高炉用耐火材料的选择与使用

高炉用耐火材料的 选择与使用
1、高炉各部位工作环境简介
炉喉：温度400℃~500℃ 炉喉：温度400℃~500℃，受炉料的撞 击和摩擦较为激烈 炉身：上部中部温度400℃~800℃ 炉身：上部中部温度400℃~800℃，承 400 受炉料冲击、炉尘上升的磨损或热冲击， 或受碱、锌等的侵入 下部温度较高，有灼热炉料下降时的摩 擦作用，煤气上升时粉尘的冲作用，碱 金属蒸气的侵蚀作用
根据上述的损坏机理，要延长炉缸、炉底的寿命， 应该从耐火材料和炉缸结构两个方面解决防止 铁水渗透、降低机械磨损和防止碱金属侵蚀等 问题。 因此首先在选择炉缸、炉底用耐火材料时，应采 用抗渣铁侵蚀性强、抗碱性能强、抗铁水渗透 性好、强度高、导热性好的耐火材料，即对碳 砖进行相应的技术改进； 其次对炉缸进行复合砌筑，即工作区用致密耐 火材料以提高抗铁水渗入和耐碱侵蚀，在靠近 冷却壁处用高导热材料。
SiC 砖的理化性能 国 砖 名 种 日 本 Si3N4 结合 2.78 12.5 160 57(1400℃) ℃ 16.6 美 国 Si3N4 结合 2.60 13.6 150 41(1400℃) ℃ 14.4 荷 兰 Si2ON2 结合 2.53 13.2 172 18.4(1400℃) ℃ 中 国 Si3N4 结合 <2.6 <18 >150 40(1400℃) ℃ 23
“陶瓷杯方案” 陶瓷杯方案”
该方案为耐火材料解决方案，目的 是既减少通过炉衬的热损失，又 能延长炉衬寿命。典型的“ 能延长炉衬寿命。典型的“陶瓷 杯”由法国SAVOIE公司开发，在 由法国SAVOIE公司开发，在 世界上得到广泛应用，取得巨大 的成功。目前这种“陶瓷杯” 的成功。目前这种“陶瓷杯”技 术成为长寿炉缸的首选之一。 所谓“陶瓷杯” 所谓“陶瓷杯”是指在碳砖炉底上 再砌一至二层莫来石砖，炉缸用 碳砖（也可以是微孔碳砖）砌外 环，而内环用陶瓷质预制块砌成， 陶瓷质材料厚度与碳砖厚度之比 为1∶2~2.5。这样炉缸炉底与炉 2~2.5。这样炉缸炉底与炉 渣铁水接触的材料完全是陶瓷质 材料，陶瓷质材料好像在炉缸炉 底形成一个“ 底形成一个“杯”，既保护了碳 砖又起到了一定的隔热作用。
“陶瓷杯”方案中选材很注意：低导 陶瓷杯” 热性耐火材料和中等导热性的炭质材 料结合，以保持合理的等温线分布。 低导热材料应该能承受各种不同的侵蚀。 炉底用人工合成莫来石有很好的抗铁水 侵蚀性； 侧壁用棕刚玉质超低水泥预制块利用超 微粉技术不仅有很好的抗铁水侵蚀性 而且抗渣性也很好； 两种材料的重要特点：在高温下都有正 的永久线变化 底部砌筑特点：莫来石砌成同心圆，可 支撑侧壁“陶瓷杯” 支撑侧壁“陶瓷杯” 侧壁使用近可能大的预制块以减少缝的 数量和增加砖的稳定性；且“陶瓷杯” 数量和增加砖的稳定性；且“陶瓷杯” 侧壁不垂直，避免“上浮” 侧壁不垂直，避免“上浮”。
炉身下部：一般使用要求有良好的抗渣性、抗碱性、 耐磨的黏土砖、高铝砖、刚玉砖及碳化硅砖。
各类砖 下部使用 使用后 侵蚀速度对比（ 速度对比 生产试验 试验后 各类砖种在炉身下部使用后的侵蚀速度对比（1.5 年生产试验后测） Si3N4 结合 SiC 砖 SiC 石墨砖 黏土砖 高铝砖 黏土结合 石墨砖 砖 种 黏土砖 高铝砖 黏土结合 SiC 砖 侵蚀速度 0.51 0.36 0.50 0.1 0.24 侵蚀速度 mm/d） （ ）
有代表性的三种炉缸设计方案
以微孔碳砖为衬的炭质炉缸方案 碳砖在生产时加入添加剂形成微 孔，这些微孔的孔径在1µm以下， 孔，这些微孔的孔径在1µm以下， 这样小的微孔可以有效的防止铁 水的渗透，从而减轻了铁水对炉 缸内衬结构组织的破坏和冲蚀， 抗碱性能也得到提高，导热性也 大幅度提高。但由于800等温线 大幅度提高。但由于800等温线 仍落在碳砖中，不能解决碱侵蚀 带来的环形脆化层问题因此这种 方案的炉缸的长寿问题仍没有解 决。
