高炉关键部位耐火材料

高炉关键部位耐火材料，据前文所述，高炉关键部位主要包括炉缸炉底、风口区域及出铁口等部位。炉缸炉底部位目前广泛应用的结构配置主要有全炭砖散热型结构与炭砖+陶瓷杯隔热型结构；也有提出的一种改进型炉缸炉底结构：选择具有相对较高导热系数的耐火材料作为工作衬，尽可能使接近工作衬的铁水温度降至1150℃铁水凝固线，生成凝固层，从而避免炭砖受铁水渗透、冲刷等破坏。

 

此外，国内某企业提出高炉内衬一体全浇注耐火材料结构施工方法：炉底区域采用炉底浇注料进行浇注施工替代传统的陶瓷杯垫，炉缸部位采用炉缸浇注料代替传统的陶瓷杯砖，消除了传统陶瓷杯与炭砖之间的填充层，减少了热阻层，保证了浇注炉缸整体的传热效率。高炉风口部位以前多采用刚玉砖、刚玉莫来石砖、硅线石砖等，现在新建大型高炉多采用碳化硅砖，也有开发碳化硅预制件的报道。高炉出铁口曾经采用过硅线石砖、Al₂O₃-SiC-C砖，现在多采用大块超微孔炭砖BC-8SR和热压小块碳砖NMD。

 

归纳起来，高炉关键部位用耐火材料有各种炭砖、半石墨-SiC砖、Si AlON结合Si C砖或Si₃N₄结合SiC砖、SiAlON结合刚玉砖、刚玉莫来石砖等定形产品，以及少量不定形耐火材料，如浇注料（预制件）、喷涂料、灌浆料、石墨质压入料等。

 

 

1）碳砖

 

高炉用炭砖种类主要有高密度炭砖、微孔炭砖、半石墨炭砖、石墨质炭砖、自焙炭砖、高温模压炭砖等。炭砖理化性能的优劣，是炉缸、炉底寿命长短的关键。由于高炉朝大型化发展，半石墨炭砖的用量在减少，微孔炭砖（如日本BC-7S、法国AM-102）、超微孔炭砖（如德国7RDN、日本BC-8SR）的用量在增多，高热导率的模压小炭砖（如美国NMA炭砖）也有不错应用。国外炭砖性能的优越性在于气孔向微气孔及闭口气孔方向发展。

 

比较有代表性的是，20世纪60年代，日本的研究人员以人造石墨、煅烧无烟煤和焦油制备出代炭砖（BC-5），焦油具有良好的可挤压性，有利于制备大尺寸炭砖；20世纪70年代向碳砖中添加Al2O3微粉来提高其抗铁水侵蚀性，同时对气孔也起到一定的填充效果，开发的第二代炭砖（CBD-1）使用寿命在10年左右；20世纪80年代，开始向炭砖中添加Si粉，在高温下生成Si-O-N晶须使气孔微细化并提高抗侵蚀性，制备出第三代炭砖（CBD-2）；用残炭量更高的树脂结合剂代替沥青，以模压成型代替挤压成型制备的第四代炭砖（CBD-2RG）性能更优，炭砖使用寿命提高到12～15年；20世纪90年代，以人造石墨骨料或电煅无烟煤骨料添加Al2O3微粉制备的第五代炭砖（CBD-3RG）热导率和使用寿命（18年）均大幅提高；20世纪末期，以人造石墨骨料添加Al₂O₃微粉及Ti C原料，高温下生成Ti(C,N)保护涂层（厚度约100μm）提高抗侵蚀性（可提高一倍），并且炭砖的热导率和强度也得到提高，开发的第六代炭砖使用寿命进一步提高，约达到22年。

 

目前国内研究人员也致力于微孔高导热炭砖的开发，有代表性的技术为采用负载有催化剂Ni的人造石墨骨料，添加Al₂O₃、SiO₂微粉及Al、Si微粉，也可额外添加Carbores P沥青粉，在高温下生成SiC晶须及碳纳米管，构成连续的陶瓷相高导热网络，制得具有较高热导率的微孔碳砖。对比来看，采用热氧化法制备的热氧化骨料（TOA）替代负载有催化剂Ni的人造石墨骨料具有更好的应用效果。

 

