高爐關鍵部位耐火材料

高爐關鍵部位耐火材料，據前文所述，高爐關鍵部位主要包括爐缸爐底、風口區域及出鐵口等部位。爐缸爐底部位目前廣泛應用的結構配置主要有全炭磚散熱型結構與炭磚+陶瓷杯隔熱型結構；也有提出的一種改進型爐缸爐底結構：選擇具有相對較高導熱系數的耐火材料作為工作襯，盡可能使接近工作襯的鐵水溫度降至1150℃鐵水凝固線，生成凝固層，從而避免炭磚受鐵水滲透、沖刷等破壞。

 

此外，國內某企業提出高爐內襯一體全澆注耐火材料結構施工方法：爐底區域采用爐底澆注料進行澆注施工替代傳統的陶瓷杯墊，爐缸部位采用爐缸澆注料代替傳統的陶瓷杯磚，消除了傳統陶瓷杯與炭磚之間的填充層，減少了熱阻層，保證了澆注爐缸整體的傳熱效率。高爐風口部位以前多采用剛玉磚、剛玉莫來石磚、硅線石磚等，現在新建大型高爐多采用碳化硅磚，也有開發碳化硅預制件的報道。高爐出鐵口曾經采用過硅線石磚、Al?O?-SiC-C磚，現在多采用大塊超微孔炭磚BC-8SR和熱壓小塊碳磚NMD。

 

歸納起來，高爐關鍵部位用耐火材料有各種炭磚、半石墨-SiC磚、Si AlON結合Si C磚或Si?N?結合SiC磚、SiAlON結合剛玉磚、剛玉莫來石磚等定形產品，以及少量不定形耐火材料，如澆注料（預制件）、噴涂料、灌漿料、石墨質壓入料等。

 

 

1）碳磚

 

高爐用炭磚種類主要有高密度炭磚、微孔炭磚、半石墨炭磚、石墨質炭磚、自焙炭磚、高溫模壓炭磚等。炭磚理化性能的優劣，是爐缸、爐底壽命長短的關鍵。由于高爐朝大型化發展，半石墨炭磚的用量在減少，微孔炭磚（如日本BC-7S、法國AM-102）、超微孔炭磚（如德國7RDN、日本BC-8SR）的用量在增多，高熱導率的模壓小炭磚（如美國NMA炭磚）也有不錯應用。國外炭磚性能的優越性在于氣孔向微氣孔及閉口氣孔方向發展。

 

比較有代表性的是，20世紀60年代，日本的研究人員以人造石墨、煅燒無煙煤和焦油制備出代炭磚（BC-5），焦油具有良好的可擠壓性，有利于制備大尺寸炭磚；20世紀70年代向碳磚中添加Al2O3微粉來提高其抗鐵水侵蝕性，同時對氣孔也起到一定的填充效果，開發的第二代炭磚（CBD-1）使用壽命在10年左右；20世紀80年代，開始向炭磚中添加Si粉，在高溫下生成Si-O-N晶須使氣孔微細化并提高抗侵蝕性，制備出第三代炭磚（CBD-2）；用殘炭量更高的樹脂結合劑代替瀝青，以模壓成型代替擠壓成型制備的第四代炭磚（CBD-2RG）性能更優，炭磚使用壽命提高到12～15年；20世紀90年代，以人造石墨骨料或電煅無煙煤骨料添加Al2O3微粉制備的第五代炭磚（CBD-3RG）熱導率和使用壽命（18年）均大幅提高；20世紀末期，以人造石墨骨料添加Al?O?微粉及Ti C原料，高溫下生成Ti(C,N)保護涂層（厚度約100μm）提高抗侵蝕性（可提高一倍），并且炭磚的熱導率和強度也得到提高，開發的第六代炭磚使用壽命進一步提高，約達到22年。

 

目前國內研究人員也致力于微孔高導熱炭磚的開發，有代表性的技術為采用負載有催化劑Ni的人造石墨骨料，添加Al?O?、SiO?微粉及Al、Si微粉，也可額外添加Carbores P瀝青粉，在高溫下生成SiC晶須及碳納米管，構成連續的陶瓷相高導熱網絡，制得具有較高熱導率的微孔碳磚。對比來看，采用熱氧化法制備的熱氧化骨料（TOA）替代負載有催化劑Ni的人造石墨骨料具有更好的應用效果。

 

