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高炉用 耐火材料的发展与应用

                                 高炉用 耐火材料的发展与应用

耐火材 料的使用性能是影响高炉寿命很重要的一个因素。20世纪80年代以前,国内高 炉炉衬一般采用高铝砖、粘土砖 和普通炭砖砌筑,寿命很短。当时对 高炉耐火材料使用性能的研究很少,因为产 品标准中只有几项常规指标,如炭砖的灰分、抗压强度、气孔率、体积密度,高铝砖的抗压强度、气孔率、体积密度、耐火度、荷重软化点、AlO3含量、Fe2O3含量等。这些常 规指标不能反映生产过程中高炉炉衬的实际工作状态,因而这 些指标的高低与高炉寿命的关系并不密切。随着钢 铁生产的高速发展,我国高 炉炉衬用耐火材料取得了很大的进步,在生产技术、产品品种、质量水平方面,正逐步 追赶世界先进水平,取代某些进口产品。延长高 炉寿命是我国冶金工业的重要技术政策,炼铁和 耐火材料工作者为此做出了很大的努力,并取得了显著的成效。

炉用的 耐火材料主要包括炭砖和硅铝质耐火材料等。高炉炭 砖有半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、石墨砖 和模压小炭砖等。

国外、国内各 牌号炭砖目前国内高炉陶瓷杯用砖有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相结合棕刚玉砖、微孔刚玉砖、法国陶瓷杯砖(浇注块)等5种,复合棕 刚玉砖的抗碱性较差,一般大 型高炉已不采用。陶瓷杯 炉缸结构是法国首先开发的,是一种 不经高温烧成的浇注块,其主要 优点抗碱性优良,抗炉渣侵蚀性较好,抗铁水熔蚀性很好,是微气孔砖,适用于炉缸砖衬。近年国 内相继开发出多种陶瓷杯用砖,则都是高温烧成的。国产微 孔刚玉砖的各项性能均已达到或优于法国陶瓷杯砖,其中抗 炉渣侵蚀性和耐压强度更好。塑性相 刚玉砖除微气孔指标较差外,其他性能都较好,是目前应用最多的~种。刚玉莫 来石砖由于抗碱性和抗炉渣侵蚀性很差,不适合用于炉缸部位,但用于 陶瓷杯底仍是适用的。

除炭砖品种外,还要重 视碳素捣打料和泥浆的选择。如果采 用导热系数很低的碳素捣打料[1—3W/(m·K)],即使炭 砖导热系数很高,但由于 碳捣料相当于绝热层,因而散热仍然不畅,炉缸炉 底温度必然很高,影响强化冷却的效果。

对于炭砖,主要研究其抗氧化性、铁水渗透性、铁水溶蚀性、导热率、气孔分布特性、抗碱性;对硅铝质耐火材料,主要研究其抗渣性、抗碱性、气孔分布特性等指标。炭砖有以下几种类型:

1)微孔炭砖。普通微孔炭砖中,日本的BC7S和法国的AM102炭砖可 作为代表性的国际名牌产品。武钢和 宝钢的高炉都使用了该产品,使用效果好,高炉寿命都达到了10 年以上。该产品 的特点是导热系数较高,微气孔指标先进,抗碱性优良。国产的普通微孔炭砖,其主要 性能指标和日本BC7S炭砖、法国AM102炭砖已很接近,很多高 炉的使用效果较好,例如武 钢的高炉使用国内的普通微孔炭砖。

2)超微孔炭砖。以日本的BC8SR和德国的7RDN为代表,人们称 之为超微孔炭砖。其主要 特点是导热系数较高,孔容积率>85%,其他性能也保持优良。

3)模压小炭砖。以美国NMANMD热模压 小炭砖为代表的国际名牌产品在我国应用也比较多,使用效果较好。武钢技 术中心和国内某耐火材料厂合作进行了模压小炭砖的研制,以电煅无烟煤为原料,以酚醛树脂为结合剂,用磨擦压砖机成型,经高温烧成,生产模压小炭砖,其产品 性能已优于美国热压小炭砖。

