| 我國高爐耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀 |
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摘 要：介紹近年來我國高爐爐襯用耐火材料的進(jìn)展。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。在國內(nèi)高爐爐襯用耐火材料質(zhì)量和品種已取得很大進(jìn)步的情況下，盲目使用進(jìn)口耐火材料是完全不必要的。
關(guān)鍵詞：高爐；耐火材料；合理選用
隨著近年我國鋼鐵生產(chǎn)的高速發(fā)展，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，以滿足我國煉鐵生產(chǎn)發(fā)展的需要。
延長高爐壽命是近十幾年來我國冶金工業(yè)的重要技術(shù)政策，煉鐵工作者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。本文簡介近年我國高爐爐襯用耐火材料發(fā)展的基本情況，以及武鋼在這方面的研究工作。通過對高爐不同部位侵蝕機(jī)理的分析，以及國內(nèi)高爐耐火材料產(chǎn)品與國外同類名牌產(chǎn)品的性能對比，探討合理選用高爐耐火材料問題，避免或者減少盲目地、不恰當(dāng)?shù)厥褂眠M(jìn)口耐火材料。
1 高爐耐火材料性能評價(jià)方法的進(jìn)步
過去煉鐵工作者對高爐耐火材料性能的要求僅限于一些常規(guī)性能，如對炭磚僅要求灰份、耐壓強(qiáng)度、體積密度、氣孔率等指標(biāo)，對陶瓷耐火材料僅要求化學(xué)成分、耐火度、荷重軟化溫度、顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度、重?zé)€變化率等指標(biāo)。
我們在研究炭磚時(shí)發(fā)現(xiàn)，我國上世紀(jì)60年代生產(chǎn)的普通炭磚，如果只看其常規(guī)性能，如氣孔率、體積密度、強(qiáng)度、灰份等指標(biāo)，比國外的優(yōu)質(zhì)炭磚并不差。如果進(jìn)一步對導(dǎo)熱系數(shù)、抗堿性、微氣孔指標(biāo)進(jìn)行對比，就發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)炭磚的差距很大。這使我們認(rèn)識(shí)到這些特殊性能應(yīng)作為評價(jià) 高爐耐火材料優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。
對于高爐耐火材料使用性能的檢測方法，武鋼已進(jìn)行了近20年的長期研究。我們在研究高爐磚襯破損和侵蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，對高爐耐火材料提出了多項(xiàng)特殊使用性能要求，并研究出了相應(yīng)的試驗(yàn)方法，通過原冶金部制定了檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。主要的檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)有以下8種：①導(dǎo)熱系數(shù)；②抗堿性；③抗鐵水熔蝕性；④抗?fàn)t渣侵蝕性；⑤平均孔徑；⑥＜1μm孔容積率；⑦透氣度；⑧抗氧化性。武鋼應(yīng)用這些檢驗(yàn)方法選用高爐耐火材料已有十多年歷史，對武鋼高爐壽命的提高發(fā)揮了重要的作用。這些檢驗(yàn)方法目前已在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，很多新型優(yōu)質(zhì)高爐耐火材料不斷地開發(fā)出來，有的綜合性能已趕上國際先進(jìn)水平，有些指標(biāo)甚至超過了國際先進(jìn)水平。
2 高爐爐襯用耐火材料質(zhì)量水平分析
2.1高爐炭磚
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。我們曾對國內(nèi)外同類炭磚產(chǎn)品進(jìn)行了使用性能的對比試驗(yàn)，下面介紹我們對各種炭磚的對比試驗(yàn)結(jié)果。
2.1.1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，其它性能則相當(dāng)。但是，蘭州新研制的半石墨炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)、微氣孔指標(biāo)則已經(jīng)優(yōu)于德國同類產(chǎn)品。
