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高爐各部位耐火材料的選擇
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高爐各部位耐火材料的選擇
來源： 發布時間：18-04-11 10:36:20 瀏覽量：
爐缸的主要作用之一是安全地容納鐵水，爐缸耐火材料在溫度大于1500℃時，必須保持足夠的穩定。因而爐缸爐底部位要選用抗鐵水滲透、熔蝕性好、抗堿金屬侵蝕、導熱性好的炭磚，可用熱壓小塊碳磚取代大塊碳磚，或在碳磚上面砌筑陶瓷環，陶瓷杯材料主要技術性能堿表1。另外，半石墨產品已經用于爐缸、爐墻。半石墨磚具有較強的應力吸收特性和較高的導熱性，可以大大減少耐火材料爐襯的徑向溫度梯度。
（1）爐缸
國外新建及新近大修的大型高爐爐底、爐缸結構形式主要有以下幾種：在爐底炭塊上砌陶瓷墊材料，爐缸采用熱壓小塊碳磚；典型的陶瓷杯結構，爐底碳磚上砌莫來石磚，爐缸側壁砌筑剛玉質大型預制塊或塞隆結合剛玉磚，爐缸砌筑優質碳磚或微孔碳磚；爐底、爐缸耐火材料主要采用大塊碳磚，石墨碳化硅磚和大塊碳磚的主要技術性能見表2.關鍵部位采用微孔或超微孔碳磚，爐底碳磚上砌1~2層陶瓷磚。
（2）風口區和爐腹
風口區和爐腹是高爐內溫度高的區域。風口前產生的高溫煤氣以很高的速度上升，其溫度在1600℃以上。1450~1550℃的高溫鐵水和爐渣經爐腹流向爐缸，各種冶金反應在這個區域劇烈進行，這個區域要求耐火材料耐高溫、耐爐渣的侵蝕、抗堿性好、抗二氧化碳和水的氧化。用于這個部位的耐火材料有：剛玉磚、鋁碳磚、熱壓半石墨碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiC磚、Sialon結合剛玉磚。現在SiC系列磚表現出了較長 的使用壽命。
（3）爐腰和爐身下部
爐腰的爐身下部是高爐軟熔帶根部所在位置，這里溫度高，但形不成渣皮或形不成穩定的渣皮“自我保護”。耐火材料經受劇烈的溫度波動、初成渣的侵蝕、堿金屬、鋅的侵蝕、高溫煤氣流的沖刷、下降爐料的磨損、二氧化碳、水的氧化、一氧化碳的侵蝕等，要求耐火材料熱震穩定性好、耐高溫、抗堿性好、抗胡渣侵蝕能力強、抗氧化、耐磨、導熱性號。曾用于該部位耐火材料有高鋁磚、剛玉磚、鋁碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiS磚、熱壓石墨碳磚、半石墨碳-碳化硅磚、Sialon結合剛玉磚等。迄今為止，還沒有找到一種完全能夠滿足這個部位工作條件的耐火材料。目前這個部位所以能持續工作十年以上，主要是靠控制邊沿氣流和強化冷卻。相對來說，鋁碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiS磚、Sialon結合剛玉磚等有較好的使用效果。如果能保證足夠強的冷卻系統配置，采用石墨磚也是應用趨勢。
（4）爐身中部和上部
爐身中部的溫度較爐身下部低，一般選擇高鋁磚、剛玉磚和碳化硅。爐身上部溫度較低，耐火材料主要受到爐料的磨損和沖擊，上升煤氣流的沖刷以及堿金屬、鋅和碳沉積的侵蝕。這個部位要求耐火材料耐磨、抗堿性能好以及擁有較好的熱震穩定性。選用的耐火材料有粘土磚、高鋁磚、硅線石磚、剛玉磚，國外也有用SiC磚和澆注料的。現在一些大高爐爐身上部有采用冷卻壁來代替耐火磚的趨勢。
