高炉用耐火材料的发展历史与现状

高炉用耐火材料的发展历史与现状摘要：介绍了我国高炉用耐火材料的历史进程，以及高炉大型化的建设状况，重点介绍了高炉各部位用耐火材料情况，我国大型高炉耐火材料应用发展情况，高炉耐火材料的合理选用。关键词：高炉衬火材料历史与现状1前言实现高炉长寿化、大型化是炼铁工业的重要目标。随着我国钢铁冶金行业节能降耗和节能减排工作的不断深化和强力推进,开发适应高炉长寿用耐火材料是亟待解决的问题。高炉长寿是系统工程,高炉本体用耐火材料在其中发挥着重要作用,如何提高和改进其使用性能,是科技工作者广为关注的问题。2高炉用耐火材料的发展历史高炉本体用耐火材料经历了从氧化物到氧化物-非氧化物复合的历程:氧化物是从高铝矾土到刚玉-莫来石和刚玉等系列产品演变的过程;非氧化物复合材料是从Al2O3-C、Al2O3-SiC、Al2O3-SiC-Si(刚玉塑性相复合材料)等复合材料到Si3N4-Al2O3-Si3N4、Al2O3-Si3N4-SiC-Si等演变的过程。其中,SiAlON-Al2O3已由棕刚玉为基体演变为以板状刚玉为基体的新型SiAlON-Al2O3制品。近几年,我国拥有自主知识产权的廉价且可大规模生产的Si3N4和氮化硅铁原料的出现,加速了Al2O3-Si3N4、Al2O3-Si3N4-SiC-Si等新一代产品的发展。这类产品的显著特点是不需要繁杂的氮化烧成设备,同时克服了氮化烧成产品不易生产大型或超大型产品的困难,目前已成功试用于国3000m3以上的大型高炉上。而且采用Si3N4原料生产的刚玉-莫来石系高炉喷补料,以及用Si3N4或氮化硅铁原料生产的高炉炮泥,均在大型高炉上取得了很好的使用效果。3国内外高炉大型化建设状况截止到2010年，全国重点钢铁企业共有1000m3以上高炉206座，其中4000m3以上高炉14座，3000～3999m3以上高炉19座，2000～2999m3高炉57座，1000～1999m3高炉116座。宝钢4966m3高炉、曹妃甸5500m3、沙钢5800m3高炉的投产，标志着我国在世界特大型高炉领域占据了一席之地。目前世界上正常运行的5500m3以上高炉共14座。4高炉用耐火材料质量水平及要求4.1炉腹、炉身和炉腰用砖炉腹、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。这些部位的炉衬发展趋势是，主要靠强化冷却形成渣壁保持正常生产，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1号高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Si3N4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。炉身上部可用磷酸浸渍粘土砖。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。上述几种耐火材料国内都已能生产，一般不需要用进口产品。4.2炉底、炉缸用耐火材料国内外高炉调查研究表明，绝大多数高炉是因为炉底、炉缸侵蚀严重而被迫停炉，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。4.3陶瓷杯用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。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，我国有不少高炉采用，使用效果较好。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。复合棕刚玉砖的抗碱性较差。塑性相刚玉砖除微气孔指标较差外，其他性能都较好，是目前应用最多的一种。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。5我国大型高炉耐火材料应用发展情况5.1宝钢高炉内衬耐火材料的配置发展情况宝钢炉底、炉缸结构主要考虑了以下3种典型形式：1）大块炭砖结构。