13

(5) 炉缸和炉底。炉缸是盛装铁水和炉渣的部位。炉缸上部是高炉温度最高部位，靠近风口区的温度达1700-2000℃以上。炉底温度为1450-1500℃。炉缸的炉衬主要受到熔渣和铁水的化学侵蚀和冲刷以及碱侵蚀的膨胀作用。当熔渣和铁水侵入砖缝和裂纹之中，加速了炉渣的化学侵蚀和物理溶解损毁。炉底主要为铁水渗入砖缝，使耐火砖浮起而损毁。当铁水渗入炉底碳砖后，还发生碳砖被溶解的作用。因此，高炉炉底并不实行绝热保温，而是对炉底进行强化冷却，以减缓对碳砖的熔蚀反应，把铁水凝固在炉底的上部，即当炉底上部温度控制在1150℃(铁水熔点)以下时，可以防止炉底继续熔蚀，延长炉底寿命。

基于上述原因，并考虑到炉缸和炉底一旦被侵蚀损毁后，不易修补，严重时必须停炉大修。所以一般采用耐火度高、高温强度大、抗渣性好、导热能力强、体积密度较高和体积稳定性好的碳砖砌筑。我国高炉炉底工作表层也采用炭素捣固，其整体性好，缝隙少，铁水不易渗入。炉底的砌法主要是两种：一种为上部2-3层用碳砖，下面为优质粘土砖或高铝砖。大型高炉，由于铁水温度提高，炉底损毁的危险性增大。因此，采用全碳砖炉底。也可用沥青浸渍碳砖代替普通碳砖。砌法上采用干砌、锁砌、错缝或采用楔形砌法，防止碳砖漂浮损毁。
10.2.2 高炉热风炉
热风炉是蓄热式热交换器，其功用在于空气鼓入高炉前加热，再吹入高炉中。在燃烧室里高炉煤气或高炉与焦炉混合煤气的气体燃烧，燃烧产物升起至热风炉圆顶下面，又把格子砖通道加热，而它在热风炉下部离开。通过它加热格子砖后，让冷空气通过(从下往上)，接受格子砖的热量被加热。现在提高热风温度达到1400-1500℃，甚至更高。热风炉拱顶下将达到1500-1700℃。热风炉中使用条件最苛刻的是热风炉圆顶，格子砖上部和燃烧室内衬。
耐火材料经受温度变化和下层格子砖的质量压力。格子砖很快被加热、蓄热，而后很快把热量交还空气。如果预热空气富氧(30%)，格子砖按氧含量经受可变的气体介质作用。格子砖和气流之间的温差约150℃，一般不至于因应力导致耐火材料破坏。下层砌体由于自身的压力，在长期使用期间引起耐火材料蠕变。高温格子砖砌体上部的载荷尚小；下部的耐火材料经受相当大的压力(约0.4-2MPa)，然而下部的温度相对不高。这可以按层高度选配格子砖材料，见表10-2。
表10-2 某研究院推荐的高温热风炉用耐火材料
最高温度，℃
荷重，MPa
推荐耐火材料
上
下
上
下
1500
1100
0
0.2
硅砖，莫来石刚玉砖
1100
900
0.2
0.5
高岭石砖
900
700
0.5
1.0
特级粘土砖
700
400
1.0
2.0
高级粘土砖

