锆刚玉砖在炼钢炉渣线部位的应用

锆刚玉砖在炼钢炉渣线部位的应用

一、前言

随着现代炼钢工艺向着高洁净度、高效率、低能耗的方向快速发展，炉外精炼比不断攀升，钢水在精炼容器中的停留时间显著延长，精炼温度也明显提高。在钢包、精炼炉（LF、VD、RH）以及中间包等热工设备中，渣线部位长期承受高温熔渣的化学侵蚀、钢渣界面的严重冲刷以及温度剧烈波动引起的热应力作用，是整个炉衬中损毁最为剧烈、决定整体使用寿命的关键薄弱环节。锆刚玉砖（AZS砖）以其优异的抗渣侵蚀性能、良好的高温耐磨性和较高的高温结构强度，成为炼钢炉渣线部位的重要耐火材料之一，其应用水平直接关系到精炼工艺的顺行与耐火材料消耗的降低。

二、锆刚玉砖的化学矿物组成与理化性能

锆刚玉砖是以工业氧化铝、锆英砂（或脱硅锆）为主要原料，经高温熔融或烧结制成的Al2O3-ZrO2-SiO2（AZS）系耐火材料。其典型矿物组成为刚玉、斜锆石和少量玻璃相。熔融AZS砖中刚玉与斜锆石常形成致密的共晶结构，能够有效阻止熔渣的渗透；当制品中ZrO2含量提高到约40%以上时，晶相中可形成斜锆石-刚玉-莫来石交织结构，进一步强化基质。表1为典型锆刚玉砖的理化指标。

表1 典型锆刚玉砖的理化性能指标

项目	AZS-33	AZS-36	AZS-41
Al2O3（%）	≥50	≥45	≥40
ZrO2（%）	≥32	≥35	≥40
SiO2（%）	≤16	≤13.5	≤13
Fe2O3+TiO2+Na2O+K2O（%）	≤2.5	≤2.5	≤2.5
体积密度（g/cm³）	≥3.55	≥3.65	≥3.80
显气孔率（%）	≤2.0	≤2.0	≤2.0
常温耐压强度（MPa）	≥300	≥300	≥300
荷重软化温度（℃）	≥1700	≥1700	≥1720

三、炼钢炉渣线部位的工况特点

渣线区域的工作环境极其恶劣，其损毁是多种因素耦合作用的结果。其一，精炼炉渣线部位温度通常在1600～1700℃，RH真空处理时钢液温度更高，耐火材料长期接近或超过其软化温度；其二，精炼炉渣多为CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO复杂渣系，碱度波动范围大（CaO/SiO2约1.5～4.0），渣中FeO、MnO等对刚玉和锆刚玉质材料具有极强的浸润和溶解能力；其三，吹氩搅拌、电磁搅拌、真空环流以及倾炉出钢等操作造成钢渣两相剧烈交替冲刷渣线砖衬；其四，间隙式精炼操作带来频繁的热震，容易引发结构剥落。因此，渣线材料必须具备抗渣渗透、耐高温磨损、抗热震三位一体的综合性能。

四、锆刚玉砖抗渣侵蚀机理分析

锆刚玉砖在渣线部位的优异表现源于其独特的相组成与显微结构。斜锆石（ZrO2）熔点高达2680℃，化学性质稳定，熔渣对其溶解度极小，并能显著提高熔渣黏度、阻碍渗透通道；刚玉骨料本身耐高温且抗酸碱侵蚀能力较强。当低碱度或含FeO炉渣侵蚀时，砖中玻璃相与熔渣反应生成新液相，斜锆石骨架依然保留并形成致密反应层，使渗透层变薄、结构致密化，从而抑制渣的进一步渗透。此外，ZrO2在约1170℃发生单斜-四方晶型转变并伴随体积效应，可在基质中形成微裂纹增韧机制，缓解热应力，改善材料的热震稳定性。表2给出了不同材质抵抗典型精炼渣侵蚀的试验对比（1650℃，3h，静态坩埚法）。

表2 几种常用渣线材质抗渣侵蚀性能对比

材质	侵蚀深度（mm）	渗透深度（mm）	试验后渣黏度变化
镁碳砖	4.2	6.5	降低
铝镁碳砖	5.8	8.2	降低
AZS-33砖	2.6	3.4	明显升高
AZS-41砖	1.5	2.0	显著升高