目前炭磚氣孔孔徑由原來的40μm降低到5μm及1μm以下，氣孔形成由開口氣孔轉向密閉氣孔，因而體現出透氣性低，致密度高，抗堿及抗滲鐵性能強的性能特征。炭磚導熱性能好，有利于將熱量傳遞給冷卻系統，降低炭磚熱面溫度，并在炭磚和鐵水之間形成保護層以保護爐缸。炭磚的抗鐵水熔蝕性及抗氧化性較差，平均熔蝕率可達23%以上，依然是其應用的薄弱環節。

 

（1）微孔炭磚

 

普通微孔炭磚中，比較有代表性的是日本的BC-7S炭磚和法國的AM-102炭磚，該產品的特點是導熱系數較高12.4～14.0 W·m-1·K-1，平均孔徑0.10～0.23μm,<1μm孔容積率達76%～78.67%，抗堿侵蝕性優良。武鋼5#高爐、寶鋼1#和2#高爐都使用了這類炭磚，使用效果不錯，高爐壽命都達到了10年以上。國產的普通微孔炭磚，其主要性能指標和日本BC-7S炭磚、法國AM-102炭磚已很接近，在多座高爐上取得良好的使用效果，例如武鋼4#高爐使用國內的普通微孔炭磚，壽命已達到了10年。

 

（2）超微孔炭磚

 

代表性產品有日本的BC-8SR和德國的7RDN炭磚。與普通微孔炭磚相比，其導熱系數有較大幅度提高18.15～20.42 W·m-1·K-1，平均孔徑進一步減小0.083～0.121μm,<1μm孔容積率也有所提高76.08%～88.20%，其他性能同時也保持優良。武漢科技大學的研究人員針對這類炭磚進行了細致研究和探討，采用高溫（2 200℃）電煅無煙煤作骨料，鱗片狀石墨、棕剛玉粉和Si粉作基質，酚醛樹脂作結合劑，引入氧化鋁微粉，1 100～1 400℃燒成，成功研制出新型炭磚。新型炭磚的平均孔徑0.039μm,<1μm氣孔容積約87.96%，熱導率21.26 W·m-1·K-1，其綜合性能指標可以和日本的BC-8SR和德國7RDN炭磚相媲美。國內某企業所生產的這種超微孔炭磚，在武鋼3200 m³高爐使用，取得良好效果。

 

（3）模壓小炭磚

 

以美國NMA、NMD熱模壓小炭磚為代表的國際產品在我國應用也比較多，使用效果較好。美國的NMA熱模壓小炭磚的主要優點是導熱系數較高16.1 W·m-1·K-1，優于國內普通模壓小炭磚；另一優點是抗堿性優良，國內產品的抗堿性也比較接近。其主要缺點是不屬于微孔炭磚，平均孔徑約1.083μm、<1μm孔容積率僅53.4%。美國的NMD熱模壓小炭磚是一種石墨炭磚，導熱系數高達60W·m-1·K-1，有的高爐將它用作爐身冷卻板之間的磚襯使用。

 

近年國內已有多家炭素廠生產模壓小炭磚，但一般只達到普通微孔炭磚的水平。如600℃的導熱系數僅12 W·m-1·K-1左右，低于美國的熱模壓小炭磚。武鋼和國內某耐火材料廠合作進行了模壓小炭磚的研制，以電煅無煙煤為原料，以酚醛樹脂為結合劑，用磨擦壓磚機成型，經高溫燒成，生產模壓小炭磚，其產品性能已優于美國熱壓小炭磚。國內開發的模壓小炭磚的主要性能:600℃的導熱系數>20W·m-1·K-1；平均孔徑0.237μm,<1μm孔容積率76.12%，是較好的微孔炭磚，鐵水熔蝕指數僅14.22%。該研制產品已經用于武鋼新建的7#高爐爐缸部位。

 

 

表2：爐缸和爐底用典型炭磚材料的性能 

 

2） 陶瓷杯

 

陶瓷杯與炭磚合理搭配使用是高爐爐缸廣泛采用的結構之一。剛玉磚或剛玉-莫來石磚抗鐵水熔蝕性能較好，可以減緩鐵水對爐缸側壁的侵蝕，被廣泛用作高爐陶瓷杯。爐底陶瓷墊一般選用剛玉-莫來石材料。國產剛玉-莫來石材料的性能（見表3）與進口材料的接近，完全可以滿足爐底陶瓷墊的使用要求，而且價格便宜。雖然國產剛玉-莫來石、復合棕剛玉材料在性能上達到要求，但因其塊小，砌筑要求高，且在受熱后應力分布不均勻，易造成局部坍塌、漂浮而破損。法國產的棕剛玉質MONOCORAL大預制塊有利于避免這種漂浮破損，在爐缸陶瓷杯壁使用具有更好的應用效果。

