高爐關(guān)鍵部位耐火材料，據(jù)前文所述，高爐關(guān)鍵部位主要包括爐缸爐底、風(fēng)口區(qū)域及出鐵口等部位。爐缸爐底部位目前廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)配置主要有全炭磚散熱型結(jié)構(gòu)與炭磚+陶瓷杯隔熱型結(jié)構(gòu)；也有提出的一種改進(jìn)型爐缸爐底結(jié)構(gòu)：選擇具有相對(duì)較高導(dǎo)熱系數(shù)的耐火材料作為工作襯，盡可能使接近工作襯的鐵水溫度降至1150℃鐵水凝固線(xiàn)，生成凝固層，從而避免炭磚受鐵水滲透、沖刷等破壞。

 

此外，國(guó)內(nèi)某企業(yè)提出高爐內(nèi)襯一體全澆注耐火材料結(jié)構(gòu)施工方法：爐底區(qū)域采用爐底澆注料進(jìn)行澆注施工替代傳統(tǒng)的陶瓷杯墊，爐缸部位采用爐缸澆注料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陶瓷杯磚，消除了傳統(tǒng)陶瓷杯與炭磚之間的填充層，減少了熱阻層，保證了澆注爐缸整體的傳熱效率。高爐風(fēng)口部位以前多采用剛玉磚、剛玉莫來(lái)石磚、硅線(xiàn)石磚等，現(xiàn)在新建大型高爐多采用碳化硅磚，也有開(kāi)發(fā)碳化硅預(yù)制件的報(bào)道。高爐出鐵口曾經(jīng)采用過(guò)硅線(xiàn)石磚、Al?O?-SiC-C磚，現(xiàn)在多采用大塊超微孔炭磚BC-8SR和熱壓小塊碳磚NMD。

 

歸納起來(lái)，高爐關(guān)鍵部位用耐火材料有各種炭磚、半石墨-SiC磚、Si AlON結(jié)合Si C磚或Si?N?結(jié)合SiC磚、SiAlON結(jié)合剛玉磚、剛玉莫來(lái)石磚等定形產(chǎn)品，以及少量不定形耐火材料，如澆注料（預(yù)制件）、噴涂料、灌漿料、石墨質(zhì)壓入料等。

 

 

1）碳磚

 

高爐用炭磚種類(lèi)主要有高密度炭磚、微孔炭磚、半石墨炭磚、石墨質(zhì)炭磚、自焙炭磚、高溫模壓炭磚等。炭磚理化性能的優(yōu)劣，是爐缸、爐底壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵。由于高爐朝大型化發(fā)展，半石墨炭磚的用量在減少，微孔炭磚（如日本BC-7S、法國(guó)AM-102）、超微孔炭磚（如德國(guó)7RDN、日本BC-8SR）的用量在增多，高熱導(dǎo)率的模壓小炭磚（如美國(guó)NMA炭磚）也有不錯(cuò)應(yīng)用。國(guó)外炭磚性能的優(yōu)越性在于氣孔向微氣孔及閉口氣孔方向發(fā)展。

 

比較有代表性的是，20世紀(jì)60年代，日本的研究人員以人造石墨、煅燒無(wú)煙煤和焦油制備出代炭磚（BC-5），焦油具有良好的可擠壓性，有利于制備大尺寸炭磚；20世紀(jì)70年代向碳磚中添加Al2O3微粉來(lái)提高其抗鐵水侵蝕性，同時(shí)對(duì)氣孔也起到一定的填充效果，開(kāi)發(fā)的第二代炭磚（CBD-1）使用壽命在10年左右；20世紀(jì)80年代，開(kāi)始向炭磚中添加Si粉，在高溫下生成Si-O-N晶須使氣孔微細(xì)化并提高抗侵蝕性，制備出第三代炭磚（CBD-2）；用殘?zhí)苛扛叩臉?shù)脂結(jié)合劑代替瀝青，以模壓成型代替擠壓成型制備的第四代炭磚（CBD-2RG）性能更優(yōu)，炭磚使用壽命提高到12～15年；20世紀(jì)90年代，以人造石墨骨料或電煅無(wú)煙煤骨料添加Al2O3微粉制備的第五代炭磚（CBD-3RG）熱導(dǎo)率和使用壽命（18年）均大幅提高；20世紀(jì)末期，以人造石墨骨料添加Al?O?微粉及Ti C原料，高溫下生成Ti(C,N)保護(hù)涂層（厚度約100μm）提高抗侵蝕性（可提高一倍），并且炭磚的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度也得到提高，開(kāi)發(fā)的第六代炭磚使用壽命進(jìn)一步提高，約達(dá)到22年。