4)半石墨炭砖。国产半 石墨炭砖和日本BC-5型半石墨炭砖相比,其导热系数、抗碱性、铁水熔蚀等性能相当。德国半石墨炭砖的600℃导热系数达到1804 W(m·K),优于一 般的国产半石墨炭砖,其他性能亦相当。

 在高炉的内部,不同的 部位所使用的耐火材料也是不同的,高炉不 同部位砖衬由于侵蚀、破损的 原因不同则对耐火材料的性能要求也各异,应根据 主要侵蚀因提出性能要求,而不应 对每种耐火材料都提出同的性能要求。因此,高炉设 计非常重视炉底、炉缸设计的合理性,基本措 施包括三个方面:一是增加死铁层深度,以延缓 炉缸铁水流动对炉底、炉缸的侵蚀;二是改 善炉缸耐材质量,提高炉缸的导热能力、抗压强度、抗铁水侵蚀;三是加强炉底、炉缸冷 却强度与冷却效果。

炉腹、炉身和炉腰用砖

高炉的 这些部位通常被认为是高温区,是耐火 材料内衬的关键部位,即在正常情况下,高炉一 代寿命就取决于这些部位的耐火材料和冷却设备性能。这部分冷却强度最大,温度波动大,机械冲 刷和碱侵蚀严重。因此,要求耐 火材料具有高的导热系数。高耐磨 性和抗碱侵蚀性。针对上述情况,在60年代到80年代,经过多种试验,淘汰了传统的高铝砖,选用SiC砖。

炉腹、炉腰和炉身中下部,炉衬的工作条件相近,主要侵 蚀原因是炉渣侵蚀、碱金属侵蚀、炉料和渣铁的冲刷、磨损等。高炉炉身上部,主要是 机械冲刷与磨损。

这些部 位的炉衬发展趋势是,主要靠 强化冷却形成渣壤保持正常生产,砖衬仅 留有很薄的镶砖,耐火材料的用量很小。比较典 型的设计如武钢l锅炉的 铜冷却壁薄炉衬结构。这一区 域选用耐火砖的原则是,抗炉渣侵蚀性能好,抗碱性较好,导热系数较高,强度要高。在成渣带以下可选用SiN。结合SiC砖、赛隆结 合刚玉砖或赛隆结合SiC砖。炉身中 部无渣区可选用烧成微孔铝炭砖。炉喉处直接使用钢砖,炉喉下 直到炉身上部均采用粘土剂。此外,日本目 前还用硅线石砖,我国宝 钢在炉身上部均采用大块硅线石砖。英国用含Al2O360%的SiC砖。这几种砖的强度很高,抗碱侵 蚀性和抗炉渣侵蚀性很好,导热系数也高。适用于 砌筑炉身到炉腹区域。

炉缸用耐火材料

现对于1 0002 500 m3级的高炉,炉缸可 选用普通微孔炭砖,炉底用半石墨炭砖,陶瓷杯 用微孔刚玉砖或塑性相结合棕刚玉砖,高炉寿命达到1015年是完全可能的。

对于2 5004000 m3级的高炉,炉缸用 国产超微孔炭砖,炉底用普通微孔炭砖,陶瓷杯 用国产微孔刚玉砖,高炉寿命达到1520年也是可能的。如果认 为国产超微孔炭砖刚研制出来不可靠,则可购 买部分国外高档炭砖用于炉缸砌筑。

现代高 炉炉缸主要结构类型有:以微孔 碳砖为衬的炭质炉缸,以陶瓷 材料为衬的陶瓷杯炉缸;热压碳砖+陶瓷材料的复合炉缸。对以上 三种炉缸结构可分析其各自特点:高炉炉 缸采用微孔碳砖,有效阻 止了铁水向碳砖的渗透,从而减 轻了铁水对炉缸内衬材在于碳砖中,不能解 决碱侵蚀对炉缸的侵蚀。

