魏志江

河鋼宣鋼

摘要：轉爐煉鋼作為現代鋼鐵冶煉的核心流程，其內襯耐火材料的設計直接決定爐齡壽命、生產成本與作業效率。本文基于轉爐各部位服役工況的顯著差異，系統闡述了爐底、熔池、爐身、耳軸、渣線、爐帽、爐口及出鋼口等關鍵區域的損毀機理與耐火磚差異化設計策略。通過對比分析不同部位鎂碳磚的理化指標（MgO含量、碳含量、體積密度、顯氣孔率、耐壓強度等）及招標文件技術規格，揭示了“分區筑襯、性能定制”的設計內核。研究表明：裝料側需強調高溫強度（耐壓強度≥40MPa），耳軸區側重抗氧化性（碳含量18%），渣線區追求極致抗侵蝕（MgO≥76%、顯氣孔率≤3%），熔煉區則通過“DC-P”結構創新將熱應力峰值從153.56 MPa降至8.5 MPa以下。本文還探討了不定形耐火材料的技術突破與定型磚的不可替代性，并對低碳化、智能化設計方向作出展望。

關鍵詞：轉爐內襯；耐火磚；分區設計；鎂碳磚；損毀機理；熱應力分析 

1.前言

氧氣轉爐是鋼鐵冶煉流程中容納超高溫熔池的核心反應器，其內襯耐火材料直接承受1650℃以上鋼水、高氧化性爐渣、含塵氣流的物理沖刷與化學侵蝕，同時面臨廢鋼撞擊、溫度驟變（ΔT＞300℃/次）等極端工況的復合考驗。爐襯壽命不僅是衡量煉鋼技術水平的關鍵指標，更直接關聯噸鋼耐材成本、設備作業率及工序能耗。長期以來，轉爐內襯設計經歷了從“單一材質等厚砌筑”到“綜合砌爐、分區優化”的深刻演變。這一轉變的根本驅動力在于：轉爐內部并非均質反應場——爐口承受熱震與氣流沖刷，裝料側遭遇機械撞擊，耳軸區碳氧化裸露，渣線面長期熔渣侵蝕，各部位損毀主因迥異，對耐火材料的性能訴求截然不同?，F代轉爐長壽技術的核心，正是基于對上述損傷機制的精準認知，實現耐火材料性能與服役工況的“量身定制”。本文從轉爐內襯各部位的服役環境與損毀機理切入，系統梳理爐底、熔池、爐身、耳軸、渣線、爐帽、爐口、出鋼口等關鍵區域的耐火磚設計邏輯，通過招標技術規格與理化指標的多維對比，揭示“分區筑襯”策略下的材料性能差異化規律。同時，結合有限元分析在熔煉區結構優化中的最新應用，以及不定形材料的技術突破，探討轉爐內襯設計的未來演進方向。

2.轉爐內襯服役環境與分區設計總論

轉爐爐襯的損毀是機械磨損、化學侵蝕與熱應力沖擊三者復雜交織的過程。然而，這種復合損毀機制在各區域的權重分布存在顯著差異，構成了分區設計的底層邏輯。

（1）爐口與爐帽位于轉爐頂部，直接承受高溫爐氣（1400-1600℃）的高速沖刷與熔渣噴濺，冶煉間歇期暴露于空氣中經歷急冷急熱，同時需頻繁清理粘渣——這要求材料兼具高抗熱震性、抗渣性、抗沖刷性及低粘附性。

（2）裝料側是爐襯最脆弱的環節。廢鋼（單塊可達100kg）從3米以上高度墜落的沖擊能達3kJ，鐵水兌入時的湍流沖刷形成強烈機械磨損，加之化學侵蝕同步進行——高溫強度與韌性是選材的首要準則。

（3）耳軸區因結構特殊，吹煉過程中難以被渣層有效覆蓋，襯磚表面直接暴露于氧化氣氛。碳素氧化導致結構疏松、強度下降，且該區域修補難度極大——抗氧化性成為性能設計的絕對核心。

（4）渣線區（尤其是排渣側）與熔渣長時間、大面積接觸，是化學侵蝕最劇烈的區域。爐渣中的FeO、SiO?與MgO反應生成低熔點相（如2MgO·SiO?，熔點1890℃），導致耐材結構疏松、逐層熔蝕——極致的抗侵蝕性是唯一目標。