日本新日鐵在高爐上的實驗表明：SiC磚用于爐身下部，其蝕損速度慢。爐身中、下部鋁碳磚的熱導率、抗堿性、透氣性及抗壓強度僅次于SiC磚，優于其他耐火材料，而抗氧化性、抗熱震性及抗鐵水熔蝕性比SiC磚好。爐身上部及爐喉部，破損調查證明：高鋁磚和粘土磚抗堿性很差，而且抗渣性、導熱性、熱震穩定性均很差，不適合高爐。
目前，寶鋼運行的4座高爐中，1號和2號高爐均為大修后的第二代。每座高爐的建設或大修改造設計都曾對使用壽命提出過不同的要求：1~3號高爐設計時分別提出了8、10、12年的一代爐齡壽命目標；到1號高爐大修時則提出12~15年；在4年高爐建設和2號高爐大修時又提高到18~20年。一代爐齡的單位爐容產量目標從目前的1.3×104t/m3提高到1.6×104t/m3以上，達到先進水平。為實現高爐一代爐齡壽命目標，寶鋼采用了內襯耐火材料的不同設計配置，且適應于高爐的冷卻方式。
目前，各國選用溝襯耐火材料、溝的結構方式、施工方法都各有不同，但現在普遍的高鋁出鐵溝的工作層主要采用氧化鋁、碳化硅、碳素組成的材料。根據高爐的規格和出鐵口數量其主溝料又各有不同。
在大中型高爐主溝上，主要為水泥結合澆注料，以純鋁酸鈣水泥作為結合劑。根據高爐規格和使用部位的不同所選擇的材質也不同，由于高爐容積越大，壓力大，鐵水的出鐵沖擊力也大，對溝襯的沖刷和磨損也增加，骨料的材質檔次也要求越高，一般選擇為致密剛玉、亞白剛玉、棕剛玉中的一種或復合使用。在此基礎上，適當配入碳化硅、碳質材料、高鋁水泥、超微粉、外加劑等制成低水泥澆注料。重視用后耐火材料再利用研究工作，利用廢棄物的鐵溝料再生ASC質材料，這不僅節約的礦物資源和能源，也減少了環境污染，大大降低了耐火材料的成本，這也是未來幾年鐵溝澆注料和爐前應用的發展方向和趨勢。
（1）爐缸
國外新建及新近大修的大型高爐爐底、爐缸結構形式主要有以下幾種：在爐底炭塊上砌陶瓷墊材料，爐缸采用熱壓小塊碳磚；典型的陶瓷杯結構，爐底碳磚上砌莫來石磚，爐缸側壁砌筑剛玉質大型預制塊或塞隆結合剛玉磚，爐缸砌筑優質碳磚或微孔碳磚；爐底、爐缸耐火材料主要采用大塊碳磚，石墨碳化硅磚和大塊碳磚的主要技術性能見表2.關鍵部位采用微孔或超微孔碳磚，爐底碳磚上砌1~2層陶瓷磚。
（2）風口區和爐腹
風口區和爐腹是高爐內溫度高的區域。風口前產生的高溫煤氣以很高的速度上升，其溫度在1600℃以上。1450~1550℃的高溫鐵水和爐渣經爐腹流向爐缸，各種冶金反應在這個區域劇烈進行，這個區域要求耐火材料耐高溫、耐爐渣的侵蝕、抗堿性好、抗二氧化碳和水的氧化。用于這個部位的耐火材料有：剛玉磚、鋁碳磚、熱壓半石墨碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiC磚、Sialon結合剛玉磚。現在SiC系列磚表現出了較長 的使用壽命。
（3）爐腰和爐身下部
