耐火材料24号.doc

热风炉用耐火材料的发展摘要：高炉炼铁技术的飞速发展，与高风温、长寿化、高效低能耗的热风炉的技术进步密切相关。本文概括总结了热风炉用耐火材料的技术发展历程，概括了热风炉用耐火材料的工作条件、损毁机理和选材原则，了解了国外热风炉用耐火材料的研究和发展需求。关键词：热风炉 耐火材料 技术发展1 前言 随着现代高炉向炉客大型化、生产高效化方向的不断发展，高炉和热风炉长寿的重要性日益显现，这对于钢铁企业的生产和总体经验效益影响巨大。国外已有不少高炉取得了一代炉役(无中修)20年以上的长寿实绩，最近大修的部分高炉已将长寿目标定为30年。这对耐火材料的要求非常高。国内已经开发了很多优质的耐火材料，如：SiC系列耐火砖、Sialon结合刚玉砖等。还需要有国产的综合性能优异的炉体部用的石墨-SiC砖、石墨砖等高异性耐火砖；炉缸、炉底用的热压碳砖、超微孔碳砖等。热风炉用砖要进一步提高其耐热震性和抗高温蠕变性，研究科学合理的组合砖结构技术，并研制出性能优异的“零膨胀”硅砖来适应热风炉的更高要求。热凤炉的工作环境有：高风温(10001250)作用，煤气带入灰尘的侵蚀作用；燃烧气体的冲刷作用以及热交过程中温度变化的热应力作用等，所提供的耐材，必须适应工作环境，这样才能有市场竞争力，为此，耐材必须加速创新，大力开发优质高效的新品种。我国热风炉用耐材已有质的变化，指标要求很全面很严格，耐材工作者需要进一步重视原料的研究、寻找、研发抗蠕变又具有低膨胀的原料，探讨材料的化学成分、物相组成，荷软、蠕变及热震的相关性。高炉炼铁技术的飞速发展，与高风温、长寿化、高效低能耗的热风炉的技术进步密切相关。本文概括总结了热风炉用耐火材料的技术发展历程，概括了热风炉用耐火材料的工作条件、损毁机理和选材原则，了解了国外热风炉用耐火材料的研究和发展需求。2 热风炉用耐火材料的工作条件长期在高温的条件下工作，而且这一温度是周期性地在一定的范围内(300400)变化的，由于这些温度因数的影响，热风炉耐火材料一方面将会出现体积的变化：硅砖体积膨涨；A1203质砖体积收缩。另一方面将使耐火材料长期处在热应力的条件下工作过大的热应力可能导致拱顶和大墙出现裂纹，耐火材料本身出现剥落。受砌体和格子砖本身重量所产生的机械负荷的作用，长期在受压的状态下工作，其压应力的大小在高度方向上正好与温度分布相反，高度越低，压应力越大。由于受长期的温度和压应力的作用，热风炉耐火材料将可能出现蠕变；格子砖是热风炉内极其重要的热交换元件，它作为高温热量的载体在热风炉燃烧期内吸收并贮存燃烧产物的热量，然后在送风期内放出热量加热鼓风。热风炉内格子砖的热交换量是非常大的，这就要求格子砖不仅具有良好的蓄热性能，而且还应具有足够大的热交换能力；粉尘的作用。近年来由于煤气净化技术得到改进，高炉煤气的含尘量降低到10mgm3以下，粉尘在高温下对耐火材料的渣化威胁已经大为降低。3 耐火材料的损毁机理1)热应力热风炉是交换器，反复加热和送风，耐火材料长期处于冷热交替的工作状态，受到热应力的反复作用，造成砌体容易开裂、裂纹扩展、剥落。对应措施足要求耐火材料的抗热震性能要好。2)化学侵蚀高炉煤气燃烧后，一方面生成的低熔点的灰分附着于砌体的表面，高温下形成低熔点的玻璃液相，或与砌体内低熔点杂质相反应；另一方面产生的NOx、SOx等酸性气体，高温下与耐火材料组分发生化学反应。二者均能导致耐火材料的侵蚀，耐火材料组织结构的破坏，损坏炉子砌体。对应措施是选用纯度高、杂质含量少尤其是碱性氧化物如K2O、Na2O、CaO等杂质含量少的酸性或偏酸性耐火材料。3)高温下的机械载荷作用。热风炉是一种较高的建筑物，燃烧室下部砌体承受着很大的整体载荷，在机械载荷、高温、温变和化学侵蚀等的同时作用下，砌体发生收缩变形、开裂、剥落，影响使用寿命。对应措施是高温区的耐火材料的抗蠕变性能、抗热震性能等性能要好，中低温区的耐火材料的强度要高。