2.1.2 微孔炭磚
普通微孔炭磚中，日本的BC-7S和法國的AM-102炭磚可作為代表性的國際名牌產(chǎn)品，武鋼5號(hào)高爐、寶鋼1號(hào)和2號(hào)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，600℃達(dá)到12-14 W/m.k；微氣孔指標(biāo)先進(jìn)，平均孔徑0.10-0.13um，＜1μm孔容積率達(dá)到78.45%；抗堿性優(yōu)良。
國產(chǎn)的普通微孔炭磚，包括蘭州炭素廠、武彭公司、魯山炭素廠、科瑞公司等廠家的產(chǎn)品，其主要性能指標(biāo)和日本BC-7S炭磚、法國AM-102炭磚已很接近，國內(nèi)很多高爐的使用效果較好。例如武鋼4號(hào)高爐就是使用國內(nèi)某廠的普通微孔炭磚，壽命已達(dá)到了10年。
2.1.3超微孔碳磚
要使高爐壽命進(jìn)一步提高到15-20年，對炭磚應(yīng)有更高的要求，主要是導(dǎo)熱系數(shù)和微氣孔指標(biāo)應(yīng)該更高。滿足以上要求的國外炭磚以日本的BC-8SR和德國的7RDN為代表，我們稱之為超微孔炭磚。其主要特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高，600℃達(dá)到18-20 W/m.k，平均孔徑達(dá)到0.1μm，＜1μm孔容積率>85%，其他性能也保持優(yōu)良。蘭州炭素廠和武鋼技術(shù)中心合作，經(jīng)過6年的研究，現(xiàn)已研制成功這種超微孔炭磚，其性能達(dá)到了日本BC-8SR和德國7RDN炭磚的實(shí)物質(zhì)量水平?，F(xiàn)已首次用于武鋼在建的7號(hào)高爐（3200 m3）。
2.1.4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 。近年國內(nèi)已有多家炭素廠生產(chǎn)模壓小炭磚，但一般只達(dá)到普通微孔炭磚的水平。如600℃的導(dǎo)熱系數(shù)僅12W/m.k左右，低于美國的熱模壓小炭磚。武鋼技術(shù)中心和鞏義市第五耐火材料廠合作進(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)?，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。
美國的熱模壓小炭磚的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高，優(yōu)于國產(chǎn)的普通微孔炭磚和普通模壓小炭磚。
另一優(yōu)點(diǎn)是抗堿性優(yōu)良，而這一性能國內(nèi)產(chǎn)品也已能夠達(dá)到。其缺點(diǎn)是不屬于微氣孔炭磚、平均孔徑＞1μm、＜1μm孔容積率僅53.4%。鞏義五耐開發(fā)的模壓小炭磚主要性能已明顯優(yōu)于美國NMA熱模壓小炭磚：600℃的導(dǎo)熱系數(shù)＞20W/m.k；平均孔徑0.237μm，＜1μm孔容積率76.12%，是較好的微孔炭磚；鐵水熔蝕指數(shù)僅14.22%。該研制產(chǎn)品已經(jīng)首次用于武鋼新建的7號(hào)高爐爐缸部位。
美國的NMD是一種石墨炭磚，導(dǎo)熱系數(shù)很高，有的高爐將它用作爐身冷卻板之間的磚襯使用。
順便指出，石墨磚一般用于爐底最下層，是利用其高導(dǎo)熱性強(qiáng)化爐底冷卻，在高爐爐役后期減緩鐵水的侵蝕。但是如果炭搗料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，石墨磚也無法發(fā)揮高導(dǎo)熱系數(shù)的作用。這種情況下還不如使用微孔炭磚，因?yàn)槭u的孔隙大、強(qiáng)度低，抗鐵水熔蝕性能也差。
綜上所述，我國的炭磚生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品性能、質(zhì)量水平，經(jīng)過近十年來的努力，有了明顯的進(jìn)步，已逐漸趕上世界先進(jìn)水平，可以滿足長壽高爐的需要。
2.2 陶瓷杯用磚
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、法國陶瓷杯磚（澆注塊）等5種。
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，我國有不少高爐采用，使用效果較好。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)傻摹?