几个国家高炉用黏土砖和高铝砖的性能 化学成分 国名 砖种 Al2O3 日本 英国 俄罗斯 中国 黏土砖 高铝砖 黏土砖 黏土砖 高铝砖 浸磷酸 黏土砖 40~45 55~70 44~45 42.4 64.9 ≥42 Fe2O3 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.1 ≤1.3 1.12 ≤1.6 R2O ≤0.7 ≤0.8 ≤1.0 0.74 % 体积 密度 g/cm3 2.3~2.4 2.5~2.6 2.4~2.5 2.21 2.47 显气 孔率 % 10~13 12~15 8~10 14.8 13.4 ≤13 耐压 强度 MPa ≥75 ≥80 ≥85 ≥60 74.5 ≥62 荷重软化 温度 T2 ℃ ≥1500 ≥1530 ≥1450 ≥1500 ≥1460 (开始点 开始点) 开始点
2.1 炉喉用耐火材料
一般多用性能优异的黏土砖或高密度的 高铝砖砌筑，但使用寿命较短，因而还 采用耐磨耐撞击的铸钢保护板。现在有 很多新建的高炉采用黏土质耐火浇注料。 而在炉喉及保护板以下部位、直吹管和 煤气升降管等部位，均可采用喷涂料。
2.2 炉Βιβλιοθήκη Baidu用耐火材料
炉身上部和中部：主要采用低气孔率的黏土砖及高铝 砖。但随着高炉操作条件苛刻化，该部位要求采用在 耐剥落性和耐磨性方面都很优异的耐火材料。因此在 上部还可以采用磷酸盐结合的黏土砖，中上部还可采 用硅线石砖。
炉身中 炉身中 、下 部及炉 腰部位
炉腹部位 炉缸风 口带
以上的 铁口以上的 炉缸碳 砖
以下的 铁口以下的 炉缸及 炉底 碳砖
2、高炉用耐火材料的选择
现代化大、中型高炉要求一 代炉龄为10年（甚至15年）。 代炉龄为10年（甚至15年）。 耐火材料的品种、质量好坏 直接影响高炉寿命。因此对 耐火材料的品种、质量都提 出了很严格的要求。 图中可见，侵蚀最严重的部 位为炉腹、炉腰及炉身下部 的衬里。 根据高炉各区域的反应条件、 工作状态、温度、热冲击、 侵蚀等的研究后，在选择使 用耐火材料时对材质做出相 应的变化。
炉腰：温度高1400℃~1600℃ 炉腰：温度高1400℃~1600℃，高温辐 射侵蚀严重，碱侵蚀严重，物料和炉尘 冲刷严重，热风通过引起温度急剧变化， 渣蚀严重 炉腹：温度高1600℃~1650℃ 炉腹：温度高1600℃~1650℃，受热辐 射、熔渣侵蚀严重，碱金属的侵入、碳 的沉积引起的化学作用加剧，由下而上 灼热气流和由上而下的熔体的冲作用加 剧
2.4 炉腹用耐火材料
要求耐火材料不仅具有良好的抗碱抗渣性，而且要具 有耐高温性能。 过去以高铝砖和刚玉砖砌筑者多，但现在多选用SiC制 过去以高铝砖和刚玉砖砌筑者多，但现在多选用SiC制 品。
日本在炉腹和风口区域试用了纯度高、导热性好和耐侵蚀性强的高级耐火材 料，如电熔高铝砖、合成莫来石砖、刚玉砖等，使用效果比较显著； 德国试用过如半石墨砖、电熔高铝砖、莫来石砖、Si 德国试用过如半石墨砖、电熔高铝砖、莫来石砖、Si3N4-SiC砖等； SiC砖等； 荷兰霍戈文钢铁公司3662m 荷兰霍戈文钢铁公司3662m3高炉炉腹砌半石墨砖，效果较好； 欧美不少高炉使用SiC砖 欧美不少高炉使用SiC砖
高炉砖 侵蚀原因 高炉砖 衬侵蚀原因 部位 炉身上部 炉身上部 侵蚀原因 侵蚀原因 1、炉料 磨损 、炉料磨损 2、煤气 流冲刷 、煤气流 3、碱金属、 锌、沉积碳的 侵蚀 沉积碳 、 金属、 1、碱金属、 锌、沉积碳的 侵蚀 沉积碳 、 金属、 2、初成 渣的 侵蚀 、 3、热震 引起 的剥落 引起的 、 4、高温 煤气 流的冲刷 煤气流 、高温煤气 1、渣铁水的 冲刷 、 铁水的 2、高温 煤气 流的冲刷 煤气流 、高温煤气 1、渣铁水的 侵蚀 、 铁水的 2、碱金属的 侵蚀 、 金属的 3、煤气 流的 冲刷 、煤气流 1、碱金属的 侵蚀 、 金属的 2、热应力的 破坏 、 应力的 3、CO2 和 H2O 的氧化 、 4、渣、 铁水 的熔蚀 及流动 冲刷 铁水的 流动冲刷 、 1、铁水 的侵蚀 、铁水的 2、铁水 流动 冲刷 流动冲刷 、铁水流动 3、铁水 渗透 侵蚀 渗透侵蚀 、铁水渗透 4、炉缸 圆周 碳砖仍 有碱侵蚀 圆周碳 、