砌筑热风炉和格子砖用的耐火制品，按1000h内蠕变试验结果选择。实际目的是确定蠕变期间变形速度如何和在实验室测定的这种速度到何种程度可以外推到15-20kh(即最低2年，到格子砖上部检修)。
硅砖在热风炉工作条件内的主要优势在于升高温度时的体积稳定性，高温下没有残余收缩，而600℃以上及高温下线膨胀系数小。作为格子砖材料硅砖的缺点是体积密度小和热导率不高。
我国大型高炉设计风温1250℃，热风炉炉体一般选用高级粘土砖，高铝砖，硅砖，莫来石砖，硅线石砖，红柱石砖和一些不定形耐火材料。当风温高于1100℃时，蓄热室高温部位选用低蠕变高铝砖，莫来石砖和硅砖。燃烧室与蓄热室用耐火材料基本相同，莫来石砖或莫来石砖与硅砖配用。
10.2.3 焦炉
焦炉是将炼焦煤在隔绝空气的条件下，经加热分解、干馏、炭化为焦炭用的高温炉。它的结构比较复杂，炉体主要由燃烧室、炭化室、蓄热室和斜烟道等部分组成。
10.2.3.1 炭化室与燃烧室隔墙用耐火材料
炼焦煤结焦温度为950-1050℃。为保证炼焦，焦炉隔墙炭化室一侧表面温度应加热到1100-1250℃。出焦加煤后，可降至700℃左右。而燃烧一侧波动在1200-1450℃，炭化室一侧隔墙要受到推焦磨损。由于煤的干馏、结焦过程在隔绝空气的条件下进行，要求隔墙气密性好，高温下不透气，不发生收缩变形，制品形状规整、尺寸准确，砌筑砖缝小和不致引起砌缝开裂。炭化室内在炭化过程中低温阶段有水分排出，燃烧室内燃气中含有少量的水分，同时由于煤中盐类的化学侵蚀和煤气的分解与碳素的沉积，可能破坏隔墙的组织和性能，强度下降，等等。
基于上述特点，此种隔墙用耐火材料，应选用在700-1450℃范围内稳定的、结构致密的、导热性和高温强度较高且耐磨的材料，这种材料还要不易水化和耐还原性气体侵蚀，并能防止碳素沉积，在高温下不易发生残余收缩。硅砖与其他材料相比，基本具有上述各种性能，故世界各国几乎全部选用硅砖，特别是高密度高导热性的硅砖，作为焦炉的此种隔墙衬料。随着焦炉大型化和强化生产的需要也可采用导热性、体积稳定性、高温强度都很高的碳化硅耐火材料。但这种材料价格昂贵，在氧化气氛中易氧化损毁，故目前仍很少使用。掺加金属氧化物(Cu2O、TiO2)的高密度高导热性硅砖，可以使隔墙厚度减薄，强化传热，提高焦炉的生产率，而且可提高炉子使用寿命。

