高爐設(shè)計(jì)中要根據(jù)容積大小和不同部位的使用性能要求,，合理地選用耐火材料,。在研究高爐長(zhǎng)壽技術(shù)中,，高爐內(nèi)襯用耐火材料是高爐壽命的決定因素,。本文以高爐的耐火材料的使用為出發(fā)點(diǎn),，介紹高爐用耐火材料應(yīng)用與發(fā)展,。
耐火材料的使用性能是影響高爐壽命很重要的一個(gè)因素,。以前,，國(guó)內(nèi)高爐爐襯一般采用高鋁磚,、粘土磚和普通炭磚砌筑，壽命很短,。當(dāng)時(shí)對(duì)高爐耐火材料使用性能的研究很少,，因?yàn)楫a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中只有幾項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)，如炭磚的灰分,、抗壓強(qiáng)度,、氣孔率、體積密度,，高鋁磚的抗壓強(qiáng)度,、氣孔率、體積密度,、耐火度,、荷重軟化點(diǎn)、AlO3含量,、Fe2O3含量等,。這些常規(guī)指標(biāo)不能反映生產(chǎn)過(guò)程中高爐爐襯的實(shí)際工作狀態(tài)，因而這些指標(biāo)的高低與高爐壽命的關(guān)系并不密切,。隨著鋼鐵生產(chǎn)的高速發(fā)展,，我國(guó)高爐爐襯用耐火材料取得了很大的進(jìn)步，在生產(chǎn)技術(shù),、產(chǎn)品品種,、質(zhì)量水平方面，正逐步追趕世界先進(jìn)水平,，取代某些進(jìn)口產(chǎn)品,。延長(zhǎng)高爐壽命是我國(guó)冶金工業(yè)的重要技術(shù)政策，煉鐵和耐火材料工作者為此做出了很大的努力,，并取得了顯著的成效,。
高爐用的耐火材料主要包括炭磚和硅鋁質(zhì)耐火材料等。高爐炭磚有半石墨炭磚,、微孔炭磚,、超微孔炭磚、石墨磚和模壓小炭磚等,。
國(guó)外,、國(guó)內(nèi)各牌號(hào)炭磚目前國(guó)內(nèi)高爐陶瓷杯用磚有復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來(lái)石磚,、塑性相結(jié)合棕剛玉磚,、微孔剛玉磚，復(fù)合棕剛玉磚的抗堿性較差，一般大型高爐已不采用,。陶瓷杯爐缸結(jié)構(gòu)是法國(guó)首先開發(fā)的,，是一種不經(jīng)高溫?zé)傻臐沧K，其主要優(yōu)點(diǎn)抗堿性優(yōu)良,，抗?fàn)t渣侵蝕性較好,，抗鐵水熔蝕性很好，是微氣孔磚,，適用于爐缸磚襯,。近年國(guó)內(nèi)相繼開發(fā)出多種陶瓷杯用磚，則都是高溫?zé)傻�,。�?guó)產(chǎn)微孔剛玉磚的各項(xiàng)性能均已達(dá)到或優(yōu)于法國(guó)陶瓷杯磚,，其中抗?fàn)t渣侵蝕性和耐壓強(qiáng)度更好。塑性相剛玉磚除微氣孔指標(biāo)較差外,，其他性能都較好,，是目前應(yīng)用最多的～種。剛玉莫來(lái)石磚由于抗堿性和抗?fàn)t渣侵蝕性很差,，不適合用于爐缸部位,，但用于陶瓷杯底仍是適用的。
除炭磚品種外,，還要重視碳素?fù)v打料和泥漿的選擇,。如果采用導(dǎo)熱系數(shù)很低的碳素?fù)v打料[1—3W/(m·K)]，即使炭磚導(dǎo)熱系數(shù)很高,，但由于碳搗料相當(dāng)于絕熱層,，因而散熱仍然不暢，爐缸爐底溫度必然很高,，影響強(qiáng)化冷卻的效果,。
