钢铁冶金用耐火材料1

合金元素还原、脱硫 、渗碳、直接还原 燃烧反应、部分再氧 化 最终的精炼、渣铁间 的还原、脱硫、渗碳
7
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.3 高炉炉衬用耐火材料的使用条件：
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 高炉用耐火材料，必须对炉内的反应保持物理和 化学上的稳定，应达到以下要求：
（1）在高温下，不熔化、不软化、不挥发；
1450～1600 ℃
Fra Baidu bibliotek
5
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.2 炉料在炉内分布（状态）
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 固相区（块状带） ：固体料软融前所分布的区 域。 软融区（软融带） ：炉料从开始软化到融化所 占的区域。 滴落区（滴下带）：渣、铁全部融化滴落，穿 过焦炭层下到炉缸的区域。
回旋区（燃烧带）：风口前燃料燃烧的区域。
炉缸区（渣铁带）：形成最终渣、铁的区域。
6
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.2 炉料在炉内分布
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
区 域 固相区 （块状带） 相对运动 固体炉料下降煤气 上升 热交换 上升煤气对固体炉料 进行加热和干燥 反 应 间接还原、气化反应 ，碳酸盐分解、部分 直接还原 直接还原、渗碳
1、二十世纪八十年代以前：Al2O3-SiO2系统天然矾土为主； Si3N4SiC开始试用。 2、二十世纪九十年代：Al2O3-C Al2O3-SiC Si3N4-SiC开始使用 3、 2000年以后：Sialon系列产品全面实现工业化生产
• 中国高炉用耐火材料技术路线：
1、 二十世纪八十年代随着宝钢全面建设开展。所有材料均来自日本 。 2、 二十世纪九十年代宝钢高炉大修时逐步采用欧洲的技术路线：即
• 3 热风炉预期的寿命40年、高炉寿命是20年。目前差距很 大（只是从技术角度而言）。
为了适应现代化大型高炉日益苛刻的操作条件，必须 选用合适的耐火材料，才能达到高产长寿之目的。
3
耐火材料在钢铁冶金中的应用
炼铁过程工艺示意图
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
焦炉coke battery
铁水
Hot metal
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 优质ASC浇注料
主铁沟、铁沟和渣沟
石
灰
21
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2）铁水预处理对耐火材料的作用与要求
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
铁水预处理剂对耐火材料的作用：
高温铁水和炉渣的强烈冲刷磨损作用；
各种预处理剂的化学侵蚀作用；
炉渣的渗透和侵蚀作用； 间歇操作带来的温度聚变作用。
铁水预处理用耐火材料的要求：
（2）应具有能在高温、高压条件下保持炉体结构完整 的强度；
（3）耐热冲击，耐磨损；
（4）具有对铁水、炉渣和炉内煤气等的化学稳定性； （5）具有适当的导热率，同时又不影响冷却效果。
8
耐火材料在钢铁冶金中的应用
我国高炉用耐火材料的发展
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 • 中国高炉用耐火材料的发展：
（2）石灰（CaO）
氧化钙可与耐火材料中的SiO2、Al2O3等反应生成长石类晶体和铝酸钙 及玻璃相等物质。
（3）氧化铁
是一种两性氧化物，对酸性材料来说，它作为强碱的FeO起作用，生成 FeO-Al2O3-SiO2低熔物。
（4）电石（CaC2）
它的侵蚀作用来源于氧化后生成的CaO的侵蚀。
（5）萤石（CaF2）
是强溶剂，可降低炉渣的熔点和黏度，加速对耐火材料的侵蚀，分解生 23 成的CaO也对耐火材料发生侵蚀。
耐火材料在钢铁冶金中的应用
1.1高炉出铁沟用耐火材料的性能和施工要求
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
出铁主沟由于要经受周期性熔渣的化学侵蚀，炉前沟衬耐 火材料必须满足如下性能要求： 1、具有优良的高温耐磨性，耐铁水和熔渣的冲刷能力强； 2、耐熔渣的化学侵蚀性和渗透性好，抗氧化能力强； 3、具有良好的抗热震性，抗爆裂性好；
炉缸热量充足又利于高炉操作，提高铁水质量，因而陶瓷杯炉
底炉缸结构得到迅速发展。
16
