耐火材料在高炉上的应用趋势

2017-08-15  来自: 九霄菱镁有限公司 浏览次数:1333

    高炉设计中要根据容积大小和不同部位的使用性能要求,合理地选用耐火材料。在研究高炉长寿技术中,高炉内衬用耐火材料是高炉寿命的决定因素。本文以高炉的耐火材料的使用为出发点,介绍高炉用耐火材料应用与发展。 

       耐火材料的使用性能是影响高炉寿命很重要的一个因素。以前,国内高炉炉衬一般采用高铝砖、粘土砖和普通炭砖砌筑,寿命很短。当时对高炉耐火材料使用性能的研究很少,因为产品标准中只有几项常规指标,如炭砖的灰分、抗压强度、气孔率、体积密度,高铝砖的抗压强度、气孔率、体积密度、耐火度、荷重软化点、AlO3含量、Fe2O3含量等。这些常规指标不能反映生产过程中高炉炉衬的实际工作状态,因而这些指标的高低与高炉寿命的关系并不密切。随着钢铁生产的高速发展,我国高炉炉衬用耐火材料取得了很大的进步,在生产技术、产品品种、质量水平方面,正逐步追赶世界先进水平,取代某些进口产品。延长高炉寿命是我国冶金工业的重要技术政策,炼铁和耐火材料工作者为此做出了很大的努力,并取得了显著的成效。

       高炉用的耐火材料主要包括炭砖和硅铝质耐火材料等。高炉炭砖有半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、石墨砖和模压小炭砖等。

        国外、国内各牌号炭砖目前国内高炉陶瓷杯用砖有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相结合棕刚玉砖、微孔刚玉砖,复合棕刚玉砖的抗碱性较差,一般大型高炉已不采用。陶瓷杯炉缸结构是法国首先开发的,是一种不经高温烧成的浇注块,其主要优点抗碱性优良,抗炉渣侵蚀性较好,抗铁水熔蚀性很好,是微气孔砖,适用于炉缸砖衬。近年国内相继开发出多种陶瓷杯用砖,则都是高温烧成的。国产微孔刚玉砖的各项性能均已达到或优于法国陶瓷杯砖,其中抗炉渣侵蚀性和耐压强度更好。塑性相刚玉砖除微气孔指标较差外,其他性能都较好,是目前应用最多的~种。刚玉莫来石砖由于抗碱性和抗炉渣侵蚀性很差,不适合用于炉缸部位,但用于陶瓷杯底仍是适用的。

        除炭砖品种外,还要重视碳素捣打料和泥浆的选择。如果采用导热系数很低的碳素捣打料[1—3W/(m·K)],即使炭砖导热系数很高,但由于碳捣料相当于绝热层,因而散热仍然不畅,炉缸炉底温度必然很高,影响强化冷却的效果。

        对于炭砖,主要研究其抗氧化性、铁水渗透性、铁水溶蚀性、导热率、气孔分布特性、抗碱性;对硅铝质耐火材料,主要研究其抗渣性、抗碱性、气孔分布特性等指标。炭砖有以下几种类型:

1)微孔炭砖。普通微孔炭砖武钢和宝钢的高炉都使用了该产品,使用效果好,高炉寿命都达到了10 年以上。该产品的特点是导热系数较高,微气孔指标先进,抗碱性优良。国产的普通微孔炭砖,其主要性能指标和日本BC一7S炭砖、法国AM一102炭砖已很接近,很多高炉的使用效果较好,例如武钢的高炉使用国内的普通微孔炭砖。

2)超微孔炭砖。人们称之为超微孔炭砖。其主要特点是导热系数较高,孔容积率>85%,其他性能也保持优良。

3)模压小炭砖。武钢技术中心和国内某耐火材料厂合作进行了模压小炭砖的研制,以电煅无烟煤为原料,以酚醛树脂为结合剂,用磨擦压砖机成型,经高温烧成,生产模压小炭砖,其产品性能已优于美国热压小炭砖。

4)半石墨炭砖。国产半石墨炭砖和日本BC-5型半石墨炭砖相比,其导热系数、抗碱性、铁水熔蚀等性能相当。德国半石墨炭砖的600℃导热系数达到18.04 W/(m·K),优于一般的国产半石墨炭砖,其他性能亦相当。

       在高炉的内部,不同的部位所使用的耐火材料也是不同的,高炉不同部位砖衬由于侵蚀、破损的原因不同则对耐火材料的性能要求也各异,应根据主要侵蚀因提出性能要求,而不应对每种耐火材料都提出同的性能要求。因此,高炉设计非常重视炉底、炉缸设计的合理性,基本措施包括三个方面:一是增加死铁层深度,以延缓炉缸铁水流动对炉底、炉缸的侵蚀;二是改善炉缸耐材质量,提高炉缸的导热能力、抗压强度、抗铁水侵蚀;三是加强炉底、炉缸冷却强度与冷却效果。

    炉腹、炉身和炉腰用砖

        高炉的这些部位通常被认为是高温区,是耐火材料内衬的关键部位,即在正常情况下,高炉一代寿命就取决于这些部位的耐火材料和冷却设备性能。这部分冷却强度最大,温度波动大,机械冲刷和碱侵蚀严重。因此,要求耐火材料具有高的导热系数。高耐磨性和抗碱侵蚀性。针对上述情况,在60年代到80年代,经过多种试验,淘汰了传统的高铝砖,选用SiC砖。

