炼钢用耐火材料的技术进展和开发趋势
2010-08-03 08:38 来源： 我的钢铁
摘 要 综合论述了近期日本钢铁工业用耐火材料的使用和发展状况。详细介绍了从铁水预处理到连铸各个工序炼钢耐火材料的应用和热点研究情况。提出了今后耐火材料的主要发展趋势，包括涉及耐火材料的环境、节能和用后耐火材料的回收利用等目前人们普遍关注的问题。
关键词 耐火材料 寿命 不定形化 单耗
0 前言
泡沫经济以后的不景气情况下，日本钢铁业通过生产体制的集约化，裁员以及降低原料、辅料的成本等措施来增强企业的赢利能力。近年来，日本国内汽车、造船、机械等制造业对钢铁需求增加，同时，钢铁业想扩大对以中国为首的亚洲的钢铁出口，因此各大钢铁公司继续保持高水平的生产。
在激烈变化的环境下，由于耐火材料的技术进步，成本下降，使用寿命延长，这有利于钢铁的稳定生产，并且能生产高品质的产品，有助于钢铁生产工艺的发展。
本文论述了炼钢耐火材料(钢铁生产过程中占多数)最近的技术开发情况，并阐述了今后耐火材料技术开发的趋向。
1 耐火材料用量
图1显示了过去10年高炉和炼钢耐火材料单耗的变化。总的耐火材料单耗趋于减少，最近达到了5 kg/t的水平。就耐火材料的种类而言，耐火砖和不定形耐火材料也趋于减少。关于不定形化的发展，不同工序都有一定程度的进展。
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图2显示了2004年度各个工序耐火材料的使用比例，炼钢用耐火材料(包括铁水预处理)的使用比例占了总量的3/4。炼钢工序中钢包耐火材料的使用比例很高，超过了总量的1/4。
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2 炼钢用耐火材料的最新进展
2.1 铁水预处理用耐火材料
随着上世纪80年代开始实施铁水预处理，混铁车、铁水包等铁水运送设备的耐火材料已从黏土砖改成了Al2O3-SiC-C砖。后来，开发了渣线用低SiO2的Al2O3-SiC-C砖，材质进一步得到了改进。目前主要使用进口砖，期待降低耐材单耗。还采用湿式喷射方式进行修补。
2.2 转炉用耐火材料
转炉用耐火材料使用镁碳砖大约已有20年的历史。随着铁水预处理比例的扩大，以及渣中MgO提高等操作条件的改善，转炉寿命能稳定达到4000炉以上。同时，国外积极采用溅渣护炉工艺，显著延长了转炉的寿命。
转炉炉衬采用了不同种类的镁碳砖以实现均衡筑衬。而且，对于关键部位，采用可靠性和耐用性高的砖砌筑；对于使用条件不苛刻的部位采用低档砖砌筑，达到长寿命和降低耐材单耗。最近，风口和风口周围砖以外的部位几乎全部采用进口砖替代。
针对损毁严重、对转炉寿命起决定作用的部位，由于各个钢厂的转炉形式和操作情况不同，出现了底吹转炉的风口以及周围炉底砖的损毁，炉口耐火材料的剥落等问题，相应地都在进行课题研究。炉衬材质的改善也在继续进行。最近有文献报道，通过控制弹性率和减小膨胀等有望改善抗剥落性。也有文章报道，采用特殊石墨，低弹性率的风口砖，耐用性是原来的2倍以上，达到了4000炉。针对炉口周围耐火材料的剥落问题，采取倾斜式砌炉或采用整体浇注，主要从结构上进行改进。倾斜式砌炉法也适用于从炉底到炉身的弯曲部位，认为由于应力缓和减轻了损耗。
2.3 钢包用耐火材料
自从上世纪80年代后半期开始使用铝尖晶石质浇注料以来，钢包衬的不定形化一直在不断发展，现在，包壁一般使用不定形耐火材料。后来，铝镁质浇注料得到开发使用，湿式喷射施工和修补的应用等，大幅度提高了钢包的寿命，也减少了施工时间。关于包底，不定形化也在推进，冲击区采用低水分致密预制块，提高了寿命。关于钢包渣线，有报道显示，为了钢包整体不定形化，对渣线用高耐侵蚀性不定形材料进行了开发研究，并进行了使用试验。但由于不定形耐火材料的耐用性不够，目前渣线一般还是采用镁碳砖。为改善钢包保温性能，开发了低导热镁碳砖。为防止超低碳钢冶炼时增碳，开发了超低碳镁碳砖。这些都是为了提高钢包功能而开发的镁碳砖。渣线用镁碳砖与转炉用一样，主要使用进口砖。最近的热点是，采用纳米碳以使镁碳砖低碳化，也有纳米镁碳砖实炉使用试验的报道。
2.4 RH脱气用耐火材料
