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图 1 生产率、成本与炉龄的关系
A一炉衬费用；B一喷补费用； A＋B一综合成
本；C一炉子生产率；D—最佳炉龄
提高转炉炉衬寿命的原理及相应措施
转炉从开新炉到停炉，整个炉役期间炼钢的总炉数称为炉衬寿命，简称炉龄。它是炼钢生产的一项重要技术经济指标。炉龄，特别是平均炉龄在很大程度上反映出炼钢车间的管理水平和技术水平。炉龄延长可以增加钢的产量和降低耐火材料消耗，并有利于提高钢的质量。但对于一定的生产条件和技术水平的车间，存在着一个技术经济效果最好的最佳炉龄，图-1为某厂的一例。因此，应该努力改善生产条件和提高技术水平，将最佳炉龄不断提高到新的水平。同时应该反对不顾技术经济效果而盲目追求最高炉龄的倾向。
1 转炉用耐火材料
1.1 转炉用耐火材料的演变
自氧气转炉问世以来，其炉衬的工作层都是用碱性耐火材料砌筑。曾经用过白云石质耐火材料，制成焦油结合砖，在高温条件下砖内的焦油受热分解，残留在砖体内的碳石墨化，形成碳素骨架。它可以支撑和固定白云石材料的颗粒，增强砖体的强度，同时还能填充耐火材料颗粒间的空隙，提高了砖体的抗渣性能。为了进一步提高炉衬砖的耐化学侵蚀性和高温强度，也曾使用过高镁白云石砖和轻烧油浸砖，炉衬寿命均有提高，炉龄一般在几百炉。直到20世纪70年代兴起了以死烧或电熔镁砂和碳素材料为原料，用各种碳质结合剂，制成镁碳砖。镁碳砖兼备了镁质和碳质耐火材料的优点，克服了传统碱性耐火材料的缺点，镁碳砖的抗渣性强，导热性能好，避免了镁砂颗粒产生热裂；同时由于有结合剂固化后形成的碳网络，将氧化镁颗粒紧密牢固地连接在一起。用镁碳砖砌筑转炉内衬，大幅度提高了炉衬使用寿命，再配合适当维护方式，炉衬寿命可达到万炉以上。
1.2 转炉内衬用砖
顶吹转炉的内衬是由绝热层、永久层和工作层组成。绝热层一般用石棉板或耐火纤维砌筑；永久层是用焦油白云石砖或者低档镁碳砖砌筑；工作层都是用镁碳砖砌筑。转炉的工作层与高温钢水和熔渣直接接触，受高温熔渣的化学侵蚀，受钢水、熔渣和炉气的冲刷，还受到加废钢时的机械冲撞等，工作环境十分恶劣。在冶炼过程中由于各个部位工作条件不同，因而工作层各部位的蚀损情况也不一样，针对这一情况，视其损坏程度砌筑不同的耐火砖，容易损坏的部位砌筑高档镁碳砖，损坏较轻的地方可以砌筑中档或低档镁碳砖，这样整个炉衬的蚀损情况较为均匀，这就是所谓的综合砌炉。镁碳砖性能与使用部位如表-1。转炉内衬砌砖情况如下：
2 / 30 表1 炉衬材质性能及使用部位
气孔率% 体积密度g/cm3 常温耐压强度MPa 高温抗折强度MPa 使用部位
优质镁碳砖 2 2.82 38 10.5 耳轴、渣线
普通镁碳砖 4 2.76 23 5.6 耳轴部位、炉帽液面以上
复吹供气砖 2 2.85 46 14 复吹供气砖及保护砖
高强度镁碳砖 10～15 2.85～3.0 >40 炉底及钢液面以下
合成高钙镁砖 10～15 2.85～3.1 >50 装料侧
高纯镁砖 10～15 2.95 >60 装料侧
镁质白云石烧成砖 2.8 2.8 38.4 装料侧
(1) 炉口部位。这个部位温度变化剧烈，熔渣和高温废气的冲刷比较厉害，在加料和清理残钢、残渣时，炉口受到撞击，因此用于炉口的耐火砖必须具有较高的抗热震性和抗渣性，耐熔渣和高温废气的冲刷，且不易粘钢，即便粘钢也易于清理的镁碳砖。
(2) 炉帽部位。这个部位是受熔渣侵蚀最严重的部位，同时还受温度急变的影响和含尘废气的冲刷，故使用抗渣性强和抗热震性好的镁碳砖。此外，若炉帽部位不便砌筑绝热层时，可在永久层与炉壳钢板之间填筑镁砂树脂打结层。
(3) 炉衬的装料侧。这个部位除受吹炼过程熔渣和钢水喷溅的冲刷、化学侵蚀外，还要受到装入废钢和兑入铁水时的直接撞击与冲蚀，给炉衬带来严重的机械性损伤，因此应砌筑具有高抗渣性、高强度、高抗热震性的镁碳砖。
