电弧炉炉底耐火材料技术解析：从交流炉到直流炉的选材与应用

电弧炉（EAF）的炉底与其堤坡共同构成了容纳高温钢液与炉渣的熔池，是炼钢过程的核心反应区域。因此，炉底耐火材料的性能、施工质量与维护水平，直接关系到电炉的生产效率、运行安全与吨钢成本。本文将系统梳理交流（AC）与直流（DC）电弧炉炉底耐火材料的技术体系、关键材料特性、施工要点及维护策略。

1. 交流电弧炉（AC-EAF）炉底耐火材料技术

交流电炉的炉底结构通常设计为多层复合结构，自下而上依次为绝热层、永久层和工作层，各层功能明确，协同作用。

• 绝热层：作为炉底的最底层，其主要职责是隔热保温，减少炉底的热损失，同时均衡熔池上下部的温差。传统工艺通常在炉壳上铺设石棉板或硅藻土粉，再平砌绝热砖。
• 永久层：位于绝热层之上，是炉底的结构性支撑，核心功能是保障熔池的结构坚固，并作为防止漏钢事故的最后一道防线。该层通常采用高纯度（MgO含量95%~96%）的烧成镁砖砌筑。这些镁砖具有极高的耐火度（可达2000°C以上），高纯镁砖的荷重软化温度甚至能达到1800°C。然而，其性能并非完美：热导率较高、抗热震性较差，但可通过提升纯度加以改善。在高温下（如1500°C）其电导率变得不可忽视，这一点在设计中需予以关注。
• 工作层：这是与钢水、炉渣直接接触的“前线”，工况最为严苛。它必须承受高温热负荷、熔渣的化学侵蚀、钢水的物理冲刷、废钢的机械撞击以及复杂的氧化还原气氛。任何性能上的短板，如抗渗透性不足或因温度波动产生的裂纹，都可能导致炉底快速减薄，甚至在非连续作业时因物相转变（如C₂S水化）而溃散，严重影响炉龄。

因此，对工作层材料的要求极为苛刻：

1. 优良的烧结性：在工作温度下能快速形成具有足够强度和厚度的致密烧结层，以抵御机械冲击。
2. 适宜的体积稳定性：热膨胀和冷收缩不能引发过度开裂或局部浮起，确保炉衬的整体性。
3. 高致密度：较高的堆积密度与烧后密度，能有效抵抗钢水和炉渣的渗透。
4. 卓越的抗侵蚀性：对钢水和炉渣的侵蚀速率低且均匀。
5. 良好的可修补性：与新的修补料有良好的“亲和力”，保证热修补效果。

1.1 镁钙铁系干式捣打料：现代电炉工作层的核心选择

针对高功率和超高功率电炉的严苛要求，镁质干式捣打料已成为工作层的普遍选择。这种材料通常以高铁高钙合成镁砂和电熔镁砂为骨料与细粉，巧妙地利用合成镁砂中的铁酸二钙（C₂F）作为助烧结剂，不额外添加任何化学结合剂，通过优化的多级颗粒配比制成。其核心优势在于，通过强力捣打施工获得高密度后，可在冶炼高温下“原位”烧结成坚实的整体，炉龄相较于传统的砌砖或普通打结料可提高数倍，首次使用寿命常能达到300炉次以上，通过热修补更能延长至500~600炉次，显著降低了吨钢耐材消耗。

1.1.1 作用机理：低温烧结与高温稳定的巧妙平衡

镁钙铁干式捣打料的性能根植于其复杂的相化学反应。其主晶相为高熔点的MgO，而Fe₂O₃则扮演了关键的助烧结剂角色。在高温下，体系内发生了一系列反应：

• Fe₂O₃与游离的CaO反应生成低熔点（1436°C）的铁酸二钙（2CaO·Fe₂O₃, C₂F）。
• 原料中存在的杂质SiO₂和Al₂O₃也与CaO反应，生成硅酸钙（C₂S, C₃S）和铝酸铁四钙（4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃, C₄AF，熔点1415°C）。

这些低熔点物相的形成，是材料能够在较低温度下就开始烧结的关键。它们在高温下形成液相，“焊接”了高熔点的MgO骨料，迅速在炉底表面形成一层致密的陶瓷结合硬壳（烧结层）。随着冶炼进行，温度升高，烧结层不断增厚，从而赋予炉底优异的抗渗透、抗侵蚀和抗冲刷能力。

