[科普中国]-转炉风眼

简介

全球近80% 以上的矿产粗铜都是通过转炉吹炼生产的，目前转炉正在向着大型化、智能化、高强度、低污染方向快速发展。吹炼过程中，转炉炉砖整体寿命超过1000 炉次，但风眼砖炉砖寿命普遍较低，国内平均水平在200 炉次左右，提高转炉风眼区域耐火材料使用寿命是延长整个炉寿命的关键，也成为提高生产效率和提升经济效益的价值的关键。主要通过对转炉风眼砖消耗的原因进行了深入研究，寻找提高转炉风眼砖寿命的途径。

转炉风眼砖衬消耗主要来自三种因素的影响，即热应力、化学侵蚀和外力损耗1。

化学侵蚀损耗转炉中主要的介质包括转炉渣、冰铜和粗铜，采用光学显微镜和扫描电镜 / 能谱仪（SEM/EDS）两种类型的仪器进行使用后的转炉风眼砖进行显微结构分析发现，冰铜和粗铜未与风眼砖发生化学反应，仅仅是渗透到风眼砖之中，没有发生化学侵蚀。

风眼砖的化学溶蚀主要是转炉渣造成，转炉渣中的硅酸盐渣和砖体中方镁石发生反应、溶蚀，造成砖中基质减少，虽然砖体尖晶石耐溶蚀性能较好，但砖体中方镁石溶蚀后，大颗粒尖晶石被孤立、脱落，使得耐火材料表面减薄，进而露出新的反应或溶蚀表面，从而引起耐火材料均匀的厚度减薄。

进一步的分析发现，转炉渣的渗透较弱，硅酸盐主要出现在距离风眼砖热工作面较近的 2~4cm 处，而冰铜的渗透甚为强烈，其渗透深度甚至超过10cm，在工作面和内部砖体之间均有宏观裂纹的出现。

热应力损耗转炉风眼砖耐火砖选择铜冶炼转炉风口区，正常的工作温度比较高，在1200度以上，但停风特别是加冷料和出料时炉膛内温度会有较大幅度降低，短时间内降到400—700 度，剧烈的温度变化对耐火材料产生热震作用，并且由于热震的作用，致使砖体内部原有微小裂纹生长、新的裂纹产生，进而导致耐火材料砖体内部结合强度降低，特别在高温熔体侵蚀、冲刷作用下，砖体表层脱落、崩裂加剧，加速其损毁。

为了研究不同耐火材料在受到单纯热震作用时其性能之间的差异，在实验室进行了常规的急冷热震实验和缓冷热震实验。即将耐火材料于 1400℃下保温，之后从马弗炉中取出在常温空气气氛中急冷，之后再将其置于马弗炉中加热、保温、取出空冷，上述过程重复数次后，对耐火材料样品进行压力- 位移的测试，观测其耐压强度的变化，此过程中耐火材料所承受的温度变化较剧烈，为急冷热震实验。

将耐火材料的随炉缓冷热震实验则将耐火材料在 1400℃下保温后，关闭加热电源，使其随炉缓冷，之后再重新升温至 1400℃、保温、冷却，重复上述过程数次，最后对耐火材料试样进行压力- 位移的测试，为缓冷热震实验，来对比考察不同耐火材料的单纯抗热震性能差异。通过热震实验，结合生产实践，镁铬砖耐火砖更加适合用于转炉风眼砖。

先后次序对强度影响由于在转炉风口区，耐火材料不仅受温度的变化影响，也受到熔体特别是渣的侵蚀作用。为了研究不同耐火砖在铜转炉工况下的热应力产生损耗情况，根据热震实验筛选出4种抗热震性能较好的镁铬砖耐火砖，进一步进行先经历热震后经历静态侵蚀和先经历静态侵蚀后经历热震研究。从耐火材料经历热震和侵蚀两种因素交互作用后的耐压强度数据及显微镜照片对比分析，侵蚀和热震的先后顺序不同，基本不影响对材料性能的定性判断。

