高炉用耐火材料的发展与应用

 耐火材料的使用性能是影响高炉寿命很重要的一个因素。20世纪80年代以前，国内高炉炉衬一般采用高铝砖、粘土砖和普通炭砖砌筑，寿命很短。当时对高炉耐火材料使用性能的研究很少，因为产品标准中只有几项常规指标，如炭砖的灰分、抗压强度、气孔率、体积密度，高铝砖的抗压强度、气孔率、体积密度、耐火度、荷重软化点、AlO3含量、Fe2O3含量等。这些常规指标不能反映生产过程中高炉炉衬的实际工作状态，因而这些指标的高低与高炉寿命的关系并不密切。随着钢铁生产的高速发展，我国高炉炉衬用耐火材料取得了很大的进步，在生产技术、产品品种、质量水平方面，正逐步追赶世界先进水平，取代某些进口产品。延长高炉寿命是我国冶金工业的重要技术政策，炼铁和耐火材料工作者为此做出了很大的努力，并取得了显著的成效。  

    高炉用的耐火材料主要包括炭砖和硅铝质耐火材料等。高炉炭砖有半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、石墨砖和模压小炭砖等。  

    国外、国内各牌号炭砖目前国内高炉陶瓷杯用砖有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相结合棕刚玉砖、微孔刚玉砖、法国陶瓷杯砖(浇注块)等5种，复合棕刚玉砖的抗碱性较差，一般大型高炉已不采用。陶瓷杯炉缸结构是法国首先开发的，是一种不经高温烧成的浇注块，其主要优点抗碱性优良，抗炉渣侵蚀性较好，抗铁水熔蚀性很好，是微气孔砖，适用于炉缸砖衬。近年国内相继开发出多种陶瓷杯用砖，则都是高温烧成的。国产微孔刚玉砖的各项性能均已达到或优于法国陶瓷杯砖，其中抗炉渣侵蚀性和耐压强度更好。塑性相刚玉砖除微气孔指标较差外，其他性能都较好，是目前应用最多的～种。刚玉莫来石砖由于抗碱性和抗炉渣侵蚀性很差，不适合用于炉缸部位，但用于陶瓷杯底仍是适用的。  

    除炭砖品种外，还要重视碳素捣打料和泥浆的选择。如果采用导热系数很低的碳素捣打料[1—3W／(m·K)]，即使炭砖导热系数很高，但由于碳捣料相当于绝热层，因而散热仍然不畅，炉缸炉底温度必然很高，影响强化冷却的效果。  

    对于炭砖，主要研究其抗氧化性、铁水渗透性、铁水溶蚀性、导热率、气孔分布特性、抗碱性；对硅铝质耐火材料，主要研究其抗渣性、抗碱性、气孔分布特性等指标。炭砖有以下几种类型：

     1)微孔炭砖。普通微孔炭砖中，日本的BC一7S和法国的AM一102炭砖可作为代表性的国际名牌产品。武钢和宝钢的高炉都使用了该产品，使用效果好，高炉寿命都达到了10 年以上。该产品的特点是导热系数较高，微气孔指标先进，抗碱性优良。国产的普通微孔炭砖，其主要性能指标和日本BC一7S炭砖、法国AM一102炭砖已很接近，很多高炉的使用效果较好，例如武钢的高炉使用国内的普通微孔炭砖。

     2)超微孔炭砖。以日本的BC一8SR和德国的7RDN为代表，人们称之为超微孔炭砖。其主要特点是导热系数较高，孔容积率>85％，其他性能也保持优良。 

      3)模压小炭砖。以美国NMA、 NMD热模压小炭砖为代表的国际名牌产品在我国应用也比较多，使用效果较好。武钢技术中心和国内某耐火材料厂合作进行了模压小炭砖的研制，以电煅无烟煤为原料，以酚醛树脂为结合剂，用磨擦压砖机成型，经高温烧成，生产模压小炭砖，其产品性能已优于美国热压小炭砖。