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.2 高炉炉前用耐火材料
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
17
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.2.1 高炉出铁口炮泥
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
炮泥是用来封堵出铁口的耐火材料，可分为有水炮泥和无水 出铁口 炮泥两大类。 炮泥的发展：
高炉
Blast furnace
其他设备 Other equipment
热风炉 Hot stove
4
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.1 高 炉
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
高炉炉体由上而下依次为： 炉喉 炉身 炉腰 ＜400℃ 400～1100 ℃ 1100～1200 ℃
炉腹
炉缸`炉底
1200～1450 ℃
13
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.3.4 炉缸、炉底用耐火材料
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
内衬侵蚀原因及对耐材的基本性能要求： 侵蚀原因 1.铁水溶蚀及渗透 2.铁水环流冲刷侵蚀 3.碱金属侵蚀 4.热应力的破坏作用 对耐火材料的性能要求 1.抗铁水溶蚀、抗渗透性好 2.导热性好 3.抗碱金属侵蚀性好 4.气孔率低、微孔性
耐火材料在钢铁冶金中的应用
主要内容
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
一、钢铁冶炼过程
二、炼铁用耐火材料
三、转炉炼钢用耐火材料 四、电炉炼钢用耐火材料 五、炉外精炼用耐火材料 六、连铸用耐火材料
1
耐火材料在钢铁冶金中的应用
一、钢铁冶炼过程
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
采 矿
选矿
烧结
炼铁
炼焦
高温强度大，耐磨损；
耐各种处理剂的侵蚀；
抗炉渣的侵蚀性好；热震稳定性好。 便于现场施工，对环境污染小。
22
耐火材料在钢铁冶金中的应用
3）预处理剂对耐火材料的作用
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 （1）苏打粉（Na2CO3）
熔点852℃，生成的Na2O会与耐火材料中的SiO2、Al2O3等生成低熔点的 偏硅酸钠等低熔物。
选用耐火材料：粘土砖、硅线石砖、致密粘土砖、高铝砖等。
11
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.3.2炉身下部、炉腰
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 从炉身下部到炉腰的砖衬，既受下降炉料和上升高温高 压煤气的磨损以及温度变化引起的热冲击，又受高FeO高 碱度初渣的化学侵蚀，更为严重的是碱金属和锌蒸气造成 的碳素沉积和化学反应，使耐火砖组织脆化，失去强度。
强调耐火材料也非常重视水冷技术。
3、 日本高炉用耐火材料也在改进，但步伐不大，至今仍很少用 Sialon系统材料，但非常重视水冷技术。高炉寿命很长—超过20年。
9
耐火材料在钢铁冶金中的应用
我国高炉长寿发展历程
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 • 宝钢高炉本体用耐火材料历程对中国大型高炉用耐火材 料发展具有重要意义 • 宝钢初期耐火材料全部是日本体系。我们通过引进—消 化—吸收—国产化的历程、实现一次跨越。 • 从日本模式转变到欧洲模式、材质也出现重大变化、走 向赛隆结合碳化硅和赛隆结合刚玉体系。
4、重烧体积变化小，具有致密均匀的结构。
根据高炉炉前施工和使用要求，出铁沟耐火材料必须满足 以下条件： 1、良好的施工性能，可进行快速施工； 2、能够快速烘烤而不炸裂； 3、在施工和使用中不产生有害气体，不污染环境； 4、不粘渣铁，便于解体和修补。
24
耐火材料在钢铁冶金中的应用
1.2 高炉出铁沟用耐火材料的发展历程
炉身下部、炉腰侵蚀原因及对耐材的基本性能要求： 侵蚀原因 1.初成渣的化学侵蚀 2.下降炉料的磨损 3.金属铁的侵蚀破坏 4.煤气流冲刷磨损 5.热震引起的剥落 对耐火材料的性能要求 1.抗渣侵蚀性好 2.抗碱金属侵蚀性好 3.高温强度高 4.导热性好 5.气孔率低 6.热震稳定性好
12
选用耐火材料：铝炭砖、碳化硅砖、热压小块炭砖及半石墨化炭-碳化硅砖等。
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.3.3 炉腹用耐火材料