        炉腹、炉腰和炉身中下部,炉衬的工作条件相近,主要侵蚀原因是炉渣侵蚀、碱金属侵蚀、炉料和渣铁的冲刷、磨损等。高炉炉身上部,主要是机械冲刷与磨损。

        这些部位的炉衬发展趋势是,主要靠强化冷却形成渣壤保持正常生产,砖衬仅留有很薄的镶砖,耐火材料的用量很小。比较典型的设计如武钢l锅炉的铜冷却壁薄炉衬结构。这一区域选用耐火砖的原则是,抗炉渣侵蚀性能好,抗碱性较好,导热系数较高,强度要高。在成渣带以下可选用Si,N。结合SiC砖、赛隆结合刚玉砖或赛隆结合SiC砖。炉身中部无渣区可选用烧成微孔铝炭砖。炉喉处直接使用钢砖,炉喉下直到炉身上部均采用粘土剂。此外,日本目前还用硅线石砖,我国宝钢在炉身上部均采用大块硅线石砖。英国用含Al2O3为60%的SiC砖。这几种砖的强度很高,抗碱侵蚀性和抗炉渣侵蚀性很好,导热系数也高。适用于砌筑炉身到炉腹区域。

炉缸用耐火材料

        现对于1 000~2 500 m3级的高炉,炉缸可选用普通微孔炭砖,炉底用半石墨炭砖,陶瓷杯用微孔刚玉砖或塑性相结合棕刚玉砖,高炉寿命达到10~15年是完全可能的。

        对于2 500~4000 m3级的高炉,炉缸用国产超微孔炭砖,炉底用普通微孔炭砖,陶瓷杯用国产微孔刚玉砖,高炉寿命达到15~20年也是可能的。如果认为国产超微孔炭砖刚研制出来不可靠,则可购买部分国外高档炭砖用于炉缸砌筑。

         现代高炉炉缸主要结构类型有:以微孔碳砖为衬的炭质炉缸,以陶瓷材料为衬的陶瓷杯炉缸;热压碳砖+陶瓷材料的复合炉缸。对以上三种炉缸结构可分析其各自特点:高炉炉缸采用微孔碳砖,有效阻止了铁水向碳砖的渗透,从而减轻了铁水对炉缸内衬材在于碳砖中,不能解决碱侵蚀对炉缸的侵蚀。

高炉炉缸采用陶瓷内衬有更多的优点:

1)陶瓷材料对碳砖起到?;ぷ饔?,提高了炉缸抗铁水的渗透和机械冲刷磨损;

2)陶瓷材料的低导热性使炉缸内衬温度分布趋于合理,降低或避免碱侵蚀的破坏,同时还可降低热耗。

高炉本体用不定形耐火材料

       一座大型高炉用砖几千吨,砖的品种繁多,而且砖与冷却壁、冷却壁与炉壳、炉底有很多间隙。这些间隙均需填充耐火材料,材料的质量直接影响到砖的使用寿命,因此必须引起重视。根据其用途,高炉内用不定形耐火材料可分为:砌砖用泥浆、捣打料或填料、高炉修补料。

       随着高炉大型化扣炼铁技术的发展,高炉寿命也要不断提高。为了延长高炉寿命所采取的措施就是修补。一般高炉修补部位主要是炉身上部、下部的炉腰。修补方法有喷补法和压入法。

        现在高炉喷补已成为高炉维持生产的技术,已在全国大部分高炉上采用。存在的主要问题是国产喷补机未能达到理想水平。因此,国内高炉喷补仍由国外公司占据国内市场。

风口与出铁口用耐火材料

       该区热负荷大,有一定碱侵蚀,同时还有机械冲刷。结合Si和Sialon结合的SiC砖。但日本认为Si3N结合、SiMon结合SiC砖的制造受到限制。而17-SiC更适合做风口砖。我国宝钢2#高炉、本钢高炉风口使用SiC砖,宝钢3#高炉使用大型碳砖。

        高炉出铁口过去主要使用粘土砖,硅线石砖和大型碳砖。由于其抗碱性、耐剥落和抗渣性不好,在80年代,EI本又开始使用了A12O3--C-SiC砖。

        随着科学技术的发展,世界各国都在积极发展高炉生产技术,延长高炉寿命。今后高炉长寿课题包括:(1)耐火材料的长寿化;(2)冷却设备高性能和通过冷却范围扩大来降低炉壳的损坏等措施的实施。耐火材料的工作者,应该提高陶瓷耐火材料质量,研究开发高导热超微孔碳质材料,完善和提高开发喷补技术,应将改善其使用性能作为主要研究目标,使耐火材料新产品在延长高炉寿命方面发挥出更大的作用。

        我国不同钢铁企业的高炉容积相差很大,应按照炉容大小正确选用不同等级的耐火材料,几百立方米的小高炉完全没有必要从国外购买高档炭砖和陶瓷杯砖。近年来国产高炉炉衬用耐火材料已有很大进步,例如炭砖从普通炭砖、自焙炭砖发展到半石墨炭砖、微孔炭砖,进而到超微孔炭砖,每进一步质量都有大幅度提高。在高炉建设中,合理地选用国产耐火材料满足长寿高炉的要求是可行的,这不仅降低高炉建设投资,也对促进和发展国产耐火材料工业具有深远意义。

        国内高炉炉衬用耐火材料近年来得到了迅速发展,不仅数量上满足了钢铁工业的需要,而且产品质量上也有很大进步。具有国际先进水平的优质炭砖、陶瓷杯用砖、SiC砖都相继开发出来,正在逐步满足长寿高炉建设的需要,取代进口的优质耐火材料产品。国内高炉耐火材料使用性能的检测方法正得到广泛应用,凡是经过这些性能检验已合格的耐火材料,用于高炉后的使用效果一般都比较好。高炉建设中应根据炉容大小和预期寿命,并根据不同部位对其使用性能的要求合理地选用耐火材料,以降低建设投资。近年来,国产高炉炉衬用耐火材料的质量和品种已取得很大进步。


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