10.2.3.2 其他部位用耐火材料
炭化室底部除承受煤、焦炭等较大的重量外，还承受推焦过程中的推挤、磨擦作用，易磨损和破坏。炭化室顶部受上面覆盖层和加煤机的静、动负荷作用。因此，应选用具有高温强度大、耐磨损的耐火材料。通常，由于其工作条件和要求与炭化室其他部位相似，仍采用硅砖。
炭化室炉门的内衬和炭化室两端的炉头，当炉门开启时，温度由1000℃左右骤然降至500℃以下，超过了硅砖体积稳定的极限温度(573℃)，一般采用耐热震性较好、荷重软化温度高的高铝质耐火材料。
斜烟道不直接与煤和焦炭接触，其它工作条件与炭化室和燃烧室相近，为保证焦炉整体结构的稳定性，一般采用硅质耐火材料。
蓄热室侧墙冷热交替温差大，采用优质粘土砖。有的为了保证整体性，也采用硅质材料，外侧用粘土砖保护。蓄热室格子砖，一般采用粘土砖。
10.3 炼钢炉用耐火材料
10.3.1 炼钢转炉用耐火材料
顶吹和复吹氧气转炉炼钢法是目前世界上最主要的炼钢方法。它成功地应用了碱性含碳耐火材料，特别采用溅渣补炉后，使炉龄达到10000炉以上，耐火材料单耗大大降低，生产成本大幅度减少。
氧气转炉结构如图10-3所示。总体呈直筒状，借助于水平耳轴支承和倾动。炉体倾倒在水平位置时，为加料或出钢。吹炼时置于垂直位置。
图10-3 氧气顶吹转炉炉体结构及各部位使用耐火材料情况示意图
1—出钢口(约1700℃)；2—工作层(焦油白云石砖)；
3—永久层(镁砖)；4—钢水；5—废气
10.3.1.1 转炉炉衬的工作条件及损毁机理
转炉炼钢是在高温下进行的。碳素钢出钢温度为1540-1670℃，吹炼后期可达1700℃，而出钢后炉衬温度又常降到1000℃以下，故炉衬材料受到高温和热震作用。炼钢过程也是造渣过程，炉衬受到炉渣及熔剂的化学侵蚀作用和钢水的搅动，使炉衬受到磨损和冲刷，等等。
造成氧气转炉炉衬损毁的主要原因是：在高温下炉渣和钢水的化学侵蚀和机械冲刷作用；频繁装料、出钢操作使炉衬周期性急冷急热的应力作用，装料时废钢和铁水的冲击及机械磨损作用，粉尘和烟气的侵蚀作用。其中以高温熔渣的侵蚀作用最严重，而且这些作用往往互相促进。
目前，氧气转炉的工作衬主要采用含碳的MgO-CaO系耐火材料。其具体损毁过程如下：
(1) 炉衬中脱碳层的形成。由于炼钢温度比碳与MgO反应温度(1520℃)高，碳与MgO发生氧化−还原反应，碳氧化。另外，在出钢的间歇期间，炉衬暴露于空气之中，碳也易被氧化，使炉衬材料形成脱碳层，并使其气孔率增加，结合强度降低。炉渣易渗入脱碳层，其中铁的氧化物和其它易还原的氧化物，起到传递氧的作用，使碳进一步被氧化。使脱碳层加厚，砖的表面层疏松或脱落，炉衬逐渐损毁。特别是耳轴部位炉衬，由于不易覆盖炉渣保护层，其中的碳更易氧化。
(2) 炉渣对炉衬的润湿、渗透、熔蚀和熔损。转炉炉衬一旦形成脱碳层，高钙熔融钢渣润湿耐火材料，并沿气孔和基质等向材料内部渗透。在润湿与渗透的同时，变质层炉衬组分溶解于熔渣之中，继续发生化学反应，脱碳层不断形成，使炉衬逐渐被侵蚀而损毁。这个侵蚀过程随吹炼发生周期性变化。吹炼前期，渣中存在有大量SiO2，炉渣碱度低，炉衬中MgO和CaO易溶于中渣中，熔渣也可渗入材料之中。吹炼后期，熔渣中铁的氧化物含量相对增高，与材料接触时，便形成粘度很低的液相。特别是耐火材料中含CaO较高时，吸收少量的FeO就可出现液相，侵蚀尤为严重。在吹炼时熔体的搅动等机械力作用下，被侵蚀形成的熔融层从表面脱落。耐火材料中杂质愈多、结构愈不紧密，气孔率愈高，渣蚀速度愈快，损毁愈严重。
(3) 炉衬变质层引起的崩落损毁。由于熔渣侵入炉衬内部后，在残留碳素层的前面聚集，并与炉衬材料发生化学反应，形成变质层。一般情况下，变质层在含碳材料中很薄。当材料的MgO含量较CaO高时，MgO溶于熔渣后，熔渣润湿性降低不多，渗透度较大，变质层较厚。相反，含CaO较高时，含CaO的熔渣碱度较高，润湿性明显降低，变质层较薄。随着吹炼过程中熔体的运动与冲击，炉衬表面的变质层产生结构崩裂和剥落。研究表明，转炉镁砖损毁的主要原因是所形成的变质层产生结构崩裂和剥落。白云石质耐火制品的损毁原因主要是在熔渣的化学侵蚀作用下引起热面的熔蚀损毁。
(4) 炉衬的机械磨损和剥落。转炉吹炼过程中装料和吹入氧气，钢水发生强烈的搅动引起对炉衬的机械撞击、磨损和冲蚀是转护炉衬损毁的直接原因。特别是在装料侧和炉口最为严重。
(5) 炉衬由热震引起的热崩裂。氧气转炉炼钢速度快，由装料到出钢时间很短，温度波动很大，产生的热应力也很大，并周而复始，致使炉衬因热崩裂、剥落而损毁，特别是炉口附近最严重。如果砌筑或烘炉不当，也会使热应力集中而加剧崩落和剥落。
(1) 炉口。耐火材料必须耐熔渣和高温废气冲刷，不易挂钢挂渣并易清除，能耐废钢和吊车吊除渣圈时的机械冲击，耐氧化。一般采用抗渣、耐热震性和耐磨损撞击的烧成砖，常以烧成白云石砖为主，但寿命较低。有的采用不易挂钢和挂渣的镁碳砖。为提高耐侵蚀性，在排渣侧采用高温烧成高纯镁砖和熔铸耐火制品。
(2) 炉帽。炉帽位在取样和出钢时为渣线区域，是受炉渣侵蚀最严重的部位之一。同时受到含尘废气的冲刷和温度骤变引起热应力的作用，砖中碳也易氧化。因此，常采用焦油沥青结合白云石砖和镁砖，为避免焦油沥青中碳的氧化耐磨性降低，有的也采用烧成砖。
10.3.1.2 转炉用耐火材料

