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1、高炉各部位使用的耐火材料 （1）炉缸 炉缸的主要作用之一是安全地容纳铁水，炉缸耐火材料在温度大于 1500时，必须保持足够的稳定。因而炉缸炉底部位要选用抗铁水渗透、熔蚀性好、抗碱金属侵蚀、导热性好的炭砖，可用热压小块碳砖取代大块碳砖，或在碳砖上面砌筑瓷环，瓷杯材料主要技术性能碱表 1。另外，半石墨产品已经用于炉缸、炉墙。半石墨砖具有较强的应力吸收特性和较高的导热性，可以大大减少耐火材料炉衬的径向温度梯度。表 1 瓷杯耐火材料主要物理性能 材质 体 积 密 度/(g/cm3)显气孔率/%抗 压 强度/MPa 抗 压 强度/MPa 荷重软化温度/重烧线变化率/%热导率/W/(mK)化学成分/%w(
2、Al2O3)w(Fe2O3)莫来石质 2.50 20 60 1600+0.1 70 1.0 刚玉莫来石质 3.35 18 55 20 1650 1.0 2.25 88 0.3 国外新建及新近大修的大型高炉炉底、炉缸结构形式主要有以下几种：在炉底炭块上砌瓷垫材料，炉缸采用热压小块碳砖；典型的瓷杯结构，炉底碳砖上砌莫来石砖，炉缸侧壁砌筑刚玉质大型预制块或塞隆结合刚玉砖，炉缸砌筑优质碳砖或微孔碳砖；炉底、炉缸耐火材料主要采用大块碳砖，石墨碳化硅砖和大块碳砖的主要技术性能见表 2.关键部位采用微孔或超微孔碳砖，炉底碳砖上砌 12层瓷砖。表 2 普通大块碳砖和石墨碳化硅主要技术性能 材质 体 积 密 度
3、/(g/cm3)显 气 孔率/%抗 压 强度/MPa 抗 压 强度/MPa 热导率/W/(mK)化学成分/%w(SiC)w(F.C)Ad Vd 普通碳砖 1.5 20.0 35 8 90 8.0 1.0 石墨 SiC 砖 1.9 19.0 35 7 20.0 20.0 50 （2）风口区和炉腹 风口区和炉腹是高炉温度最高的区域。风口前产生的高温煤气以很高的速度上升，其温度在 1600以上。14501550的高温铁水和炉渣经炉腹流向炉缸，各种冶金反应在这个区域剧烈进行，这个区域要求耐火材料耐高温、耐炉渣的侵蚀、抗碱性好、抗二氧化碳和水的氧化。用于这个部位的耐火材料有：刚玉砖、铝碳砖、热压半石墨碳
4、砖、SiC 砖、Si3N4结合 SiC 砖、Sialon 结合 SiC 砖、Sialon 结合刚玉砖。现在 SiC 系列砖表现出了较长的使用寿命。（3）炉腰和炉身下部 炉腰的炉身下部是高炉软熔带根部所在位置，这里温度高，但形不成渣皮或形不成稳定的渣皮“自我保护”。耐火材料经受剧烈的温度波动、初成渣的侵蚀、碱金属、锌的侵蚀、高温煤气流的冲刷、下降炉料的磨损、二氧化碳、水的氧化、一氧化碳的侵蚀等，要求耐火材料热震稳定性好、耐高温、抗碱性好、抗胡渣侵蚀能力强、抗氧化、耐磨、导热性号。曾用于该部位耐火材料有高铝砖、刚玉砖、铝碳砖、SiC 砖、Si3N4结合 SiC 砖、Sialon 结合 SiS 砖、