4 热风炉用耐火材料的选材原则及建议为了保证热风炉实现高温(1250)长寿(2530年)的要求，热风炉用耐火材料应具有如下主要性能：l 热容量大，热风传导性好；l 气孔率低，透气性低，体积密度高；l 强度高，热震稳定性好；l 荷重软化点高，重烧线变化小；l 抗侵蚀性好；l 抗蠕变性好。优化设计、合理配置，依据我国耐火资源特点和耐火材料的各项性能综合选材。1)将高温区上移，并选择配置质量相对较轻、高温性能合理的耐火材料，尽量减轻中上部高温区耐火材料的质量。2)以满足高风温、长寿命为目的，根据热风炉不同部位的使用要求和损毁机理，依据耐火材料的高温体积稳定性、高温荷重蠕变性、热膨胀性、换热效率和化学侵蚀性能等，以及不同材质品种的高温热学性能、高温力学性能等性能的相互匹配性和相容性，综合选材、合理配置。设计者应该熟悉了解耐火材料的主要生产工艺和产品性能，做到选材科学合理，“量体裁衣”，避免为了设计“安全”而盲目追求过高(余)的性能指标或选材配置不当，使热风炉的投资“人为”加大或凶配置不当而降低寿命。3)选用酸性或偏酸性耐火材料。中高温区应全部设计为优质硅砖，取代高温区用低蠕变高铝砖的传统设计；中低温区全部为高强度优质黏土砖。硅砖属酸性耐火材料，其荷软温度、抗蠕变性能、高温抗热震性能和高温体积稳定性等各项高温性能指标均比低蠕变高铝砖好的多，在中高温区完全可以全部取代低蠕变高铝砖。硅砖价格约为低蠕变高铝砖的30%；硅砖的体积密度约为低蠕变高铝砖的67(1500低蠕变高铝砖墙砖体积密度为275gcm-3，硅砖为185gcm-3)。同样体积的硅砖取代同样体积的低蠕变高铝砖后，将减少单座热风炉约33的自身质量，降低单座热风炉耐火材料投资约70。显著减轻中下部耐火材料的荷重，大幅度降低热风炉的投资。我国优质硅石原料和优质黏土(包括焦宝石)原料丰富、质量好。近年来，由于我国炼铝行业的快速膨胀发展，优质铝钒上矿多已被炼铝行业或地方政府“征用、占用”，耐火材料用优质高铝钒土资源已近“枯竭”，不多的高铝钒七熟料(包括均化料)价高货紧，低蠕变高铝砖的生产已近“无米下锅”，在目前价格被“招标”压得很低情况下，难以采购到“真品”。合格的低蠕变高铝砖价格，目前应不低于10000元/吨。有的设计单位或企业，在顶燃式热风炉的蓄热室的中部一定高度区域内，即硅砖与黏土砖之间，设计采用了一定高度的低蠕变高铝砖(包括大墙和格子砖)，名曰过渡层，并宣传为“技术亮点”，实际上有害无益。所谓过渡层的最高温度一般1 100，配置高牌号的1450以上的低蠕变高铝砖，不仅增加投资，还因为低蠕变高铝砖的抗热震性能黏土砖硅砖，抗NOx、SOx等酸性气体的侵蚀能力黏士砖黏土砖硅砖，导致自上到下，硅砖、低蠕变高铝转、黏土砖的高温热学、化学和高温力学等性能上的不匹配，并额外增加了下部黏七砖的荷重。所以，所谓的配置低蠕变高铝砖过渡层的做法，对提高热风炉的寿命和降低热风炉的投资等均无益处。热风炉耐火材料内衬在高温、高压下工作，条件十分恶劣，为了使热风炉满足高风温的要求，延长其使用寿命，对热风炉结构、耐火材料质量以及砌体的设计技术都必须做进一步的改进。为了降低热风炉炉壳及各种管道的表面温度，以延长其使用寿命和减少热损失，目前，很多热风炉都采用了新型耐火喷涂料喷涂技术。表1 日本产CN-130G不定不定形喷涂料理化性能指标5 热风炉用耐火材料品种的演变根据耐火原料资源特点和使用要求，我国耐火材料工作者，持续研发，成功开发出并应用了许多耐火材料新品种，适应并满足了我国热风炉技术的不断发展要求，并成为世界上最大耐火材料出口国家。1)1980年以前，热风炉的高温区主要使用普通高铝砖，中低温区使用普通黏土砖。2)1980年到1990年代末，我国成功开发出12501550系列低蠕变高铝砖和12001450系列低蠕变黏土砖，替代高铝砖和黏土砖得到广泛应用。