1.1.2 高铁镁钙砂的工艺与性能原理

作为镁钙铁干捣料的核心原料，高铁镁钙砂的生产工艺相对直接：将菱镁石、白云石等原料与含铁原料按特定比例配合，经过细磨、压球（或压坯），再在竖窑、回转窑或隧道窑中高温煅烧即得。

图1 高铁镁钙砂生产工艺流程

其化学设计的精髓在于控制CaO/SiO₂ > 2和Fe₂O₃/Al₂O₃ > 1，确保SiO₂和Al₂O₃这类有害杂质能被充分反应掉，形成以MgO为主晶相，2CaO·Fe₂O₃为主要结合相的矿物组成。

该材料的性能奥秘在于2CaO·Fe₂O₃的热力学行为。在不同氧分压和冷却速率下，其相变行为复杂多变。在理想工艺下，CaO被Fe₂O₃稳定形成2CaO·Fe₂O₃胶结相，这大大提高了材料的抗水化性。而在冶炼高温下，该结合相会部分分解，析出高熔点的CaO，同时形成的液相促进了(Mg,Fe)O固溶体的形成，最终构筑起由(Mg,Fe)O和CaO两种高熔点固相支撑的耐火骨架。这种微观结构的动态演变，既保证了易烧结性，又提供了优异的高温性能。深入研究其显微结构、相组成与热处理条件之间的关系，对于优化材料性能至关重要。

准确表征不同工艺条件下的矿物相组成、显微结构演变以及理化性能，是开发和品控高性能捣打料的基础。这正是专业检测实验室的核心价值所在，通过精密的分析手段为材料的研发和质量控制提供可靠数据支持。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料理化性能检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

以下表格展示了国内外典型高铁镁钙砂的性能对比以及相关的行业标准。

表1 高铁镁钙砂的理化性能

续表1

表2 电炉炉底用 MgO-CaO-Fe₂O₃ 系合成料的理化指标（YB/T101—2005）

1.2 施工、开炉与维护：从材料到产品的关键实践

一份好的耐火材料，只有通过严谨的施工和科学的维护，才能发挥其最大效能。

1.2.1 施工方法

施工的核心是获得均匀、高致密度的捣打层。

1. 准备：彻底清理永久层表面，杜绝残渣、灰尘等异物。精确计算捣打料用量，并检查来料是否受潮。
2. 摊铺与捣打：每层铺料厚度控制在150-200mm。先用脚踩实以排出内部空气，再使用打夯机、风镐等专业工具从周边向中心呈螺旋状反复捣打至少3遍，直至达到质量标准（如用5mm钢钎用力插入深度不超过30mm）。
3. 炉坡：炉坡施工与炉底类似，但需控制最大角度不超过40°，防止塌落。出钢口、炉门口等冲刷剧烈区域应适当加厚并加强捣打。
4. 保护：打结完成后，表面可覆盖5-10mm厚的薄钢板，防止装料时破坏炉底。若不能立即开炉，需加盖石灰层，防止材料水化。

1.2.2 新炉冶炼操作（开炉）

新炉第一炉的冶炼，俗称“烘炉”或“开炉”，其成败直接决定了捣打料的最终性能和寿命。这并非简单的熔化一炉废钢，而是一个精细控制的“原位烧结”过程。

• 装料：使用C、Si含量低的优质小块废钢，轻放慢放，分批加入。
• 升温：采用低档功率缓慢升温，严禁使用氧枪助熔。冶炼时间应是正常时间的2-3倍。
• 烧结：废钢全熔后，在≥1600°C的温度下保温至少30分钟，并适时摇炉，确保各部位烧结充分。
• 吹氧：若后期需要吹氧，必须浅吹（插入深度100-150mm），角度小（约30°），时间短，避免冲刷炉底。
• 出钢：出钢时适当留钢，以保护新生炉底。

1.2.3 日常使用与修补

• 注意事项：清理要彻底，避免新旧料分层；捣打要密实，防止收缩开裂；开炉要谨慎，避免吹氧坑。
• 热修补：当炉底出现深度大于150mm的凹坑时，必须进行热修补。流程包括：出钢后立即用氧气吹扫干净修补区域，吊入捣打料并分布均匀，最后用重物压实。对于大面积修补，修补后的第一炉钢应参照新炉开炉要求进行操作。

