高炉用耐火材料

高炉用耐火材料

高炉用耐火材料(refractories for blast furnace)

砌筑高炉炉体及有关部位所使用的耐火制品。高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及还原熔炼铁矿石的竖式炉，是在高温和还原气氛下连续进行炼铁的热工设备。高炉用耐火材料损毁的原因主要是炉料机械磨损、碳素沉积、渣铁侵蚀、碱金属侵蚀和铅锌渗透、热应力和高温荷载等综合因素，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统，以提高炉衬的使用寿命。随着钢铁工业的发展，高炉日趋大型化。同时，采用了高压炉顶，高风温、富氧鼓风、燃料喷吹和电子计算机控制等新技术以强化冶炼，耐火材料使用条件更为苛刻。通过采用耐火材料新品种及提高其质量，改进炉体冷却系统以及强化管理，一代高炉炉衬寿命不断延长。

高炉炉体用耐火材料高炉炉体由炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分组成。炉体附设有风口、出渣口、出铁口、冷却系统及集气管与加料装置等设施。高炉炉衬按其使用损毁特点可分为上、中、下3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；下段为炉缸和炉底。高炉各部位及其侵蚀情况见图。

炉喉、炉身上部及炉身中部用耐火材料炉喉承受炉料下降时的直接冲击和摩擦，极易磨损，多采用高强度的粘土砖和高密度高铝砖砌筑，并采用铸钢板保护。炉身上部和中部温度不超过700℃，无炉渣形成和炉渣侵蚀，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，使衬砖组织变得脆弱，甚至鼓胀，还有碳素沉积及粘结物的作用，使炉衬开裂和结构松散。整个炉体中该部位损毁较轻，一般采用氧化铁含量较低的致密粘土砖或高铝砖砌筑。

炉身下部、炉腰和炉腹用耐火材料炉身下部承受炉料下降时的摩擦与炉气上升时粉尘的冲刷作用，该部位温度较高并有大量炉渣形成，碱金属蒸气的侵蚀作用较重，因此炉衬损毁速度较快。炉腰处温度高，炉渣大量形成，渣蚀严重，碱侵蚀及高温含尘炉气的冲刷均较炉身严重。炉腹部位的温度较炉腰高，其下部炉料温度约为1600～1650℃，气流的温度更高，低粘度的熔渣大量形成，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炽热气流的冲刷，该部位炉衬的损毁最为严重。

工业先进国家的经验以及中国高炉的实践，表明碳化硅耐火制品具有硬度高、高温强度大、热膨胀率低、导热性能、抗碱侵蚀性与抗热震性优良等特点，是高炉中段较为合适的炉衬材料。其中以氮化硅结合的碳化硅制品最佳。因为氮化硅细致的纤维状结晶作为结合相，将碳化硅细粉包裹形成牢固的机械结合，因而具有较高的高温强度与较好的抗碱蚀性能。其用量已占全世界高炉用碳化硅材料的60％以上。最新开发的硅铝氧氮(Sialon)结合碳化硅制品，与氮化硅结合的制品相比，结晶较大，气孔率低，抗氧化性能好，经抗碱试验后，高温抗折强度尤佳，是正在开发的高炉炉衬材料新品种，它已在北美和欧洲10余座高炉的中段试用。碳化硅砖的理化性能指标见表1。

炉身非工作层采用粘土质隔热砖砌筑，也可用高铝水泥隔热耐火浇注料浇灌或喷涂施工。

在生产过程中，炉身下部、炉腰和炉腹工作层损毁到一定程度时(炉壳发红)，可采用压入料或喷涂料进行热修补。在高铝质的喷补料中加入一定比例的SiC材料进一步提高耐磨损性和耐侵蚀性。从20世纪60年代开始，对炉腰、炉腹、炉底进行压入修补，在衬砖和炉壳之间形成保护层，在高铝料的基础上，加入以树脂为结合剂的SiC及碳素，以提高其耐侵蚀性和热导率，可延长使用寿命3～6个月，有的长达1a。