热风炉高温区的部分区域开始采用硅砖和硅砖格子砖。3)2000年后，硅砖取代低蠕变高铝砖用于拱顶和上部高温区的蓄热室等高温区的部位，热风管道采用低蠕变高铝砖或红柱石砖。顶燃式热风炉的高温区(约900以上区域)全部采用了硅砖和硅砖格子砖。有的设计院在顶燃式热风炉蓄热室的中部区域的高温和低温过渡区，也设计采用了一定高度的低蠕变高铝砖作为过渡带。顶燃式热风炉成功采用19孔或37孔格子砖取代传统的7孔或9孔格子砖后，在内燃式和外燃式热风炉中也开始推广采用。6 热风炉耐火材料的研究和发展需求热风炉耐火砖长期在高温高压下使用，耐火砖产生高温蠕变，不断交错并联送风，砌体易开裂、剥落。所以热风炉用高铝或莫来石砖，必须提高其高温蠕变性能和抗热震性能。对于硅砖尽可能降低残余石英含量，提高鳞石英含量，降低其线膨胀率。国外热风炉主要采用内燃式热风炉和外燃式热风炉，内燃式热风炉有考贝式、麦克卢尔式和艾莫伊登式，外燃式热风炉有考伯斯式、马丁式和新日铁式。近年来，内燃式热风炉已逐渐被外燃式热风炉所取代，内燃式热风炉供风量不超过200000Nrn3h，而外燃式热风炉供风量可从180000Nm3h增至500000Nm3h。德国蒂森公司蒂森厂2号高炉建造了最大热风炉，供风量为480000Nm3h，蓄热室直径为10m，燃烧室直径为55m，高约47m，正常操作风温控制在1300，采用三座热风炉操作。国外热风炉为了保证安全生产2030年而无需大修，便根据各部位的温度及其温度变化速度，荷重和气氛等选择适合的耐火材料，一般采用粘土砖、高铝砖和硅砖，但在高温热风炉的燃烧室、炉顶和蓄热室上部使用了优质莫来石砖和优质硅砖。国外热风炉用耐火材料除了要求体积密度、抗热震性和高温强度等性能外，特别重视抗蠕变性。在高温部位一般使用优质硅砖和低蠕变高铝砖，同时推荐使用红柱石砖，在温度为1450时，使用Al2O3含量为65的红柱石砖，在温度为1350时，使用Al2O3含量为55的红柱石砖。在低温部位使用Al2O3含量不同的各种粘土砖。表2 外燃式热风炉用耐火材料日本为了提高高炉的生产能力，降低燃料单耗，不断提高热风炉的送风温度和压力，使热风炉炉顸的操作温度已由1250升高到1400以上，外燃式热风炉顶温度已达到1550，因此耐火材料的使用条件越来越苛刻，对于炉顶砖脱落，隔壁墙砖变形损毁。格子砖蠕变变形损毁采取了各种措施，尤其是对外燃式热风炉和高温操作的内燃式热风炉，通过改进和提高耐火材料的抗蠕变性，改变砖的材质，在高温部位使用高铝砖和硅砖，显著提高了热风炉的使用寿命，其炉令已达到高炉2个炉役以上。表3 列出了日本热风炉用耐火材料的性能。表3 日本热风炉用耐火材料的性能俄罗斯在新建和改建的热风炉高温部位，其中包括砖格子，基本上都使用硅砖，可将预热空气的温度提高到12001300，大幅度延长了使用寿命。近几年来，下塔吉尔钢铁公司又研究开发出了热风炉砖格子用镁橄榄石砖和镁橄榄石铬砖，其性能列于表4 。这两种砖的耐压强度比硅砖高0.51.5倍，导热率也比硅砖高，在1300以上的高温下，热膨胀率比较高，可以砌筑在硅砖和莫来石刚玉砖上面，并可以砌筑在热风炉砖格子高温部位的任何高度上，这两种砖在3号高炉7号热风炉上使用，取得了理想效果。表4 镁橄榄石砖和镁橄榄石铬砖的性能随着高炉送风温度和送风压力的提高，国外对热风炉的炉型结构和炉衬材料进行了大量研究工作，逐渐从内燃式热风炉向外燃式热风炉，内燃式热风炉从一般温度操作向高温度操作方向发展，炉衬材料也由普通粘土砖向高铝砖、莫来石砖、优质硅砖、硅线石砖和红柱石砖方面发展，取得了很好效果，大幅度提高了使用寿命。今后，国外热风炉仍将朝着改进现有炉型结构和耐火材料质量，开发新型热风炉和新型耐火材料，进一步提高使用寿命方向发展。参考文献：1 我国热风炉及耐火材料的技术发展与建议 中国钢铁业 -2010年11期李庭 寿张颐 魏新民 姚朝胜2 国外大型高炉和热风炉用优质耐火材料的