高炉中用耐火材料的新技术

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1、第 1 页高炉中用耐火材料的新技术耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。它包括天然矿石及按照一定的目的要求经过一定的工艺制成的各种制品。它具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性。高炉是炼铁的主要设备， 它具有产量大、 生产率高和成本低的优点， 这是其它炼铁方法所无法比拟的。 随着世界各国钢铁工业的进步，高炉朝着大型化、 高效化和长寿化发展， 逐步采用富氧喷煤、 高风温操作、高压炉顶等新的冶炼技术。高炉炉衬工作条件随之发生了重大变化，其使用寿命降低较多，一般只有56年。特别是高炉炉身下部及炉腰、炉腹部位，其使用寿命就更短。为适应这一发展，高炉用耐火材料也有了较大的变化，长寿命新型、

2、高效耐火材料逐渐被应用，高炉寿命逐步提高。根据高炉炉衬的操作条件和蚀损的特征，要求耐火材料具有： 好的高温使用性能，在长期高温下热稳定性好。 温和高温下的强度要高，耐磨性能要好。 密度高，导热性好，显气孔率低，高温收缩小。 能抵抗高温、高压下的铁水、熔渣、高炉煤气和炉尘的剧烈冲刷和侵蚀。 耐火砖外形尺寸准确，能确保砖缝达到规定的要求。目前，高炉用耐火材料的品种很多，炉身中上部一般采用性能优异的粘土砖或高铝砖，炉身下部、炉腰及炉腹则用碳质制品、碳化硅砖、莫来石砖、刚玉砖等特种耐火材料，特别是最近发展起来的碳化硅砖， 在高炉上的应用获得了成功。同时，其它不定形耐火材料也得到了广泛应用。1 高炉用耐

3、火材料的发展在过去的 20 年里，高炉炉缸的工作条件发生了很大变化，要求高炉炉缸用耐火材料内衬须承受更加恶劣的生产条件，与此同时，依靠提高内衬材料的使用寿命，达到提高高炉经济效益和效率的目标。传统上，炉缸主要使用碳质耐火材料，随着铁水温度的提高， 高炉的产量也提高， 将加速碳质耐火材料恶化的速度。为了能应高炉新的冶炼条件。 热力学观点是以下列理论为依据： 受热面温度越低，耐火材料损毁越慢。它强调通过高热导率的半石墨质炭块将热量传递给冷却系统。从而实现热平衡。 同时，利用良好的导热性在炉缸内侧壁部位降低了工作面第 2 页温度，并形成渣皮状附着物，将800 等温线推至炭砖以外，保护炉缸内壁，实现炉

4、缸系统的安全、高效、长寿。耐火材料学解决方法是根据众所周知的陶瓷底座，开发了新型的复合内衬，并在 20 世纪 80 年代初期砌筑使用。这种高炉因其外形为环状，故被称为“ 陶瓷杯” 。它强调在采用高热导率的炭块将炉缸热量传递给冷却系统的同时，通过增加具有耐高温、 抗渣碱侵蚀、 耐冲刷和良好的热震稳定性的陶瓷材料制成的陶瓷杯，将炉缸内的炭质材料与铁水及其它混合物分隔，从而在相当一段时间内杜绝了铁水对炭质材料炉缸的侵蚀，实现炉缸系统的安全、高效、长寿。近年来，国内很多高炉炉底炉缸采用陶瓷材料复合结构。陶瓷杯具有下列优点：（1）提高铁温度。陶瓷杯有隔热效果，减少了从炉底和炉缸壁辐射的热量。因此，铁水能

5、保持较高的温度从出铁口流出。隔热效果取决于高炉炉壁的厚度、炉径及产量等的不同，使用陶瓷杯铁水温度可提高1020 之间。温度更高的铁水有利于铁水往炼钢厂的运输。但是应该注意： 由于含有同量的硅， 焦炭的消耗量不会减少。 节约能源是指减少热损失而不是改善高炉的冶炼过程。如果出铁的温度比常规低， 那么应该是由于二氧化硅含量的降低。导致焦比下降， 从而提高了效益。此外，因为降低了热损失，炉缸对降低温度运行极不敏感，这样从停产恢复到正常运行所需的时间较短，并且容易恢复。（2）降低了铁水的渗透。铁水的凝固温度是1150 ，而陶瓷内衬的内壁等温线是很接近 1150 。因为耐火材料的膨胀，耐火制品或预制块之间