(3) 炉腹。
① 装料侧。这是转炉炉衬中最薄弱的环节，损毁最严重的部位。它受到吹炼时炉渣和钢水的喷溅、渣蚀、磨损、冲刷及装入废钢和铁水时的撞击和冲蚀，机械损伤严重，因而造成装料侧炉衬熔损、冲蚀、崩裂。受温度波动引起热应力的影响也大。要求所用耐火材料具有较高的抗渣性和高温结构强度，具有较好的耐热震性。一般选用杂质含量低的高温烧成合成白云石油浸砖和CaO/SiO2比在2以上的高温烧成高纯度直接结合油浸镁砖或镁碳砖和镁白云石砖。也有使用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖以及轻烧油浸砖。由于生产过程中经常有局部损毁，一般采用相同或相近材质的不定性耐火材料进行喷补。
② 出钢侧。这一部位主要受到出钢时钢水的热冲击和冲刷作用，损毁程度远比装料侧轻。常采用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖，也可采用烧成油浸砖或镁碳砖。当采用与装料侧相同材质时，为保持炉衬的均衡寿命，常采用厚度较装料侧薄的结构形式。
③ 渣线部位。渣线部位是炉衬长期与熔渣接触而受渣蚀最严重的部位。出渣侧的渣线位置随出钢而变，不很明显。出渣侧由于受到炉渣强烈侵蚀和吹炼过程中其它作用的共同影响，损毁严重。所用耐火材料特别重视抗渣性能。一般选用高温烧成并油浸的致密的含MgO较高的合成白云石砖或高纯镁砖，以及镁碳砖和镁白云石碳砖。
④ 耳轴两侧。炉腹中耳轴区属易损毁部位。经受吹炼时各种损毁作用的影响和炉体转动时机械应力的影响。在出钢和排渣时耐火材料不与熔渣接触，表面暴露于空气之中，砖中的碳极易氧化。因此，耳轴两侧使用焦油白云石砖和轻烧白云石砖，也可使用高温烧成的高纯白云石油浸砖或高纯油浸镁砖，或镁碳砖和镁白云石碳砖。有的采用电熔再结合镁砖。
(4) 炉壁和炉底。炉壁和炉底在吹炼过程中受到钢水的剧烈冲蚀，在出渣和出钢时受到炉渣的侵蚀。但与其它部位相比，损毁一般较轻。只有采用高速浅池吹炼时，炉底中心部位损毁可能加重。当采用底吹或顶底复合吹炼时，这一部位的损毁较顶吹法时严重。一般选用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖砌筑，或采用与炉腹相同材质的耐火材料。
(5) 出钢口。出钢口受钢水冲蚀和温度急剧变化产生的热应力的影响，损毁极为严重。常在服役期内中修2-3次，以延长使用寿命。过去常使用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖以及烧成的白云石砖或镁砖，或稳定性白云石砖，但寿命都不高。现在多采用电熔镁砂制成的烧成镁砖或套管砖。也有采用高纯镁质捣打料或高纯烧成镁质管砖。
表10-3 几种常用转炉炉衬砖的主要性能
性 质
焦油白
云石砖
焦油镁
白云石砖
烧成镁白云石砖(二段)
烧成镁白云石砖(合成)
烧成油
浸镁砖
再结合镁砖
高钙镁砖
镁碳砖
显气孔率，%
5.5~6.0
5.5~6.0
14.6(浸前)
1.5(浸前)
15.4~15.6(浸前)
2.0~13.7(浸前)
14.0
3.3~3.5
体积密度，g/cm3
2.9~2.95
2.9~3.0
2.9
3.15~3.20
2.93~2.96
3.06~3.15
3.07
2.82~2.90
耐压强度，MPa
40~45
35~40
55
50~75
55~71.4
55~70.5
52.0
>40
荷重软化温度，℃
>1650
>1650