 

目前國(guó)內(nèi)研究人員也致力于微孔高導(dǎo)熱炭磚的開(kāi)發(fā)，有代表性的技術(shù)為采用負(fù)載有催化劑Ni的人造石墨骨料，添加Al?O?、SiO?微粉及Al、Si微粉，也可額外添加Carbores P瀝青粉，在高溫下生成SiC晶須及碳納米管，構(gòu)成連續(xù)的陶瓷相高導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，制得具有較高熱導(dǎo)率的微孔碳磚。對(duì)比來(lái)看，采用熱氧化法制備的熱氧化骨料（TOA）替代負(fù)載有催化劑Ni的人造石墨骨料具有更好的應(yīng)用效果。

 

目前炭磚氣孔孔徑由原來(lái)的40μm降低到5μm及1μm以下，氣孔形成由開(kāi)口氣孔轉(zhuǎn)向密閉氣孔，因而體現(xiàn)出透氣性低，致密度高，抗堿及抗?jié)B鐵性能強(qiáng)的性能特征。炭磚導(dǎo)熱性能好，有利于將熱量傳遞給冷卻系統(tǒng)，降低炭磚熱面溫度，并在炭磚和鐵水之間形成保護(hù)層以保護(hù)爐缸。炭磚的抗鐵水熔蝕性及抗氧化性較差，平均熔蝕率可達(dá)23%以上，依然是其應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)。

 

（1）微孔炭磚

 

普通微孔炭磚中，比較有代表性的是日本的BC-7S炭磚和法國(guó)的AM-102炭磚，該產(chǎn)品的特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高12.4～14.0 W·m-1·K-1，平均孔徑0.10～0.23μm,<1μm孔容積率達(dá)76%～78.67%，抗堿侵蝕性?xún)?yōu)良。武鋼5#高爐、寶鋼1#和2#高爐都使用了這類(lèi)炭磚，使用效果不錯(cuò)，高爐壽命都達(dá)到了10年以上。國(guó)產(chǎn)的普通微孔炭磚，其主要性能指標(biāo)和日本BC-7S炭磚、法國(guó)AM-102炭磚已很接近，在多座高爐上取得良好的使用效果，例如武鋼4#高爐使用國(guó)內(nèi)的普通微孔炭磚，壽命已達(dá)到了10年。

 

（2）超微孔炭磚

 

代表性產(chǎn)品有日本的BC-8SR和德國(guó)的7RDN炭磚。與普通微孔炭磚相比，其導(dǎo)熱系數(shù)有較大幅度提高18.15～20.42 W·m-1·K-1，平均孔徑進(jìn)一步減小0.083～0.121μm,<1μm孔容積率也有所提高76.08%～88.20%，其他性能同時(shí)也保持優(yōu)良。武漢科技大學(xué)的研究人員針對(duì)這類(lèi)炭磚進(jìn)行了細(xì)致研究和探討，采用高溫（2 200℃）電煅無(wú)煙煤作骨料，鱗片狀石墨、棕剛玉粉和Si粉作基質(zhì)，酚醛樹(shù)脂作結(jié)合劑，引入氧化鋁微粉，1 100～1 400℃燒成，成功研制出新型炭磚。新型炭磚的平均孔徑0.039μm,<1μm氣孔容積約87.96%，熱導(dǎo)率21.26 W·m-1·K-1，其綜合性能指標(biāo)可以和日本的BC-8SR和德國(guó)7RDN炭磚相媲美。國(guó)內(nèi)某企業(yè)所生產(chǎn)的這種超微孔炭磚，在武鋼3200 m³高爐使用，取得良好效果。