1#和2#高炉第一代均采用了大块炭砖结构，炭砖具有优良的抗渣铁侵蚀能力、抗碱侵蚀能力、耐铁水渗透能力，还具有很高的导热能力。本结构能够适应高炉长寿要求，但存在炭砖环裂的隐患。2）“陶瓷杯”结构。1#高炉第二代炉役采用了炭砖加陶瓷杯结构，国内和欧洲一些高炉也采用此类型炉缸结构。陶瓷材料的保温性能较好，炉缸热损失小，耐铁水冲刷能力强，有利于节能、降硅和稳定操作。但据1#高炉的使用实践来看，陶瓷杯在2～3a内就有局部被侵蚀的现象。3）热压小块炭砖结构。3#高炉采用热压小块炭砖结构。小块炭砖具有很强的耐铁水渗透性和耐炉渣侵蚀性，并具有较高的导热性，在炉缸、炉底容易形成稳定的渣铁凝固层，保护砌体不被侵蚀，有利于提高炉缸寿命。根据3#高炉的成功实践，4#高炉选用了热压小块炭砖结构。该结构先是在水冷炉底板上以碳素浇注料找平，厚度约80mm。此后依次是底层CBY大块石墨砖、2-4层D级大块炭砖、两层陶瓷垫，整体炉底厚度占炉缸直径比例22.0%，属于薄炉底型结构。5.2首钢京唐钢铁厂5500m3高炉炉体结构状况首钢京唐钢铁厂5500m3高炉设计以高效、长寿、低耗、稳定顺行为宗旨，高炉一代炉役设计寿命25a，一代炉役单位炉容达到2万t/m3，焦比290kg/t、煤比200kg/t、燃料比小于490kg/t，技术经济指标居世界前列。高炉本体结构采用无过热冷却体系+无应力砌体结构技术相结合，炉缸炉底采用高导优质炭砖＋陶瓷垫综合炉缸炉底技术，炉底炉缸“象脚状”侵蚀区域、铁口区域、炉腹、炉腰、炉身下部采用铜冷却壁技术，炉体采用全冷却结构（包括炉喉钢砖），炉腹以上采用砖壁一体化炉衬结构技术，高炉冷却采用纯水密闭循环冷却技术。同时采用水冷固定测温、炉顶高温摄像、炉身静压（压差）测量、炉底在线测温监控、贯流式长寿风口等先进设备和检测技术实时跟踪分析高炉侵蚀运行情况，为高炉专家系统提供基础保障。6高炉耐火材料的合理选用6.1根据高炉容积合理选用耐火材料我国不同钢铁企业的高炉容积相差很大，从几百m3到4000多m3，按照炉容大小选用不同等级的耐火材料是经济的和必要的。目前有的仅几百m3的小高炉也从国外购买高档炭砖和陶瓷杯砖，是完全不必要的。应当看到，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。对于2500—1000m3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刚玉砖，高炉寿命达到10—15年是完全可能的。对2500—4000m3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15—20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，则可以购买部分国外高档炭砖用于炉缸砌筑。6.2防止进口低档耐火材料产品目前进口炭砖性能指标仍然只有少数几项常规性能，如从某厂购买的进口D级大炭砖，仅有强度、气孔率、体积密度、重烧收缩、导热系数等指标，这种炭砖检验结果表明，20℃的导热系数仅5W/m.k。导热系数是炭砖的主要性能指标，这样指标的炭砖远比不上国产半石墨炭砖，用于砌筑大型高炉显然是欠妥的。进口的陶瓷杯砖也只有常规性能指标，如强度、耐火度、荷重软化点、化学成分等。某厂进口的陶瓷杯砖抗炉渣侵蚀率100%，35分钟全部被侵蚀光，与法国陶瓷杯优质产品相差甚远，其使用结果令人担忧。我们认为，对进口高炉炉衬用耐火材料应当提出用我国的检验方法进行检验的要求，这样可以防止劣质耐火材料产品进口。7结语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。参考文献：[1]吴金源.宝钢高炉用耐火材料的发展[J].炼铁,1995,14(3):41-45.[2]李庭寿,等.耐火材料科技进展[M].北京:冶金工业出版社,1997.2735.[3]陆彤.大型高炉用耐火材料浅析.耐火材料,1992,26(3):170~174[4]
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