(4) 炉衬出钢侧。此部位基本上不受装料时的机械冲撞损伤，热震影响也小，主要是受出钢时钢水的热冲击和冲刷作用，损坏速度低于装料侧。若与装料侧砌筑同样材质的镁碳砖时，其砌筑厚度可稍薄些。
(5 ) 渣线部位。这个部位是在吹炼过程中，炉衬与熔渣长期接触受到严重侵蚀而形成的。在出钢侧，渣线的位置随出钢时间的长短而变化，大多情况下并不明显，但在排渣侧就不同了，受到熔渣的强烈侵蚀，再加上吹炼过程其他作用的共同影响，衬砖损毁较为严重，需要砌筑抗渣性能良好的镁碳砖。
(6 ) 两侧耳轴部位。这部位炉衬除受吹炼过程的蚀损外，其表面又无保护渣层覆盖，砖体中的碳素极易被氧化，并难于修补，因而损坏严重。所以，此部位应砌筑抗渣性能良好、抗氧化性能强的高级镁碳砖。
图3 日本大分厂顶底
复合吹炼转炉综合砌砖
1一不烧镁碳砖(ωc =20％，高纯度石墨，烧
结镁砂)；2一不烧镁碳砖(ωc=18％，高纯
石墨，烧结镁砂)；3，4一不烧镁碳砖(ωc=
15％，普通石墨，烧结镁砂)；5一烧成镁碳
砖(ωc＝20％，高纯石墨，电熔镁砂)； 3 / 30 (7 ) 熔池和炉底部位。这部位炉衬在吹炼过程中受钢水强烈的冲蚀，但与其他部位相比损坏较轻。可以砌筑含碳量较低的镁碳砖，或者砌筑焦油白云石砖。若是采用顶底复合吹炼工艺时，炉底中心部位容易损毁，可以与装料侧砌筑相同材质的镁碳砖。
综合砌炉可以达到炉衬蚀损均衡，提高转炉内衬整体的使用寿命，有利于改善转炉的技术经济指标。图-3和图-4 是日本两个厂家转炉综合砌筑炉衬的实例。其中图-4是185t复吹转炉的综合砌炉图。
图4所示转炉的操作温度在1650～1710℃，除了冶炼普通钢外，还冶炼低碳钢和一些特殊钢，每日出钢35～45炉次，装入95％的铁水，钢水全部连铸，炉龄为5113炉次/炉役。
表2 各种材质的性能
1 2 3 4① 5 供气砖①
化
学
成
分
ω/％ MgO 65.8 70.8 75.5 72.5 74.5
CaO 13.3 0.9 1.0 0.2 1.5
固定碳 19.2 14.2 20.2 20.2 20.5 25
主要添加物 金属粉 金属粉 金属粉 金属粉
BN
体积密度/g·cm-3 2.82 2.86 2.84 2.87 2.85 2.88
显气孔率/％ 4.7 3.7 3.7 3.0 3.0 1.0
抗折强度(1400℃)/MPa 4.8 4.4 12.9 15.2 14.6 17.7
回转抗渣试验蚀损指数
(1700℃) 100 117 98 59 79 81
图4氧气转炉砌砖图
材 质
编
号 成 分 及 性 能 4 / 30 ①使用了部分电熔镁砂为原料。
1.3. 转炉出钢口用砖
转炉的出钢口除了受高温钢水的冲刷外，还受温度急变的影响，蚀损严重，其使用寿命与炉衬砖不能同步，经常需要热修理或更换，影响冶炼时间。改用等静压成型的整体镁碳砖出钢口，由于是整体结构，更换方便多了，材质改用镁碳砖，寿命得到大幅度提高，但仍不能与炉衬寿命同步，只是更换次数少了而已。表3是出钢口用镁碳砖性能。
表3 出钢口用镁碳砖性能
化学成分/ω%
显气
孔率
/% 体积
密度
/g•cm-3 常温
耐压
强度
MPa 常温
抗折
强度
MPa 抗折
强度
/Mpa
（1400℃） 加热
1000℃后 加热
1500℃后
（MgO） 固定碳含量 显气
孔率
/% 体积
密度
/g•cm-3 显气
孔率
/% 体积
密度
/g•cm-3
日本品川公司改进的镁碳砖 73.20 19.2 3.20 2.92 39.2 17.7 21.6 7.9 2.89 9.9 2.80
国产整体出钢口砖 76.83 12.9 5.03 2.93
2 炉衬寿命及影响因素