 

（3）模壓小炭磚

 

以美國(guó)NMA、NMD熱模壓小炭磚為代表的國(guó)際產(chǎn)品在我國(guó)應(yīng)用也比較多，使用效果較好。美國(guó)的NMA熱模壓小炭磚的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較高16.1 W·m-1·K-1，優(yōu)于國(guó)內(nèi)普通模壓小炭磚；另一優(yōu)點(diǎn)是抗堿性?xún)?yōu)良，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的抗堿性也比較接近。其主要缺點(diǎn)是不屬于微孔炭磚，平均孔徑約1.083μm、<1μm孔容積率僅53.4%。美國(guó)的NMD熱模壓小炭磚是一種石墨炭磚，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)60W·m-1·K-1，有的高爐將它用作爐身冷卻板之間的磚襯使用。

 

近年國(guó)內(nèi)已有多家炭素廠(chǎng)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12 W·m-1·K-1左右，低于美國(guó)的熱模壓小炭磚。武鋼和國(guó)內(nèi)某耐火材料廠(chǎng)合作進(jìn)行了模壓小炭磚的研制，以電煅無(wú)煙煤為原料，以酚醛樹(shù)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(guó)熱壓小炭磚。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的模壓小炭磚的主要性能:600℃的導(dǎo)熱系數(shù)>20W·m-1·K-1；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)用于武鋼新建的7#高爐爐缸部位。

 

 

表2：爐缸和爐底用典型炭磚材料的性能 

 

2） 陶瓷杯

 

陶瓷杯與炭磚合理搭配使用是高爐爐缸廣泛采用的結(jié)構(gòu)之一。剛玉磚或剛玉-莫來(lái)石磚抗鐵水熔蝕性能較好，可以減緩鐵水對(duì)爐缸側(cè)壁的侵蝕，被廣泛用作高爐陶瓷杯。爐底陶瓷墊一般選用剛玉-莫來(lái)石材料。國(guó)產(chǎn)剛玉-莫來(lái)石材料的性能（見(jiàn)表3）與進(jìn)口材料的接近，完全可以滿(mǎn)足爐底陶瓷墊的使用要求，而且價(jià)格便宜。雖然國(guó)產(chǎn)剛玉-莫來(lái)石、復(fù)合棕剛玉材料在性能上達(dá)到要求，但因其塊小，砌筑要求高，且在受熱后應(yīng)力分布不均勻，易造成局部坍塌、漂浮而破損。法國(guó)產(chǎn)的棕剛玉質(zhì)MONOCORAL大預(yù)制塊有利于避免這種漂浮破損，在爐缸陶瓷杯壁使用具有更好的應(yīng)用效果。

 

目前，國(guó)內(nèi)研究人員研制出性能更優(yōu)異、更長(zhǎng)壽的第五代硼鋯基剛玉莫來(lái)石陶瓷杯，性能見(jiàn)表3，并于2017年、2018年分別應(yīng)用在天津天鋼聯(lián)合特鋼1#、2#、3#高爐。也有企業(yè)以剛玉、碳化硅、金屬粉等為原料，引入超細(xì)微粉技術(shù)及含碳結(jié)合劑等新設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了莫來(lái)石和碳化硅纖維協(xié)同增韌的新型塑性相-炭復(fù)合剛玉制品，抗?fàn)t渣、鐵水及抗堿侵蝕等性能優(yōu)良。通過(guò)調(diào)控新型塑性相復(fù)合剛玉磚導(dǎo)熱系數(shù)為5～7 W·(m·K)-1，優(yōu)化了陶瓷杯的使用溫度場(chǎng)，在陶瓷杯表面形成穩(wěn)定渣鐵層，實(shí)現(xiàn)了高爐爐缸長(zhǎng)壽；項(xiàng)目在高爐用剛玉-莫來(lái)石磚基礎(chǔ)上復(fù)合紅柱石、硅線(xiàn)石和金屬粉開(kāi)發(fā)了新型金屬塑性相-剛玉-莫來(lái)石復(fù)合材料，利用紅柱石和硅線(xiàn)石原位莫來(lái)石化及二次莫來(lái)石化產(chǎn)生的溫度梯度效應(yīng)，提高了材料體積穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，實(shí)現(xiàn)高爐爐底壽命同步提升。  