2. 直流电弧炉（DC-EAF）炉底耐火材料技术

直流电弧炉因其电弧稳定、电极消耗低、噪声小、效率高等优势而得到广泛应用。其技术核心特征是采用中心石墨电极作为阴极，而整个炉底作为阳极。这一根本性的结构差异，对炉底耐火材料提出了一个全新的要求：导电性。

如何让炉底实现稳定、均匀的导电，是DC炉设计的核心。目前主要有两大技术路径：导电耐火材料和金属元件导电。

2.1 导电耐火材料炉底

该方案是在炉底铜板上直接砌筑导电耐火材料。通常工作层采用高碳含量（如20% C）的镁炭砖以抵抗热震剥落，而永久层则使用较低碳含量（如10% C）的镁炭砖以减少热传导。最上层再覆盖导电性捣打料。 导电镁炭砖是此方案的基石。其性能受多种因素影响：

• 组分与结构：酚醛树脂作结合剂、使用鳞片状石墨均能提高导电性。当石墨含量超过5%，材料便可在室温和高温下导电。
• 各向异性：石墨的片状结构导致镁炭砖的导电性具有明显的方向性。平行于石墨片层方向（即垂直于压制方向）的导电率远高于垂直方向，因此砌筑时必须采用“立砌”。
• 工艺处理：在900°C左右进行热处理，以及后续的浸油工艺，可以优化碳网结构、增加致密度，从而全面提升材料的导电性、抗侵蚀性和高温强度。

表3 直流电弧炉用导电镁炭砖的性能

图2 导电镁炭砖砌筑的直流电弧炉炉底示意图

2.2 金属元件导电炉底

此方案通过在炉底耐火材料中埋设金属导体来实现导电，主要有钢棒、钢片和钢针三种形式。

• 钢棒电极 (Steel Rod Electrode)：将1-4根直径约250mm的粗钢棒插入炉底。钢棒上部与熔体接触，外部底端水冷。钢棒周围环绕砌筑碱性耐火砖（如MgO-C砖），炉床其余部分则使用与交流炉类似的镁质干式捣打料。此设计中，钢棒周围的“套砖”损毁最为严重，因为它同时承受钢水侵蚀、电极局部熔凝、水冷热应力和钢棒热膨胀等多重作用。因此，该部位的材料必须兼具优异的抗热震性、高导热性和与钢棒匹配的热膨胀性。高碳含量的MgO-C砖（C≥20%）因其出色的抗热震性，成为该部位的理想选择。

图3 钢棒砌筑的直流电弧炉炉底示意图

• 钢片与钢针电极 (Steel Plate / Pin Electrodes)：钢片设计将阳极分为多个区段，每个区段由竖向焊接的钢片阵列（厚约1.7mm，间距约90mm）构成，通过螺栓固定在风冷的底壳上。而钢针设计则采用大量（约200根）直径25-50mm的钢针穿透炉底耐材，固定于底部的导电电极。这两种设计的共同点是，在复杂的金属网络之间填充镁质干式捣打料。由于几何形状的限制，传统的捣打方式难以实现最佳密实度，通常需要配合特殊设计的振动器进行捣固。

图4 钢片导电的直流电弧炉炉底示意图

图5 多根钢针导电的直流电弧炉炉底示意图

2.3 DC炉底的修补：一个被忽视的难题

DC炉底的修补比AC炉更为复杂，关键在于维持导电通路。

• 对于耐火材料导电炉底，修补料必须是导电的。常温修补可用镁碳质捣打料，高温修补则采用镁白云石-碳质修补料。为保证导电性，碳含量通常要求在14%以上。

表4 耐火材料导电的直流电弧炉炉底修补料的性能

• 对于金属元件导电炉底，传统的非导电修补料会阻断电流，导致炉子无法正常工作。为此，行业开发了特殊的无碳导电热补料。这类材料通常由MgO颗粒和金属粉末（如30%的铁粉）组成，利用金属粉末在高温下形成的导电网络来传导电流。使用时需注意在偏中性或还原性气氛下操作，防止金属Fe被氧化，破坏导电网络。