炉缸炉底：风口区是高炉内温度最高区 域，达1700℃~2000℃ 域，达1700℃~2000℃。主要受渣铁水 的冲刷侵蚀，铁水侵入，化学侵蚀 出铁口：受铁水环流、炉渣、碱的侵蚀 和摩擦作用，出铁周期温度变化带来的 热冲击，同时存在开口和堵口时的机械 振动损伤 出铁沟：主要受铁水、熔渣及微量元素 的冲刷侵蚀及浸润。
近年在炉腹部位包括风口砖多使用抗碱性优异的、强 度较高的SiC砖和SiC风口组合砖。 度较高的SiC砖和SiC风口组合砖。
2.5 炉缸炉底用耐火材料
炉缸内衬除受高温作用外，还主要受到渣铁的化学侵 蚀与冲刷，炉底主要以铁水的渗入侵蚀为主。所以炉 缸炉底的侵蚀大多为“蒜头状” 缸炉底的侵蚀大多为“蒜头状”或平锅底状侵蚀，还 有在炉缸环砌碳砖中形成环形脆化层，严重时形成环 形断裂。
经过在炉身下部试用各类耐火砖，从抗强碱试验结果 看，在1400 看，在1400 ℃时普通刚玉砖并不比黏土砖好多少，而 莫来石结合的刚玉砖和直接结合或Si 结合SiC砖仍保 莫来石结合的刚玉砖和直接结合或Si3N4结合SiC砖仍保 持有足够的强度。使用结果表明，直接结合或Si 持有足够的强度。使用结果表明，直接结合或Si3N4结 合SiC砖对碱蒸气不发生反应，对碳裂解沉淀物不敏感， SiC砖对碱蒸气不发生反应，对碳裂解沉淀物不敏感， 导热性能优良，因而是一种有前途的制品，在近几年 的高炉建设中，尤其是在大高炉上得到了广泛的应用。 但该砖易氧化，也不耐铁水侵蚀，故只能在不接触铁 水的部位使用。
根据对世界各国500多座高炉进行调查的结果表明，约有23% 根据对世界各国500多座高炉进行调查的结果表明，约有23% 的高炉使用了SiC耐火材料。 的高炉使用了SiC耐火材料。 在我国，近10年来对高炉用耐火材料的研究和开发取得了许多 在我国，近10年来对高炉用耐火材料的研究和开发取得了许多 的成果，特别是Si 结合SiC砖在国内几十座高炉上得到广泛 的成果，特别是Si3N4结合SiC砖在国内几十座高炉上得到广泛 应用，该砖大都是在炉身下部砌筑。
2.3 炉腰用耐火材料
炉腰环境条件，一般选择抗渣侵蚀性强、耐冲刷的耐 火材料。 过去我国高炉在炉腰部位选用黏土砖和高铝砖，但随着 高炉大型化及高强化冶炼的发展，已远远不能适应。 有使用半石墨砖、石墨砖、自结合SiC砖、刚玉砖等， 有使用半石墨砖、石墨砖、自结合SiC砖、刚玉砖等， 均有一定的效果，而近几年采用Si 结合SiC砖则取得 均有一定的效果，而近几年采用Si3N4结合SiC砖则取得 了比较明显的效果。 因此一般来说，如有条件可在1000m 因此一般来说，如有条件可在1000m3以上的高炉炉腰 部位采用Si 结合SiC砖。在1000m 部位采用Si3N4结合SiC砖。在1000m3以下的高炉上， 也可考虑用SiC砖，但必须同时改进冷却器结构和材质， 也可考虑用SiC砖，但必须同时改进冷却器结构和材质， 采用软水密闭循环冷却等进行必要的技术配套，才能 充分发挥SiC砖的作用。 充分发挥SiC砖的作用。
产生“蒜头状” 产生“蒜头状”侵蚀的主要原因有两点，一是 铁水渗透引起碳砖组织结构变化；二是铁水环 流造成碳砖机械冲刷磨损。 而形成环形脆化层的主要原因是碳砖内部800 而形成环形脆化层的主要原因是碳砖内部800 ℃等温线上的碱侵蚀、炉内气体与碱金属反应， 生成碳酸盐沉积在碳砖中，并与碳反应，随着 生产的延续，这种反应延续进行，最后形成脆 化层。反映式为： 2K(g)+2CO2(g)=K2CO3(l)+CO(g) K2CO3(l)+2C(s)=K(g)+3CO(g)
体积密度 g/cm3 % 显气孔率 常温耐压强度 MPa 高温耐压 耐压强度 高温耐压强度 MPa 高温抗折 抗折强度 高温抗折强度 MPa W/mK 热导率 热导率
国内外的生产实践证明，SiC材质不与熔渣起反应，也 国内外的生产实践证明，SiC材质不与熔渣起反应，也 没有结瘤现象，用在高炉炉身下部作内衬有助于延长 炉龄，提高热效率。