目前炭砖气孔孔径由原来的40μm降低到5μm及1μm以下，气孔形成由开口气孔转向密闭气孔，因而体现出透气性低，致密度高，抗碱及抗渗铁性能强的性能特征。炭砖导热性能好，有利于将热量传递给冷却系统，降低炭砖热面温度，并在炭砖和铁水之间形成保护层以保护炉缸。炭砖的抗铁水熔蚀性及抗氧化性较差，平均熔蚀率可达23%以上，依然是其应用的薄弱环节。

 

（1）微孔炭砖

 

普通微孔炭砖中，比较有代表性的是日本的BC-7S炭砖和法国的AM-102炭砖，该产品的特点是导热系数较高12.4～14.0 W·m-1·K-1，平均孔径0.10～0.23μm,<1μm孔容积率达76%～78.67%，抗碱侵蚀性优良。武钢5#高炉、宝钢1#和2#高炉都使用了这类炭砖，使用效果不错，高炉寿命都达到了10年以上。国产的普通微孔炭砖，其主要性能指标和日本BC-7S炭砖、法国AM-102炭砖已很接近，在多座高炉上取得良好的使用效果，例如武钢4#高炉使用国内的普通微孔炭砖，寿命已达到了10年。

 

（2）超微孔炭砖

 

代表性产品有日本的BC-8SR和德国的7RDN炭砖。与普通微孔炭砖相比，其导热系数有较大幅度提高18.15～20.42 W·m-1·K-1，平均孔径进一步减小0.083～0.121μm,<1μm孔容积率也有所提高76.08%～88.20%，其他性能同时也保持优良。武汉科技大学的研究人员针对这类炭砖进行了细致研究和探讨，采用高温（2 200℃）电煅无烟煤作骨料，鳞片状石墨、棕刚玉粉和Si粉作基质，酚醛树脂作结合剂，引入氧化铝微粉，1 100～1 400℃烧成，成功研制出新型炭砖。新型炭砖的平均孔径0.039μm,<1μm气孔容积约87.96%，热导率21.26 W·m-1·K-1，其综合性能指标可以和日本的BC-8SR和德国7RDN炭砖相媲美。国内某企业所生产的这种超微孔炭砖，在武钢3200 m³高炉使用，取得良好效果。

 

（3）模压小炭砖

 

以美国NMA、NMD热模压小炭砖为代表的国际产品在我国应用也比较多，使用效果较好。美国的NMA热模压小炭砖的主要优点是导热系数较高16.1 W·m-1·K-1，优于国内普通模压小炭砖；另一优点是抗碱性优良，国内产品的抗碱性也比较接近。其主要缺点是不属于微孔炭砖，平均孔径约1.083μm、<1μm孔容积率仅53.4%。美国的NMD热模压小炭砖是一种石墨炭砖，导热系数高达60W·m-1·K-1，有的高炉将它用作炉身冷却板之间的砖衬使用。

 

近年国内已有多家炭素厂生产模压小炭砖，但一般只达到普通微孔炭砖的水平。如600℃的导热系数仅12 W·m-1·K-1左右，低于美国的热模压小炭砖。武钢和国内某耐火材料厂合作进行了模压小炭砖的研制，以电煅无烟煤为原料，以酚醛树脂为结合剂，用磨擦压砖机成型，经高温烧成，生产模压小炭砖，其产品性能已优于美国热压小炭砖。国内开发的模压小炭砖的主要性能:600℃的导热系数>20W·m-1·K-1；平均孔径0.237μm,<1μm孔容积率76.12%，是较好的微孔炭砖，铁水熔蚀指数仅14.22%。该研制产品已经用于武钢新建的7#高炉炉缸部位。

 

 

表2：炉缸和炉底用典型炭砖材料的性能 

 

2） 陶瓷杯

 

陶瓷杯与炭砖合理搭配使用是高炉炉缸广泛采用的结构之一。刚玉砖或刚玉-莫来石砖抗铁水熔蚀性能较好，可以减缓铁水对炉缸侧壁的侵蚀，被广泛用作高炉陶瓷杯。炉底陶瓷垫一般选用刚玉-莫来石材料。国产刚玉-莫来石材料的性能（见表3）与进口材料的接近，完全可以满足炉底陶瓷垫的使用要求，而且价格便宜。虽然国产刚玉-莫来石、复合棕刚玉材料在性能上达到要求，但因其块小，砌筑要求高，且在受热后应力分布不均匀，易造成局部坍塌、漂浮而破损。法国产的棕刚玉质MONOCORAL大预制块有利于避免这种漂浮破损，在炉缸陶瓷杯壁使用具有更好的应用效果。