5、热压石墨碳砖、半石墨碳-碳化硅砖、Sialon 结合刚玉砖等。迄今为止，还没有找到一种完全能够满足这个部位工作条件的耐火材料。目前这个部位所以能持续工作十年以上，主要是靠控制边沿气流和强化冷却。相对来说，铝碳砖、SiC 砖、Si3N4结合 SiC 砖、Sialon 结合 SiS 砖、Sialon 结合刚玉砖等有较好的使用效果。如果能保证足够强的冷却系统配置，采用石墨砖也是应用趋势。炉腹、炉腰和炉身下部用耐火材料的主要技术性能见表 3.表 3 炉腹、炉腰和炉身下部用耐火材料的主要技术性能 材质 体 积 密 度/(g/cm3)显气孔率/%抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 热导率/W/(mK)化学
6、成分/%w(Al2O3)w(SiC)w(F.C)刚玉砖 3.2 15 55 20 85 Si3N4结合 SiC 砖 2.6 16 170 40 70 Sialon 结合 SiC 砖 2.65 16 170 16 70 Sialon 结合刚玉砖 3.15 120 80 石墨砖 1.75 15 30 17 100 灰分0.25 95 （4）炉身中部和上部 炉身中部的温度较炉身下部低，一般选择高铝砖、刚玉砖和碳化硅。炉身上部温度较低，耐火材料主要受到炉料的磨损和冲击，上升煤气流的冲刷以及碱金属、锌和碳沉积的侵蚀。这个部位要求耐火材料耐磨、抗碱性能好以及拥有较好的热震稳定性。选用的耐火材料有粘土砖、高
7、铝砖、硅线石砖、刚玉砖，国外也有用 SiC 砖和浇注料的。现在一些大高炉炉身上部有采用冷却壁来代替耐火砖的趋势。日本新日铁在高炉上的实验表明：SiC 砖用于炉身下部，其蚀损速度最慢。炉身中、下部铝碳砖的热导率、抗碱性、透气性及抗压强度仅次于 SiC 砖，优于其他耐火材料，而抗氧化性、抗热震性及抗铁水熔蚀性比 SiC 砖好。炉身上部及炉喉部，破损调查证明：高铝砖和粘土砖抗碱性很差，而且抗渣性、导热性、热震稳定性均很差，不适合高炉。目前，宝钢运行的 4 座高炉中，1 号和 2 号高炉均为大修后的第二代。每座高炉的建设或大修改造设计都曾对使用寿命提出过不同的要求：13 号高炉设计时分别提出了 8、1
8、0、12 年的一代炉龄寿命目标；到 1 号高炉大修时则提出 1215 年；在 4 年高炉建设和 2号高炉大修时又提高到 1820 年。一代炉龄的单位炉容产量目标从目前的 1.3104t/m3提高到 1.6104t/m3以上，达到世界先进水平。为实现高炉一代炉龄寿命目标，宝钢采用了衬耐火材料的不同设计配置，且适应于高炉的冷却方式。每座高炉的耐火材料和冷却方式配制见表 4.表 4 宝钢高炉的冷却方式及耐火材料配置 项目 1 号高炉（第 1 代）2 号高炉（第 1 代）3 号高炉 1 号高炉（第 2 代）4 号高炉 1 号高炉（第 2 代）炉容/m3 4063 4063 4350 4063 4747
9、 4706 投产时间 1985.9 1991.6 1994.9 1997.5 2005.4 2006.12 冷 却 方 式 炉底 不锈钢 管纯水 不 锈 钢 管纯水 不 锈 钢 管纯水 不 锈 钢 管纯水 不 锈 钢 管纯水 不 锈 钢 管纯水 炉缸 炉壳洒水 炉壳洒水 铸 铁 冷 却壁 炉壳洒水 铸 铁 冷 却壁 铸铁+铜冷却壁 炉腹至炉身中部 铜冷却壁 铜冷却壁 铸 铁 冷 却壁 铜冷却壁 铜冷却板+小 块 铸 铁冷却壁 密 集 式 铜冷却板 炉身上部 无 铸 铁 冷 却壁 铸 铁 冷 却壁 铸 铁 冷 却壁 铸 铁 冷 却壁 铸 铁 冷 却壁 耐 火 炉底 大块碳砖 大块碳砖 大块碳砖
