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400500，受炉料的撞击和摩擦较为激烈炉身：上部中部温度400800，承受炉料冲击、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,炉腰：温度高14001600，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16001650，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,炉缸炉底：风口区是高炉内温度最高区域，达17002000。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。,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）。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。,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炉身用耐火材料,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。,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Si3N4结合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%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。,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。,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，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1000m3以上的高炉炉腰部位采用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，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。,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、Si3N4-SiC砖等；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。,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”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。,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),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。,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1m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。,“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“陶瓷杯”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”技术成为长寿炉缸的首选之一。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122.5。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“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”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”侧壁不垂直，避免“上浮”。,使用“陶瓷杯”有以下优点：陶瓷杯材料全面保护了碳砖层；由于800等温线被压缩到陶瓷杯材料内，可以避免碳砖被碱侵蚀产生环形脆化层；“蒜头状”侵蚀由于死铁层的加深和交界处的加强而去除；残铁层厚度由于炉缸温度高而减少；可得到更高的出铁温度或较低的铁水含硅量；更高的炉缸操作温度，有利于休风等的恢复；更高的炉缸寿命,高导热性的热压炭块方案该方案由美国UCAR公司提出，已在世界数百座高炉上实施，也取得了很大的成功。UCAR体系包括以下几个环节：a、使用高导热性的热压小碳砖；b、必须有高效良好的冷却系统；c、炉衬整体必须有良好的导热性；d、砖与砖之间要有缝，并用特殊胶泥填充；e、热压小碳砖必须要有低的透气性；f、热压小碳砖要有低的弹性模量；g、要保证使热面温度小于600,为了解决炉缸部位的异常侵蚀和环形断裂的问题，国内有多座高炉在炉缸关键部分引进热压小碳砖，由此还派生出使用各类碳砖加陶瓷材料的复合炉缸结构。,2.6综述,每种材料都有优缺点，应该根据其特点综合考虑。,总的来说，高炉炉体使用的优质耐火砖分三类：低导热优质耐材：如Sialon结合刚玉砖；中等导热优质耐材：如SiC质砖（自结合SiC砖、Si3N4结合SiC砖、Sialon结合SiC砖等），这类耐材越来越多用在高炉的关键部位，具有较高的导热性、良好的抗侵蚀性和抗热震性；高导热优质耐材：如石墨砖、半石墨砖。这些优质耐材分别要配以不同的冷却系统。在炉缸、炉底则采用热压碳砖或大块碳砖，并且都在向超微孔化发展，这个部位用砖要做到：提高其导热性、合适的弹性模量、微孔抗铁水侵蚀、渗透、提高抗碱侵蚀性和抗CO氧化。,3、大型高炉选用耐火材料的实例,铜冷却壁技术的应用导热好（铜导热系数340380W/mK，球墨铸铁常温时为27.8W/mK，300时30.4W/mK，700时22.5W/mK）工作均匀稳定，表面温度低易结成稳定渣皮高炉冶炼的热损失减少铜冷却壁的壁体薄、质量轻、易于安装可使用普通耐火材料作炉衬高炉一代寿命延长,武钢6号高炉（3200m3）,采用水冷碳砖薄炉底、炉缸结构，水冷管设在炉底封板的上方，极大改善了炉底的冷却强度，确保炉底在一代炉役形成稳定的凝结层。在异常侵蚀区域和整个炉缸区域采用德国SGL超微孔碳砖（7RD-N），该砖平均孔径仅为0.1m，导热系数大于16W/mK。在炉底的下层和上层的中心部位采用国产半石墨碳砖，在炉底炉缸碳砖的内侧和风口组合砖部位均采用微孔刚玉砖砌筑。该高炉在炉腹、炉腰、炉身下部共设置3段铜冷却壁，双层水冷管铸铁冷却壁安装部位延伸至炉身中部，之上为单层铸铁冷却壁。铜冷却壁和双层铸铁冷却壁的镶砖为Si3N4结合SiC砖，单层铸铁冷却壁的镶砖为浸磷酸黏土砖。,鞍钢新1号高炉（3200m3）,采用水冷碳砖薄炉底、炉缸结构，引进日本NDK一层微孔满铺碳砖和炉缸环壁微孔碳砖，平均孔径14W/mK。国内配套一层石墨碳砖，三层半石墨碳砖，再配合法国陶瓷杯以及复合棕刚玉为材质的盖面砖、风口组合大砖。风口往上到炉身下部采用密集式短铜冷却板（炉内深度650mm），配镶Si3N4结合SiC砖；炉身中上部采用球墨铸铁冷却壁，配满镶SiC砖。,宝钢高炉选用耐火材料,4、高炉用耐火材料性能介绍,宝钢高炉用耐火材料部分品种介绍2号高炉用耐火材料微孔碳砖：2BF炉底第5层和炉缸第613层采用日本生产的气孔平均直径为0.5m的微孔碳砖（BC-7S）,高导热性碳砖：2BF炉底最下一层采用日本-法国耐火材料联合公司生产的高导热碳砖HC-10。,Al2O3-C-SiC砖：应用于铁口区域组合砖,自结合SiC砖：应用于风口区域组合砖