6、的链接缝会边小。因此，渗入孔隙出的铁水是有限的，仅对耐火材料表面层的性质有所影响。整个预制块仍保持完整的性能。（3）“ 脆化层 ” 的消除。因为 800 等温线现在在陶瓷杯内部，所以以前认为在碳质内衬的脆化层现已消除了。 这个消除不是理论上的假设， 而是被实践所证明。（4）出铁沟磨损的消除。由于使用陶瓷杯，使炉底的深度加深了，这样以前在碳质内衬经常发生的出铁沟磨损，现在得到了很好的消除。2 高炉炉衬用耐火材料2.1 高炉炭砖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。第 3 页2.1.1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

7、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， 其它性能则相当。 但是，兰州新研制的半石墨炭砖的导热系数、微气孔指标则已经优于德国同类产品。2.1.2 微孔炭砖普通微孔炭砖中，日本的BC-7S 和法国的 AM-102 炭砖可作为代表性的国际名牌产品，武钢 5 号高炉、宝钢 1 号和 2 号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，600 达到 12-14 W/m.k；微气孔指标先进， 平均孔径 0.10-0.13um，1m 孔容积率达到 78.45%；抗碱性优良。2.1.3超微孔碳砖要使高炉

8、寿命进一步提高到15-20 年，对炭砖应有更高的要求，主要是导热系数和微气孔指标应该更高。 满足以上要求的国外炭砖以日本的BC-8SR 和德国的 7RDN 为代表，我们称之为超微孔炭砖。其主要特点是导热系数较高，600达到 18-20 W/m.k，平均孔径达到 0.1m，1m 孔容积率 85%，其他性能也保持优良。兰州炭素厂和武钢技术中心合作，经过 6 年的研究， 现已研制成功这种超微孔炭砖， 其性能达到了日本BC-8SR 和德国 7RDN 炭砖的实物质量水平。 现已首次用于武钢在建的7 号高炉（ 3200 m3） 。2.1.4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

9、品在我国应用也比较多，使用效果较好。近年国内已有多家炭素厂生产模压小炭砖，但一般只达到普通微孔炭砖的水平。如600的导热系数仅 12W/m.k 左右，低于美国的热模压小炭砖。 武钢技术中心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。美国的热模压小炭砖的主要优点是导热系数较高。另一优点是抗碱性优良， 而这一性能国内产品也已能达到。其缺点是不属于微气孔炭砖、平均孔径 1m 、1m 孔容积率仅 53.4%。巩义五耐开发的模压小炭砖主要性能已明显优于美国NMA热模压小炭砖：600的导热系数第 4 页20

10、W/m.k；平均孔径 0.237 m，1m 孔容积率 76.12%，是较好的微孔炭砖；铁水熔蚀指数仅 14.22%。该研制产品已经首次用于武钢新建的7 号高炉炉缸部位。美国的 NMD 是一种石墨炭砖，导热系数很高，有的高炉将它用作炉身冷却板之间的砖衬使用。顺便指出，石墨砖一般用于炉底最下层，是利用其高导热性强化炉底冷却，在高炉炉役后期减缓铁水的侵蚀。但是如果炭捣料的导热系数很低，石墨砖也无法发挥高导热系数的作用。 这种情况下还不如使用微孔炭砖，因为石墨砖的孔隙大、强度低，抗铁水熔蚀性能也差。综上所述，我国的炭砖生产技术和产品性能、质量水平， 经过近十年来的努力，有了明显的进步，已逐渐赶上世界先

11、进水平，可以满足长寿高炉的需要。2.2 陶瓷杯用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。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， 我国有不少高炉采用，使用效果较好。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。 复合棕刚玉砖的抗碱性较差。 塑性相刚玉砖除微气孔指标较差外，其他性能都较好， 是目前应用最多的一种。 刚玉

12、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。2.3 炉腹、炉身和炉腰用砖炉腹、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。这些部位的炉衬发展趋势是，主要靠强化冷却形成渣壁保持正常生产， 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1 号高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 Si3N4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。 炉身上部可用