（5）熔池（爐底）工況相對溫和?，F代濺渣護爐技術會在爐底形成保護性渣層，有時甚至導致爐底“上漲”——可采用性能要求較低的普通鎂碳磚。

（6）出鋼口是鋼水流出的唯一通道，損毀機理兼具復雜性：高溫鋼水（＞1650℃）的高速沖刷、爐渣的化學侵蝕、出鋼前后劇烈的溫度波動——頂級的耐沖刷性、抗氧化性與高溫體積穩定性缺一不可。

這種工況異質性決定了：一套優秀的內襯設計，本質上是多牌號耐火磚的精準組合。下文將逐區展開具體設計參數與性能指標的深度對比。

3.各部位耐火磚設計特點的差異化解析

3.1爐底與熔池區：穩定性優先

爐底與熔池在吹煉過程中雖受鋼水沖刷，但相比爐身其他部位，機械沖擊與化學侵蝕強度均較弱，且濺渣護爐形成的渣層提供了額外保護。因此，該區域的設計邏輯是在滿足基本抗侵蝕能力的前提下，追求經濟性與施工便利性。

（1）理化指標對比顯示（表1），爐底鎂碳磚的MgO含量通?？刂圃?4%-76%，碳含量14%-16%，體積密度≥2.93-2.95 g/cm³，耐壓強度≥35MPa。這一指標組合在轉爐各部位中處于“基礎檔位”——碳含量低于耳軸區，致密度低于出鋼口，高溫抗折強度要求也相對寬松。

（2）值得注意的是，不同鋼企的技術規格存在細微差異。武鋼2025年9月的120噸轉爐招標中，爐底磚要求MgO≥76%、C≥14%、體積密度≥2.95 g/cm³；而在同年10月的另一批次招標中，爐底磚調整為MgO≥74%、C≥16%、體積密度≥2.93 g/cm³。這一波動反映了企業在“高抗蝕”與“高抗熱震”之間的權衡——提高碳含量增強抗熱震性，但可能犧牲部分抗渣性。

3.2爐身與裝料側：強度與韌性并重

裝料側是爐襯損毀的“短板”——其局部蝕損速率往往決定全爐役是否需停爐修補。廢鋼撞擊與鐵水沖刷構成物理破壞的主因，要求耐火磚具備極高的高溫強度和斷裂韌性。

（1）從招標數據看，爐身加強磚的技術門檻明顯高于爐底：MgO≥76%、C≥14%，但體積密度需達到3.00 g/cm³，顯氣孔率≤3%，高溫抗折強度（1400℃×30min）≥9MPa。這一指標組合意味著更致密的基質結構、更低的氣孔率，從而在承受機械沖擊時具有更高的抗剝落能力。

（2）相比之下，普通爐身磚的體積密度要求為2.97 g/cm³，高溫抗折強度≥8MPa。兩者差異表明：在裝料側等關鍵沖擊區，材料致密度的輕微提升即可帶來壽命的顯著延長。這與某鋼廠實踐吻合——采用高純鎂碳磚后，爐齡從800爐次提升至1200爐次，噸鋼耐材成本降低12%。

3.3耳軸區：抗氧化性為核心

耳軸區是轉爐內襯設計的“技術高地”。由于渣層覆蓋缺失，襯磚直接暴露于爐氣氣氛，碳素氧化速率遠高于其他區域。一旦碳氧化導致結構疏松，侵蝕將呈指數級加速，且修補極為困難。

（1）設計應對策略十分明確：大幅提升碳含量，以補償因氧化造成的碳損失。表1顯示，爐身/耳軸專用磚MT-18A的碳含量高達18%，顯著高于爐底磚（14%-16%）和出鋼口磚（10%）。武鋼招標文件同樣明確：爐身/熔池鎂碳磚碳含量要求≥18%。

（2）抗氧化劑添加是另一關鍵技術路徑。在鎂碳磚中加入Al、Si等金屬粉末，可在高溫下優先與氧反應生成Al?O?、SiO?或碳化物（Al?C?、SiC），填充氣孔、致密化表層，從而延緩碳素氧化。這是耳軸區鎂碳磚雖碳含量高但抗氧化性仍可達標的微觀機制。

3.4渣線區：抗侵蝕性的極致追求

（1）渣線是熔渣化學侵蝕的“主戰場”。爐渣堿度（CaO/SiO?）、FeO含量、流動速度共同決定侵蝕速率。實驗表明，當爐渣堿度從1.8提升至2.5時，鎂碳磚侵蝕速率可下降60%——但冶煉工藝并非為保護爐襯而設，耐火材料必須主動適應爐渣化學。

（2）渣線磚的設計指向極致的抗渣性。高MgO含量（≥76%）、低顯氣孔率（≤3%）、高純度石墨、致密基體。這一組合可有效抑制爐渣沿氣孔的滲透深度（常規滲透層5mm，優化后可減少75%），并減緩MgO向熔渣的溶解速率。

