转炉工作衬耐火材料的分区设计与性能考量

氧气转炉的炉衬，作为钢铁冶炼流程中容纳超高温熔池的核心构件，其服役环境极为严苛。炉衬的寿命直接关系到生产效率与成本控制。其损毁过程并非单一因素所致，而是物理磨损、化学侵蚀与热应力冲击三者复杂交织的结果，最终表现为炉衬的冲刷、熔蚀乃至热剥落。

转炉内部并非一个均质的反应器。从炉口到炉底，每个区域的工作条件、温度梯度和物料冲刷强度都存在显著差异。这种工况的异质性，决定了炉衬的设计必须采取“分区筑衬，因地制宜”的精细化策略，即针对不同部位的损毁特点，选用具备特定优势性能的耐火材料。镁炭砖（Magnesia-Carbon Brick）因其优异的抗渣性、高导热性和良好的抗热震性，成为现代转炉炉衬的支柱材料。

核心区域的损毁机理与耐火材料性能匹配

一套长寿、稳定的转炉炉衬，其设计的精髓在于对各区域损伤机制的深刻理解，并以此为据，精准匹配镁炭砖的性能指标。

1. 炉口与炉帽：热冲击与气流冲刷的前沿

炉口和炉帽区域是转炉的“门户”，直接承受高温含尘炉气的剧烈冲刷和熔渣的无情喷溅。在冶炼间歇期，该区域又会暴露在空气中，经受急剧的温度变化，从而引发强烈的热冲击。清理粘附于此的渣钢时，不可避免的机械撞击也对其造成物理损伤。

因此，该区域对耐火材料的要求极为苛刻：

• 高抗热震性：抵御温度骤变引起的热应力，防止开裂和剥落。
• 优良的抗渣性：抵抗熔渣的化学侵蚀。
• 抗冲刷能力：耐受高温高速气流的磨损。
• 低粘附性：不易与钢水、炉渣粘结，即便粘结也易于清理。

基于以上要求，具备高的高温强度和优异抗热震性的镁炭砖是此部位的首选。

2. 装料侧：机械撞击与冲刷的重灾区

装料侧是炉衬结构中最为脆弱的环节之一。废钢入炉时的猛烈撞击、高温铁水兑入时的强烈冲刷，构成了对炉衬的极端物理挑战。同时，钢水和炉渣的化学侵蚀也一刻不停。这种机械与化学的双重夹击，使得该区域的损毁速度极快。

这里的选材策略必须聚焦于：

• 极高的高温强度与韧性：硬扛废钢的冲击。
• 卓越的抗热震性：应对装料时巨大的温差。
• 强抗渣侵蚀性：减缓熔渣的渗透与反应。

为此，通常选用经过特殊工艺处理、兼具高抗侵蚀和高抗热震性能的特种镁炭砖进行砌筑。

3. 出钢侧：相对温和但持续受热

与装料侧相比，出钢侧受到的机械冲击和热震影响要小得多。其主要的损毁机制来自于出钢过程中高温钢水的持续热冲刷。因此，可以采用与装料侧同级别的耐火材料，但出于成本和结构优化的考量，其砌筑厚度可适当减薄。

4. 耳轴区：氧化与侵蚀的裸露地带

两侧的耳轴部位因结构特殊，在吹炼过程中，其表面的耐火材料难以被渣层有效覆盖和保护。这就使其直接暴露在炉气气氛下，不仅要承受钢水和熔渣的侵蚀，还要面对气流的冲刷和氧化。衬砖中的碳极易在此处被氧化，导致结构疏松、强度下降，加速损毁。该区域一旦损坏，修补难度极大。

选材的关键指向：

• 优异的抗氧化性：这是耳轴砖性能的核心。通过添加金属抗氧化剂（如Al、Si）或采用高纯、大鳞片石墨可以实现。
• 较高的碳含量：适度提高碳含量，可以补偿因氧化造成的碳损失，同时改善抗热震性。

5. 渣线区：熔渣侵蚀的“主战场”

渣线是炉衬与熔渣长时间、大面积接触的区域，是化学侵蚀最剧烈的地带。尤其是排渣侧的渣线，由于熔渣的剧烈搅动和化学反应，其侵蚀速率远高于出钢侧。因此，排渣侧渣线部位的损毁，往往是决定转炉整体寿命的关键瓶颈。

该区域的材料选择只有一个核心目标：极致的抗侵蚀性。通常会选用MgO含量高、石墨纯度高且气孔率低的顶级高抗侵蚀性镁炭砖。确保耐火材料各项理化指标的稳定性和可靠性至关重要。

对采购的镁炭砖进行严谨的理化性能检测，如体积密度、显气孔率、耐压强度以及抗渣性测试，是保障炉衬达到设计寿命的前提。

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6. 熔池：相对稳定的“安全区”

熔池底部在吹炼过程中虽然也受到钢水的冲刷，但相比炉身其他部位，工况相对温和。特别是现代转炉普遍采用的溅渣护炉技术，会在炉底形成一层保护性渣层，有时甚至会导致炉底“上涨”。因此，熔池部位可以采用性能要求相对不那么苛刻的普通镁炭砖。

7. 出钢口：高温冲刷与温度骤变的复合考验

出钢口是钢水流出的唯一通道，其损毁机理兼具复杂性与严重性。它不仅要经受高温钢水和炉渣的高速冲刷与侵蚀，还要在出钢前后承受剧烈的温度波动。这导致出钢口砖损毁迅速，成为需要频繁修补或更换的部件。

此处的砌筑材料需具备：

• 顶级的耐冲刷性。
• 卓越的抗氧化性。
• 良好的高温体积稳定性。

实践中，常采用整体式或组合式的镁炭质出钢口砖，其材质、结构都经过特别优化，以最大限度延长使用寿命。

图1. 转炉出钢口用耐火材料示意图

不同部位镁炭砖的理化指标参考

为了实现上述分区筑衬的策略，耐火材料供应商开发了不同牌号的镁炭砖。下表列举了部分用于转炉不同部位的镁炭砖的典型理化指标，从中可以清晰地看到性能设计的差异化。

表1 转炉用镁炭砖典型理化指标

例如，用于耳轴的MT-18A，其碳含量高达18%，以增强抗氧化和抗热震能力。而用于出钢口的MT-10A，则追求极致的致密（体积密度≥3.00 g·cm^-3）和高MgO含量（≥80%）以抵抗侵蚀。这种基于损毁机理的材料性能“定制化”，正是现代长寿高效转炉炉衬技术的核心。