高爐爐體的冷卻技術(shù),，是設(shè)計操作的一個重要的方面，隨著高爐綜合技術(shù)的提高,，冷卻技術(shù)有了長足的發(fā)展,，而冷卻壁(板)所配置的耐火材料一直沒有引起應(yīng)有的重視，一些高爐仍沿用粘土磚或現(xiàn)場配制的普通耐火材料,，達不到使用要求，不能有效地保護冷卻壁,，本專題根據(jù)冷卻壁(板)的使用條件，參照國內(nèi)外冷卻系統(tǒng)用耐火材料,，研究了新型的碳化硅搗打料,。
高爐在冶煉過程中,，耐火材料的使用條件是很苛刻的，要承受爐內(nèi)溫度變化造成的熱沖擊,，爐料和高溫氣流沖刷引起的內(nèi)襯磨損,，氣體(CO2,、O2和H2O)的氧化作用，鐵水,、堿金屬,、貴金屬(Zn和Pb)和渣的侵蝕等，各種損毀作用見圖1,。
圖1 高鋁內(nèi)襯侵蝕作用面
二、冷卻設(shè)備形式及耐火原材料的選擇
冷卻設(shè)備有冷卻板,、冷卻壁(包括球磨鑄鐵,、鑄鋼及軋鋼銅等材質(zhì))以及板壁結(jié)合三種形式，這幾種形式都有長壽的實踐經(jīng)驗,。
最早我國大多數(shù)高爐使用冷卻板,，冷卻板的優(yōu)點是熱流密度大,，便于更換,，對爐體耐火材料有制成保護的作用,。但是，其侵占爐熔,，冷卻面積相對較小�,，F(xiàn)在國內(nèi)多數(shù)爐子采用冷卻壁或板壁結(jié)合，但仍有大高爐使用冷卻板達到長壽的佳績,。
三,、耐火材料的組成
(一)基本原材料
碳化硅和石墨都是優(yōu)良的高爐用耐火材料，它們除了具有一般耐火原料必須的性能外,，碳化硅還耐高溫(熔點在2200℃以上)，耐侵蝕,，高強耐磨,，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震好,，導熱系數(shù)高,；碳的熔點高達3500℃，導熱系數(shù)高,，耐急冷急熱,，并對鐵水及爐渣的浸潤角相當大，難以侵蝕，與Al2O3,、SiO2、SiC等無共熔關(guān)系,，低膨脹率;搗打料中選用F,、C>94%的鱗片石墨，較其它類型的碳素材料顯示了最佳的抗氧化性能,，但是碳化硅和碳又共同具有易氧化的弱點,。根據(jù)研究，SiC防止氧化可用以下的化學反應(yīng)式表達：
2C(s)+O2(g)→2CO(g)
SiC(a)+CO(g)→SiO(g)+2C(s)
SiO(g)+CO(g)→SiO2(s)+2C(a)
SiC(s)+2CO(g)→SiO2(s)+3C(s)
由上式可見,，在SiC于C(s)共存的耐火材料中反應(yīng)可在表面形成CO(g)氣氛，與SiC顆粒反應(yīng)生成SiO(g),，同時析出C,，可為填充空位,，SiO(g)繼續(xù)與CO(g)反應(yīng)生成SiO2(s)保護層，在材料的表面形成SiO2(s)保護層有效地防止了抗氧化性,。這樣,，在SiC-C兩種共存的耐火材料中，由于上述反應(yīng)有效地提高材料抗氧化性,，使兩種材料的優(yōu)異性能得以充分發(fā)揮,。
以不同顆粒配比的碳化硅作為骨料，以石墨為部分基質(zhì)制成的碳化硅搗打料達到了冷卻壁材料的使用要求,。
(二)防氧化劑
為進一步提高材料的抗氧化性,，在其中配入適量的防氧化劑以保證材料的使用性能。有多種材料可作防氧化劑,，如Si,、Al,、Mg,、B4C,、BN、SiN4等,，或選用兩種以上材料合金做為復合防氧化劑,，防氧化劑的機理：它具有更好的親氧性，能比石墨等更易與氧反應(yīng),，其生成的氧化物能在材料表面形成液相保護層,，充填氣孔或空隙,，起到阻止或推遲進一步氧化的作用。選用多種防氧化劑配入搗打料,，測其在1200℃燒后得到失重率分別為8.1%,，10.5%，11.1%,，11.5%等,。觀察脫C層與失重率結(jié)果相近，綜合考慮試驗結(jié)果及成本,，選用了適宜的防氧化劑,。
(三)結(jié)合劑的選擇
碳化硅搗打料不定形耐火材料有幾種可供選擇的結(jié)合劑,，如磷酸鹽、樹脂等,。經(jīng)過比較采用樹脂類結(jié)合劑的搗打料性能更為優(yōu)越,。
酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物通稱為酚醛樹脂，一般常指由醛類(苯酚,、加酚,、二甲酚等)和醛類(甲醛、乙醛,、糠醛等)或酸或堿的催化劑存在合成的縮聚物,。
