高炉热风炉应用红柱石基定形耐材效果.doc

高炉热风炉应用红柱石基定形耐材效果耐火材料在为实现高能效和低成本目标方面具有十分重要的作用，冶金界一直把耐火材料消耗大户高炉和热风炉使用的耐火材料的试验研究作为重点。本文就红柱石基耐火材料在高炉和热风炉的使用情况和损坏机理的试验研究进行简要介绍。1 高炉和热风炉耐材损坏机理1.1 高炉为探索高炉耐火材料损坏机理，在停产期间，通过对高炉进行的大量现场观察分析和取样检测，将耐材损坏机理归纳如下：a）碱金属（主要是钾）盐的化学反应腐蚀；b）炉渣冲击导致的热面腐蚀；c）熔剂（主要是生石灰）反应腐蚀；d）CO冲击腐蚀；e）机械磨损和侵蚀；f）热力学应力；g）铁、锌穿透；h）铁、锌穿透氧化物及其与耐材的化学反应。由碱金属，CO冲击形成的热面腐蚀会因炉渣或与熔剂的直接反应而扩大并在平行于工作面形成裂纹，从而降低耐火材料的强度。此外，表面裂纹会因铁、锌与耐火材料的化学反应出现浸渍并顺势扩大。加之铁、铝氧化物的形成以及机械侵蚀和磨损等综合作用，最终导致耐材出现大块的快速崩裂。1.2 热风炉测试得知，热风炉采用硅酸铝砖，其主要损坏原因是热力学应力。由于不适当的流动条件引起的局部过热导致蓄热室格子砖体收缩和变形（甚至熔化），长期作用产生很高压应力。2 红柱石定形耐火材料的配方和特征包括在硅酸铝二元系内的红柱石定形砖的优势和特性与其配方有着极为密切的关系。其基本配方是：C熟料（耐火土：Al2O3 45）；A红柱石（Purusite：Al2O3 58.5）；B铁钒土（竖窑铁钒土：Al2O3 86）；F褐色熔融氧化铝（电熔刚玉：Al2O395）。3 红柱焙烧定形耐火材料分析指出，焙烧定形耐火材料的氧化铝含量在5380之间较为理想。除A62和A66是纯净红柱石型，其余均为混合型（AC53，AF73，AB74，AF80）。必须明确指出，红柱石作为第二成分只能使用精细和中等粒度才有助于焙烧过程中转变成莫来石。含红柱石的所有配方中加入一定数量的煅烧氧化铝有利于通过与高岭石中的富相硅的化学反应和红柱石的莫来石化作用（即由耐火粘土加热形成莫来石）生产出第二代莫来石。原始的和焙烧过程中产生的第二代莫来石及红柱石基础配方见表1。高炉和热风炉使用不同含量的红柱石耐火材料的物理、化学及矿物特性见表2。将混合型与不同特性的原材料和纯红柱石的优势对比发现经济效益以混合型为最好。将纯净型红柱石（A62，A66）与混合型耐材的物理、化学和矿物性能进行直接比较得知，粘土熟料（AC53）、铁钒土（AB74）和熔融定型氧化铝（AF73，AF80）对红柱石特性的影响，即耐火土和铁矾土混合后加入红柱石，可提高下列参数：荷重软化点；蠕变抗力；断裂横量；热冲击抗力（由于减少了可逆热膨胀）；腐蚀抗力，即抵抗炉渣、金属、碱和CO侵蚀能力（由于表观孔隙度的降低）；热崩裂抗力。从上述对比和分析可清楚看到，随着熔融莫来石和熔融氧化铝用量的增加，红柱石的下列优势会更加突出：降低可逆热膨胀；改善热冲击抗力；增加粘结强度，即提高抗碎强度和降低导热系数。4 非焙烧定形红柱石耐火材料红柱石作为主要、次要或添加成分与铁钒土和褐色熔融氧化铝混合，制成非焙烧定形耐火材料时，常用有机粘结剂如焦油（多数时候选择酚醛树脂）。使用前将整块砖体在250300进行回火处理。特别是非定形砖，由于红柱石在其中起着十分重要的作用，即使用之初便会首先转变成外观相似于浇注的莫来石块。除此之外，随着陶瓷粘结剂的形成，在高温处理状态下红柱石的典型膨胀行为会导致炉衬密度的增加和抵抗热冲击抗力的提高。由于酚醛树脂粘结砖的弹性模量高，因此，即使在高温下使用也具有很高抗磨和抗侵蚀能力。5 红柱石基定形产品在炼铁生产中的应用过去，炼铁车间常用燃料消耗和生产率两项指标对生产者进行考核。但是近年来，对高炉和热风炉炉龄最大限度的延长和实现操作成本的最优化的要求越来越高。耐火材料设计者和生产者的责任是在最大范围内为高炉和热风炉的不同带选择最适合的炉衬，最大限度延长炉龄和提高生产率。5.1 高炉高炉不同带应使用不同的红柱石砖已成共识。炉顶锥形部位安装焙烧砖AB74；由于纯净型红柱石砖A62或铁矾土混合砖AB74具有优良的低孔性、高的力学稳定性和耐磨性以及抗侵蚀性，所以常将它们用作高炉上部炉身的原始炉衬。酚醛树脂粘结砖A54R和AB64，因抗侵蚀能力强和导热系数高，用于该区的效果也很理想。随着温度的不断升高，下部炉身受到的磨损和侵蚀，碱、锌蒸汽以及温度引起的热应力成为耐火材料被破坏的主要因素。