 

目前，國內研究人員研制出性能更優異、更長壽的第五代硼鋯基剛玉莫來石陶瓷杯，性能見表3，并于2017年、2018年分別應用在天津天鋼聯合特鋼1#、2#、3#高爐。也有企業以剛玉、碳化硅、金屬粉等為原料，引入超細微粉技術及含碳結合劑等新設計理念，開發了莫來石和碳化硅纖維協同增韌的新型塑性相-炭復合剛玉制品，抗爐渣、鐵水及抗堿侵蝕等性能優良。通過調控新型塑性相復合剛玉磚導熱系數為5～7 W·(m·K)-1，優化了陶瓷杯的使用溫度場，在陶瓷杯表面形成穩定渣鐵層，實現了高爐爐缸長壽；項目在高爐用剛玉-莫來石磚基礎上復合紅柱石、硅線石和金屬粉開發了新型金屬塑性相-剛玉-莫來石復合材料，利用紅柱石和硅線石原位莫來石化及二次莫來石化產生的溫度梯度效應，提高了材料體積穩定性和抗侵蝕能力，實現高爐爐底壽命同步提升。  

 

 

 

3） 碳復合磚

 

陶瓷杯熱導率較小，熱阻大，使得爐缸部位的冷卻系統難以發揮作用。并且陶瓷杯只能延緩侵蝕進度，陶瓷杯抗爐渣侵蝕性能較差，待陶瓷杯被侵蝕殆盡之后，依然會造成炭磚直接接觸鐵水。因此，研究人員將Al?O?和碳進行優化復合，試制了碳復合磚，其600℃熱導率約14.81 W·m-1·K-1，雖然略低于部分炭磚的熱導率，但是與剛玉質材料的熱導率4.09/5.42 W·m-1·K-1相比有很大提高，同時保持了陶瓷材料的優良抗侵蝕性，具體性能見表4。可在鐵水與磚接觸面形成保護層，即使保護層脫落，也具有足夠的抗鐵水侵蝕性，保護爐缸部位的。碳復合磚兼顧了炭磚和陶瓷杯的優勢，實現“自保護”和“他保護”結合，是新一代爐缸爐底耐火材料的發展方向之一。

 

 

4）SiC風口磚

 

高爐傳統風口磚采用剛玉質預制塊、剛玉莫來石預制塊、硅線石磚、復合棕剛玉磚、微孔剛玉磚等。有害堿金屬元素Zn、K等以ZnO、K?O的形式沉積，結晶、長大，形成環帶，剛玉質磚受ZnO、K?O等侵蝕會發生嚴重變形。磚體基質和骨料均受到ZnO、K?O等堿性物質的嚴重侵蝕發生異常膨脹，變得酥松，這也是風口上翹、爐底上漲的重要原因之一，同時也成為風口區域煤氣向下串漏的通道。20世紀90年代，寶鋼2#高爐引進了日本的自結合碳化硅風口組合磚，應用效果良好；鋼京唐5500m³超大型高爐也引進了日本的大型自結合碳化硅風口組合磚。中鋼洛耐院成功開發出自結合碳化硅磚，其性能（見表5）與國外產品相當，所開發的自結合碳化硅磚比氮化硅結合碳化硅磚具有更加優良的抗堿性、抗渣性和抗熱震性，且具有與氮化硅結合碳化硅磚相當的力學性能、熱膨脹性以及更高的熱導率。

 

此外，中鋼洛耐院還開發出可替代定形制品的碳化硅質預制大塊（SICAPREC），其性能見表6。可以看出，所開發預制塊雜質含量低、化學純度較高，SiC和Si?N?合量達到了90%以上，體積密度不低于2.65 g·cm-3，氣孔率不超過15%，具有優異的常溫和高溫抗折強度，以及良好的導熱系數。與牌號SICAPREC-LO相比較，牌號SICAPREC-HN碳化硅質預制塊力學性能更加優異，但其導熱系數略低。除導熱系數外，牌號SICAPREC-HN碳化硅質預制塊的各項指標均超過文獻所報道國外同類產品。