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
炉腹带侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：
侵蚀原因 1.高温煤气流的冲刷磨损 2.热态渣铁的冲刷侵蚀 3.高温破坏作用 对耐火材料的性能要求 1.高温耐磨性好 2.抗渣铁侵蚀性好 3.导热性好
炉腹处砌砖在冷却壁的冷却作用下，可以形成渣皮，起保护作用。 选用耐火材料： 高铝砖、铝碳砖、半石墨化碳-碳化硅砖、热压小块碳砖、 Si3N4结合 SiC砖等。
10
耐火材料在钢铁冶金中的应用
2.1.3.1 炉身上部和中部用耐火材料
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
在炉身上部，其破损机理主要是由于布料和炉料下降带来的机械 冲刷和随上升气流而在此聚集的碱金属所产生的化学侵蚀。 在炉身中部，主要是热震破坏，其次是机械冲刷。 炉身上部和中部侵蚀原因及对耐材的基本性能要求： 侵蚀原因 1.炉料下降过程的磨损 2.上升煤气流的冲刷磨损 3.碱金属侵蚀破坏 4.CO的破坏作用 对耐火材料的性能要求 1.耐压强度高 2.抗碱金属侵蚀性好 3.气孔率低 4.氧化铁含量低
Si3N4和含有特殊碳的矾土质、电熔氧化铝质原料，使 炮泥的性能有了极大的提高，出铁条件稳定，出铁口 不扩径，铁水和渣稳定流出，但是由于强度高，需要 特殊的钻孔机才能打开铁孔。
19
耐火材料在钢铁冶金中的应用
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
2.3 铁水预处理用耐火材料
1.出铁沟用耐火材料； 2.鱼雷混铁罐车和铁水包用耐火材料 3.喷枪用耐火材料 4.铁水搅拌器用耐火材料
软融区 （软融带）
滴落区 （滴下带） 回旋区 （燃烧带） 炉缸区（渣 铁带）
煤气通过焦炭夹层 固体焦炭下降，向 回旋区供给焦炭， 熔铁下流 鼓风使焦炭回旋运 动 铁水和溶渣的储存
矿石软化、半熔、煤 气对半熔层进行传热
上升的煤气与滴下的 溶渣、铁水及焦炭进 行交换 焦炭燃烧放热，产生 高温煤气 上部的热辐射、渣铁 与焦炭的换热
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
陶瓷杯结构示意图
15
耐火材料在钢铁冶金中的应用
高炉用陶瓷杯：
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
最早的陶瓷杯结构是法国沙佛埃公司的炉缸结构。其特点 如下：在大块碳砖的内侧砌筑刚玉-莫来石质的陶瓷杯；陶瓷 杯与碳块之间留有一定的间隙，用特制的捣打料充填，防止因 材质的热膨胀率不同而造成结构应力的破坏。 我国有多座大型高炉应用了法国的陶瓷杯，使用效果普遍 较好，炉底炉缸寿命大幅提高，在高冶炼强度的条件下，炉底 炉缸能确保安全生产。 国产陶瓷杯砖如刚玉－莫来石砖，刚玉－碳化硅砖等在大 、中型高炉上广泛应用。由于陶瓷杯砖的导热系数较小，对炉 缸的铁水有保温作用，因而能提高铁水温度，降低能源消耗，
1.水性炮泥、 2.焦油炮泥 3.高性能焦油炮泥 4.树脂炮泥
炉缸
18
耐火材料在钢铁冶金中的应用
出铁口炮泥： 辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院 随着高炉尺寸和容积的增大，炮泥用耐火材料已由 硅质变为高铝质；同样根据环境的要求，对传统的煤焦
油成分进行改进，以改善炉前作业环境； 为了延长出铁时间，研究者在炮泥中加入SiC、
三脱
转炉炼钢
LF精炼炉 ANS-OB
炉外精炼
喂丝 VD真空脱气 RH真空处理
连铸
轧钢
2
耐火材料在钢铁冶金中的应用
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
• 1 焦炉使用寿命40年的目标可以实现（只是从技术角度而 言）。
• 2 一座高炉一般要配备3～4座热风炉、热风炉的寿命应该 是高炉寿命的两倍、高炉长寿预期20年、热风炉寿命预期 应该是40年。
炉缸侧壁砌体出铁口以上受到铁渣的侵蚀作用，出铁口以
下为”死铁层”,长期受铁水侵泡，在炉缸壁与炉底的交界处受 到铁水环流的冲刷作用。因此要求砌体具有良好的抗铁渣、铁
水侵蚀能力和抗机械冲刷能力。
目前国内大、中型高炉炉缸、炉底大多采用碳砖和碳砖－ 陶瓷杯复合炉缸两种。
14
耐火材料在钢铁冶金中的应用 高炉风口区示意图
20
耐火材料在钢铁冶金中的应用
1）铁水预处理
辽 宁 科 技 大 学 材 料 学 院
铁水预处理是对炼钢用铁水进行脱硅、脱磷和脱硫处理（简称为 “三脱”），主要在出铁沟、鱼雷式混铁车、铁水包和混铁炉中 进行。 脱硅主要使用铁磷（氧化剂）和石灰系处理剂； 脱磷主要使用石灰系和苏打灰系处理剂； 脱硫主要使用石灰系处理剂和镁电石系处理剂。高炉出铁沟分为