炉外精炼用耐火材料的选型策略与依据

在现代钢铁冶金领域，炉外精炼技术是生产高品质、高洁净度钢材的核心环节。然而，这一过程伴随着高温、真空、熔渣侵蚀和钢水冲刷等极端苛刻的工况，对作为反应容器的耐火材料构成了严峻挑战。耐火炉衬的寿命不仅直接关联生产成本，更深远地影响着冶炼效率与最终钢材的质量。因此，如何根据具体的工艺条件，系统性地选择合适的耐火材料，成为了一项精细而关键的工程决策。这并非简单的材料堆砌，而是一个涉及多维度因素的综合权衡过程。

1. 核心制约因素：极端的操作温度

炉外精炼的工艺温度普遍在 1550~1700°C 的区间，某些特定工艺甚至会攀升至 1800°C。温度对耐火材料的侵蚀作用是指数级的。以AOD炉为例，实测数据显示，当精炼峰值温度仅提升10°C，耐火材料的寿命竟会缩减高达30%。这种严酷的热负荷要求炉衬材料必须具备卓越的耐火性能，能够承受极限温度和局部过热区的热冲击。

图1 各种氧化物在不同温度下的蒸气压

理想的材料在高温下应尽可能减少液相的生成，以抵御低黏度炉渣的渗透和侵蚀。基于此，高纯度、高直接结合率的碱性砖（如镁砖）成为首选。

同时，间歇式的生产操作带来了剧烈的温度波动，易导致炉衬因热应力而产生结构性剥落。在冶炼条件许可的情况下，抗热震稳定性最优的镁炭砖（MgO-C）或镁铬砖（MgO-Cr₂O₃）是更佳的选择。若温度激变剧烈但持续时间短，镁白云石砖的适应性则表现更优。以LF(V)钢包为例，其不同部位的选材策略就体现了这种分区优化的思想：渣线区采用耐侵蚀性强的MgO-C砖或MgO-Cr₂O₃砖，侧壁选用MgO-CaO系或MgO-Cr₂O₃砖，而对温度和侵蚀要求相对较低的底部则可使用优质高铝砖。

2. 动态侵蚀源：钢液搅拌与处理时长

所有炉外精炼工艺都配备了钢水搅拌装置，以促进反应均匀进行。但搅拌也极大地加剧了对炉衬的物理冲刷和磨损。

• 搅拌方式的影响：采用氩气搅拌的VOD、VAD、AOD等工艺，其损毁通常集中在炉底吹氩口及附近区域。而采用电磁感应搅拌的SKF炉，炉衬的薄弱点则出现在搅拌器所在位置及其对称位置。钢液与炉渣的剧烈沸腾和循环流动，无异于对炉衬的持续冲刷，从而加速了材料的损毁。
• 处理时间的影响：炉外精炼的周期可长达1~4小时。钢水在钢包内停留的时间越长，炉衬遭受侵蚀的总量就越大。

针对这些动态侵蚀，高侵蚀区域必须选用具备优异高温强度和抗冲刷能力的耐火材料，例如镁铬质、高纯镁质以及铬刚玉质材料。同时，材料还需具备较低的高温蠕变性，以维持结构稳定。从工艺角度看，尽可能缩短精炼时间也是延长炉衬寿命的有效手段。

3. 特殊环境因素：真空与电弧加热

• 真空环境下的挑战：在真空条件下，耐火材料的挥发速率和炉渣的渗透速度都会显著加剧。材料在真空中的稳定性取决于其组成相的蒸气压、解离能和结合相的活化能。在常见的氧化物中，氧化铝（Al₂O₃）和氧化钙（CaO）的热力学稳定性最为突出。实验证明，在镁砖或镁铬砖中引入氧化铝，能有效降低材料在真空下的挥发。例如，在1700°C、10^-1 Pa的条件下，Al₂O₃的挥发速率仅为MgO的百分之一，而镁铝尖晶石（MA尖晶石）的挥发速率也远低于镁铬尖晶石（MK尖晶石）。因此，若主要考量真空稳定性，高CaO含量的镁白云石砖和含Al₂O₃的镁铬砖是更理想的选择。
• 电弧加热的局部高温：ASE-SKF、VAD、LF等工艺利用电弧进行加热补偿。电弧附近的热点区域，辐射温度可高达2000°C，叠加熔渣的喷溅效应，使该区域炉衬的损毁速度急剧增加。炉衬损坏的严重程度与工作电压、电弧长度以及电极与炉衬的间距直接相关。因此，优化操作工艺，如采用较低电压、大电流、短弧操作，并严格控制电极极心圆，是保护炉衬不可或缺的措施。

4. 化学兼容性：熔渣性质与精炼钢种

耐火材料的选择必须与熔渣和钢水的化学性质高度匹配，以最大限度减缓化学侵蚀。

• 熔渣性质的影响：炉衬与熔渣的化学反应是侵蚀的主要驱动力。
  • 碱度：熔渣碱度（通常用CaO与SiO₂的质量比，即C/S比来衡量）是决定性因素。当 C/S > 2 时，镁铝尖晶石（MA尖晶石）会变得不稳定，此时纯镁砖的抗渣性优于镁铬砖，应优先选用镁砖、镁白云石砖或镁炭砖。反之，当 C/S < 2 时，镁铬砖或镁白云石砖则表现更佳。
  • 流动性：熔渣的流动性（或黏度）决定了其向耐火材料孔隙中渗透的能力。在显气孔率一定时，流动性越好（黏度越低），渗透越严重。通常酸性渣黏度大于碱性渣，而温度升高会降低所有熔渣的黏度。控制熔剂（如CaF₂）的加入量，可以在一定程度上抑制侵蚀，但这又需要与脱硫效率进行权衡。
• 精炼钢种的制约：
  • 铬污染：在还原气氛和碱性渣条件下，镁铬砖中的Cr₂O₃易被还原成铬（Cr）进入钢液。因此，在精炼无铬或低铬钢种时，应避免使用镁铬砖，转而采用镁白云石砖或镁砖。
  • 碳污染：在冶炼超低碳钢时，为防止钢水增碳，应避免使用含碳的镁炭砖，而选用镁铬质或镁白云石砖。

要精确评估和控制这些复杂的化学交互作用，往往需要对耐火材料的化学成分、相组成及在模拟工况下的抗侵蚀性能进行精密测定。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 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，专业检测耐火材料性能检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

5. 发展趋势与典型应用

从全球范围看，不同地区的选材策略呈现出一定差异。欧美国家在高侵蚀区倾向于使用综合性能优良的镁铬质砖，而日本则更普遍地采用镁白云石质砖。结合中国的资源禀赋，镁钙质材料、含碳制品以及高性能镁炭砖已成为我国炉外精炼用耐火材料的研究与应用重点。

下表系统总结了当前主流二次精炼设备所采用的典型耐火材料配置。

表1 二次精炼炉用典型耐火材料