抗
折
强
度
(MPa)
常温

13

13

1260℃

5.0

1400℃

3.0~4.5

2.5

>3.0
1500℃

5.0~7.3
2~3
4.6

化
学
成
分
(%)
MgO
56.0~60.5
69.3~78.5
60.4
70.4~88.7
95.3~97.1
98.7~99.5
96.43
>79
CaO
28.5~33.2
14.8~19.8
38.5
11~17.8
1.6~2.6
0.25~0.7
3.19

SiO2
1.5~1.7
0.6~1.0
0.6
0.5~1.3
0.8~1.2
0.16~0.2
0.06
<0.5
Fe2O3
1.9~2.0
0.7~1.5
0.2
0.4~1.1
0.2~0.6
0.02~0.2
0.06

灼减
6.0~7.0
5.5~9.0

4.0~5.5

6.0

>20

10.3.2 电炉用耐火材料
10.3.2.1 电弧炉的结构特点及耐火材料工作条件
图10-4 电弧炉的结构及各部位使用耐火材料情况示意图
1—电极；2—炉顶；3—捣打料；4—炉底；
5—出钢口；6—熔池；7—加料口
电弧炉分为炉盖(炉顶)及炉体两大部分。炉盖为可移动式，外环为钢制，多为水套式，除水冷件外，其余为耐火材料构筑。炉盖上设有三个电极孔，三根石墨电极由此插入炉内。炉体由炉底、炉坡及炉墙组成，用耐火材料砌筑，外包钢制炉壳。炉墙上一侧设有炉门，另一侧为出钢口并与出钢槽相联。
电弧炉是利用电弧发热将金属熔化进行冶炼的。所处理的原料为废钢。熔化期长，炉内温度高、气氛变化大。一般熔化期占冶炼时间的一半左右。电弧炉炼钢法一般采用氧化期炉渣和还原期炉渣精炼，即碱性双渣法。有的则在造氧化渣后将钢水倒入盛钢桶进行炉外精炼和合金化。
电弧炉炉衬主要受到熔渣的侵蚀，钢水、熔渣和空气的冲蚀及装废钢的机械撞击等，并受高温强烈热辐射作用，炉衬的热点部位极易损毁。随着加料熔化等操作频繁进行，炉盖经常启开，炉顶和炉衬热震作用也很突出。如出钢时炉衬表面温度达1000℃以上，加料时约在1000℃，补炉时只有500℃左右。所以耐火材料的工作条件是恶劣的，苛刻的。
10.3.2.2 电弧炉各部位常用耐火材料
(l) 炉盖。在熔化及精炼过程中，炉盖温度很高。在出钢时，炉盖移开后，立即处于室温之下，温度骤变，热应力很大。熔化及精炼时，还受熔渣和炉尘的喷溅侵蚀以及气氛变化的影响。
过去电炉炉盖主要采用硅砖砌筑。但由于其耐火度不高，耐热震性差，发生渣蚀熔滴和剥落损毁，寿命短。现在则普遍采用了性能优良的高铝砖和高铝质不定形耐火材料，使用寿命比硅砖高2-3倍。在大型超高功率电炉上，由于工作条件更加恶劣，则采用烧成或不烧碱性砖，但是由于砖的高温强度较低，自重大，多为吊挂结构。采用直接结合的镁砖和镁铬砖比一般镁砖和镁铬砖好，可以大大减轻结构崩裂和热崩裂引起的剥落损毁。
(2) 炉墙。电弧炉的炉墙接近电弧和熔池，受高温热辐射、熔渣和钢水飞溅作用比炉盖严重。炉内气氛和温度变化也很大，同时受废钢的撞击和熔体的冲蚀。炉墙受到多种作用综合影响而极易损毁。靠近电极附近的热点部位，常发生局部熔损，此处炉墙损毁更严重。
根据电炉熔炼工艺特点，热工制度和炉渣的性质，炉墙几乎全部采用碱性耐火材料。在一般炉墙部位，多选用镁砖和镁铬砖。除用烧成制品和烧成砖与不烧砖配合使用外，使用不烧砖效果也很好。国内小型电炉主要采用焦油沥青结合白云石砖和焦油浸渍烧成白云石砖以及焦油沥青结合的镁质和白云石质捣打料捣制。渣线区域是电弧炉的薄弱环节，大多数已采用直接结合的镁砖和镁铬砖。在大型电炉上则使用熔铸镁铬砖或电熔再结合镁砖、镁铬砖或镁碳砖或碳砖。这些耐火材料作为热点部位的炉衬材料，其使用寿命提高两倍以上。
表10-4 电炉热点部位常用耐火材料性能
性 能
直接结合镁铬砖
直接结合镁砖
熔铸
镁铬砖
镁碳砖
碳砖
A
B
C
SiO2，%
2.2
1.1
2.5