爐腰的爐身下部是高爐軟熔帶根部所在位置，這里溫度高，但形不成渣皮或形不成穩定的渣皮“自我保護”。耐火材料經受劇烈的溫度波動、初成渣的侵蝕、堿金屬、鋅的侵蝕、高溫煤氣流的沖刷、下降爐料的磨損、二氧化碳、水的氧化、一氧化碳的侵蝕等，要求耐火材料熱震穩定性好、耐高溫、抗堿性好、抗胡渣侵蝕能力強、抗氧化、耐磨、導熱性號。曾用于該部位耐火材料有高鋁磚、剛玉磚、鋁碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiS磚、熱壓石墨碳磚、半石墨碳-碳化硅磚、Sialon結合剛玉磚等。迄今為止，還沒有找到一種完全能夠滿足這個部位工作條件的耐火材料。目前這個部位所以能持續工作十年以上，主要是靠控制邊沿氣流和強化冷卻。相對來說，鋁碳磚、SiC磚、Si3N4結合SiC磚、Sialon結合SiS磚、Sialon結合剛玉磚等有較好的使用效果。如果能保證足夠強的冷卻系統配置，采用石墨磚也是應用趨勢。
（4）爐身中部和上部
爐身中部的溫度較爐身下部低，一般選擇高鋁磚、剛玉磚和碳化硅。爐身上部溫度較低，耐火材料主要受到爐料的磨損和沖擊，上升煤氣流的沖刷以及堿金屬、鋅和碳沉積的侵蝕。這個部位要求耐火材料耐磨、抗堿性能好以及擁有較好的熱震穩定性。選用的耐火材料有粘土磚、高鋁磚、硅線石磚、剛玉磚，國外也有用SiC磚和澆注料的。現在一些大高爐爐身上部有采用冷卻壁來代替耐火磚的趨勢。
日本新日鐵在高爐上的實驗表明：SiC磚用于爐身下部，其蝕損速度慢。爐身中、下部鋁碳磚的熱導率、抗堿性、透氣性及抗壓強度僅次于SiC磚，優于其他耐火材料，而抗氧化性、抗熱震性及抗鐵水熔蝕性比SiC磚好。爐身上部及爐喉部，破損調查證明：高鋁磚和粘土磚抗堿性很差，而且抗渣性、導熱性、熱震穩定性均很差，不適合高爐。
目前，寶鋼運行的4座高爐中，1號和2號高爐均為大修后的第二代。每座高爐的建設或大修改造設計都曾對使用壽命提出過不同的要求：1~3號高爐設計時分別提出了8、10、12年的一代爐齡壽命目標；到1號高爐大修時則提出12~15年；在4年高爐建設和2號高爐大修時又提高到18~20年。一代爐齡的單位爐容產量目標從目前的1.3×104t/m3提高到1.6×104t/m3以上，達到先進水平。為實現高爐一代爐齡壽命目標，寶鋼采用了內襯耐火材料的不同設計配置，且適應于高爐的冷卻方式。
目前，各國選用溝襯耐火材料、溝的結構方式、施工方法都各有不同，但現在普遍的高鋁出鐵溝的工作層主要采用氧化鋁、碳化硅、碳素組成的材料。根據高爐的規格和出鐵口數量其主溝料又各有不同。
在大中型高爐主溝上，主要為水泥結合澆注料，以純鋁酸鈣水泥作為結合劑。根據高爐規格和使用部位的不同所選擇的材質也不同，由于高爐容積越大，壓力大，鐵水的出鐵沖擊力也大，對溝襯的沖刷和磨損也增加，骨料的材質檔次也要求越高，一般選擇為致密剛玉、亞白剛玉、棕剛玉中的一種或復合使用。在此基礎上，適當配入碳化硅、碳質材料、高鋁水泥、超微粉、外加劑等制成低水泥澆注料。重視用后耐火材料再利用研究工作，利用廢棄物的鐵溝料再生ASC質材料，這不僅節約的礦物資源和能源，也減少了環境污染，大大降低了耐火材料的成本，這也是未來幾年鐵溝澆注料和爐前應用的發展方向和趨勢。
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