酚醛樹脂分為熱固性和熱塑性兩類，本材料中采用的是熱塑性酚醛樹脂樹脂比重1:1.22,，粘度為5Pa·s，使用中加硬化劑,。
酚醛樹脂和瀝青在使用中隨著溫度升高逐漸排出氣體面碳化,、作為碳保留在耐火材料中，同時又起著結(jié)合作用,，其兩者碳化的機理和碳化后的結(jié)構(gòu)形式是不一樣的,，研究表明，酚醛樹脂作為固化,、焦化和結(jié)構(gòu)調(diào)整三個階段,，為固相碳化,。瀝青碳化為液相碳化，經(jīng)過熔化,、分解、聚合,、焦化幾個階段,，樹脂轉(zhuǎn)化的碳呈玻璃狀結(jié)構(gòu)，加熱中有一定的結(jié)晶傾向,，但幾乎不可能轉(zhuǎn)化為石墨,，為“非石墨化碳”瀝青所得到的談結(jié)構(gòu)有序，2000℃以上發(fā)生石墨化,，可轉(zhuǎn)化為石墨,，為“易石墨化碳”,。然而,，在作為耐火材料結(jié)合劑使用的過程中,，是不會達到石墨化所要求的溫度的。
由于樹脂和煤焦油瀝青各有其不同的特點,，將兩者混合起來,，可使性能得到綜合的改善。研究表明,，如果搭配選擇合適時,，可形成整體均一的微細鑲嵌結(jié)構(gòu)，并可明顯地提高碳化率,。實驗證明，采用混合結(jié)合劑可獲得較高的強度(圖2),。
圖2 強度隨結(jié)合劑中樹脂加入量變化的曲線
結(jié)合劑作為樹脂和煤焦油瀝青的混合液,。由圖2可見，隨著樹脂比例的增加,，抗折強度顯示了上升的趨勢。然而也并不是越多越好,，達到一定比例后,，再增加摻入量強度反而下降。其原因,，瀝青單獨使用液相碳化時,，在結(jié)合碳素內(nèi)即產(chǎn)生裂紋,，使碳結(jié)合的破壞韌性降低,。顯示材料的強度降低,。若單獨使用樹脂結(jié)合劑時,，碳化形成玻璃狀結(jié)構(gòu),，結(jié)合碳素不易形成裂紋,，但抵抗裂紋擴展的能力差,。兩種結(jié)合劑搭配使用可形成微細鑲嵌結(jié)構(gòu),，可使碳結(jié)合的破壞韌性及抵抗裂紋擴展的能力都提高，材料的強度,、抗熱震性和抗渣性也都得到提高,。通過實驗，確定了樹脂和焦油的最佳配合比例,，兩者的混用在經(jīng)濟上也更為合理,。
四、搗打料的配制及施工
(一)配制
通過多次試驗比較,，選擇適宜的顆粒配比,，以及結(jié)合劑的外加劑的加入量，依照一定的加料順序,，用輪碾式混合機混料,，保證足夠的混煉時間，達到柔軟,、濕潤、手感良好,，用雙層編織袋包裝,，每袋25kg。
(二)性能
按照標準成型試塊,，測得性能見表2,。
冷卻壁搗打料性能 表2
(三)施工
該料采用現(xiàn)場搗打，在每塊冷卻壁上支上模板,，螺栓孔內(nèi)塞好木樁，將表面型砂,、銹斑清理干凈并涂油,，最后一層打好,，表面清理平整。
該料搗打后要進行烘烤,，避免明火,，常溫升到200℃，嚴格控制升溫速度,，1h不超過20℃,，200℃保溫8h以上，升溫過快會造成鼓脹和開裂,。保溫后自然冷卻,，冷卻壁搬運安裝時防止磕碰,。搗打料在冷卻壁上的使用情況見圖3,。每塊冷卻壁有8~9個槽,，槽內(nèi)填搗打料,，圖中用小方格表示槽。
圖3 搗打料在冷卻壁上的使用
該搗打料在國內(nèi)多座高爐上成功使用,，施工性能良好，廠方反映：未使用搗打料前,，爐腹冷卻壁表面難以形成渣皮,，導致冷卻壁燒損嚴重，爐殼嚴重變形,，影響高爐的正常使用,。采用搗打料后，高爐投產(chǎn)時各種數(shù)據(jù)測試表明,，搗打料保護冷卻壁,，保證正常的冷卻效果，延長高爐壽命起到顯著作用,。
五 結(jié)語
1. 碳化硅搗打料有著其它材料所不具備的特性。施工簡便,，工藝要求較鑲?cè)肽突鸫u的簡單,。價格低廉，僅為莫來石-螢青石磚的幾分之一,，有著廣泛的推廣前景,。
2. 復合結(jié)合劑能綜合樹脂和煤焦油瀝青各自的長處形成微細鑲嵌結(jié)構(gòu)，碳化率高,，強度,、抗渣性等性能得到改善,。
3. 碳化硅-碳共存的形式，在CO氣氛下,，可在材料表面造成SiO2玻璃體保護層，起到防止養(yǎng)護的作用,，使兩種原材料的優(yōu)良性能得以充分發(fā)揮,。