河南恒昱窯爐耐火材料有限公司
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耐火材料的使用性能是影響高爐壽命很重要的一個因素。20世紀80年代以前,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。當時對高爐耐火材料使用性能的研究很少,因為產(chǎn)品標準中只有幾項常規(guī)指標,如炭磚的灰分、抗壓強度、氣孔率、體積密度,高鋁磚的抗壓強度、氣孔率、體積密度、耐火度、荷重軟化點、AlO3含量、Fe2O3含量等。這些常規(guī)指標不能反映生產(chǎn)過程中高爐爐襯的實際工作狀態(tài),因而這些指標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水平,取代某些進口產(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、法國陶瓷杯磚(澆注塊)等5種,復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)高溫燒成的澆注塊,其主要優(yōu)點抗堿性優(yōu)良,抗爐渣侵蝕性較好,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,則都是高溫燒成的。國產(chǎn)微孔剛玉磚的各項性能均已達到或優(yōu)于法國陶瓷杯磚,其中抗爐渣侵蝕性和耐壓強度更好。塑性相剛玉磚除微氣孔指標較差外,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爐渣侵蝕性很差,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,還要重視碳素搗打料和泥漿的選擇。如果采用導熱系數(shù)很低的碳素搗打料[1—3W/(m·K)],即使炭磚導熱系數(shù)很高,但由于碳搗料相當于絕熱層,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。炭磚有以下幾種類型:
1)微孔炭磚。普通微孔炭磚中,日本的BC一7S和法國的AM一102炭磚可作為代表性的國際名牌產(chǎn)品。武鋼和寶鋼的高爐都使用了該產(chǎn)品,使用效果好,高爐壽命都達到了10 年以上。該產(chǎn)品的特點是導熱系數(shù)較高,微氣孔指標先進,抗堿性優(yōu)良。國產(chǎn)的普通微孔炭磚,其主要性能指標和日本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。以日本的BC一8SR和德國的7RDN為代表,人們稱之為超微孔炭磚。其主要特點是導熱系數(shù)較高,孔容積率>85%,其他性能也保持優(yōu)良。
3)模壓小炭磚。以美國NMA、 NMD熱模壓小炭磚為代表的國際名牌產(chǎn)品在我國應(yīng)用也比較多,使用效果較好。武鋼技術(shù)中心和國內(nèi)某耐火材料廠合作進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,用磨擦壓磚機成型,經(jīng)高溫燒成,生產(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,其導熱系數(shù)、抗堿性、鐵水熔蝕等性能相當。德國半石墨炭磚的600℃導熱系數(shù)達到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。 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)計非常重視爐底、爐缸設(shè)計的合理性,基本措施包括三個方面: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,提高爐缸的導熱能力、抗壓強度、抗鐵水侵蝕;三是加強爐底、爐缸冷卻強度與冷卻效果。
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。這部分冷卻強度最大,溫度波動大,機械沖刷和堿侵蝕嚴重。因此,要求耐火材料具有高的導熱系數(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,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,主要是機械沖刷與磨損。
這些部位的爐襯發(fā)展趨勢是,主要靠強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,抗爐渣侵蝕性能好,抗堿性較好,導熱系數(shù)較高,強度要高。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。這幾種磚的強度很高,抗堿侵蝕性和抗爐渣侵蝕性很好,導熱系數(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,高爐壽命達到15~20年也是可能的。如果認為國產(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+陶瓷材料的復合爐缸。對以上三種爐缸結(jié)構(gòu)可分析其各自特點: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:
1)陶瓷材料對碳磚起到保護作用,提高了爐缸抗鐵水的滲透和機械沖刷磨損;
2)陶瓷材料的低導熱性使爐缸內(nèi)襯溫度分布趨于合理,降低或避免堿侵蝕的破壞,同時還可降低熱耗。