RH脱气真空槽用耐火材料，一直采用镁铬砖施工，但由于用后砖的处理以及因高温烧成耐火材料的制造成本较高等问题，改为使用镁碳砖和刚玉尖晶石浇注料等，各大钢厂正在推进RH炉衬的无铬化。
2.5 中间包用耐火材料
中间包耐火材料与钢包耐材一样，从上世纪80年代以来不定形化得到了很大发展。通常的中间包耐火材料永久衬采用铝硅系浇注料，工作衬为镁质涂料。
另一方面，上世纪80年代以来，由于钢铁产品生产批量减少，为了提高炼钢成品率和降低耐火材料的成本，中间包热态再使用、热包反复使用的工艺已经达到了实用化。对于这些工艺，由于中间包使用时间长，不采用涂料，所以需要采用有别于一般中间包的其它材质。现在，与钢包相同，中间包的钢水部位采用铝镁质浇注料，渣线部位采用镁碳砖。
2.6 连铸用功能耐火材料
随着连铸的发展、高洁净钢生产比例的提高，滑动水口用滑板、长水口、上水口、下水口、浸入式水口等控流和吹气功能耐火材料的需要急剧增加。相对于前面谈到的转炉等采用进口砖的情况不同，连铸功能耐火材料仍然以本国生产的产品为主。
滑动水口用滑板，主要采用铝碳质，后来，由于材质改进、使用条件改善等，耐用次数大大提高。材质方面，由于添加了氧化锆，耐剥落性大大提高。根据实验和应力计算，对滑板形状进行了改进，抑制了龟裂的产生和扩展。由于滑板的小型化和用后滑板的再利用，降低了耐火材料的单耗，所以各制铁所都在推进使用。另一方面，进行了Ca处理钢和高碳钢等高侵蚀性钢种用滑板的开发，例如，开发了兼顾耐侵蚀性和耐剥落性的铝镁碳碱性滑板等。
长水口是最近10年寿命提高最多的耐火材料，最近，长水口的寿命能够达到30炉或40炉已不足为奇。预热、保温和残渣清理等使用方面的改善，对于延长寿命有明显的效果。材质方面，采取了加强碗部材质强度、抑制内管熔钢磨损、防止外部氧化以及防止剥落等措施。
浸入式水口，其特性与铸型内流动模式和铸坯质量关系较大，所以普遍是从材质和形状二方面进行开发和改善。材质方面的开发具有代表性的是，水口内侧氧化铝难附着材料的开发。一般采用ZrO2-CaO-C材料，最近又普遍采用无碳内衬。形状方面的开发，有阶梯型浸入式水口，这种水口可有效防止偏流，减轻水口内部的氧化铝附着。此外，也提出采用旋转流式水口和带有球形突起的漩涡流式水口的方案，实炉试验正在进行之中。
3 今后技术开发的趋向
3.1 更长寿命、高性能化
近年来，经济在加速发展变化。钢铁制造商针对环境变化，确保高品质钢的稳定供给和赢利是非常必要的。就耐火材料而言，在满足钢铁生产和操作条件的同时，要求确保耐火材料的寿命以及成本的最小化。
今后不会停止对高耐用性材质的改善和开发。从耐火材料的性能稳定性提高的观点看，需要考虑材质和制造工艺设计。高耐用性材质开发的时候，希望分析损毁机理，据此进行合理的材质设计，而不能满足于目前的水平。今后，关于损毁机理的分析，耐火材料制造商和钢铁生产制造商协同进行分析是非常必要的。现在，由于进口砖的价格上升，要大幅度降低耐火材料的单耗，需要改善修补材料的耐用性和提高修补技术，这样总的成本才能降低。
钢铁用户对产品的高品质化要求比以前更加强烈了，所以有必要增加高纯净钢、高洁净钢和冶炼难度大的高级钢的生产。只有拥有这样钢种的稳定制造技术，才能维持日本钢铁的国际竞争力。这样，需要大力改善和开发有利于炉外精炼，提高钢水洁净度和铸坯质量的功能耐火材料。例如，如果能开发出大流量和长寿命兼备的透气砖，可完全不吹气铸造的氧化铝难附着的浸入式水口，这对于操作和铸坯质量，都会带来极大的冲击变革。
3.2 施工、修补技术的传承
老职工的大量退休，老龄化社会的到来，日本钢铁业界的世代交替，人才的确保和培养是个大课题。耐火材料也不例外，施工、修理技术的传承非常迫切。
技术传承必要性很高的施工作业是，出钢口、炉底风口、炉底砖等，转炉用大砖的高精度施工和钢包终点的判定。关于转炉大砖的高精度施工，包括砖的加工，砖缝控制，以及必要器械的操作等，这些技能的取得，需要较多的实践经验。通过OJT(On Job Training，在职培训)进行技能传承的很多，但存在实炉操作机会少的问题。关于钢包终点的判定，各公司都编写了操作手册，但由于每个钢包的耐材损毁情况不同，对于实际的钢包终点判定，即便是熟练工也不得不依赖于OJT。今后，钢包的终点判定技能有必要引入残厚测定装置以助一臂之力。
