肖亮

摘 要：近年來隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，高爐的利用系數(shù)不斷提高，也就對(duì)高爐的耐火材料和冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。銅冷卻壁的應(yīng)用，保證了爐腹以上部位的安全性，限制高爐長(zhǎng)壽的環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移至爐缸爐底的壽命。近幾年高爐爐缸燒穿事故時(shí)有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，不合理的爐缸爐底結(jié)構(gòu)是造成短命和燒穿事故的原因之一。因此，高爐爐缸選用合理的耐火材料尤為重要。

關(guān)鍵詞：高爐爐缸 耐火材料 應(yīng)用 重要技術(shù)指標(biāo)

一、高爐爐缸耐火材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，高爐爐缸部位采用的耐火材料主要可分為如下三種：以碳素為基質(zhì)的碳磚，以氧化鋁為基質(zhì)的剛玉質(zhì)磚，以及碳素和氧化鋁適當(dāng)比例復(fù)合的碳復(fù)合材料。

1.1碳磚

碳磚的種類很多，按石墨化程度、焙燒制度、添加劑種類等可分為高密度碳磚、微孔碳磚、超微孔碳磚、半石墨質(zhì)塊、石墨質(zhì)塊、高溫模壓碳?jí)K、自焙碳磚等等。碳磚的優(yōu)勢(shì)在于其高導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)一般都在 10 W·m-1·K-1以上。碳磚爐缸結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了“傳熱學(xué)”在高爐冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用碳磚的高熱導(dǎo)率將熱量傳遞給冷卻系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)降低碳磚熱面溫度，并在碳磚和鐵水間形成保護(hù)層，達(dá)到保護(hù)爐缸內(nèi)壁的目的。

實(shí)際生產(chǎn)中，高爐開爐初期無法迅速形成保護(hù)層，碳磚直接接觸高溫鐵水，侵蝕劇烈。高爐運(yùn)行中，也經(jīng)常因?yàn)椴僮鳌⒃系淖兓?，保護(hù)層不能穩(wěn)定的存在，一旦保護(hù)層消失，便加速碳磚侵蝕。

1.2剛玉質(zhì)磚

剛玉質(zhì)磚以氧化鋁為基質(zhì)，添加少量添加劑，利用氧化鋁優(yōu)良的抗鐵水溶蝕性，提高了磚襯抵御高溫鐵水的能力。目前，剛玉質(zhì)磚的應(yīng)用主要是以陶瓷杯的形式與碳磚搭配使用。陶瓷杯結(jié)構(gòu)是指在高爐爐缸碳磚內(nèi)側(cè)砌筑陶瓷材料，利用陶瓷材料優(yōu)良的抗鐵水溶蝕能力將碳磚和鐵水隔開，減緩鐵水對(duì)爐缸側(cè)壁的侵蝕，將 800℃堿金屬侵蝕線留在了陶瓷杯內(nèi)，降低了碳磚的脆化程度。

實(shí)際生產(chǎn)中，陶瓷杯結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了不足之處：（1）陶瓷杯僅在開爐之后起保護(hù)作用，待剛玉質(zhì)磚被侵蝕殆盡之后，剩余的碳磚直接面對(duì)鐵水，陶瓷本質(zhì)上是延緩了侵蝕進(jìn)度。（2）由于陶瓷杯的導(dǎo)熱系數(shù)較低、熱阻大，使得爐缸部位的冷卻系統(tǒng)難以發(fā)揮作用。

1.3碳復(fù)合材料

碳復(fù)合材料是一種新型爐缸耐火材料，以河南五耐集團(tuán)研發(fā)的碳復(fù)合磚為例。碳復(fù)合磚合理地將碳組分引入到氧化鋁中，進(jìn)行陶瓷材料與碳素材料的復(fù)合。碳復(fù)合磚結(jié)合了碳磚和陶瓷杯的優(yōu)點(diǎn)，利用碳組分在其內(nèi)部形成了類似“導(dǎo)線”的結(jié)構(gòu)提高了導(dǎo)熱率，同時(shí)具備了陶瓷材料優(yōu)良的抗侵蝕性能。實(shí)際生產(chǎn)中，碳復(fù)合磚利用其高導(dǎo)熱率在鐵水與磚面接觸面形成保護(hù)層，又利用其高抗侵蝕性保證了保護(hù)層不能穩(wěn)定存在時(shí)爐缸部位的安全。

