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。延長高爐壽命是我國冶金工業(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。
國外、國內(nèi)各牌號炭磚目前國內(nèi)高爐陶瓷杯用磚有復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、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。近年國內(nèi)相繼開發(fā)出多種陶瓷杯用磚，則都是高溫?zé)傻�。國產(chǎn)微孔剛玉磚的各項(xiàng)性能均已達(dá)到或優(yōu)于法國陶瓷杯磚，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)桑a(chǎn)模壓小炭磚，其產(chǎn)品性能已優(yōu)于美國熱壓小炭磚。
4）半石墨炭磚。國產(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對爐底、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。針對上述情況，在60年代到80年代，經(jīng)過多種試驗(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，我國寶鋼在爐身上部均采用大塊硅線石磚。英國用含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)對于1 000～2 500 m3級的高爐，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。
對于2 500～4000 m3級的高爐，爐缸用國產(chǎn)超微孔炭磚，爐底用普通微孔炭磚，陶瓷杯用國產(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)為國產(chǎn)超微孔炭磚剛研制出來不可靠，則可購買部分國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，從而減輕了鐵水對爐缸內(nèi)襯材在于碳磚中，不能解決堿侵蝕對爐缸的侵蝕。
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)，已在全國大部分高爐上采用。存在的主要問題是國產(chǎn)噴補(bǔ)機(jī)未能達(dá)到理想水平。因此，國內(nèi)高爐噴補(bǔ)仍由國外公司占據(jù)國內(nèi)市場。
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A12O3--C-SiC磚。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界各國都在積極發(fā)展高爐生產(chǎn)技術(shù)，延長高爐壽命。今后高爐長壽課題包括：(1)耐火材料的長壽化；(2)冷卻設(shè)備高性能和通過冷卻范圍擴(kuò)大來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)品在延長高爐壽命方面發(fā)揮出更大的作用。
我國不同鋼鐵企業(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的耐火材料，幾百立方米的小高爐完全沒有必要從國外購買高檔炭磚和陶瓷杯磚。近年來國產(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，合理地選用國產(chǎn)耐火材料滿足長壽高爐的要求是可行的，這不僅降低高爐建設(shè)投資，也對促進(jìn)和發(fā)展國產(chǎn)耐火材料工業(yè)具有深遠(yuǎn)意義。
國內(nèi)高爐爐襯用耐火材料近年來得到了迅速發(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，正在逐步滿足長壽高爐建設(shè)的需要，取代進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)耐火材料產(chǎn)品。國內(nèi)高爐耐火材料使用性能的檢測方法正得到廣泛應(yīng)用，凡是經(jīng)過這些性能檢驗(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，國產(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。