高炉炉 缸采用陶瓷内衬有更多的优点:

1)陶瓷材 料对碳砖起到保护作用,提高了 炉缸抗铁水的渗透和机械冲刷磨损;

2)陶瓷材 料的低导热性使炉缸内衬温度分布趋于合理,降低或 避免碱侵蚀的破坏,同时还可降低热耗。

高炉本 体用不定形耐火材料

一座大 型高炉用砖几千吨,砖的品种繁多,而且砖与冷却壁、冷却壁与炉壳、炉底有很多间隙。这些间 隙均需填充耐火材料,材料的 质量直接影响到砖的使用寿命,因此必须引起重视。根据其用途,高炉内 用不定形耐火材料可分为:砌砖用泥浆、捣打料或填料、高炉修补料。

随着高 炉大型化扣炼铁技术的发展,高炉寿 命也要不断提高。为了延 长高炉寿命所采取的措施就是修补。一般高 炉修补部位主要是炉身上部、下部的炉腰。修补方 法有喷补法和压入法。

现在高 炉喷补已成为高炉维持生产的技术,已在全 国大部分高炉上采用。存在的 主要问题是国产喷补机未能达到理想水平。因此,国内高 炉喷补仍由国外公司占据国内市场。

风口与 出铁口用耐火材料

该区热负荷大,有一定碱侵蚀,同时还有机械冲刷。结合SiSialon结合的SiC砖。但日本认为Si3N结合、SiMon结合SiC砖的制造受到限制。而17-SiC更适合做风口砖。我国宝钢2#高炉、本钢高炉风口使用SiC砖,宝钢3#高炉使用大型碳砖。

高炉出 铁口过去主要使用粘土砖,硅线石砖和大型碳砖。由于其抗碱性、耐剥落和抗渣性不好,在80年代,EI本又开始使用了A12O3--C-SiC砖。

随着科学技术的发展,世界各 国都在积极发展高炉生产技术,延长高炉寿命。今后高 炉长寿课题包括:(1)耐火材料的长寿化;(2)冷却设 备高性能和通过冷却范围扩大来降低炉壳的损坏等措施的实施。耐火材料的工作者,应该提 高陶瓷耐火材料质量,研究开 发高导热超微孔碳质材料,完善和 提高开发喷补技术,应将改 善其使用性能作为主要研究目标,使耐火 材料新产品在延长高炉寿命方面发挥出更大的作用。

我国不 同钢铁企业的高炉容积相差很大,应按照 炉容大小正确选用不同等级的耐火材料,几百立 方米的小高炉完全没有必要从国外购买高档炭砖和陶瓷杯砖。近年来 国产高炉炉衬用耐火材料已有很大进步,例如炭砖从普通炭砖、自焙炭 砖发展到半石墨炭砖、微孔炭砖,进而到超微孔炭砖,每进一 步质量都有大幅度提高。在高炉建设中,合理地 选用国产耐火材料满足长寿高炉的要求是可行的,这不仅 降低高炉建设投资,也对促 进和发展国产耐火材料工业具有深远意义。

国内高 炉炉衬用耐火材料近年来得到了迅速发展,不仅数 量上满足了钢铁工业的需要,而且产 品质量上也有很大进步。具有国 际先进水平的优质炭砖、陶瓷杯用砖、SiC砖都相继开发出来,正在逐 步满足长寿高炉建设的需要,取代进 口的优质耐火材料产品。国内高 炉耐火材料使用性能的检测方法正得到广泛应用,凡是经 过这些性能检验已合格的耐火材料,用于高 炉后的使用效果一般都比较好。高炉建 设中应根据炉容大小和预期寿命,并根据 不同部位对其使用性能的要求合理地选用耐火材料,以降低建设投资。近年来,国产高 炉炉衬用耐火材料的质量和品种已取得很大进步。



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