13、磷酸浸渍粘土砖。 这几种砖的强度很第 5 页高，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。上述几种耐火材料国内都已能生产，一般不需要用进口产品。3 不定形耐火材料在高炉上的应用近十年来，国内外不定形耐火材料的发展非常迅速，品种不断增加，主要的品种有：耐火浇注料、耐火可塑实、耐火捣打料、耐火喷涂料、耐火投射料、耐火涂抹料和耐火泥浆等。 不定形耐火材料对于延长炉衬寿命，提高设备的作业率、降低劳动强度以及简化耐火材料生产工艺等方面将起到促进作用。各国广泛采用喷补、压入料修补和包扎维护等方法，以提高炉子的使用寿命。3.1 耐火泥浆，耐火泥浆是用作耐火砌体接缝的不定形耐火材

14、料，由一定颗粒配比的耐火粉和结合剂、 外加剂组成， 加水或液态结合剂调成浆体。耐火泥浆依其结合剂凝结硬化特点可分为水硬性、热硬性、气硬性耐火泥浆。 此种泥浆硬化后除在各种温度下都有较高强度外，还有收缩小、接缝严密，耐侵蚀强的特点。气硬性耐火泥浆常用硅酸钠等气硬性结合剂配制，这种泥浆可使砌体接缝严密。主要有粘土质耐火泥浆，高铝质耐火泥浆，刚玉质耐火泥浆，碳化硅泥浆，炭质泥浆，压入泥浆，隔热耐火泥浆，缓冲泥浆等。3.2 耐火浇注料，耐火浇注料是用浇注方法施工且无需加热即可硬化的不定形耐火材料。 一般在使用现场以浇注、 振动或捣固的方法浇筑成型，也可以制成预制件使用。在高炉内衬中， 目前常使用粘土质

15、浇注料应用于高炉的炉喉钢砖内部空腔及钢砖与炉壳之间的间隙， 使用高铝质自流浇注料应用于炉喉钢砖后面、炉顶撒水管及短管。3.3 耐热混凝土， 它是一种能长期承受高热作用 （200以上） ，并保持所需要的物理性能的特种混凝土。 在高炉中常应用于炉底下面一些部位，如封板上下部以及粘土砖与炉壳之间。3.4 炮泥，炮泥是用来堵塞高炉出铁口的材料。在高炉炼铁时，炮泥要能紧密地封住出铁口，并能抵抗铁水冲刷和侵蚀。在出铁时，炮泥要容易被打开，保证铁水和熔渣能均匀流出。3.5 喷涂料，喷涂料是用风动工具以机械喷射方法施工的不定形耐火材料。高炉炉腹中部以上内侧等部位均可采用喷涂料。其作用为提高炉体的气密性， 保护

16、炉体钢壳。耐火喷涂料在热风炉应用较为普遍。第 6 页3.6 捣打料，耐火捣打料是用人工或机械捣打方法施工，并通过加热硬化的不定形耐火材料。由具有一定级配的耐火骨料、粉料、结合剂、外加剂组成，加水或其它液体经过混练而成。3.7 缓冲料，耐火缓冲料是指以可压缩的耐火原料为主要原料制成的可以缓冲耐火材料热膨胀应力的特种耐火材料。主要应用于需要缓冲热膨胀应力的高炉、热风炉等工业炉窑。常用于高炉的缓冲料主要有高铝质和SiC 质缓冲料。3.8 铁屑填料，铁屑填料是以粘土熟料细粉、铁屑、铁精矿粉为主要原料，加入超微粉添加剂， 用水泥或水玻璃为结合剂制成的散状料体，用于填充冷却壁之间，炉喉钢砖之间以及冷却壁与出铁口框、风、渣口大套之间的缝隙。3 碳质耐火材料在高炉上的应用碳质耐火材料是指包括碳质、半石墨质及石墨质3 个类别的耐火材料。碳质耐火材料具有较好的导热性、 高温体积稳定性及耐化学侵蚀性，虽然碳质耐火材料在一定温度条件下也和空气、二氧化碳、 水蒸汽发生氧化反应， 在较高温度下也会受铁水及碱金属的侵蚀， 但腐蚀速度较低。 碳质耐火材