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1、一种满足炉缸炉底安全的内衬材料 碳复合砖 河南五耐集团实业有限公司 2015年11月 董事长： 张建武 13903824997 总工程师： 伍积明15617699666 技术副总经理：赵永安13503999651 前 言 近十年来，高炉炉缸炉底的安全问题受到炼铁界最为广泛和 深刻的关注。几乎年年都有的炉缸烧穿的严重事故新闻，让 高炉操作与管理者提心吊胆，一旦炉缸炉底温度异常升高就 恐惧袭来，坐卧不安，身心备受折磨与煎熬！ 为了寻求一种能真正满足高炉炉缸炉底安全长寿的耐火材料 ，五耐结合多年生产微孔刚玉砖和微孔高导热碳砖的经验， 联合河南科技大学、北京科技大学研发了具有碳砖和刚玉砖 优点、又克服
2、了其各自缺点的新材料碳复合砖，最早使 用的高炉目前已使用第10个年头，单位炉容产铁达1万吨/m3 ，目前还在正常使用，证明了碳复合砖的安全性能。 汇报内容 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 碳复合砖的性能特征 安全长寿炉底炉缸砌体结构 工程应用实例与业绩 结语 1. 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 较高的导热性YB/T5291激光法 YB/T4130水流量平板法 除陶瓷杯外，炉缸环形砖和炉底满铺砖在600导热系数12W/ （m*K） 抗侵蚀性： 抗铁溶蚀GB/T24201 （1425 10 氮气搅动铁水40分钟后的失重比） 抗渣侵蚀GB/T8931 （1490 10 氮气搅动渣夜
3、40分钟后的失重比） 抗碱侵蚀GB/T14983 （1100 10 30h下K3CO3与木炭反应的碱蒸 汽对材料强度和体积的影响 ）体积膨胀过大会造成风口上翘和炉壳 开裂 抗锌侵蚀（ 1100 10 24h材料强度和体积的影响 ）锌的 富集会使炭砖粉化而造成炉缸炭砖的环状断裂 抗氧化性 抗CO2氧化氧化率（1100、CO2氧化1小时后的失重比） 10%。 抗氧化能力差，炭砖被氧化成蜂窝状会导致传热效果急 剧下降，热面的炭砖就容易被铁水侵蚀，从而在局部形成老鼠洞式 的炉缸烧穿。 微孔化 YB/T118 砖气孔1m的70%，透气度10mDa， 微孔化可提高制品的抗渗透性 1. 高炉炉缸炉底工况对耐
4、材与砌体结构的要求 较低的膨胀性要求5x 10-6 （1/）可降低热应力；减 少砌体的热膨胀量，防止上涨过大而引起炉壳变形拉裂。 较高的抗磨损性热态抗折强度较高。 较高的抗热应力强度有较高的导热性和强度、较低的膨 胀性。 泥浆有较高的粘结强度与施工性能常温下有一定的粘结 强度，防止砖缝中的泥浆流淌损失和炉壳灌浆时对泥浆的冲 毁。 捣打料有较高的导热性与施工性能120的导热系数 10W/（m*k），常温下容易捣实不反弹。 砌体结构必须满足：尽量小的砖缝、尽量小的三角 缝、适宜的砌体厚度、不同材质之间的导热与膨胀协调性。 1. 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 性 能单位 炭 砖陶瓷杯 RB
5、微孔 碳砖 FG微孔 碳砖 MG小碳 砖 DG微孔 碳砖 国产超微孔 炭砖 FG棕刚玉 浇注块 刚玉 莫来石 复合 棕刚玉 微孔刚玉 导 热 系 数 室温 W/m K 7.558.854.961220.226.354.16-5.91 30011.311.811.318.9522.064.934.485.034.53 60012.41416.120.4224.075.424.46-4.09 80012.41516.619.4922.934.615.08- 透气度mDa5.980.284.440.990.496.081194350.22 氧化率%2.498.0918.065.275.6000- 铁