经验说明，抵抗高的热冲击，碱、锌造成的破坏，用纯净型红柱石A62和A66可以保证该区原始炉衬有很长的使用寿命，也可使用具有良好抗侵蚀和导热能力的非焙烧酚醛树脂粘结砖A54R和AF68R。根据测试得知，高炉炉腰、炉腹区耐火砖损坏以焦炭负荷造成的侵蚀、碱性炉渣和锌腐蚀为主。选择氮化物粘结的硅碳砖或塞龙（sialon即硅铝氧化陶瓷）粘结的白色熔融氧化铝作炉衬应首选硅酸铝砖。由于风口带的温度进一步升高，以前推荐该区选用Al2O3含量高、高温热稳定性好且具有良好抵抗热冲击性能和很高的抗定向腐蚀性能的红柱石基与褐色熔融氧化铝相结合的AF73和AF80砖。现在，也可采用酚醛树脂粘结的弹性模量、耐磨性、抗侵蚀性以及热稳定性均十分优良的AF68R砖。高炉炉缸常用高导热能力的碳基材料。出铁口外部则安装褐色红柱石熔融氧化铝基砖AF73和AF80。炉缸底部，需要热力学强度高、抗热冲击性能好，抗碱、炉渣和抵抗铁水侵蚀能力强的材料。实践证明，红柱石砖在陶瓷圈中显示出了良好的使用性能。所以，建议选用红柱石基砖A66或熔融红柱石氧化铝基砖AF73。因为陶瓷圈侧壁主要部分暴露在流动的铁水中，所以，氧化铝红柱石基砖AF80因具有良好的耐磨性和抗侵蚀性，用于此处是很恰当的。5.2 热风炉因为热风炉底部温度相对较低，不超过1000。所以，常采用氧化铝含量为3545而无红柱石的标准熟粘土砖砌筑蓄热室格子砖体和墙。由于红柱石的可逆热膨胀性很低和力学稳定性很高（即蠕变抗力很高），推荐蓄热室中间带格子砖体和格子室用熟料粘土红柱石混合砖AC53。尽管纯净型和明矾基砖A62和A66系格子砖体推荐用砖，但必须指出，由于实际温度会导致格子砖体墙结构中产生很高的热力学应力。所以，较高的红柱石含量砖，常用于下部蓄热室格子砖体。因为希望浓缩气体或天然气在燃烧室燃烧时能在燃烧室和球顶产生最高的温度，所以，建议燃烧室墙采用热力学性能稳定性好和蠕变抗力高的纯净型砖A62和A66。而局部温度高达1500的球顶部结构，则采用A66或刚玉红柱石混合砖AF73。此外，推荐燃烧室的陶瓷燃烧器采用红柱石砖A66。表1 高炉和热风炉用耐火材料配方AC53 A62 A66 AF73 AB74 AF80褐色熔融氧化铝14mm - - - 31 - 3301mm - - - - - 17铁矾土8614mm - - - - 33 -01mm - - - - 17 -Purusite14mm 31 31 - - -01mm 17 27 27 27 10 1000.2mm 18 18 14 18 18 18耐火土451-4mm 35 - - - - -0.1mm 10 - - - - -焙烧氧化铝（100#） 6 12 20 12 8 10粘土RR40 （30#） 14 12 8 12 14 12红柱石含量 35 76 72 35 28 28注：按AL2O3含量递增顺序表2 高炉热风炉使用不同红柱石含量砖的物理化学和矿物特性AC53 A62 A66 AF73 AB74 AF80化学成分，% Al2O3 53 62 66 73 74 80SiO2-TiO2 45 37 33 26 24 19Fe2O3 1.0 0.7 0.6 0.7 1.3 0.7CaO-MgO 0.3 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2矿物成分 % 莫来石 65 79 83 50 39 35刚玉 - - - 29 35 47方英石 11 - - - - -块密度（EN993-1）g/cm3 2.43 2.56 2.63 2.73 2.70 2.83表观孔隙度（EN993-1）（Vol.%） 14 13 13 15 16 16冷抗碎强度（EN993-5)（MPa） 85 105 115 95 135 90破裂模量 1200（MPa） 11 15 16 15 12 14热冲击抗力（din51068-part1）循环 70 90 90 75 50 60热膨胀（iso8894-1）201000 0.57 0.50 0.51 0.63 0.69 0.72导热系数 （W/m.K）（EN994-14）400 1.46 1.60 1.65 1.98 1.85 2.181000 1.50 1.52 1.60 1.85 1.76 2.061200 1.56 1.62 1.68 1.87 1.88 2.01荷重软化点（EN994-8）（T0.5%） 1530 1620 1635 1625 1525 1630蠕变压力 （EN994-9）1300 4