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1、耐火材料在耐火材料在钢铁工工业中的中的应用用 前前 言言 n n耐火材料和钢铁工业密不可分，从人类开耐火材料和钢铁工业密不可分，从人类开始从事炼铁技术以来，人们就开始使用耐始从事炼铁技术以来，人们就开始使用耐火材料。火材料。 n n 耐火材料主要应用在冶金行业，耐火材料主要应用在冶金行业，70；其次是用在建筑行业，其次是用在建筑行业，20；其它行业；其它行业10。2007-5-20 3 一、高炉简介一、高炉简介 高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及复原熔炼高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及复原熔炼铁矿石的竖式炉，是在高温和复原气氛下连续进铁矿石的竖式炉，是在高温和复原气氛下连续进行炼铁的热工设备。行
2、炼铁的热工设备。第一第一节 高炉用耐火材料高炉用耐火材料Refractories for blast furnace)2007-5-20 4 2007-5-20 5 1,890 m Working Volume Coal Injection 1 Tap Holes 5,500-6,000 t/day 10 -12 taps/day 2007-5-20 6 2007-5-20 7 2007-5-20 8 高炉用耐火材料高炉用耐火材料损毁的原因的原因 主要是炉料主要是炉料机械磨损机械磨损、渣铁侵蚀渣铁侵蚀、碱金属侵蚀碱金属侵蚀和和铅锌渗透铅锌渗透、热应力热应力和和高温荷重高温荷重等综合因素，其中温
3、度是等综合因素，其中温度是决定性的因素。因此，高炉炉体易损部位均设有冷却系决定性的因素。因此，高炉炉体易损部位均设有冷却系统，以提高炉衬的使用寿命。统，以提高炉衬的使用寿命。2007-5-20 9 高炉炉体由炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸高炉炉体由炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸5 5局部局部组成。成。 炉体炉体设有有风口、出渣口、出口、出渣口、出铁口、冷却系口、冷却系统及加料及加料装置等装置等设施。高炉炉施。高炉炉衬按其使用按其使用损毁特点可分特点可分为上、中、上、中、下三段；上段包括炉喉、炉身上部和中部；中段包括炉身下三段；上段包括炉喉、炉身上部和中部；中段包括炉身下部、炉腰和炉腹；下段下部、炉
4、腰和炉腹；下段为炉缸和炉底。炉缸和炉底。 高炉炉体用耐火材料高炉炉体用耐火材料2007-5-20 10 炉喉承受炉料下降炉喉承受炉料下降时的直接冲的直接冲击和摩擦，极易磨和摩擦，极易磨损，损，多采用高强度的多采用高强度的粘土砖粘土砖和高密度的和高密度的高铝砖高铝砖砌筑。砌筑。 炉身上部和中部炉身上部和中部温度不超过温度不超过700700，无炉渣形成和炉无炉渣形成和炉渣侵蚀渣侵蚀，除承受炉料滑行与冲击以及热烟气所携粉尘的摩，除承受炉料滑行与冲击以及热烟气所携粉尘的摩擦而导致机械磨损外，主要是铅、锌侵入沉积，使擦而导致机械磨损外，主要是铅、锌侵入沉积，使衬砖组衬砖组织变的脆弱，甚至鼓胀织变的脆弱，
5、甚至鼓胀，还有碳素沉积及粘结物的作用，还有碳素沉积及粘结物的作用，使使炉衬开裂和结构松散炉衬开裂和结构松散。整个炉体中该部位损毁较轻，。整个炉体中该部位损毁较轻，一一般采用氧化铁含量较低的致密粘土砖或高铝砖砌筑般采用氧化铁含量较低的致密粘土砖或高铝砖砌筑。1 1、炉喉、炉身上部及炉身中部用耐火材料、炉喉、炉身上部及炉身中部用耐火材料11 炉身下部炉身下部承受炉料下降时的摩擦与炉气上升时粉尘承受炉料下降时的摩擦与炉气上升时粉尘的冲刷作用，的冲刷作用，该部位温度较高并有大量炉渣形成该部位温度较高并有大量炉渣形成，碱金属，碱金属蒸汽的侵蚀作用较重，因此炉衬损毁速度较快。蒸汽的侵蚀作用较重，因此炉衬损