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。復(fù)合棕剛玉磚的抗堿性較差。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)用最多的一種。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。
2.3爐腹、爐身和爐腰用磚
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。這些部位的爐襯發(fā)展趨勢是，主要靠強(qiáng)化冷卻形成渣壁保持正常生產(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1號(hào)高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Si3N4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。爐身上部可用磷酸浸漬粘土磚。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。上述幾種耐火材料國內(nèi)都已能生產(chǎn)，一般不需要用進(jìn)口產(chǎn)品。
3 高爐耐火材料的合理選用
3.1根據(jù)高爐容積合理選用耐火材料
我國不同鋼鐵企業(yè)的高爐容積相差很大，從幾百m3到4000多m3，按照爐容大小選用不同等級的耐火材料是經(jīng)濟(jì)的和必要的。目前有的僅幾百m3的小高爐也從國外購買高檔炭磚和陶瓷杯磚，是完全不必要的。應(yīng)當(dāng)看到，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。這不僅有利于降低高爐建設(shè)投資，對促進(jìn)和發(fā)展國產(chǎn)耐火材料工業(yè)也是有深遠(yuǎn)意義的。
對于2500—1000m3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剛玉磚，高爐壽命達(dá)到10—15年是完全可能的。
對2500—4000m3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，則可以購買部分國外高檔炭磚用于爐缸砌筑。
除炭磚品種外，還要重視炭素?fù)v打料和泥漿的選擇。如果采用導(dǎo)熱系數(shù)很低的炭素?fù)v料（1—3 W/m.k），即使炭磚導(dǎo)熱系數(shù)很高，由于炭搗料相當(dāng)于絕熱層，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。某廠1500 m3高爐就發(fā)生過這種情況。目前國內(nèi)開發(fā)的炭搗料，在100℃烘烤后常溫導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到12—20 W/m.k，炭素泥漿100℃烘烤后，粘結(jié)抗折強(qiáng)度可達(dá)到＞10MPa，已完全可以和高檔炭磚配套使用。
3.2防止進(jìn)口低檔耐火材料產(chǎn)品
目前進(jìn)口炭磚性能指標(biāo)仍然只有少數(shù)幾項(xiàng)常規(guī)性能，如從某廠購買的進(jìn)口D級大炭磚，僅有強(qiáng)度、氣孔率、體積密度、重?zé)湛s、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)，這種炭磚檢驗(yàn)結(jié)果表明，20℃的導(dǎo)熱系數(shù)僅5 W/m.k。導(dǎo)熱系數(shù)是炭磚的主要性能指標(biāo)，這樣指標(biāo)的炭磚遠(yuǎn)比不上國產(chǎn)半石墨炭磚，用于砌筑大型高爐顯然是欠妥的。
進(jìn)口的陶瓷杯磚也只有常規(guī)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、耐火度、荷重軟化點(diǎn)、化學(xué)成分等。某廠進(jìn)口的陶瓷杯磚抗?fàn)t渣侵蝕率100%，35分鐘全部被侵蝕光，與法國陶瓷杯優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品相差甚遠(yuǎn)，其使用結(jié)果令人擔(dān)憂。我們認(rèn)為，對進(jìn)口高爐爐襯用耐火材料應(yīng)當(dāng)提出用我國的檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)的要求，這樣可以防止劣質(zhì)耐火材料產(chǎn)品進(jìn)口。
4 結(jié)語
我國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，產(chǎn)品質(zhì)量上也有了很大的進(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。我國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)合格的耐火材料，用于高爐后的使用效果一般都比較好。為防止進(jìn)口高爐耐火材料產(chǎn)品以次充好，廠家應(yīng)當(dāng)用我國高爐耐火材料檢測方法進(jìn)行質(zhì)量檢測。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)不同部位對使用性能的要求合理地選用耐火材料，以降低將設(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，不加分析地盲目使用進(jìn)口耐火材料是完全不必要的。
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