對(duì)于炭磚，主要研究其抗氧化性,、鐵水滲透性,、鐵水溶蝕性、導(dǎo)熱率,、氣孔分布特性,、抗堿性;對(duì)硅鋁質(zhì)耐火材料，主要研究其抗渣性,、抗堿性,、氣孔分布特性等指標(biāo),。炭磚有以下幾種類型：
（1）微孔炭磚,。普通微孔炭磚武鋼和寶鋼的高爐都使用了該產(chǎn)品，使用效果好，高爐壽命都達(dá)到了10 年以上,。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高,，微氣孔指標(biāo)先進(jìn)，抗堿性優(yōu)良,。國(guó)產(chǎn)的普通微孔炭磚,，其主要性能指標(biāo)和日本BC一7S炭磚、法國(guó)AM一102炭磚已很接近,，很多高爐的使用效果較好,，例如武鋼的高爐使用國(guó)內(nèi)的普通微孔炭磚。
（2）超微孔炭磚,。人們稱之為超微孔炭磚,。其主要特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高，孔容積率>85%,，其他性能也保持優(yōu)良,。
（3）模壓小炭磚。武鋼技術(shù)中心和國(guó)內(nèi)某耐火材料廠合作進(jìn)行了模壓小炭磚的研制,，以電煅無(wú)煙煤為原料,，以酚醛樹脂為結(jié)合劑，用磨擦壓磚機(jī)成型,，經(jīng)高溫?zé)�,，生產(chǎn)模壓小炭磚，其產(chǎn)品性能已優(yōu)于美國(guó)熱壓小炭磚,。
（4）半石墨炭磚,。國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚和日本BC-5型半石墨炭磚相比，其導(dǎo)熱系數(shù),、抗堿性,、鐵水熔蝕等性能相當(dāng)。德國(guó)半石墨炭磚的600℃導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到18.04 W/(m·K),，優(yōu)于一般的國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚,，其他性能亦相當(dāng)。
在高爐的內(nèi)部,，不同的部位所使用的耐火材料也是不同的,，高爐不同部位磚襯由于侵蝕、破損的原因不同則對(duì)耐火材料的性能要求也各異,，應(yīng)根據(jù)主要侵蝕因提出性能要求,，而不應(yīng)對(duì)每種耐火材料都提出同的性能要求。因此,，高爐設(shè)計(jì)非常重視爐底,、爐缸設(shè)計(jì)的合理性，基本措施包括三個(gè)方面：一是增加死鐵層深度，以延緩爐缸鐵水流動(dòng)對(duì)爐底,、爐缸的侵蝕;二是改善爐缸耐材質(zhì)量,，提高爐缸的導(dǎo)熱能力、抗壓強(qiáng)度,、抗鐵水侵蝕;三是加強(qiáng)爐底,、爐缸冷卻強(qiáng)度與冷卻效果。
爐腹,、爐身和爐腰用磚
高爐的這些部位通常被認(rèn)為是高溫區(qū),，是耐火材料內(nèi)襯的關(guān)鍵部位，即在正常情況下,，高爐一代壽命就取決于這些部位的耐火材料和冷卻設(shè)備性能,。這部分冷卻強(qiáng)度最大，溫度波動(dòng)大,，機(jī)械沖刷和堿侵蝕嚴(yán)重,。因此，要求耐火材料具有高的導(dǎo)熱系數(shù),。高耐磨性和抗堿侵蝕性,。針對(duì)上述情況，在60年代到80年代,，經(jīng)過(guò)多種試驗(yàn),，淘汰了傳統(tǒng)的高鋁磚，選用SiC磚,。
爐腹,、爐腰和爐身中下部，爐襯的工作條件相近,，主要侵蝕原因是爐渣侵蝕,、堿金屬侵蝕、爐料和渣鐵的沖刷,、磨損等,。高爐爐身上部，主要是機(jī)械沖刷與磨損,。