      4）半石墨炭砖。国产半石墨炭砖和日本BC-5型半石墨炭砖相比，其导热系数、抗碱性、铁水熔蚀等性能相当。德国半石墨炭砖的600℃导热系数达到18．04 W／(m·K)，优于一般的国产半石墨炭砖，其他性能亦相当。    在高炉的内部，不同的部位所使用的耐火材料也是不同的，高炉不同部位砖衬由于侵蚀、破损的原因不同则对耐火材料的性能要求也各异，应根据主要侵蚀因提出性能要求，而不应对每种耐火材料都提出同的性能要求。因此，高炉设计非常重视炉底、炉缸设计的合理性，基本措施包括三个方面：一是增加死铁层深度，以延缓炉缸铁水流动对炉底、炉缸的侵蚀；二是改善炉缸耐材质量，提高炉缸的导热能力、抗压强度、抗铁水侵蚀；三是加强炉底、炉缸冷却强度与冷却效果。

炉腹、炉身和炉腰用砖

    高炉的这些部位通常被认为是高温区，是耐火材料内衬的关键部位，即在正常情况下，高炉一代寿命就取决于这些部位的耐火材料和冷却设备性能。这部分冷却强度最大，温度波动大，机械冲刷和碱侵蚀严重。因此，要求耐火材料具有高的导热系数。高耐磨性和抗碱侵蚀性。针对上述情况，在60年代到80年代，经过多种试验，淘汰了传统的高铝砖，选用SiC砖。  

     炉腹、炉腰和炉身中下部，炉衬的工作条件相近，主要侵蚀原因是炉渣侵蚀、碱金属侵蚀、炉料和渣铁的冲刷、磨损等。高炉炉身上部，主要是机械冲刷与磨损。  

     这些部位的炉衬发展趋势是，主要靠强化冷却形成渣壤保持正常生产，砖衬仅留有很薄的镶砖，耐火材料的用量很小。比较典型的设计如武钢l锅炉的铜冷却壁薄炉衬结构。这一区域选用耐火砖的原则是，抗炉渣侵蚀性能好，抗碱性较好，导热系数较高，强度要高。在成渣带以下可选用Si，N。结合SiC砖、赛隆结合刚玉砖或赛隆结合SiC砖。炉身中部无渣区可选用烧成微孔铝炭砖。炉喉处直接使用钢砖，炉喉下直到炉身上部均采用粘土剂。此外，日本目前还用硅线石砖，我国宝钢在炉身上部均采用大块硅线石砖。英国用含Al2O3为60％的SiC砖。这几种砖的强度很高，抗碱侵蚀性和抗炉渣侵蚀性很好，导热系数也高。适用于砌筑炉身到炉腹区域。

炉缸用耐火材料

     现对于1 000～2 500 m3级的高炉，炉缸可选用普通微孔炭砖，炉底用半石墨炭砖，陶瓷杯用微孔刚玉砖或塑性相结合棕刚玉砖，高炉寿命达到10～15年是完全可能的。 

     对于2 500～4000 m3级的高炉， 炉缸用国产超微孔炭砖，炉底用普通微孔炭砖，陶瓷杯用国产微孔刚玉砖，高炉寿命达到15～20年也是可能的。如果认为国产超微孔炭砖刚研制出来不可靠，则可购买部分国外高档炭砖用于炉缸砌筑。  

     现代高炉炉缸主要结构类型有：以微孔碳砖为衬的炭质炉缸，以陶瓷材料为衬的陶瓷杯炉缸；热压碳砖+陶瓷材料的复合炉缸。对以上三种炉缸结构可分析其各自特点：高炉炉缸采用微孔碳砖，有效阻止了铁水向碳砖的渗透，从而减轻了铁水对炉缸内衬材在于碳砖中，不能解决碱侵蚀对炉缸的侵蚀。 

     高炉炉缸采用陶瓷内衬有更多的优点： 

     1)陶瓷材料对碳砖起到保护作用，提高了炉缸抗铁水的渗透和机械冲刷磨损； 

     2)陶瓷材料的低导热性使炉缸内衬温度分布趋于合理，降低或避免碱侵蚀的破坏，同时还可降低热耗。