耐火材料制造商、施工人员和钢铁生产制造商共同来做工作是必要的。
3.3 环境协调
近年的钢铁生产技术发展中，以前较注重质量，成本和生产率，现在，与环境的协调发展显得越来越重要。炼钢工序中，与环境有关的课题是：
(1)以减少热损失和热回收为主的节能问题；
(2)进行渣、尘、泥等副产品和用后耐火材料的再循环，达到最终处理量的最小化；
(3)其它产业产生的副产品的资源化利用。以下介绍的是与上述环境对应的课题中，与耐火材料相关的内容。
3.3.1 节能及减少CO2排放
为防止地球变暖，日本钢铁工业自己制定了自主行动计划，即，2010年的能源消耗比1990年减少10％，致力于节能和减少CO2的排放量。日本钢铁工业的吨钢CO2的排放量一直是世界上最少的，但如果今后要继续保持近年高水平的钢铁生产，要实现自主行动计划，有必要开发新的技术。
图3显示了钢铁联合企业的最终能源消耗构成。高炉铁矿石还原需要的反应热是41％，轧钢和送风机、泵等的使用消耗电力21％，这是有效能量。剩下的39％为能源排放。节能的要点在于，减少能量的排放，削减必要的能耗，二方面都要考虑。
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关于减少能量排放的课题，例如减少炉体热量的散失。含有炼铁厂的钢铁企业，当各种设备的放散热减半时节省的能量大概是72PJ。炉体放散热的回收是比较困难，但有必要开发减少炉体散热的技术。最近，有文献报道，将微孔隔热材料用于鱼雷车的铁皮和耐材永久衬之间，由于高耐火度、超低热传导隔热材料的开发，可望大幅度减少炉体的放散热。
另一方面，减少必要的能源消耗。例如，由于增加了废钢用量，减少了铁矿石所需的还原反应热。随着废钢用量的增加，可以预测耐火材料相关的问题：①废钢从转炉装入侧加入，会对耐火砖、风口以及风口周围的砖产生机械损伤；②伴随着废钢的二次燃烧，炉壁和炉口耐火材料产生熔损。如前所述，除继续进行转炉镁碳砖的材质改善，需要根据上述操作环境的变化进行材料开发。
3.3.2 用后耐火材料的再生利用
关于减少用后耐火材料废弃量的措施，主要从四方面开展：
(1)延长耐火材料的寿命，减少耐火材料的使用量；
(2)用后耐材用作精炼的造渣剂以及路基材料，实现再利用；
(3)滑动水口用滑板的再生利用等，用后耐火材料的残样用作其它用途，以实现再利用；
(4)用后耐火材料作为耐火材料的原料，以实现再利用。
用后耐火材料的再循环情况如图4所示。上述(2)对应的耐火材料以外的回收利用占37％，(3),(4)对应的耐材原料的回收利用是14％，剩下的近50％用后耐火材料被废弃。
下面是再生利用的几个例子。用后滑动水口用滑板再生用于浸渍喷枪等浇注料的骨料和A1203-SiC耐火材料的原料。用后高铝质耐火材料再生用于浸渍喷枪和中问包不定形耐火材料的骨料。有文献报道，实现了废弃耐火材料的零排放，各个制铁所都在推进用后耐火材料的回收利用。欧洲废弃的用后耐火材料比例，与初期的耐火材料施工量相比，减少到了18％。与欧洲相比，日本的再生利用比例仍然较低。
为了推进用后耐火材料作为耐材原料的再利用，希望耐火材料制造商要在用后耐火材料再生利用的前提下进行材料的设计和开发。在进行用后耐火材料的回收利用时，必须对用后耐火材料进行分类回收，除去附着、渗透的铁(钢)和渣，按照回收利用的用途进行粉碎、分级。钢铁制造商和耐火材料制造商需要同心协力地推进。
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4 结语
钢铁生产工艺和耐火材料技术是密不可分的。时至今日，如果没有耐火材料技术的进展，就没有日本钢铁工业的发展。为了达到高收益，高生产率和高品质化，应该强调耐火材料所起的重要作用。
钢铁生产商和耐火材料生产商的关系，不仅仅是用户和供应商之问的关系，更是重要的密不可分的伙伴。为了互相得以持续的发展，今后有必要建立协调机制，并进行技术开发。
摘自《世界钢铁》2007年第3期
作者丹村洋一（日）
编辑 蔚金哲 021-26093241