10、大块碳砖 大块碳砖 大块碳砖 炉缸 大块碳砖 大块碳砖 热 压 小 块大块碳砖+热 压 小 块热 压 小 块材 料 碳砖 瓷杯 碳砖 碳砖 出铁口 硅线石砖 A-S-C 砖 热 压 小 块碳砖 超 微 孔 碳砖 热 压 小 块碳砖 热 压 小 块碳砖 风口 硅线石砖 子结合 SiC砖 热 压 小 块碳砖 刚 玉 预 制块 硅线石砖 硅线石砖 炉腹、炉腰 刚玉砖 刚玉砖 镶 b-Al2O3结合 SiC 砖 Sialon 结合刚玉砖 石墨砖 石墨砖 炉身下部中部 刚玉砖 刚玉砖 镶 堇 青 石结 合 硅 线石砖 Sialon 结合SiC 砖 石 墨 砖+Sialon 结合SiC 砖 石 墨 砖+S
11、ialon 结合SiC 砖 炉身上部 致密粘 土砖 致 密 粘 土砖 无 硅线石砖 Si3N4结合SiC 砖 Si3N4结合SiC 砖 炉喉钢砖下部 硅线石砖 水冷板 水冷板 水冷板 水冷壁 水冷壁 目前，世界各国选用沟衬耐火材料、沟的结构方式、施工方法都各有不同，但现在最普遍的高铝出铁沟的工作层主要采用氧化铝、碳化硅、碳素组成的材料。根据高炉的规格和出铁口数量其主沟料又各有不同。在大中型高炉主沟上，主要为水泥结合浇注料，以纯铝酸钙水泥作为结合剂。根据高炉规格和使用部位的不同所选择的材质也不同，由于高炉容积越大，压力大，铁水的出铁冲击力也大，对沟衬的冲刷和磨损也增加，骨料的材质档次也要求越高，
12、一般选择为致密刚玉、亚白刚玉、棕刚玉中的一种或复合使用。在此基础上，适当配入碳化硅、碳质材料、高铝水泥、超微粉、外加剂等制成低水泥浇注料。重视用后耐火材料再利用研究工作，利用废弃物的铁沟料再生 ASC 质材料，这不仅节约国家的矿物资源和能源，也减少了环境污染，大大降低了耐火材料的成本，这也是未来几年铁沟浇注料和炉前应用的发展方向和趋势。总体来说，高炉冶炼时各部位的工作环境都很恶劣，但也有些细微区别。炉喉：它主要是起保护炉衬作用。炉喉正常工作时，温度为 400500 度，受炉料的撞击和摩擦较为激烈，极易磨损。因此，炉喉部位一般多用高铝砖砌筑，炉喉钢砖一般采用铸钢件，即使这样，炉喉受侵蚀仍不可避免
13、，特别是炉喉钢砖下沿受物料冲击磨损更为突出。炉身：高炉本体重要组成部分，起着炉料的加热、还原和造渣作用，自始至终承受着煤气流的冲刷与物料冲击。但炉身上部和中部温度较低（400800 度），无炉渣形成和渣蚀危害。这部位主要承受炉料冲击、炉尘上升的磨损或热冲击（最高达 50 度/分），或者受到碱、锌等的侵入，碳的沉积而遭受损坏。炉身下部温度较高，有大量炉渣形成，有炽热炉料下降时的摩擦作用；煤气上升时粉尘的冲刷作用和碱金属蒸气的侵蚀作用。因此这个部们极易受侵蚀，严重者冷却器全部补侵蚀光，只靠钢甲来维持。例如某钢厂 5 号高炉，1996 年 4 月破损调查时发现，7 段 2钢甲裂纹像网一样纵横交错，几