6、毁速度较快。 炉腰炉腰处温度高，处温度高，炉渣大量形成炉渣大量形成，渣蚀严重，碱侵蚀，渣蚀严重，碱侵蚀及高温含尘烟气的冲刷均较炉身严重。及高温含尘烟气的冲刷均较炉身严重。2 2、炉身下部、炉腰和炉腹用耐火材料、炉身下部、炉腰和炉腹用耐火材料2007-5-20 12 炉腹炉腹部位的温度较炉腰高，其下部炉料温度约为部位的温度较炉腰高，其下部炉料温度约为1600160016501650，气流的，气流的温度更高温度更高，低粘度的熔渣大量形低粘度的熔渣大量形成成，不但渣蚀严重，同时仍然承受焦炭的摩擦以及由上，不但渣蚀严重，同时仍然承受焦炭的摩擦以及由上而下的熔体及炙热气流的冲刷，而下的熔体及炙热气流的冲
7、刷，该部位炉衬的损毁最为该部位炉衬的损毁最为严重严重。2007-5-20 13 工工业先先进国家的国家的经验以及中国高炉的以及中国高炉的实践践说明：碳明：碳化硅耐火制品具有硬度高、高温化硅耐火制品具有硬度高、高温强度大，度大，热膨膨胀率低、率低、导热性能、抗碱侵性能、抗碱侵蚀性与抗性与抗热震性震性优良等特点，是高炉良等特点，是高炉中段中段较为适宜的炉适宜的炉衬材料。材料。 其中以氮化硅其中以氮化硅结合的碳化硅制品最正确。因合的碳化硅制品最正确。因为氮化氮化硅硅细致的致的纤维状状结晶作晶作为结合相，将碳化硅合相，将碳化硅细粉包裹形粉包裹形成牢固的机械成牢固的机械结合，因而具有合，因而具有较高的高
8、温高的高温强度与度与较好的好的抗碱抗碱蚀性能，其用量已占全世界高炉用碳化硅材料的性能，其用量已占全世界高炉用碳化硅材料的6060以上。以上。2007-5-20 14 塞隆塞隆Sialon)Sialon)结合碳化硅制品，与氮化硅合碳化硅制品，与氮化硅结合的合的制品相比，制品相比，结晶晶较大，气孔率大，气孔率较低，抗氧化性能好，低，抗氧化性能好，经抗碱抗碱试验后，高温抗折后，高温抗折强度度较佳，是高炉炉佳，是高炉炉衬材料的材料的优选。碳化硅。碳化硅砖的理化性能指的理化性能指标见下表所示。下表所示。2007-5-20 15 中中中中 国国国国美美美美 国国国国结合方式结合方式结合方式结合方式SiSi
9、SiSi3 3 3 3N N N N4 4 4 4SialonSialonSialonSialonSiSiSiSi3 3 3 3N N N N4 4 4 4SialonSialonSialonSialon化学成分化学成分化学成分化学成分, , , , SiC SiC SiC SiC SiSiSiSi3 3 3 3N N N N4 4 4 4 SialonSialonSialonSialon71 71 71 71 212121212323232377 77 77 77 2020202075 75 75 75 2525252575 75 75 75 20202020体积密度，体积密度，体积密度，体
10、积密度，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 32.722.722.722.722.702.702.702.702.602.602.602.602.702.702.702.70显气孔率，显气孔率，显气孔率，显气孔率，15151515151515151616161615151515常温耐压强度，常温耐压强度，常温耐压强度，常温耐压强度，MPaMPaMPaMPa204204204204220220220220198198198198213213213213抗折强度，抗折强度，抗折强度，抗折强度，MPa MPa MPa MPa 常温常温常温常温 140014001400140052 52 52
11、 52 5757575753 53 53 53 5050505038 38 38 38 4242424247 47 47 47 48484848线膨胀率，线膨胀率，线膨胀率，线膨胀率，0.450.450.450.450.510.510.510.510.410.410.410.410.510.510.510.51热导率，热导率，热导率，热导率，W/(mW/(mW/(mW/(mK) K) K) K) 1200120012001200232323231616161617.517.517.517.5171717172007-5-20 16 炉身非工作炉身非工作层采用粘土采用粘土质隔隔热砖砌筑，也可以用