对不同初始强度的影响初始耐压强度高的耐火材料，损失率较高，造成铬含量高的镁铬砖经历热震和侵蚀两种因素交互作用后的耐压强度与初始耐压强度低的耐火材料相当，这与预测有较大差距；分析认为，耐火材料受到热震作用产生的热应力超过材料的极限抗张强度时，材料就会被破坏，从而产生新的裂纹。材料中的微裂纹破裂时存在明显的动力扩展，而气孔特别是材料内部原有的封闭气孔可以阻碍裂纹的扩展。若材料的气孔率高，则成核裂纹密度增大而裂纹平均尺寸变小，有利于提高材料的抗热震性。但孔隙率较高，在静态侵蚀实验中，熔体通过表面形成的热震裂纹能够更深入的渗透至砖体内部，从而在常压条件下测试耐压强度时，该部分填入砖体内部孔隙的冷凝熔体起到了类似粘结剂的作用，提高其耐压强度，显示为压力耐压强度损失率较小。但在实际生产中气孔率高，一方面渣及冰铜、粗铜熔体的渗透变的严重，熔体的侵蚀加剧，另一方面，气孔率高造成材料的强度下降，受到渣蚀后更易加剧综合使用性能下降，实际使用中，期孔率低，初始耐压强度大的耐火砖使用寿命明显强于初始耐压强度低的耐火砖，因此，选择耐火砖气孔率和耐压强度等参数时，需要综合评估2。

外力损耗转炉风眼砖由外力造成的损耗对风眼寿命有较大影响，个别情况，由于对局部风眼砖损耗过大，会造成突发性漏铜等事故发生，应引起足够重视，分析造成损耗的主要来源包括捅风眼钎子击打的机械损伤、熔体激烈搅动造成的冲刷外力损耗，另外，由于实际生产过程中加入固体物料对风眼的撞击损坏也不可忽视，特别是大块物料加入，对炉内耐火砖损害极大，包括日本东予等多家冶炼厂已停止向转炉加入大块冷铜物料，取得了风口砖寿命超过300 炉的好成绩。减小外力冲击，提高风口砖寿命的另外一个途径是优化炉体设计。

总结（1）铜冶炼炉用镁铬质耐火砖的损毁由以下一些单个过程来描述，熔体的化学溶蚀、熔池交替运动引起的磨损和热应力引起的掉片和剥落。化学溶蚀特别是硅酸盐渣的溶蚀使得耐火材料表面均匀减薄，进而露出新的反应或溶蚀表面。铜锍及粗铜的渗透深度较深，但未与耐火材料发生明显化学反应，但可能会在渗入部位产生应力敏感区。而热震所引起的应力的存在会使得溶蚀、渗透进一步加剧，最终在温度、机械力引起的应力和渗透的共同作用下引起剥片或剥落形式的耐火材料损毁。

（2）高含铬、高耐压强度耐火砖经历热震和侵蚀两种因素交互作用后的耐压强度损失率较高，因此在耐火材料选择上应当综合考虑耐火材料的结构致密性和抗热震性，以及性价比，不用过于追求高强度、高致密性，对于转炉风口砖，

含铬在22% 左右较为理想。

（3）通过调整熔剂改变渣的成分，减少与耐火砖中方镁石发生反应、溶蚀是减少转炉操作中化学侵蚀的有效途径。

（4）温度变化产生的热震作用，是砖体内部产生裂纹，外表层产生脱落、崩裂，加速其损耗的主要原因，应当通过均衡生产等方式减少温度剧烈波动；同时，大批量冷料的加，不仅会因为外部机械冲击损坏耐火砖，而且也会引起温度的剧烈变化，减少耐火砖寿命，建议减小加入物料的块度和瞬时加入量，国内外多家转炉生产企业通过少加，甚至不加大块冷铜，在提高转炉风口砖寿命方面取得明显成效，值得借鉴3。