RH爐最早只作為真空脫氣裝置,那時工作層一般采用高鋁磚與粘土磚砌筑,之后隨著技術的進步和工作環境的改變,傳統的粘土磚與高鋁磚已無法滿足使用要求。經過不斷的實驗和探索,開始逐步將普通燒成鎂鉻磚應用在RH爐上,爐襯壽命提高數倍,后來又開發了直接結合鎂鉻磚、半再結合鎂鉻磚以及再結合鎂鉻磚,它們應用在了RH爐的不同部位,使用效果良好。現在,一些具有新功能的RH爐需要吹氣和噴粉,耐火材料的使用環境更苛刻,損毀嚴重,需要選用高性能耐火材料。
目前由于RH爐的浸漬管、環流管和下部槽內襯部位使用條件非常苛刻,大部分采用w(Cr2O3)≥20%的電熔再結合鎂鉻磚砌筑;上部槽與中部槽和熔渣直接接觸的機會較少,但是也會受到熔渣和鋼水的以及外加的合金的粘附侵蝕,其使用壽命一般要求為下部槽的3倍以上,因此經常使用半再結合鎂鉻磚砌筑使其w(Cr2O3)在16~20%之間;熱彎管是RH爐的廢氣煙道,使用環境較好,要求其使用壽命為下部槽的6倍,目前仍使用直接結合鎂鉻磚。
RH爐爐體從上往下一般分為熱彎管、上部槽(含合金溜槽)、中部槽(有些RH爐不含)、下部槽環流管(上升和下降環流管)和浸漬管(上升和下降浸漬管),上部槽和頂部內襯耐火材料,不會直接接觸鋼水和熔渣,使用壽命較長。中部槽在運行過程中直接接觸部分鋼水與熔渣,且RH爐從料斗加入輔料時會對其產生巨大的機械應力和沖刷,這都會直接影響內襯材料的高溫剝落,甚至損毀。下部槽和升降管(浸漬管),其內襯材料由于會受到鋼水與高溫氣流帶來的機械應力與沖刷而產生熱剝落。此時外壁不僅受到溫度變化帶來的急冷急熱影響還要受到熔渣的侵蝕,可見下部槽和升降管(浸漬管)是整個RH爐的高損毀區,決定了RH爐的使用壽命。在下部槽和升降管(浸漬管)所使用的耐火材料中,由于受到熔渣的侵蝕與滲入,在磚內形成了變質層,然后在變質層與未變質層之間產生了平行于工作面方向的龜裂,由此引起的剝落可以使RH爐提前損毀。同時熔渣滲入侵蝕破壞內襯顆粒間的結合,致使耐火材料結構疏松顆粒易于流失而遭損毀,該關鍵部位應選用抗熔渣侵蝕和滲透性好、結構致密、抗熱震性良好的高性能耐火材料。 RH精煉爐的正常工作溫度一般在1560~1650℃之間(最高達到1700℃),真空度最高可達10Pa,每爐抽真空的時間應該小于40min。目前寶鋼300t的RH精煉爐的鋼液循環流量應經提高到了230-240t/min,這意味著對耐火材料提出更高的使用要求。特別是高級特種鋼的產量不斷增加,環流量將會進一步增大,通過大量吹入氣體的方法,以進行超低碳鋼快速生產。環流量越大,耐火材料內襯磨損將會越嚴重;冷風吹入量的提高則造成了熱剝落;大量的鋼包熔渣吸入又加劇了侵蝕和剝落,這些因素都會造成耐火材料提前損毀。 RH精煉爐因中下部槽、環流管和浸漬管與高速鋼水、高溫氣流、所加入的合金以及熔渣直接接觸,使用環境最為惡劣,所以使用時間也最短,其損毀機理見表1。 RH爐由于其精煉條件苛刻,RH爐浸漬管用方鎂石-尖晶石質耐火材料主要損毀形式有如下幾種: (1)由于各種條件下急冷急熱產生熱震性破壞; (2)由于氣氛、溫度變化,不同價態氧化物交替循環變化,并產生體積效應,造成破壞; (3)爐渣侵蝕結構剝落,由于爐渣滲透并與磚發生反應,形成變質層,與原磚層之間產生裂紋,導致結構剝落。爐渣侵蝕不斷加深,材料的剝落也越來越嚴重,加速材料的損毀; (4)鋼水的機械沖刷作用,特別是在近年來RH爐環流量加大、吹入大量氣體的條件下,耐火材料內襯的沖刷磨損加速; (5)具備吹氧功能的RH脫氣處理技術,浸漬管最上部的方鎂石-尖晶石磚,因鋼水與氧發生反應,生成低共熔物附著于磚上,在高溫條件下發生蝕損; (6)高溫真空下磚的揮發。