五、锆刚玉砖在炼钢炉渣线的典型应用

锆刚玉砖在炼钢系统的应用早期集中于玻璃熔窑，自20世纪80年代以来逐步推广至钢铁冶金领域。在钢包渣线，尤其冶炼钙处理钢、铝镇静钢及超低硫钢时，高碱度、高铁含量精炼渣对镁碳砖侵蚀极强，AZS砖常作为渣线关键区用砖或与镁碳砖复合砌筑，使钢包渣线寿命与包壁寿命合理匹配。在LF精炼炉和VD/VOD真空炉渣线，由于真空条件下碳结合材料易氧化失重，锆刚玉砖展现出不挥发、抗氧化、抗侵蚀的综合优势。在RH真空循环脱气装置的浸渍管、中上部槽体渣线部位，熔铸AZS砖也取得良好使用效果。此外，在中间包渣线挡渣堰、稳定器等位置，AZS砖可用于强化控流与挡渣功能。表3为若干典型钢厂的应用数据汇总。

表3 锆刚玉砖在不同精炼装置渣线部位的应用数据

应用装置	工作温度（℃）	炉渣碱度	渣线寿命（炉）	主要损毁形态
钢包渣线（普钢）	1580～1620	1.5～2.5	60～90	化学侵蚀
钢包渣线（钙处理钢）	1600～1680	2.5～4.0	40～70	化学侵蚀、结构剥落
LF炉渣线	1650～1700	2.0～3.5	200～350	渣线侵蚀、热剥落
VD炉渣线	1650～1700	1.8～3.0	250～400	侵蚀、真空挥发
RH槽体渣线	1650～1720	1.5～2.5	300～500	环流冲刷、侵蚀
中间包渣线	1550～1600	1.5～2.5	20～40（炉役）	渣线侵蚀、冲刷

六、常见损毁原因与质量控制要点

实际使用中，锆刚玉砖渣线损毁的主要形式包括化学侵蚀、结构剥落、机械冲刷和热震开裂。化学侵蚀主要源于渣中FeO、MnO对斜锆石-刚玉晶体的溶解以及玻璃相外渗；结构剥落则是由于渗透层与原砖层之间产生致密化断层，在温度波动时因膨胀失配而开裂剥落。因此，质量控制需重点关注：第一，严格控制原料，降低Na2O、K2O、Fe2O3等杂质含量，减少低熔点玻璃相生成；第二，提高ZrO2含量与分布均匀性，增强抗渣骨架；第三，控制气孔率与孔径分布，采用真空浇注、高温熔融工艺，减少贯通气孔以抑制渗透；第四，优化砌筑结构与留设合理膨胀缝，并配合红外热像在线监测和残厚检测等手段加强过程管控。

七、技术发展趋势

面向洁净钢与绿色冶炼需求，锆刚玉材料正朝着高ZrO2含量、低气孔率、低杂质、结构功能一体化方向发展。为节约成本，企业大力开发以脱硅锆、电熔锆莫来石以及工业废料再生原料为主的绿色制造工艺；为满足不同渣系，研究重点是利用相图计算与侵蚀动力学模型进行定制化成分设计；在产品形态上，除传统熔铸和烧结制品外，AZS质浇注料、预制件等不定形产品在RH浸渍管、钢包渣线喷补与局部修复中的应用比例逐步提升。此外，锆刚玉-碳复合、锆刚玉尖晶石复合等新型材料也在积极探索中，力求兼顾抗渣性、热震稳定性和成本经济性。

八、结语

锆刚玉砖凭借斜锆石与刚玉构成的致晶结构、低渗透特性和优良的高温力学性能，在炼钢炉渣线部位形成了难以替代的综合优势，尤其适用于苛刻精炼条件下的渣线关键区。实际应用中应结合炉渣成分、精炼工艺温度和钢种特点，科学选择材质牌号与砌筑方案，并配合精细化的使用维护管理，才能充分发挥其性能潜力，实现炉龄延长、耐材消耗下降和冶炼成本降低的多重目标。