RH炉最早只作为真空脱气装置,那时工作层一般采用高铝砖与粘土砖砌筑,之后随着技术的进步和工作环境的改变,传统的粘土砖与高铝砖已无法满足使用要求。经过不断的实验和探索,开始逐步将普通烧成镁铬砖应用在RH炉上,炉衬寿命提高数倍,后来又开发了直接结合镁铬砖、半再结合镁铬砖以及再结合镁铬砖,它们应用在了RH炉的不同部位,使用效果良好。现在,一些具有新功能的RH炉需要吹气和喷粉,耐火材料的使用环境更苛刻,损毁严重,需要选用高性能耐火材料。
目前由于RH炉的浸渍管、环流管和下部槽内衬部位使用条件非常苛刻,大部分采用w(Cr2O3)≥20%的电熔再结合镁铬砖砌筑;上部槽与中部槽和熔渣直接接触的机会较少,但是也会受到熔渣和钢水的以及外加的合金的粘附侵蚀,其使用寿命一般要求为下部槽的3倍以上,因此经常使用半再结合镁铬砖砌筑使其w(Cr2O3)在16~20%之间;热弯管是RH炉的废气烟道,使用环境较好,要求其使用寿命为下部槽的6倍,目前仍使用直接结合镁铬砖。
RH炉炉体从上往下一般分为热弯管、上部槽(含合金溜槽)、中部槽(有些RH炉不含)、下部槽环流管(上升和下降环流管)和浸渍管(上升和下降浸渍管),上部槽和顶部内衬耐火材料,不会直接接触钢水和熔渣,使用寿命较长。中部槽在运行过程中直接接触部分钢水与熔渣,且RH炉从料斗加入辅料时会对其产生巨大的机械应力和冲刷,这都会直接影响内衬材料的高温剥落,甚至损毁。下部槽和升降管(浸渍管),其内衬材料由于会受到钢水与高温气流带来的机械应力与冲刷而产生热剥落。此时外壁不仅受到温度变化带来的急冷急热影响还要受到熔渣的侵蚀,可见下部槽和升降管(浸渍管)是整个RH炉的高损毁区,决定了RH炉的使用寿命。在下部槽和升降管(浸渍管)所使用的耐火材料中,由于受到熔渣的侵蚀与渗入,在砖内形成了变质层,然后在变质层与未变质层之间产生了平行于工作面方向的龟裂,由此引起的剥落可以使RH炉提前损毁。同时熔渣渗入侵蚀破坏内衬颗粒间的结合,致使耐火材料结构疏松颗粒易于流失而遭损毁,该关键部位应选用抗熔渣侵蚀和渗透性好、结构致密、抗热震性良好的高性能耐火材料。 RH精炼炉的正常工作温度一般在1560~1650℃之间(最高达到1700℃),真空度最高可达10Pa,每炉抽真空的时间应该小于40min。目前宝钢300t的RH精炼炉的钢液循环流量应经提高到了230-240t/min,这意味着对耐火材料提出更高的使用要求。特别是高级特种钢的产量不断增加,环流量将会进一步增大,通过大量吹入气体的方法,以进行超低碳钢快速生产。环流量越大,耐火材料内衬磨损将会越严重;冷风吹入量的提高则造成了热剥落;大量的钢包熔渣吸入又加剧了侵蚀和剥落,这些因素都会造成耐火材料提前损毁。 RH精炼炉因中下部槽、环流管和浸渍管与高速钢水、高温气流、所加入的合金以及熔渣直接接触,使用环境最为恶劣,所以使用时间也最短,其损毁机理见表1。 RH炉由于其精炼条件苛刻,RH炉浸渍管用方镁石-尖晶石质耐火材料主要损毁形式有如下几种: (1)由于各种条件下急冷急热产生热震性破坏; (2)由于气氛、温度变化,不同价态氧化物交替循环变化,并产生体积效应,造成破坏; (3)炉渣侵蚀结构剥落,由于炉渣渗透并与砖发生反应,形成变质层,与原砖层之间产生裂纹,导致结构剥落。炉渣侵蚀不断加深,材料的剥落也越来越严重,加速材料的损毁; (4)钢水的机械冲刷作用,特别是在近年来RH炉环流量加大、吹入大量气体的条件下,耐火材料内衬的冲刷磨损加速; (5)具备吹氧功能的RH脱气处理技术,浸渍管最上部的方镁石-尖晶石砖,因钢水与氧发生反应,生成低共熔物附着于砖上,在高温条件下发生蚀损; (6)高温真空下砖的挥发。