這些部位的爐襯發(fā)展趨勢(shì)是,，主要靠強(qiáng)化冷卻形成渣壤保持正常生產(chǎn)，磚襯僅留有很薄的鑲磚,，耐火材料的用量很小,。比較典型的設(shè)計(jì)如武鋼l鍋爐的銅冷卻壁薄爐襯結(jié)構(gòu)。這一區(qū)域選用耐火磚的原則是,，抗?fàn)t渣侵蝕性能好,，抗堿性較好,，導(dǎo)熱系數(shù)較高，強(qiáng)度要高,。在成渣帶以下可選用Si，N,。結(jié)合SiC磚,、賽隆結(jié)合剛玉磚或賽隆結(jié)合SiC磚。爐身中部無(wú)渣區(qū)可選用燒成微孔鋁炭磚,。爐喉處直接使用鋼磚,，爐喉下直到爐身上部均采用粘土劑。此外,，日本目前還用硅線石磚,，我國(guó)寶鋼在爐身上部均采用大塊硅線石磚。英國(guó)用含Al2O3為60%的SiC磚,。這幾種磚的強(qiáng)度很高,，抗堿侵蝕性和抗?fàn)t渣侵蝕性很好，導(dǎo)熱系數(shù)也高,。適用于砌筑爐身到爐腹區(qū)域,。
爐缸用耐火材料
現(xiàn)對(duì)于1 000～2 500 m3級(jí)的高爐，爐缸可選用普通微孔炭磚,，爐底用半石墨炭磚,，陶瓷杯用微孔剛玉磚或塑性相結(jié)合棕剛玉磚，高爐壽命達(dá)到10～15年是完全可能的,。
對(duì)于2 500～4000 m3級(jí)的高爐,，爐缸用國(guó)產(chǎn)超微孔炭磚，爐底用普通微孔炭磚,，陶瓷杯用國(guó)產(chǎn)微孔剛玉磚,，高爐壽命達(dá)到15～20年也是可能的。如果認(rèn)為國(guó)產(chǎn)超微孔炭磚剛研制出來(lái)不可靠,，則可購(gòu)買部分國(guó)外高檔炭磚用于爐缸砌筑,。
現(xiàn)代高爐爐缸主要結(jié)構(gòu)類型有：以微孔碳磚為襯的炭質(zhì)爐缸，以陶瓷材料為襯的陶瓷杯爐缸;熱壓碳磚+陶瓷材料的復(fù)合爐缸,。對(duì)以上三種爐缸結(jié)構(gòu)可分析其各自特點(diǎn)：高爐爐缸采用微孔碳磚,，有效阻止了鐵水向碳磚的滲透，從而減輕了鐵水對(duì)爐缸內(nèi)襯材在于碳磚中,，不能解決堿侵蝕對(duì)爐缸的侵蝕,。
高爐爐缸采用陶瓷內(nèi)襯有更多的優(yōu)點(diǎn)：
（1）陶瓷材料對(duì)碳磚起到保護(hù)作用，提高了爐缸抗鐵水的滲透和機(jī)械沖刷磨損;
（2）陶瓷材料的低導(dǎo)熱性使?fàn)t缸內(nèi)襯溫度分布趨于合理,，降低或避免堿侵蝕的破壞,，同時(shí)還可降低熱耗,。
高爐本體用不定形耐火材料
一座大型高爐用磚幾千噸，磚的品種繁多,，而且磚與冷卻壁,、冷卻壁與爐殼、爐底有很多間隙,。這些間隙均需填充耐火材料,，材料的質(zhì)量直接影響到磚的使用壽命，因此必須引起重視,。根據(jù)其用途,，高爐內(nèi)用不定形耐火材料可分為：砌磚用泥漿、搗打料或填料,、高爐修補(bǔ)料,。
隨著高爐大型化扣煉鐵技術(shù)的發(fā)展，高爐壽命也要不斷提高,。為了延長(zhǎng)高爐壽命所采取的措施就是修補(bǔ),。一般高爐修補(bǔ)部位主要是爐身上部、下部的爐腰,。修補(bǔ)方法有噴補(bǔ)法和壓入法,。
現(xiàn)在高爐噴補(bǔ)已成為高爐維持生產(chǎn)的技術(shù)，已在全國(guó)大部分高爐上采用,。存在的主要問(wèn)題是國(guó)產(chǎn)噴補(bǔ)機(jī)未能達(dá)到理想水平,。因此，國(guó)內(nèi)高爐噴補(bǔ)仍由國(guó)外公司占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng),。
