高炉炉缸耐火材料的应用现状
发布日期： 2020-07-27 10:25:17 阅读量（569） 作者：随着中国高炉向大型化、高效化的方向发展，高炉长寿已成为炼铁工序的重要技术特征。但目前中国高炉寿命普遍低于国外高炉寿命，国外高炉寿命普遍在15 年以上，而中国高炉寿命普遍在10年左右。近几年来，高炉长寿成为炼铁工作者的研究重点之一。
高炉长寿技术是一项涉及炉型设计、操作制度、冷却制度、耐火材料质量等方面的综合技术。近年来，随着炼铁技术的发展，高炉的利用系数不断提高，对高炉的耐火材料和冷却系统就提出了更高的要求。铜冷却壁的应用保证了炉腹以上部位的安全性，限制高炉长寿的环节转移至炉缸炉底的寿命。近几年高炉炉缸烧穿事故时有发生，造成了严重的经济损失，不合理的炉缸炉底结构是造成短命和烧穿事故的原因之一。因此，高炉炉缸选用合适的耐火材料非常重要。
目前，高炉炉缸部位采用的耐火材料主要包括3种：以碳素为基质的炭砖;以氧化铝为基质的刚玉质砖;碳素和氧化铝适当比例复合的碳复合材料。
1 炭砖
炭砖的种类很多，按石墨化程度、焙烧制度、添加剂种类等可分为高密度炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、半石墨质块、石墨质块、高温模压炭块、自焙炭砖等。炭砖的优势在于其高导热性，热导率一般在10 W/(m·K)以上。炭砖炉缸结构体现了“传热学” 在高炉冷却系统中的应用，利用炭砖的高热导率将热量传递给冷却系统，从而实现降低炭砖热面温度，并在炭砖和铁水间形成保护层，达到保护炉缸内壁的目的。
实际生产中，高炉开炉初期无法迅速形成保护层，炭砖直接接触高温铁水，侵蚀剧烈。高炉运行中，也经常因为操作、原料发生变化，保护层不能稳定存在。一旦保护层消失，便加速炭砖侵蚀。
国外部分炭砖的性能指标见表1[7]。从国外高炉应用情况来看，萨尔茨吉特、内陆钢、HKM、劳塔鲁基、希德马、塔塔克鲁斯和ROGESA等高炉炉缸侧壁都使用了微孔炭砖。塔塔克鲁斯艾莫伊登倾向使用石墨和半石墨块，原因在于其拥有丰富的炉皮喷水冷却经验，借助石墨良好的导热能力使铁水凝固。萨尔茨吉特B高炉新一炉役炉缸采用高导热薄壁结构，炉底石墨层上部使用大块炭砖，大块炭砖的优势在于可以减少接缝处理，弹性模量较低。中国武钢5 号高炉、宝钢1 号和2 号高炉采用过日本的BC-7S和法国的AM-102炭砖，寿命都达到了10年以上。
表1 国外几种炭砖的理化性能
2 刚玉质砖
刚玉质砖以氧化铝为基质，添加少量添加剂，利用氧化铝优良的抗铁水溶蚀性，提高了砖衬抵御高温铁水的能力。目前，刚玉质砖的应用主要是以陶瓷杯的形式与炭砖搭配使用。陶瓷杯结构是指在高炉炉缸炭砖内侧砌筑陶瓷材料，利用陶瓷材料优良的抗铁水溶蚀能力将炭砖和铁水隔开，减缓铁水对炉缸侧壁的侵蚀，将800 ℃等温线侵蚀线留在了陶瓷杯内，降低了碱金属对炭砖的侵蚀程度。
实际生产中，陶瓷杯结构也出现了不足之处：(1)陶瓷杯仅在开炉之后起保护作用，待刚玉质砖被侵蚀殆尽之后，剩余的炭砖直接接触铁水，陶瓷本质上是延缓了侵蚀进度;(2)由于陶瓷杯的热导率较低、热阻大，使得炉缸部位的冷却系统难以发挥作用。
国内外部分陶瓷杯用刚玉质砖的性能指标见表2。从国外应用情况来看，包括蒂森·克虏伯在内的不少国外厂家都选择了陶瓷杯。蒂森·克虏伯钢铁公司施韦尔根2号高炉大修时炉缸采用了陶瓷杯结构。侧壁陶瓷杯正常使用寿命为5～6年，要进一步延长炉缸使用寿命，就要发挥冷却系统的作用。中国首钢1 号高炉是国内第1 座采用SAVOIE 公司陶瓷杯炉缸的高炉，效果较为明显。
表2 传统陶瓷杯耐火材料的理化性能
3 碳复合材料
碳复合材料是一种新型的炉缸耐火材料，以河南五耐集团研发的碳复合砖为例。碳复合砖合理地将碳组分引入到氧化铝中，进行陶瓷材料与碳素材料的复合。碳复合砖结合了炭砖和陶瓷杯的优点，利用炭组分在其内部形成了类似“导线”的结构，提高了热导率，同时具备了陶瓷材料优良的抗侵蚀性能。实际生产中，碳复合砖利用其高热导率在铁水与砖面接触面形成保护层，又利用其高抗侵蚀性保证了保护层不能稳定存在时炉缸部位的安全。碳复合砖的性能指标见表3。
日本新日铁一直致力于此类复合材料的研发，1975 年所研发的CBD-1 就是在炭砖中引入了氧化铝，并在新日铁Ohita 厂2 号高炉应用，炉役达到了14 年。此后，新日铁在此基础上，通过引入硅、钛等元素或改变黏结剂和碳素材料种类，研发了一系列高炉炉缸用耐火材料，其目标都是同时提高耐火材料的热导率和抗侵蚀性能。
综上所述，炭砖结构利用其高导热性能充分发挥了冷却系统的作用，但难抵御高温铁水的溶蚀;陶瓷杯结构充分发挥其较高的抗侵蚀性，将炭砖与铁水隔离开来，却难以发挥冷却系统的作用;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。
表3 碳复合砖的理化性能
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