6、水溶蚀指数%15.7913.4628.1819.4226.7700.5400-0.78 抗渣侵蚀性%-23.08571006.84 平均孔径m0.2340.1091.0830.1210.10.175-0.125 抗 碱 性 原耐压强度MPa46.5829.4129.9344.2545.2866.0810598.41159.3 后耐压强度MPa51.1337.132.1558.654.1667.0535.86.55200.56 强度变化率%9.77267.433.7719.612.38669321.24 体积膨胀率%6.323.232.841.663.325.841731.862.14 抗锌 质
7、量变化率%-39.131.38 国内外炉缸主体内衬材料性能 1. 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 炉缸材料基本性能传统传统 陶瓷杯微孔刚刚玉炭砖砖 较较好的导热导热 性能 优优良的抗铁铁水溶蚀蚀性 优优良的抗碱性 优优良的抗渣性能 较较好的抗锌锌侵蚀蚀性 较较好的抗氧化性 炉缸材料应具备的性能及各类材料比较 1. 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 研发思路：综合微孔刚玉砖和优质碳砖的优点并克服其不 足。 利用石墨碳优越的抗渣性能、刚玉优越的抗铁性能和抗 氧化（尤其是抗水蒸气氧化）性能，形成一种既有高导热性 又有很好的抗渣铁和抗氧化性能的碳复合砖。以解决目前各 种碳砖抗氧化能力低，
8、尤其是抗水蒸气氧化能力低，抗铁能 力不足等问题，真正防止一旦冷却失效铁水直接接触砖衬， 造成炉缸烧穿的严重事故。 1. 高炉炉缸炉底工况对耐材与砌体结构的要求 2. 碳复合砖的性能特征 碳复合砖的主要性能比较： 微孔化性能 导热性 抗氧化性 抗铁溶蚀性 抗碱性 抗渣性 抗锌性能 2.1 碳复合砖的微气孔性能 碳复合砖微孔化率高，这是由于：1）物料与级配合理，基质中有足够量的微米和亚 微米级细粉，充填较大颗粒间的间隙，降低了气孔率和孔径；2）2500吨压力机提高 了砖坯密实度；3）在1600以上高温烧成中有的微粉形成液相，充填和堵塞了微小 的气孔和裂纹；4）添加物在烧结过程中的反应生成物：-Si
9、C纤维状晶须、氮 化物 Al2O3SiO2 ，堵塞和封闭了气孔，同时使骨料和基质间结合更加紧密； 图9 碳复合砖试样高倍下呈现的原位生成的碳化硅纤维晶须 性能单位 碳复合 砖 RB微孔 碳砖 FG微 孔碳砖 MG小 碳砖 DG微 孔碳砖 国产超微 孔碳砖 复合棕 刚玉砖 刚玉莫 来石砖 透气度mDa0.00 0.63 5.980.284.440.990.4984.2765.57 平均孔径m0.05 0.238 0.2340.109 1.08 3 0.1210.16.2613.0 1m孔容积%83.13 80.44 76.3378.6753.476.0882.513.4714.66 2.1 碳复
10、合砖砖的微气孔性能 从表中可以看出，碳复合砖砖具有优优越的微气孔性能，与微 孔、超微孔碳砖砖相当，明显显优优于复合棕刚刚玉砖砖和刚刚玉莫来石砖砖。 碳复合砖砖和其它砖砖的微气孔性能指标对标对 比 1）材料的导热首先取决于其固体组分的导热性： 碳化硅的导热系数为83.6W/(m.k)，氧化铝与氧化硅等的为4.5 W/(m.k)，碳的为60 W/(m.k)，氮化铝的为320 W/(m.k)。 根据傅里叶定律推导出的串联模型进行计算复合材料的导热 系数，如下式所示： =（Vsic sic + Vc c + Vm m） (1-P) 14 W/(m.k) 式中为导热系数，V为各组分体积分数，P为气孔率；