（3）排渣側與出鋼側的渣線工況存在強度差異。排渣側因熔渣劇烈攪動，蝕損速率遠高于出鋼側。綜合砌爐策略允許在此處采用更高檔次的鎂碳磚，而出鋼側可適度減薄厚度。

3.5爐帽與爐口：抗熱震性主導

（1）爐帽與爐口是熱震疲勞最嚴重的區域。出鋼后空爐、加廢鋼兌鐵水、吹煉升溫——每個冶煉周期內，該區域表面溫度在800-1600℃之間劇烈振蕩，熱應力循環導致裂紋萌生、擴展、剝落。

（2）抗熱震性設計涉及多重參數協同：較高碳含量（MT-14B級含碳≥14%）提升導熱系數、降低溫度梯度；適中的MgO含量（≥74%-76%）平衡抗渣性與熱膨脹系數；顯氣孔率適度放寬（≤4%-5%）可吸收部分熱應變。

（3）值得注意的是，爐帽磚的體積密度要求（≥2.90 g/cm³）顯著低于爐身磚（≥2.97 g/cm³）。這一“性能降級”并非設計缺陷，而是主動選擇——過于致密的磚體熱傳導過快、熱應力集中，反而不利于抗熱震性。

3.6出鋼口：復合考驗下的特材設計

（1）出鋼口是轉爐內襯中工況最惡劣、損毀最快的部件。高溫鋼水（1650℃+）以2m/s流速沖刷、爐渣化學侵蝕、間歇操作的熱震沖擊——三重損毀機制疊加。

（2）出鋼口磚的設計邏輯呈現多維極致化特征。武鋼招標要求出鋼口鎂碳磚MgO≥80%、體積密度≥3.00 g/cm³、顯氣孔率≤4%、耐壓強度≥40MPa。這一指標組合在轉爐各部位中“MgO含量最高、體積密度最大”——高MgO保證抗渣侵蝕能力，高致密提供耐沖刷性，適度放寬的顯氣孔率（4%）則為快速升降溫提供熱應變緩沖。

（3）結構設計同樣關鍵。實踐中常采用整體式或組合式鎂炭質出鋼口磚，其材質、錐度、安裝方式均經過專項優化。砌筑時出鋼口座磚需底部找平、內孔校正、火泥涂抹，周圍搗打料對稱填充以防轉動——工藝細節與材料性能共同決定最終壽命。

轉爐各部位鎂碳磚典型理化指標與設計特點對比見表1。

表1.轉爐各部位鎂碳磚典型理化指標與設計特點對比

4.結構設計創新：從經驗砌筑到有限元優化

傳統轉爐內襯設計長期依賴經驗積累與工程類比。爐底與爐身過渡區采用“翻身磚”結構，雖施工便利，但熱應力集中問題突出。戴晨晨等（2024）采用ANSYS熱-結構耦合模塊對傳統熔煉區襯體進行有限元分析，揭示了一個驚人的事實：第一、第二轉向區熱應力峰值高達153.56 MPa，約為鎂碳磚固有強度的10余倍。這一發現徹底顛覆了對傳統設計的認知——長期以來被視為“成熟可靠”的翻身磚結構，實際上在服役初期即已處于熱應力超載狀態，裂紋萌生不可避免。研究團隊提出的“DC-P”結構優化方案包含三項核心創新如下。

（1）雙圓弧砌體結構。將傳統直角/銳角轉向改為大曲率半徑雙圓弧過渡，顯著降低幾何突變處的應力集中系數。

（2）面-面銜接技術。摒棄翻身磚的點/線接觸，實現相鄰砌塊的面支撐，應力分布均勻化。

（3）應力吸收緩沖層。在爐底與熔池交界處嵌入可壓縮性微高干主材的緩沖薄層，主動吸收熱膨脹應變。

有限元驗證顯示：優化后熔煉區工作面最大熱-結構耦合應力降至8.5 MPa以下，原第一、第二轉向區的熱應力“雙峰”完全消失。該方案在國內某260噸轉爐實施后，爐襯底角始終保持圓滑過渡形貌，全爐役未現“底角深坑”；與傳統翻身磚爐襯相比，整體爐齡提高36%，平均耐材單耗下降33%。這一案例具有范式意義：內襯壽命的提升不僅依賴于材料性能的改進，結構設計的科學化同樣能釋放巨大潛力。有限元分析正在將轉爐砌筑從“手藝”轉化為“工程科學”。