14、乎连成一片，裂纹、龟裂严重，此段冷却壁基本全部被侵蚀、蚀光，只靠钢甲用来维持（炉役后期）的。这种现象在全国基他高炉上也可能有类似的现象。也就是说，高炉寿命长短与炉身部位的寿命长短有很大关系。因此，（特别是炉身下部）要选用有良好抗渣性、抗碱性及高温强度和耐磨性较高的优质粘土砖、高铝砖和刚玉砖。炉腰：它起着上升煤气煤气流的缓冲作用。炉料在这里已部分还原造渣，透气性较差，同时渣蚀严重。另外，炉腰部位的温度高（14001600 度），高温辐射侵蚀严重，碱的侵蚀也比较严重，含尘的炽热炉气上升，对炉衬产生较强的冲刷作用；焦炭等物料产生摩擦；热风通过时引起温度急剧变化作用。所以，炉腰极易受损的区域。直接影响
15、了高炉寿命。其侵蚀原因见表 92 92 高炉砖衬侵蚀原因 部位 侵蚀原因 炉身上部（1）炉料磨损（2）煤气流冲刷（3）碱金属、锌、沉积碳的侵蚀 炉身中、下部及炉腰部位（1）碱金属、锌、沉积碳的侵蚀（2）初成渣的侵蚀（3）热震引起的剥落（4）高温煤气流的冲刷 炉腹部位（1）渣铁水的冲刷（2）高温煤气流的冲刷 炉缸风口带（1）渣铁水的侵蚀（2）碱金属的侵蚀（3）煤气流的冲刷 铁口以上的炉缸碳砖（1）碱金属的侵蚀（2）热应力破坏（3）二氧化碳和水的氧化（4）渣、铁水的溶蚀及流动冲刷 铁口以下的炉缸及炉底碳砖（1）铁水的溶蚀（2）铁水流动冲刷（3）铁水渗透侵蚀（4）炉缸圆周碳砖仍有碱金属侵蚀 炉腹：炉
16、腹连接着炉缸和炉腰。一般作上大下小设计也正适应气体体积增加和炉料变成渣铁后体积缩小的需要。访部位温度更高。其下部炉料温度均在 1001650 度，气流温度也高，并形成大量的中间渣（指处于滴落过程中成分、温度在不断变化的炉渣，国外称炉腹渣）开始滴落。因此，该部位所受的热辐射、熔渣侵蚀都很严重。另外，碱金属的侵入，碳的沉积而引起的化学作用、由上而下的熔体和由下而上的炽热气流的冲刷作用也加剧。所以，该部位也一直是高炉易受损区域。炉缸、炉底：炉缸主要起着燃烧焦炭和储存渣铁的作用。由风口鼓入的热风首先与焦炭燃烧，产生煤气（即煤所的初始分布）供给高炉冶炼还原用。风口区是高炉温度最高的区域，一般在 1700
17、2000 摄氏度以上。炼铁生产的终了产物渣铁也聚集在炉缸，周期地由渣口和铁口排出。炉缸的衬砖（特别是碳砖）主要受渣铁水的冲刷与侵蚀。炉底主要是保护炉缸。避免渣铁泄漏。但炉底砖衬主要受铁水的冲刷侵蚀，乃至损毁。铁水侵入可引起耐火砖上浮，化学侵蚀可引起耐火砖脆化层的扩展，从而使高炉炉底耐火材料发生严重的破坏。由于炉缸、炉底耐火砖衬受侵蚀后不易修补，因此其损坏程度往往决定着高炉的一代寿命。该部位要求耐火材料具有耐渣铁水的侵蚀、渗透，耐碱性和导热性更好。出铁口：随着高炉日趋大型化，导致每日出铁次数增多，周而复始，出铁口的工作条件是相当苛刻的。出铁口既要受到铁水环流、炉渣、碱的侵蚀和摩擦作用，又要受到从出铁到出铁结束温度变化所带来的热冲击，同时也受到开铁口或堵铁口时的机械振动损伤。高炉出铁沟：高炉出铁沟是高温铁水或熔渣流经的通道，其衬体主要受铁水、熔渣 及微量元素的冲刷侵蚀及浸润。这要求出铁沟用耐火材料不仅抗渣铁水侵蚀性强，而且抗高温性能更好。同时，烟气、灰尘、粉粒等对周围具有一定的污染作用，所以，出铁场环境较为恶劣。各国十分注意环境保护工作，在出铁沟衬里长寿的基础上，安设有衬罩盖，并配有吸尘装置，这样大大改善了高炉炉前的作业环境。