方鎂石-尖晶石磚中主要化合物MgO和Al2O3高溫真空下揮發,揮發速率隨著溫度和真空度的提高而增大。從而引起磚的重量減小,氣孔率變大,與非真空條件相比,爐渣滲入磚體內部的深度和數量變大,也是加速磚損毀的原因。 方鎂石-尖晶石磚抗熱震性優良,受氣氛影響小,但易被熔渣滲透和侵蝕。熔渣對耐火材料的破壞是多方面的,主要包括滲透、反應和熔體沖刷等一系列復雜的物理化學過程。耐火材料的熔渣損毀又分為熔渣的滲透損毀和侵蝕損毀。但是這兩種損毀,都是一個化學平衡過程,這種平衡只能是宏觀上的,如界面上局部的平衡,在微觀結構上很難達到平衡。耐火材料都有氣孔,熔渣首先會沿著氣孔向耐火材料內部滲透,引起材料內部結構松散,滲透逐步加劇,在受到熱沖擊時引起耐火材料的破壞,這是造成耐火材料損毀的主要原因。 在RH真空脫氣裝置中浸漬管和熔渣成分的接觸時間極短,但由于熔渣堿度較高,方鎂石-尖晶石磚基質中的Al2O3容易和熔渣中的CaO反應形成低熔點物相(12CaO·7Al2O3等),也會加快熔損。當方鎂石-尖晶石材料受到熔渣侵蝕后,高溫性能明顯下降。其原因是CaO在方鎂石晶體的不同部位的分布是不相等的,當Al2O3擴散到方鎂石晶體晶界范圍時,會與CaO濃度較高的地方反應生成較多CA相(12CaO·7Al2O3)和某些共晶體,當它們富集到方鎂石表面時,會在1360℃以上對方鎂石-尖晶石磚的高溫強度和熱震性產生明顯的副作用。同時在方鎂石-尖晶石磚,鎂砂顆粒和基質之間會出現Al2O3濃度差從而使Al2O3擴散至方鎂石晶界交界處,并在1200℃以上時與這里的CaO形成具有共晶體的CA相(主要為12CaO·7Al2O3)。這些低熔點物質富集到方鎂石晶體表面時,會在1360℃以上的溫度下產生液相,從而降低方鎂石-尖晶石磚高溫使用性能。 鎂鉻磚應用于各種工作環境苛刻爐襯的重要耐火材料,有人稱之為“萬能磚”。由于其具有良好的抗渣侵蝕性能和熱震穩定性,鎂鉻磚一直作為RH爐最重要的內襯材料。但近年來隨著人們環保意識的提高,鉻污染問題也受到重視。鎂鉻磚在生產和使用以及廢棄時都會產生Cr6+,Cr6+是一種致癌物,對生物體有害,且Cr6+為水溶性,特別容易污染水源。 理論上,可選用火法解毒與濕法解毒方法。 (1)火法解毒。利用一些含碳材料的燃燒產生強還原性氣氛,將六價鉻還原成低價物。 (2)濕法解毒。酸性廢水以及各種還原劑,如各種含硫還原劑,將六價鉻還原成三價鉻。火法解毒效率低成本高,濕法解雖然低成本效率良好,但會造成水體二次污染,不能根本解決問題。 解決高溫行業的鉻公害問題,目前只能是不使用含鉻耐火材料。歐美等發達國家已經立法禁止使用含鉻耐火材料,隨著環保要求的不斷提高,無鉻化耐火材料成為趨勢,各國也不斷研究探索。當前我國無鉻化耐材已經在水泥窯上得到了應用。在這一背景下,RH爐耐火材料生產廠家也不得不放棄使用含鉻耐火材料,開發鎂鉻制品的替代品,以適應這種RH爐襯材料無鉻化的趨勢。近些年來,我國業內也開展了無鉻化耐材在RH爐上的應用研究。 RH爐用無鉻耐火材料的開發主要集中在鎂鋁尖晶石質、鎂鋯質、鎂鈣質和鎂碳質4種典型材料。其中鎂鋁尖晶石質和鎂鋯質耐火材料使用效果比較優異,目前已廣泛應用于RH爐真空室中部槽等部位。但由于RH爐真空室下部槽和浸漬管的使用條件比較苛刻,實現無鉻化難度大,導致其研究進度和推廣比較緩慢。