 

目前，国内研究人员研制出性能更优异、更长寿的第五代硼锆基刚玉莫来石陶瓷杯，性能见表3，并于2017年、2018年分别应用在天津天钢联合特钢1#、2#、3#高炉。也有企业以刚玉、碳化硅、金属粉等为原料，引入超细微粉技术及含碳结合剂等新设计理念，开发了莫来石和碳化硅纤维协同增韧的新型塑性相-炭复合刚玉制品，抗炉渣、铁水及抗碱侵蚀等性能优良。通过调控新型塑性相复合刚玉砖导热系数为5～7 W·(m·K)-1，优化了陶瓷杯的使用温度场，在陶瓷杯表面形成稳定渣铁层，实现了高炉炉缸长寿；项目在高炉用刚玉-莫来石砖基础上复合红柱石、硅线石和金属粉开发了新型金属塑性相-刚玉-莫来石复合材料，利用红柱石和硅线石原位莫来石化及二次莫来石化产生的温度梯度效应，提高了材料体积稳定性和抗侵蚀能力，实现高炉炉底寿命同步提升。  

 

 

 

3） 碳复合砖

 

陶瓷杯热导率较小，热阻大，使得炉缸部位的冷却系统难以发挥作用。并且陶瓷杯只能延缓侵蚀进度，陶瓷杯抗炉渣侵蚀性能较差，待陶瓷杯被侵蚀殆尽之后，依然会造成炭砖直接接触铁水。因此，研究人员将Al₂O₃和碳进行优化复合，试制了碳复合砖，其600℃热导率约14.81 W·m-1·K-1，虽然略低于部分炭砖的热导率，但是与刚玉质材料的热导率4.09/5.42 W·m-1·K-1相比有很大提高，同时保持了陶瓷材料的优良抗侵蚀性，具体性能见表4。可在铁水与砖接触面形成保护层，即使保护层脱落，也具有足够的抗铁水侵蚀性，保护炉缸部位的。碳复合砖兼顾了炭砖和陶瓷杯的优势，实现“自保护”和“他保护”结合，是新一代炉缸炉底耐火材料的发展方向之一。

 

 

4）SiC风口砖

 

高炉传统风口砖采用刚玉质预制块、刚玉莫来石预制块、硅线石砖、复合棕刚玉砖、微孔刚玉砖等。有害碱金属元素Zn、K等以ZnO、K₂O的形式沉积，结晶、长大，形成环带，刚玉质砖受ZnO、K₂O等侵蚀会发生严重变形。砖体基质和骨料均受到ZnO、K₂O等碱性物质的严重侵蚀发生异常膨胀，变得酥松，这也是风口上翘、炉底上涨的重要原因之一，同时也成为风口区域煤气向下串漏的通道。20世纪90年代，宝钢2#高炉引进了日本的自结合碳化硅风口组合砖，应用效果良好；钢京唐5500m³超大型高炉也引进了日本的大型自结合碳化硅风口组合砖。中钢洛耐院成功开发出自结合碳化硅砖，其性能（见表5）与国外产品相当，所开发的自结合碳化硅砖比氮化硅结合碳化硅砖具有更加优良的抗碱性、抗渣性和抗热震性，且具有与氮化硅结合碳化硅砖相当的力学性能、热膨胀性以及更高的热导率。

 

此外，中钢洛耐院还开发出可替代定形制品的碳化硅质预制大块（SICAPREC），其性能见表6。可以看出，所开发预制块杂质含量低、化学纯度较高，SiC和Si₃N₄合量达到了90%以上，体积密度不低于2.65 g·cm-3，气孔率不超过15%，具有优异的常温和高温抗折强度，以及良好的导热系数。与牌号SICAPREC-LO相比较，牌号SICAPREC-HN碳化硅质预制块力学性能更加优异，但其导热系数略低。除导热系数外，牌号SICAPREC-HN碳化硅质预制块的各项指标均超过文献所报道国外同类产品。