碳磚結(jié)構(gòu)利用其高導(dǎo)熱性能充分發(fā)揮了冷卻系統(tǒng)的作用，但難抵御高溫鐵水的溶蝕；陶瓷杯結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮其較高的抗侵蝕性，將碳磚與鐵水隔離開來，卻難以發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的作用；碳復(fù)合磚兼顧了碳磚和陶瓷杯的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“自保護(hù)”和“他保護(hù)”結(jié)合，是新一代爐缸爐底耐火材料的發(fā)展方向。

二、高爐爐缸耐火材料的重要技術(shù)指標(biāo)

碳磚、陶瓷杯用剛玉質(zhì)磚和碳復(fù)合磚這三種耐火材料的具體性能指標(biāo)一直是耐材研發(fā)者和耐材選用者關(guān)注的焦點(diǎn)。耐火材料的技術(shù)指標(biāo)眾多，從爐缸部位耐材的研發(fā)歷程和選用原則來看，關(guān)注的主要是導(dǎo)熱系數(shù)、鐵水溶蝕指數(shù)，抗?fàn)t渣侵蝕性和微氣孔化指標(biāo)這四種重要技術(shù)指標(biāo)。因此，正確理解這四項(xiàng)指標(biāo)的作用機(jī)理，無論是對(duì)耐材企業(yè)還是鋼鐵企業(yè)都尤為重要。

2.1導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是爐缸用耐火材料的最重要性能之一，即使耐火材料具備較高的抗侵蝕性，也只能減緩侵蝕速率，如目前應(yīng)用較廣的陶瓷杯結(jié)構(gòu)，也會(huì)在爐役后期完全被侵蝕。因此，在耐火材料表面形成保護(hù)層是延長(zhǎng)爐缸壽命的正確理念。

碳磚和剛玉質(zhì)磚的導(dǎo)熱分別是由石墨晶格振動(dòng)和Al2O3晶格振動(dòng)決定的，而碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱是由石墨晶格振動(dòng)與Al2O3晶格振動(dòng)共同決定的。從國(guó)內(nèi)外典型高爐耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的比較，可以看出：（1）碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)與剛玉質(zhì)磚的導(dǎo)熱系數(shù)相差比較大。這是因?yàn)镃晶格振動(dòng)的導(dǎo)熱能力強(qiáng)于Al2O3晶格的導(dǎo)熱能力。（2）碳磚和剛玉質(zhì)磚的導(dǎo)熱系數(shù)大致隨溫度增加而增加。因?yàn)閷?duì)于單一材料或振動(dòng)頻率相同的復(fù)合材料，隨著溫度的升高，聲子運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，所以熱導(dǎo)系數(shù)增大。（3）碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而減小，這是由于C與Al2O3聲子振動(dòng)頻率不同，聲子間的相互作用或碰撞加強(qiáng)，對(duì)平衡位置的偏移加強(qiáng)，引起的散射加劇，從而使導(dǎo)熱載體聲子的平均自由程減小，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降。

2.2鐵水溶蝕指數(shù)

高爐破損調(diào)研結(jié)果表明，爐缸部位的侵蝕主要是鐵水溶蝕、鐵水滲透侵蝕及鐵水環(huán)流的機(jī)械磨損。耐火材料的鐵水溶蝕指數(shù)代表其抵抗高溫鐵水的機(jī)械沖刷和化學(xué)熔蝕能力，直接關(guān)系到耐火材料的侵蝕狀況。