風(fēng)口與出鐵口用耐火材料
該區(qū)熱負(fù)荷大,，有一定堿侵蝕，同時(shí)還有機(jī)械沖刷,。結(jié)合Si和Sialon結(jié)合的SiC磚,。但日本認(rèn)為Si3N結(jié)合、SiMon結(jié)合SiC磚的制造受到限制,。而17-SiC更適合做風(fēng)口磚,。我國(guó)寶鋼2#高爐、本鋼高爐風(fēng)口使用SiC磚,，寶鋼3#高爐使用大型碳磚,。
高爐出鐵口過(guò)去主要使用粘土磚，硅線石磚和大型碳磚,。由于其抗堿性,、耐剝落和抗渣性不好，在80年代,，EI本又開始使用了Al2O3--C-SiC磚,。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，世界各國(guó)都在積極發(fā)展高爐生產(chǎn)技術(shù)，延長(zhǎng)高爐壽命,。
今后高爐長(zhǎng)壽課題包括：(1)耐火材料的長(zhǎng)壽化;(2)冷卻設(shè)備高性能和通過(guò)冷卻范圍擴(kuò)大來(lái)降低爐殼的損壞等措施的實(shí)施,。耐火材料的工作者，應(yīng)該提高陶瓷耐火材料質(zhì)量,，研究開發(fā)高導(dǎo)熱超微孔碳質(zhì)材料,，完善和提高開發(fā)噴補(bǔ)技術(shù)，應(yīng)將改善其使用性能作為主要研究目標(biāo),，使耐火材料新產(chǎn)品在延長(zhǎng)高爐壽命方面發(fā)揮出更大的作用。
我國(guó)不同鋼鐵企業(yè)的高爐容積相差很大,，應(yīng)按照爐容大小正確選用不同等級(jí)的耐火材料,，幾百立方米的小高爐完全沒有必要從國(guó)外購(gòu)買高檔炭磚和陶瓷杯磚。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)高爐爐襯用耐火材料已有很大進(jìn)步,，例如炭磚從普通炭磚,、自焙炭磚發(fā)展到半石墨炭磚、微孔炭磚,，進(jìn)而到超微孔炭磚,，每進(jìn)一步質(zhì)量都有大幅度提高。在高爐建設(shè)中,，合理地選用國(guó)產(chǎn)耐火材料滿足長(zhǎng)壽高爐的要求是可行的,，這不僅降低高爐建設(shè)投資，也對(duì)促進(jìn)和發(fā)展國(guó)產(chǎn)耐火材料工業(yè)具有深遠(yuǎn)意義,。
國(guó)內(nèi)高爐爐襯用耐火材料近年來(lái)得到了迅速發(fā)展,，不僅數(shù)量上滿足了鋼鐵工業(yè)的需要，而且產(chǎn)品質(zhì)量上也有很大進(jìn)步,。具有國(guó)際先進(jìn)水平的優(yōu)質(zhì)炭磚,、陶瓷杯用磚、SiC磚都相繼開發(fā)出來(lái),，正在逐步滿足長(zhǎng)壽高爐建設(shè)的需要,，取代進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)耐火材料產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)高爐耐火材料使用性能的檢測(cè)方法正得到廣泛應(yīng)用,，凡是經(jīng)過(guò)這些性能檢驗(yàn)已合格的耐火材料,，用于高爐后的使用效果一般都比較好。高爐建設(shè)中應(yīng)根據(jù)爐容大小和預(yù)期壽命,，并根據(jù)不同部位對(duì)其使用性能的要求合理地選用耐火材料,，以降低建設(shè)投資。近年來(lái),，國(guó)產(chǎn)高爐爐襯用耐火材料的質(zhì)量和品種已取得很大進(jìn)步,。