炉缸及炉底用耐火材料炉缸为盛装铁水和熔渣的部位，其侧壁上设有出渣口、出铁口和风口。该部位长期承受高温、热荷载、铁水和熔渣的侵蚀，以及热应力等作用。炉缸上部风口区温度最高，可达1700～2000℃以上。开炉初期炉底和炉缸的耐火材料主要承受高温铁水和熔渣的机械冲刷和搅动磨蚀、铁与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，甚至使炉底砌砖漂浮。同时，使碳砖熔损，除渗入有金属铁外，还生成氧化铁和碳化铁，导致组织破坏。此外，碳砖遇有水蒸气等物质时发生氧化，也是损毁原因。对于粘土砖或高铝砖炉缸及炉底来说，铁水中的碳能将砖中的二氧化硅还原成硅，并为铁水吸收形成硅铁，使砖的表面呈半熔融状态。当侵蚀达到一定深度，即达铁水凝固线时，铁水与熔渣的渗入即行中止。因此，现代化高炉的炉缸及炉底均设有冷却设施。在大型高炉上广泛采用砌筑陶瓷杯来保护炉底及炉缸壁。炉底用莫来石砖或优质粘土砖，上升部分用铬刚玉砖，亦有采用超低水泥结合的棕刚玉浇注块，以形成%26ldquo;陶瓷杯%26rdquo;。在陶瓷杯的背面(或下面)再垫以碳砖或微孔碳

砖，两者厚度比为1：(2～2．5)。风口一般用氮化硅结合或自结合碳化硅砖，出铁口和出渣口等部位则用硅线石砖。

新开发的微孔碳砖、半石墨砖及石墨砖与传统的加入氧化物的碳砖相比，抗渗透性、抗铁、碱及炉渣侵蚀性以及导热性能等均有明显的改善，其性能见表2。高炉自采用全碳砖炉底和综合炉底以来，寿命可长达15～20a，已不成为影响高炉炉龄的关键。

高炉其他部位用耐火材料指出铁沟与出渣沟，出铁口和集气管等用耐火材料。除集气管外，均为消耗耐火材料较多的部位。

出铁沟与出渣沟用耐火材料流放铁水与熔渣的通道，承受较强的铁水流和渣流的机械冲刷、化学侵蚀和急冷急热等作用，极易损毁，需经常维修。

(1)出铁沟与出铁口数一致。小型高炉仅设一个出铁口，大中型高炉则设2～4个，出铁沟分为主铁沟和铁沟两部分，二者间设有撇渣器，侧开渣沟。主铁沟一端与出铁口相接，结构可分为贮铁式、半贮铁式和非贮铁式三种。由于高炉大型化且强化冶炼，每个出铁沟日通铁量高达3000t左右，因此其工作条件是苛刻的。对铁沟衬里耐火材料的要求是耐铁水和熔渣的侵蚀和冲刷能力强、抗热震性好及重烧体积变化小，此外还要求不粘结渣铁，易于施工与拆除，且不产生有害气体。一般采用粘土砖、碳化硅砖、石墨或焦末和沥青等配成耐火捣打料制保护层。80年代以来，大型高炉采用的铁沟料已从捣打料发展成浇注料，其主要材质为电熔刚玉、碳化硅、少量金属硅与金属铝粉以及适量的促凝剂与解胶剂等高级原料配制，再辅以超细粉使具有较高密度，通铁水总量已达50～100万t。中国已研制成以白刚玉、棕刚玉及矾土熟料为主要原料配制的不同品种的铁沟料，在一些高炉出铁沟使用已取得经济效果。为了保护环境和保持铁水温度，在出铁沟上安装沟盖及吸尘装置，沟盖衬里一般用低水泥高铝质耐火浇注料浇灌，除靠近出铁口的沟盖，工作条件较恶劣外，使用中较少损毁。设在铁沟上的撇渣器一般用低水泥刚玉质耐火浇注料整体浇灌。铁水摆动流嘴内衬的材质与铁沟基本相同。(2)出渣沟与出渣口数一致。当矿石品位较高时，大型高炉已不另设出渣口。出渣沟结构与出铁沟相同，其材质档次略低即可满足要求。