0.3
0.4

Al2O3，%
4.8
0.1
15.2

0.2
0.2

Fe2O3，%
4.2
0.1
11.0

0.1
0.1

MgO，%
80.2
95.4
54.3
595.0
72.2
87.7

Cr2O3，%
8.5

15.8

C，%

39.0
26.2
10.4
99.4
可视密度，g/cm3
3.6
3.5
3.6

体积密度，g/cm3
3.0
3.0
3.3
2.4
2.5
2.8
1.8
显气孔率，%
16.9
14.8
8.1
7.1
8.5
5.0
6.9
耐压强度，MPa
70.0
108.0
>300
47.3
35.0
35.0
56.4
荷重软化温度，℃
1680
>1700
>1700
>1700
>1700
>1700
>1700
抗折强度，MPa
11.5
12.5

9.0
9.0
10.0
19(1400℃)

(3) 炉底。炉底和堤坡组成熔池，是装料和盛装钢水的地方，直接与钢水和熔液层接触。有的电炉还向钢水吹氧、造渣，进行精炼。因此，炉底遭受钢液和熔渣的侵蚀，在渣线附近渣蚀很严重。炉底与熔渣和氧化铁反应后形成变质层，除产生熔蚀、渣蚀和结构崩裂外，往往发生钢水渗入炉底，而使炉底起层漂浮。与此同时，炉底还要经受高温的作用和废钢的撞击及温度变化的影响。因此，炉底常有局部损毁现象，一般应及时修补，维持正常生产。
烧结镁砖层上面，多采用高纯镁砂和合成镁白云石砂捣制工作衬，或使用镁质或白云石质烧成砖砌工作衬。
堤坡上部与渣线部位相连，渣蚀严重，多采用与炉墙热点部位相同或相近材质的耐火材料。如采用直接结合砖、镁碳砖、或熔铸镁铬砖或电熔再结合镁铬砖。
出钢槽衬体要求具有导热性好、耐渣蚀性能强、抗冲击和不挂渣等性能。因此，一般采用大块异型材。如高铝碳质、碳化硅质、碳质、镁质和高铝质材料。可以砌筑或捣制，也可采用振动浇注成型。
10.4 炉外精炼用耐火材料
炉外精炼是将熔炼炉中(经熔化和精炼)的钢液在熔炼炉外再次精炼的炼钢过程、使钢液脱气，排除杂质、调整成分和调整温度，提高钢水质量。随着现代工业对钢铁质量要求的日益提高，炉外精炼已经成为现代冶金中的一个重要环节。
10.4.1 RH真空脱气炉用耐火材料
RH炉在世界上开发较早，发展也较快，目前有160台多台。耐火材料使用最苛刻的部位是吸嘴（插入管）和真空室R部槽，主要采用镁铬砖，典型的理化性能见表10-5。
RH炉其它部位，如插入管外衬浇注料多采用刚玉质或铬刚玉质，插入管和循环管之间的接缝料也多采用铬刚玉质。
表10-5 RH炉用耐火材料化学组成及其性能
性 能
高温烧成直接结合镁铬砖
高温烧成直接
结合镁铬砖
超高温烧成
再结合镁铬砖
超高温烧成
再结合镁铬砖
SiO2，%
2.3
1.9
2.5
1.4
Al2O3，%
10.8
10.4
12.6
12.4
Fe2O3，%
5.9
5.4
7.6
9.0
MgO，%
67.5
64.0
53.8
53.9
Cr2O3，%
12.6
16.6
22.6
22.3
显气孔率，%
15-18
14-17
12-15
11-14
常温耐压强度，MPa
3.00-3.10
3.05-3.15
3.25-3.35
3.30-3.40
荷重软化温度,℃
40-70
60-90
50-80
70-100
抗折强度(1400℃)，MPa
7-12
10-15
15-20
16-20
特 点
很强的抗热剥落性
高纯镁砂高纯铬铁矿
电熔镁铬大颗粒铬
有大量的电熔镁铬
使用部位
真空室R部
真空室R部循环管
真空室R部
合金添加孔电极插孔