 

 

 

3） 碳復(fù)合磚

 

陶瓷杯熱導(dǎo)率較小，熱阻大，使得爐缸部位的冷卻系統(tǒng)難以發(fā)揮作用。并且陶瓷杯只能延緩侵蝕進(jìn)度，陶瓷杯抗?fàn)t渣侵蝕性能較差，待陶瓷杯被侵蝕殆盡之后，依然會(huì)造成炭磚直接接觸鐵水。因此，研究人員將Al?O?和碳進(jìn)行優(yōu)化復(fù)合，試制了碳復(fù)合磚，其600℃熱導(dǎo)率約14.81 W·m-1·K-1，雖然略低于部分炭磚的熱導(dǎo)率，但是與剛玉質(zhì)材料的熱導(dǎo)率4.09/5.42 W·m-1·K-1相比有很大提高，同時(shí)保持了陶瓷材料的優(yōu)良抗侵蝕性，具體性能見(jiàn)表4?？稍阼F水與磚接觸面形成保護(hù)層，即使保護(hù)層脫落，也具有足夠的抗鐵水侵蝕性，保護(hù)爐缸部位的。碳復(fù)合磚兼顧了炭磚和陶瓷杯的優(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)展方向之一。

 

 

4）SiC風(fēng)口磚

 

高爐傳統(tǒng)風(fēng)口磚采用剛玉質(zhì)預(yù)制塊、剛玉莫來(lái)石預(yù)制塊、硅線(xiàn)石磚、復(fù)合棕剛玉磚、微孔剛玉磚等。有害堿金屬元素Zn、K等以ZnO、K?O的形式沉積，結(jié)晶、長(zhǎng)大，形成環(huán)帶，剛玉質(zhì)磚受ZnO、K?O等侵蝕會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形。磚體基質(zhì)和骨料均受到ZnO、K?O等堿性物質(zhì)的嚴(yán)重侵蝕發(fā)生異常膨脹，變得酥松，這也是風(fēng)口上翹、爐底上漲的重要原因之一，同時(shí)也成為風(fēng)口區(qū)域煤氣向下串漏的通道。20世紀(jì)90年代，寶鋼2#高爐引進(jìn)了日本的自結(jié)合碳化硅風(fēng)口組合磚，應(yīng)用效果良好；鋼京唐5500m³超大型高爐也引進(jìn)了日本的大型自結(jié)合碳化硅風(fēng)口組合磚。中鋼洛耐院成功開(kāi)發(fā)出自結(jié)合碳化硅磚，其性能（見(jiàn)表5）與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)，所開(kāi)發(fā)的自結(jié)合碳化硅磚比氮化硅結(jié)合碳化硅磚具有更加優(yōu)良的抗堿性、抗渣性和抗熱震性，且具有與氮化硅結(jié)合碳化硅磚相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能、熱膨脹性以及更高的熱導(dǎo)率。

 

此外，中鋼洛耐院還開(kāi)發(fā)出可替代定形制品的碳化硅質(zhì)預(yù)制大塊（SICAPREC），其性能見(jiàn)表6?？梢钥闯觯_(kāi)發(fā)預(yù)制塊雜質(zhì)含量低、化學(xué)純度較高，SiC和Si?N?合量達(dá)到了90%以上，體積密度不低于2.65 g·cm-3，氣孔率不超過(guò)15%，具有優(yōu)異的常溫和高溫抗折強(qiáng)度，以及良好的導(dǎo)熱系數(shù)。與牌號(hào)SICAPREC-LO相比較，牌號(hào)SICAPREC-HN碳化硅質(zhì)預(yù)制塊力學(xué)性能更加優(yōu)異，但其導(dǎo)熱系數(shù)略低。除導(dǎo)熱系數(shù)外，牌號(hào)SICAPREC-HN碳化硅質(zhì)預(yù)制塊的各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)文獻(xiàn)所報(bào)道國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。