2.1 炉衬的损坏
2.1.1 炉衬损毁规律
氧气转炉在使用过程中，炉衬的损坏程度依次排列为耳轴区、渣线、二个装料面、炉帽部位、熔池及炉底部位，在采用单一材质的合成高钙镁砖砌筑时，是以耳轴、渣线部位最先损坏而造成停炉，其次是装料侧。在采用镁碳砖砌筑时，炉役前期是以装料侧损毁最快，炉役后期则耳轴区和渣线部位损毁的快。在炉底上涨严重时，耳轴侧炉帽部位也极易损坏，往往造成停炉。在耳轴出现的“v”型蚀损，装料侧出现的“○”型浸蚀都是停炉的原因。
2.1.2 炉衬损毁特点
1）观察镁碳砖与烧成砖在开新炉后的状态，其工作面的状态是不一样的，开新炉后镁碳砖的工作面有一层约10～20mm的“脱皮”蚀损，随着吹炼炉数的增加，炉衬表面逐渐光滑平整，砖缝密合严紧。烧成砖则棱角清晰，砖缝明显，在开炉温度高时（＞1700℃），则有大面积剥落、断裂损坏。采用铁水——焦碳烘炉法开新炉时，镁碳砖炉衬未出现过塌炉及大面积剥落和断裂现象，开炉是安全可靠的。
2）随着吹炼炉数的增加，镁碳砖经高温碳化作用形成碳素骨架后，其强度大大提高，抗浸蚀能力越来越强，因此在装料侧应采用镁碳砖砌筑，有利装料侧炉衬寿命的提高。
3）由于镁碳砖炉衬表面光滑，炉渣对其涂层作用及补炉料的粘合作用欠佳。
4）镁碳砖有汽化失重现象，炉役末期，倾倒面（炉帽）易“抽签”，造成成
分
及
性
能 试
样 5 / 30 塌落穿钢，必须认真观察维护。
5）由于镁碳表面光滑，砌完砖后频繁摇炉，倾倒面下沉，与炉壳间有30～100mm的间隙，容易发生熔化和粉化，出钢口不好，容易漏钢，炉壳粘钢严重，拆炉困难。
6）镁碳砖不易水化，采用水泡炉衬拆炉时，倾倒面砌易水化砖，可不必用拆炉机。
2.1.3 炉衬损毁的原因
在高温恶劣条件下工作的炉衬，损坏的原因是多方面的，主要原因有以下几个方面：
(1) 机械磨损。加废钢和兑铁水时对炉衬的激烈冲撞及钢液、炉渣强烈搅拌时造成的机械磨损。
(2) 化学侵蚀。渣中的酸性氧化物及（FeO）对炉衬的化学浸蚀作用，炉衬氧化脱碳，结合剂消失，炉渣侵入砖中。
(3) 结构剥落。炉渣侵入砖内与原砖层反应，形成变质层，强度下降。
(4) 热剥落。温度急剧变化或局部过热产生的应力引起砖体崩裂和剥落。
(5) 机械冲刷、钢液、炉渣、炉气在运动过程中对炉衬的机械冲刷作用。
在吹炼过程中，炉衬的损坏是由上述各种原因综合作用引起的，各种作用相互联系，机械冲刷把炉衬表面上的低熔点化合物冲刷掉，因而加速了炉渣对炉衬的化学浸蚀，而低熔点化合物的生成又为机械冲刷提供了易冲刷掉的低熔点化合物，又如高温作用，既加速了化学浸蚀，又降低了炉衬在高温作用下承受外力作用的能力，而炉内温度的急剧变化所造成的热应力又容易使炉衬产生裂纹，从而加速了炉衬的熔损与剥落。
2.1.4 镁碳砖炉衬的损坏机理
根据对使用后残砖的结构分析认为：镁碳砖的损坏首先是工作炉衬的热面中碳的氧化，并形成一层很薄的脱碳层。碳的氧化消失是由于不断的被渣中铁的氧化物和空气中氧气氧化所造成的，以及碳溶解于钢液中或砖中的MgO对碳的汽化作用，其次是在高温状态下炉渣浸入脱碳层的气孔及低熔点化合物被熔化后形成的孔洞中和由于热应力的变化而产生的裂纹之中。浸入的炉渣与MgO反应，生成低熔点化合物，致使表面层发生质变并造成强度下降，在强大的钢液、炉渣搅拌冲击力的作用下逐渐脱落，从而造成了镁碳砖的损坏。
从操作实践中观察到，凡是高温过氧化炉次（温度＞1700℃，FeO＞30％），不仅炉衬表面上挂的渣全部被冲刷掉，而且进而浸蚀到炉衬的变质层上，炉衬就象脱掉一层皮一样，这充分说明高温熔损，渣中（FeO）的浸蚀是镁碳砖损坏的重要原因。
图5是镁碳砖蚀损示意图。提高镁碳砖的使用寿命，关键是提高砖制品的抗氧化性能。
研究认为，镁碳砖出钢口是由于气相氧化一组织结构恶化一磨损侵蚀被蚀损的。