11、 根据上式理论计算，碳复合砖的导热系数与实际测量值 基本相符。 2.2 碳复合砖砖的导热导热 性 化学成分Al2O3CSiO2TiO2Fe2O3Na2OK2OSiC 含量，%74.059.28.181.20.90.290.116.0 2）与材料的气孔率（p）有关，碳复合砖为超微孔砖，气孔率 较低，因此碳复合砖的导热系数不会显著降低。 3）碳复合砖是在高温条件下烧制而成，减少了晶体中存在的 空位、位错或其他缺陷，弱化了因晶格缺陷造成的导热系数的 降低。 4）碳复合砖中杂质成分含量较少，对晶格波热散射作用影响 小，故导热系数较大。 5）碳复合砖中新生成的碳化硅与氮化铝和石墨形成致密的网 状结构，有
12、利于热的传导。 2.2 碳复合砖砖的导热导热 性 典型高炉耐火材料导热率对比 2.2 碳复合砖砖的导热导热 性 性 能单位碳复合砖 RB微孔碳 砖 FG微孔碳 砖 MG小碳 砖 DG微孔碳 砖 国产超微孔 炭砖 导 热 系 数 室温 W/mK 17.347.558.854.961220.22 30016.2111.311.811.318.9522.06 60014.2712.41416.120.4224.07 80013.7812.41516.619.4922.93 碳复合砖具有与优质炭砖同样好的导热性，而其导热性随温度 升高而降低的特性更符合炉缸传热的需要 1）碳复合砖主要成分是氧化铝，抗氧
13、化性能好； 2）添加物在烧结过程中将发生如Si+C=SiC等的原位反应，生成 具有较好抗氧化性的物相，达到保护炭组分免遭氧化的作用。 3）碳复合砖有极好的微孔化性能，几乎为不透气砖，使氧化 反应只能在砖的表面进行，大大降低了氧化作用。 2.3.1 碳复合砖砖的抗氧化性CO2 性能单位碳复合砖 RB微 孔碳砖 FG微 孔碳砖 MG小 碳砖 DG微 孔碳砖 国产超微 孔碳砖 氧化率 % 0.50.92.498.0918.065.275.6 碳复合砖的抗氧化性远远优于国内外优质炭砖 国产 微孔碳砖抗氧化后照片 碳复合砖抗氧化后照片 （碳砖表明氧化严重，呈蜂窝状） （碳复合砖表明几乎无氧化，表面光滑）
14、 2.3.1 碳复合砖砖的抗氧化性CO2 2.3.2 碳复合砖的抗氧化性水蒸汽 用热重法试验，其装置如图所示。测试气氛分别为空气和体积分数为20%的 水蒸气。装试样的坩埚为w(Al2O3)=99.9%的坩埚。所用天平的灵敏度为0.000 1 mg。从200到1500，升温时间为325分钟。 图 抗水蒸气试验装置 试验表明：在1500的条件下，碳复合砖也表现出了优越的抗水蒸气氧化的 能力，其氧化失重率只有约6.5%，表面比较光洁；而微孔碳砖的达到约65%， 且碳砖表面完全呈蜂窝状。 碳复合砖以Al2O3陶瓷材料为主，有很好的抗铁溶蚀性； 碳复合砖表面的碳与铁水进行碳交换，由于碳的损失，在碳 复合
15、砖热面形成了一层脱碳层裸露出Al2O3 ， Al2O3又阻止了 铁水的进一步侵蚀。 碳复合砖的微孔化结构使铁水的溶蚀只能在砖衬的表面进行 ； 2.4 碳复合砖砖的抗铁铁性能 性 能单位碳复 合砖 炭 砖陶瓷杯 RB微 孔碳砖 FG微孔 碳砖 MG小 碳砖 DG微孔 碳砖 国产超微 孔炭砖 棕刚 玉浇 注块 刚玉 莫来 石 复合 棕刚 玉 微孔 刚玉 铁水溶蚀指 数 %0.3115.7913.4628.1819.4226.7700.540 0- 0.78 碳复合砖的铁水溶蚀指数远优于炭砖，且接近于不侵蚀状态。 2.4 碳复合砖砖的抗铁铁性能 国 产产 微 孔 碳 砖砖 抗 铁铁 水 侵 蚀蚀 前 后 外 观观 碳 复 合 砖砖 抗 铁铁 水 侵 蚀蚀 前 后 外 观观 纵纵裂纹为纹为 撤除连连接杆造成 的 2.5 碳复合砖砖的抗渣性能 炉渣对耐火材料的侵蚀一般受化学扩散控速和反应 控速制约。由于碳复合砖的微孔化程度高，结构致密，因此 炉渣对碳复合砖的渗透作用较小；熔损主要受界面化学反应 控速，而炉渣对炭的不润湿性以及碳复合砖中Al2O3与熔渣反 应形成的镁铝尖晶石（熔点2135）等提高了渣的粘度降低 了化学反应速度，因此碳复合砖具有较好的抗渣性能 。 碳复合砖抗渣