12、高砌筑，也可以用高铝水泥隔水泥隔热耐火耐火浇注料注料浇注和注和喷涂施工。涂施工。 在生在生产过程中，炉身下部、炉腰和炉腹工作程中，炉身下部、炉腰和炉腹工作层损毁到一定程度到一定程度时炉壳炉壳发红，可采用，可采用压入料和入料和喷涂料涂料进行行热修修补，目前，高炉，目前，高炉喷补维护技技术已在众多高炉采用。已在众多高炉采用。2007-5-20 17 炉缸是炉缸是盛装铁水和熔渣的部位盛装铁水和熔渣的部位，其侧壁上设有出渣其侧壁上设有出渣口、出铁口和风口。口、出铁口和风口。该部位长期承受该部位长期承受高温、热荷载、铁高温、热荷载、铁水和熔渣的侵蚀水和熔渣的侵蚀，以及热应力等作用。炉缸上部风口区，以及热
13、应力等作用。炉缸上部风口区温度最高，可达温度最高，可达1700170020002000以上。以上。 铁水与熔渣渗入砖的气孔与砖缝中，加快对炉衬侵铁水与熔渣渗入砖的气孔与砖缝中，加快对炉衬侵蚀，导致砌体变形开裂，甚至炉底砖漂浮。蚀，导致砌体变形开裂，甚至炉底砖漂浮。 目前，国内外大中型高炉普遍采用致密度高、目前，国内外大中型高炉普遍采用致密度高、导热性和抗侵蚀性好的石墨碳砖和微孔碳砖。性和抗侵蚀性好的石墨碳砖和微孔碳砖。3 3、炉缸及炉底用耐火材料、炉缸及炉底用耐火材料2007-5-20 18 使碳使碳砖损毁的因素除渗入有金属的因素除渗入有金属铁外，外，还生成氧化生成氧化铁和碳化和碳化铁，导致致
14、组织破坏。此外，碳破坏。此外，碳砖遇有水蒸气等遇有水蒸气等物物质时发生氧化，也是生氧化，也是损毁的原因。的原因。 对于粘土于粘土砖或高或高铝砖炉缸及炉底来炉缸及炉底来说，铁水中的碳水中的碳能将能将砖中的二氧化硅复原成硅，并中的二氧化硅复原成硅，并为铁水所吸收形成硅水所吸收形成硅铁，使，使砖的外表呈半熔融状的外表呈半熔融状态。当侵。当侵蚀到达一定深度，到达一定深度，即到达即到达铁水凝固水凝固线时，铁水与熔渣的渗入即中止。因此，水与熔渣的渗入即中止。因此，现代高炉的炉缸及炉底均代高炉的炉缸及炉底均设有冷却有冷却设施。施。2007-5-20 19 在大型高炉上广泛采用砌筑陶瓷杯来保在大型高炉上广泛采
15、用砌筑陶瓷杯来保护炉底及炉炉底及炉缸壁。炉底采用莫来石缸壁。炉底采用莫来石砖或或优质粘土粘土砖，上升局部用，上升局部用铬刚玉玉砖，也有采用超低水泥，也有采用超低水泥结合的棕合的棕刚玉玉浇注件，以形注件，以形成成“陶瓷杯。陶瓷杯。 2007-5-20 20 新开新开发的微孔碳的微孔碳砖、半石墨、半石墨砖及石墨及石墨砖与与传统的参的参加氧化物的碳加氧化物的碳砖相比，抗渗透性、抗相比，抗渗透性、抗铁、碱及炉渣侵、碱及炉渣侵蚀性性以及以及导热性能等均有明性能等均有明显的改的改进，高炉自采用全碳，高炉自采用全碳砖炉底炉底和和综合炉底以来，寿命可合炉底以来，寿命可长达达15152020年。已不成年。已不成
16、为影响高影响高炉炉炉炉龄的关的关键环节。 下表下表给出了高炉用碳出了高炉用碳砖及石墨及石墨砖的性能。的性能。2007-5-20 21 高炉用碳砖及石墨砖的性能高炉用碳砖及石墨砖的性能性能性能性能性能传统碳传统碳传统碳传统碳砖砖砖砖微孔微孔微孔微孔碳砖碳砖碳砖碳砖加外加加外加加外加加外加剂碳砖剂碳砖剂碳砖剂碳砖半石半石半石半石 墨墨墨墨砖砖石墨石墨石墨石墨砖砖砖砖加外加剂半加外加剂半加外加剂半加外加剂半石墨砖石墨砖石墨砖石墨砖耐压强度耐压强度耐压强度耐压强度,MPa,MPa,MPa,MPa404040405050505060606060252525251515151548484848热导率热导率热导率热导率 W(mK)W(mK)W(mK)W(mK)-1-1-1-18 8 8 81111111111111111191919195151515122222222添加剂添加剂添加剂添加剂SiSiSiSiSi Si Si Si AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3Si Si Si Si AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3抗碱性抗碱性抗碱性抗碱性,%,%