5.不定形材料與定型磚的協同設計

本文聚焦于耐火磚（定型制品），但不可忽視的是，不定形耐火材料在轉爐內襯維護與特定區域應用中正扮演日益重要的角色。

（1）應用場景的互補性是理解兩類材料關系的鑰匙。定型磚在轉爐內襯主體結構中仍占據絕對主導地位——其高溫燒制形成的穩定晶體結構、可精準控制的幾何尺寸、經數十年驗證的服役可靠性，在爐底、爐身、耳軸等核心承力/承溫區具有不可替代性。不定形材料的優勢則體現在：復雜形狀填充、局部快速修補、在線熱施工。

（2）近年來不定形技術的突破正在改變邊界條件。環保型水基大面修補料實現燒結時間縮短50%、壽命延長2.3倍；高性能鎂碳質噴補料使耳軸修補周期從每班1次延至每2班1次；日本品川公司的碳結合噴補料可在1300℃磚面直接施工，單次修補時間從45分鐘壓縮至15分鐘。這些進步使不定形材料從“臨時應急”向“長效維護”演進。

（3）復合襯里結構正在成為大型轉爐的主流設計范式：主體承力區采用高純鎂碳磚定型砌筑，侵蝕嚴重區域預留噴補空間，爐役中后期通過智能噴補機器人精準修復局部損毀。這種“定型?；A、不定形強維護”的協同模式，實現了爐襯全生命周期成本的最優化。

6.結語

轉爐內襯耐火磚的設計，已經從單一材質的簡單選型，發展為基于損毀機理認知、匹配服役工況梯度、融合材料科學與結構力學的系統工程。本文通過分區解析與數據對比，揭示了以下核心結論。

（1）轉爐各部位損毀主因差異顯著，耐火磚設計必須采取“分區筑襯、性能定制”策略。裝料側強調高溫強度（耐壓強度≥40MPa），耳軸區側重抗氧化性（碳含量18%），渣線區追求極致抗侵蝕（MgO≥76%、顯氣孔率≤3%），出鋼口兼顧耐沖刷與抗熱震（體積密度≥3.00 g/cm³）——沒有一種“萬能磚”能同時滿足所有區域的性能訴求。

（2）不同牌號鎂碳磚的理化指標呈現清晰的分化規律。從爐底到出鋼口，MgO含量波動于72%-80%，碳含量跨度為10%-18%，體積密度介于2.90-3.00 g/cm³。這些差異并非工藝波動，而是針對特定損毀機制的有意設計。

（3）結構優化對壽命的提升效果可與材料改進等量齊觀。“DC-P”方案使260噸轉爐爐齡提升36%、單耗下降33%——這一數據有力證明：內襯設計不應止步于材料選型，砌體幾何、應力分布、過渡銜接同樣是決定性的技術變量。

7.展望

（1）低碳化。傳統鎂碳磚碳含量8%-18%，高碳帶來優異抗熱震性，卻也成為碳氧化損毀的“阿喀琉斯之踵”。碳含量＜5%的超低碳鎂碳磚乃至無碳磚（鎂鋁尖晶石磚等）是研發熱點。關鍵在于通過復合抗氧化劑、納米改性、非氧化物結合相等技術，在低碳條件下復刻高碳磚的抗熱震與抗侵蝕性能。

（2）智能化。3D掃描+機器人噴補已進入工業應用。下一步發展方向是：內襯全生命周期數字孿生——將砌筑數據、過程檢測、損毀模型集成一體，實現侵蝕預警、智能修補、爐役動態規劃。這不僅是維護技術的升級，更將反向驅動初始設計的優化：當爐襯可以被精準修復，“等強等厚”的傳統設計原則將被“梯度設計、可修復性預留”的新范式取代。

（3）多功能化。耐火材料正在從“被動承受”向“主動參與”演進。例如，底吹供氣元件不僅是透氣磚，更是冶金反應的控制手段；MgO-Fe-C磚在提釩轉爐中通過原位形成MgO-FeOss固溶體，主動優化脫碳層燒結性。未來的轉爐內襯，可能集成傳熱調控、渣系調節、耐材-冶金協同等功能，從“防護層”升維為“功能層”。

轉爐內襯設計是一門“妥協的藝術”——在抗蝕與抗熱震之間、壽命與成本之間、標準化與定制化之間尋求最優平衡。而隨著損毀機理的透明化、材料基因組的工程化、數字孿生的普及化，這門藝術的“經驗成分”將不斷減少，“科學權重”持續提升。這既是鋼鐵工業高效低碳轉型的內在要求，也是耐火材料學科向精密工程邁進的時代印記。

參考文獻

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