RH炉用耐火材料损毁机理深度剖析

RH炉（Ruhrstahl-Heraeus）作为现代钢液二次精炼的核心设备，其运行环境极为苛刻。真空、高温、高速钢液流动以及复杂的化学反应，共同对炉衬耐火材料构成了前所未有的复合挑战。理解这些损毁机理，是提升炉衬寿命、保障生产稳定性的前提。

高速循环钢液的冲刷侵蚀

RH精炼工艺的核心在于通过真空抽吸和上升管吹氩（Ar），在炉内形成剧烈的钢液循环。以一台265吨的RH炉为例，其钢液循环速度可高达惊人的 200 t/min。如此高速的钢液流，对直接接触的真空室下部、喉口、底部及浸渍管内衬，形成了强烈的机械冲刷和磨损。这种冲刷作用会不断剥离反应产物层，持续暴露新的耐火材料表面，从而急剧加速化学侵蚀的进程。本质上，这是一种物理磨损与化学侵蚀的协同破坏效应。

温度波动与灾难性的结构剥落

RH精炼属于间歇式作业，炉次间的停炉和准备时间较长，导致炉衬经受剧烈的温度波动。熔渣与耐火材料同为氧化物体系，二者间的润湿性普遍较好。在高温下，熔渣极易渗透进入耐火材料的显微气孔中，并与材料发生反应，形成一层与原始砖体在化学成分和物理性质上均不相同的致密“变质层”。

当温度大幅下降时，由于变质层与未受影响的原始砖层（未变层）之间的热膨胀系数存在显著差异，两者界面处会产生巨大的热应力。当应力超过材料的结合强度时，便会诱发平行于工作面的裂纹，最终导致材料成层状开裂脱落。这种现象被称为“结构剥落”，其对炉衬的破坏程度远超单纯的高温熔蚀。对多家钢厂RH炉使用后的镁铬砖进行解剖分析发现，在距离工作热面 10-30 mm 处普遍存在平行裂纹，这为结构剥落的发生提供了直接证据。

要准确诊断结构剥落的程度并追溯其根源，需要对用后耐火材料进行精细的显微结构与物相分析，判定变质层的厚度、成分以及裂纹的扩展路径。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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气氛交变与化学组分的挥发

RH精炼过程中，真空与吹氧操作交替进行，使得炉内气氛的氧分压在极低和较高水平之间剧烈振荡。在抽真空的低氧压条件下，镁铬砖中的 MgO 和尖晶石相 MgO·Cr₂O₃ 会发生分解反应，其产物以气相形式从砖体中逸出。而在吹氧的高氧压阶段，它们同样会通过另一路径发生反应并气化挥发。这种关键化学组分的气化流失，直接削弱了耐火材料晶粒或骨料颗粒间的结合，导致材料结构疏松、强度下降，在高速钢流的冲击下变得不堪一击。

两种典型熔渣的化学侵蚀

1. 铁硅酸性渣的侵蚀

无论是采用底部吹氧（RH-OB）还是顶部氧枪吹氧（RH-KTB），吹氧操作都会加速钢液的脱碳反应 [C] + [O] = CO(g)，同时因 CO 二次燃烧及 Fe、Si、Mn 等元素的氧化而使钢液升温。这一过程会形成富含氧化铁的酸性渣，其化学组成为 FeO-SiO₂-MnO-Al₂O₃ 渣系。这类熔渣的特点是流动性极佳，能轻易渗入耐火材料内部，造成严重的化学侵蚀。

2. 脱硫粉剂的侵蚀

钢液脱硫是精炼的重要环节。脱硫粉剂通常由萤石和石灰构成，属于 CaF₂-CaO-Al₂O₃ 渣系。为了确保脱硫效果，这些粉剂会在循环流动的钢液中停留一段时间。该渣系具有熔点低、黏度低、流动性好的特点，因而对耐火材料的渗透和侵蚀能力非常强。渗入的熔渣会溶解耐火材料的基质或结合相，破坏材料的内部结构，降低其高温强度，使其更容易被钢液流冲走。

焦点：为何浸渍管是损毁的“重灾区”？

浸渍管是RH炉中损毁最迅速、寿命最短的部件。它承受了上述所有损毁因素的叠加作用，并且还面临着一些特殊的挑战：

• 碱性渣卷入： RH的真空抽力会将钢包中由转炉带入的碱性渣卷入浸渍管内。而传统的镁铬砖在抗碱性渣侵蚀方面的性能并不突出。
• 内外双重侵蚀与结构失稳： 浸渍管内外壁同时暴露于高温环境，加剧了损毁。其外壁通常采用高铝质的刚玉-尖晶石浇注料。当外壁受到钢包内碱性渣的侵蚀而变薄时，无法有效保护内部的钢壳。钢壳温度升高会过度膨胀变形，这种变形一方面会引起外部浇注料衬产生裂纹，为钢液渗入甚至衬体脱落埋下隐患；另一方面，变形的钢壳无法对内部砌筑的镁铬砖提供稳固支撑，导致砖缝松动，加速了熔渣沿砖缝的侵蚀。这形成了一个破坏性的恶性循环。

综上所述，RH炉用镁铬质耐火材料的损毁是一个由物理冲刷、热应力、气氛交变和多源熔渣化学侵蚀共同作用的复杂过程，如下图所示。

图1 RH炉用镁铬质耐火材料的损毁机理