LF炉是目前世界上发展最快的一种精炼炉。LF炉用典型耐火材料是：纯白云石砖、轻烧白云石砖，镁砖，镁碳砖，炉盖采用高纯刚玉质浇注料。其中近年来我国自行开发的镁钙碳砖，展示了良好的使用效果。
10.4.2 钢包炉用耐火材料
10.4.2.1 LF精炼钢包
10.4.2.2 VAD、ASEA−SKF精炼钢包
这两种精炼钢包较类似，所不同的是VAD是采用电弧加热，吹氧搅伴，ASEA−SKF是采用电磁搅拌。通常采用的耐火材料是镁铬砖、镁白云石砖和镁碳砖，寿命在30-90次之间。
表10-6 LF炉用耐火材料
国 别
容量(t)
包 底
包 壁
渣 线
德国
1
110
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
镁碳砖(C10~12%)
2
60
直接结合白云石砖
碳结合白云石砖
碳结合镁转
美国
1
70
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
2
-
Al2O3(70%)砖
碳结合高铝砖(Al2O380%)
镁碳砖(C10%)
日本
1
-
Al2O3(80%)砖
Al2O3(80%)砖
镁碳砖或镁铬砖
2
-
镁碳砖
镁碳砖
镁碳砖
3
80

镁碳砖
镁碳砖
瑞 典
60
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
丹 麦
120
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖
碳结合白云石砖

10.4.3 不锈钢精炼炉用耐火材料
VOD精炼炉主要冶炼超低碳不锈钢，所用耐火材料主要是镁铬砖、白云石砖。主要性能见表10-7。

AOD精炼炉又称氩氧炉，是二步炼钢用吹氩氧的转炉，外形与炼钢转炉相似。其任务是将电弧炉熔化的钢水移至AOD炉吹氩气和氧气进一步脱碳，还原脱硫、调整成分或合金化。AOD炉是冶炼不锈钢的理想设备。
AOD炉采用底吹或周边吹氩、氧，氮的混合气体或纯氩气进行吹炼。由于高温钢水和熔渣剧烈搅动和强烈的涡流对炉衬产生激烈的冲蚀磨损和化学侵蚀；由于它为间歇式操作，温度最高达1620-1730℃，出钢后炉衬表面温度降至900℃以下，温度骤然变化，热应力大，而造成炉衬热崩裂和剥落损毁；由于精炼过程中要加造渣剂、冷却剂和合金剂，熔体的酸碱度变化很大，炉衬材料很难适应而被严重侵蚀损毁。
10.4.3.1 VOD精炼钢包
10.4.3.2 AOD精炼炉
AOD炉应采用具有耐火度高、高温强度大、耐热震性好、抗渣能力强和不污染钢水的耐火材料。常用的耐火材料主要有镁铬砖、直接结合镁砖、直接结合镁白云石砖和镁碳砖，也可用锆英石砖。其中镁铬质制品多为预合成镁铬砖和再结合镁铬砖。风眼是AOD炉的一个关键部位，为了构成均衡炉衬，风眼上部多采用熔粒再结合镁铬砖，其它部位采用直接结合镁铬砖。或风嘴部分使用预反应镁铬砖，其余用镁白云石砖。炉顶部位可采用高铝质浇注料或可塑料，也可用镁砖砌筑。
大部分炉外精炼设备都要用透气砖进行吹氩搅拌，以达到去气、去夹杂物，均匀和控制钢水温度及合金化的目的。可以说．没有优质的透气砖，炉外精炼要顺利进行是不可能的。
透气砖的结构形式有：弥散型、狭缝型、定向狭缝型及直通孔型和迷宫型。
透气砖的安装部位有两种，即底部和底侧部。透气砖不但要有较高的强度，抗热震稳定性、耐冲刷性及耐钢液和渣液侵蚀性，还主要要求安全性、吹成率和寿命。典型透气砖的理化性能和材质如表10-8所示。
10.4.4 透气砖
表10-7 VOD炉用耐火材料的理化性能
砖 种
SiO2
(%)