2.3抗?fàn)t渣侵蝕性

渣相開始形成時(shí)FeO含量較高，對(duì)耐火材料有很強(qiáng)的侵蝕性。爐缸部位的耐火材料同樣也會(huì)受到爐渣的侵蝕，如果用于爐缸部位的耐火材料抗渣侵蝕性差，磚襯就將很快被侵蝕。武鋼高爐爐身下部曾用高鋁磚或粘土磚砌筑，雖然厚度很大，但一般生產(chǎn)2～3年就被侵蝕殆盡，主要是這些耐火材料的抗?fàn)t渣侵蝕性很差。

碳復(fù)合磚和碳磚的抗?fàn)t渣侵蝕性較好，遠(yuǎn)低于剛玉質(zhì)磚的抗?fàn)t渣侵蝕性。Al2O3質(zhì)類的耐火材料抗渣性能之所以較差，是因?yàn)樵诟邷厝廴跔顟B(tài)下爐渣中的CaO和SiO2與Al2O3，發(fā)生反應(yīng)，生成的有關(guān)礦物不斷熔入爐渣中，從而使磚襯不斷被侵蝕，在磚襯和爐渣界面附近形成的反應(yīng)層和尖晶石富集層及其所含的礦物對(duì)磚襯的侵蝕均有重要影響。而C元素基本不與渣相中的各類氧化物反應(yīng)，所以表現(xiàn)出來的抗侵蝕性能較好。

2.4微氣孔化指標(biāo)

耐火材料的微孔化指標(biāo)包括透氣度、平均孔徑和<1μm孔容積。爐缸部位耐火材料的微孔化指標(biāo)與侵蝕程度有關(guān)，包括鐵水的滲入，鋅、堿金屬的化學(xué)侵蝕，CO2和水蒸氣的氧化侵蝕等。微氣孔化指標(biāo)的提高可以抵御或減緩部分侵蝕的發(fā)生。除此之外，微孔化指標(biāo)的提高也有利于提高磚襯的機(jī)械性能，抵御鐵水沖刷帶來的破壞，同時(shí)減少熱應(yīng)力導(dǎo)致“環(huán)裂”現(xiàn)象的發(fā)生。

從以上分析來看，高爐爐缸的侵蝕機(jī)理受多種復(fù)雜因素共同影響，對(duì)爐缸部位耐火材料的質(zhì)量提出了更高的要求。耐火材料的各種性能指標(biāo)是互相影響的，因此不應(yīng)強(qiáng)調(diào)單一性能的提高，應(yīng)注重各項(xiàng)性能協(xié)調(diào)綜合提高。通過幾種耐火材料的對(duì)比，說明碳復(fù)合磚的綜合性能優(yōu)于碳磚和剛玉質(zhì)磚，更適用高爐爐缸部位。

三、結(jié)論

一是綜合分析導(dǎo)熱系數(shù)、鐵水溶蝕指數(shù)、抗?fàn)t渣侵蝕性和微氣孔化指標(biāo)這四項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，碳復(fù)合磚的性能指標(biāo)優(yōu)于碳磚和陶瓷杯，更適合高爐爐缸部位。

二是碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱系數(shù)接近于美國(guó)NMA碳磚的水平，因?yàn)锳l2O3基質(zhì)中引入了C元素，增強(qiáng)了整體的導(dǎo)熱能力；碳復(fù)合磚和剛玉的鐵水溶蝕指數(shù)低于碳磚。因?yàn)锳l2O3可以降低耐火材料的鐵水溶蝕指數(shù)；碳復(fù)合磚和碳磚的抗?fàn)t渣侵蝕性優(yōu)于剛玉質(zhì)磚的抗?fàn)t渣侵蝕性，因?yàn)镃元素基本不與渣相中的各類氧化物反應(yīng)；碳復(fù)合磚的微氣孔化指標(biāo)優(yōu)于碳磚和剛玉質(zhì)磚，因?yàn)橐隨i元素，利用其在焙燒過程中所形成的晶須填補(bǔ)空隙。因此，碳復(fù)合材料是新一代爐缸爐底耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)。

三是耐火材料的各種性能指標(biāo)相互影響，應(yīng)用在高爐爐缸部位的耐材不能單純追求某一指標(biāo)的高低，應(yīng)注重各項(xiàng)指標(biāo)協(xié)調(diào)綜合提高。