方镁石-尖晶石砖中主要化合物MgO和Al2O3高温真空下挥发,挥发速率随着温度和真空度的提高而增大。从而引起砖的重量减小,气孔率变大,与非真空条件相比,炉渣渗入砖体内部的深度和数量变大,也是加速砖损毁的原因。 方镁石-尖晶石砖抗热震性优良,受气氛影响小,但易被熔渣渗透和侵蚀。熔渣对耐火材料的破坏是多方面的,主要包括渗透、反应和熔体冲刷等一系列复杂的物理化学过程。耐火材料的熔渣损毁又分为熔渣的渗透损毁和侵蚀损毁。但是这两种损毁,都是一个化学平衡过程,这种平衡只能是宏观上的,如界面上局部的平衡,在微观结构上很难达到平衡。耐火材料都有气孔,熔渣首先会沿着气孔向耐火材料内部渗透,引起材料内部结构松散,渗透逐步加剧,在受到热冲击时引起耐火材料的破坏,这是造成耐火材料损毁的主要原因。 在RH真空脱气装置中浸渍管和熔渣成分的接触时间极短,但由于熔渣碱度较高,方镁石-尖晶石砖基质中的Al2O3容易和熔渣中的CaO反应形成低熔点物相(12CaO·7Al2O3等),也会加快熔损。当方镁石-尖晶石材料受到熔渣侵蚀后,高温性能明显下降。其原因是CaO在方镁石晶体的不同部位的分布是不相等的,当Al2O3扩散到方镁石晶体晶界范围时,会与CaO浓度较高的地方反应生成较多CA相(12CaO·7Al2O3)和某些共晶体,当它们富集到方镁石表面时,会在1360℃以上对方镁石-尖晶石砖的高温强度和热震性产生明显的副作用。同时在方镁石-尖晶石砖,镁砂颗粒和基质之间会出现Al2O3浓度差从而使Al2O3扩散至方镁石晶界交界处,并在1200℃以上时与这里的CaO形成具有共晶体的CA相(主要为12CaO·7Al2O3)。这些低熔点物质富集到方镁石晶体表面时,会在1360℃以上的温度下产生液相,从而降低方镁石-尖晶石砖高温使用性能。 镁铬砖应用于各种工作环境苛刻炉衬的重要耐火材料,有人称之为“万能砖”。由于其具有良好的抗渣侵蚀性能和热震稳定性,镁铬砖一直作为RH炉最重要的内衬材料。但近年来随着人们环保意识的提高,铬污染问题也受到重视。镁铬砖在生产和使用以及废弃时都会产生Cr6+,Cr6+是一种致癌物,对生物体有害,且Cr6+为水溶性,特别容易污染水源。 理论上,可选用火法解毒与湿法解毒方法。 (1)火法解毒。利用一些含碳材料的燃烧产生强还原性气氛,将六价铬还原成低价物。 (2)湿法解毒。酸性废水以及各种还原剂,如各种含硫还原剂,将六价铬还原成三价铬。火法解毒效率低成本高,湿法解虽然低成本效率良好,但会造成水体二次污染,不能根本解决问题。 解决高温行业的铬公害问题,目前只能是不使用含铬耐火材料。欧美等发达国家已经立法禁止使用含铬耐火材料,随着环保要求的不断提高,无铬化耐火材料成为趋势,各国也不断研究探索。当前我国无铬化耐材已经在水泥窑上得到了应用。在这一背景下,RH炉耐火材料生产厂家也不得不放弃使用含铬耐火材料,开发镁铬制品的替代品,以适应这种RH炉衬材料无铬化的趋势。近些年来,我国业内也开展了无铬化耐材在RH炉上的应用研究。 RH炉用无铬耐火材料的开发主要集中在镁铝尖晶石质、镁锆质、镁钙质和镁碳质4种典型材料。其中镁铝尖晶石质和镁锆质耐火材料使用效果比较优异,目前已广泛应用于RH炉真空室中部槽等部位。但由于RH炉真空室下部槽和浸渍管的使用条件比较苛刻,实现无铬化难度大,导致其研究进度和推广比较缓慢。