| 我國高爐耐火材料發展現狀 |
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摘 要：介紹近年來我國高爐爐襯用耐火材料的進展。高爐設計中要根據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。在國內高爐爐襯用耐火材料質量和品種已取得很大進步的情況下，盲目使用進口耐火材料是完全不必要的。
關鍵詞：高爐；耐火材料；合理選用
隨著近年我國鋼鐵生產的高速發展，高爐爐襯用耐火材料取得了很大的進步，在生產技術、產品品種、質量水平方面，正逐步追趕世界先進水平，取代某些進口產品，以滿足我國煉鐵生產發展的需要。
延長高爐壽命是近十幾年來我國冶金工業的重要技術政策，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理的分析，以及國內高爐耐火材料產品與國外同類名牌產品的性能對比，探討合理選用高爐耐火材料問題，避免或者減少盲目地、不恰當地使用進口耐火材料。
1 高爐耐火材料性能評價方法的進步
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性能，如對炭磚僅要求灰份、耐壓強度、體積密度、氣孔率等指標，對陶瓷耐火材料僅要求化學成分、耐火度、荷重軟化溫度、顯氣孔率、體積密度、耐壓強度、重燒線變化率等指標。
我們在研究炭磚時發現，我國上世紀60年代生產的普通炭磚，如果只看其常規性能，如氣孔率、體積密度、強度、灰份等指標，比國外的優質炭磚并不差。如果進一步對導熱系數、抗堿性、微氣孔指標進行對比，就發現國產炭磚的差距很大。這使我們認識到這些特殊性能應作為評價 高爐耐火材料優劣的重要標準。
對于高爐耐火材料使用性能的檢測方法，武鋼已進行了近20年的長期研究。我們在研究高爐磚襯破損和侵蝕機理的基礎上，對高爐耐火材料提出了多項特殊使用性能要求，并研究出了相應的試驗方法，通過原冶金部制定了檢驗方法標準。主要的檢驗方法標準有以下8種：①導熱系數；②抗堿性；③抗鐵水熔蝕性；④抗爐渣侵蝕性；⑤平均孔徑；⑥＜1μm孔容積率；⑦透氣度；⑧抗氧化性。武鋼應用這些檢驗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揮了重要的作用。這些檢驗方法目前已在國內得到廣泛應用，很多新型優質高爐耐火材料不斷地開發出來，有的綜合性能已趕上國際先進水平，有些指標甚至超過了國際先進水平。
2 高爐爐襯用耐火材料質量水平分析
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。我們曾對國內外同類炭磚產品進行了使用性能的對比試驗，下面介紹我們對各種炭磚的對比試驗結果。
2.1.1半石墨炭磚
國產半石墨炭磚和日本BC-5型半石墨炭磚相比，其導熱系數、抗堿性、鐵水熔蝕等性能相當。德國半石墨炭磚的600℃導熱系數達到18.04 W/m.k，優于一般的國產半石墨炭磚，其它性能則相當。但是，蘭州新研制的半石墨炭磚的導熱系數、微氣孔指標則已經優于德國同類產品。
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品，武鋼5號高爐、寶鋼1號和2號高爐都使用了該產品，使用效果好，高爐壽命都達到了10年以上。該產品的特點是導熱系數較高，600℃達到12-14 W/m.k；微氣孔指標先進，平均孔徑0.10-0.13um，＜1μm孔容積率達到78.45%；抗堿性優良。
國產的普通微孔炭磚，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品，其主要性能指標和日本BC-7S炭磚、法國AM-102炭磚已很接近，國內很多高爐的使用效果較好。例如武鋼4號高爐就是使用國內某廠的普通微孔炭磚，壽命已達到了10年。
2.1.3超微孔碳磚
要使高爐壽命進一步提高到15-20年，對炭磚應有更高的要求，主要是導熱系數和微氣孔指標應該更高。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。其主要特點是導熱系數較高，600℃達到18-20 W/m.k，平均孔徑達到0.1μm，＜1μm孔容積率>85%，其他性能也保持優良。蘭州炭素廠和武鋼技術中心合作，經過6年的研究，現已研制成功這種超微孔炭磚，其性能達到了日本BC-8SR和德國7RDN炭磚的實物質量水平?，F已首次用于武鋼在建的7號高爐（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品在我國應用也比較多，使用效果較好 。近年國內已有多家炭素廠生產模壓小炭磚，但一般只達到普通微孔炭磚的水平。如600℃的導熱系數僅12W/m.k左右，低于美國的熱模壓小炭磚。武鋼技術中心和鞏義市第五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，以酚醛樹脂為結合劑，用磨擦壓磚機成型，經高溫燒成，生產模壓小炭磚，其產品性能已優于美國熱壓小炭磚。
美國的熱模壓小炭磚的主要優點是導熱系數較高，優于國產的普通微孔炭磚和普通模壓小炭磚。
另一優點是抗堿性優良，而這一性能國內產品也已能夠達到。其缺點是不屬于微氣孔炭磚、平均孔徑＞1μm、＜1μm孔容積率僅53.4%。鞏義五耐開發的模壓小炭磚主要性能已明顯優于美國NMA熱模壓小炭磚：600℃的導熱系數＞20W/m.k；平均孔徑0.237μm，＜1μm孔容積率76.12%，是較好的微孔炭磚；鐵水熔蝕指數僅14.22%。該研制產品已經首次用于武鋼新建的7號高爐爐缸部位。
美國的NMD是一種石墨炭磚，導熱系數很高，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，是利用其高導熱性強化爐底冷卻，在高爐爐役后期減緩鐵水的侵蝕。但是如果炭搗料的導熱系數很低，石墨磚也無法發揮高導熱系數的作用。這種情況下還不如使用微孔炭磚，因為石墨磚的孔隙大、強度低，抗鐵水熔蝕性能也差。
綜上所述，我國的炭磚生產技術和產品性能、質量水平，經過近十年來的努力，有了明顯的進步，已逐漸趕上世界先進水平，可以滿足長壽高爐的需要。
2.2 陶瓷杯用磚
目前國內高爐陶瓷杯用磚有復合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、塑性相結合棕剛玉磚、微孔剛玉磚、法國陶瓷杯磚（澆注塊）等5種。
陶瓷杯爐缸結構是法國首先開發的，是一種不經高溫燒成的澆注塊，我國有不少高爐采用，使用效果較好。其主要優點抗堿性優良，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。近年國內相繼開發出多種陶瓷杯用磚，則都是高溫燒成的。
國產微孔剛玉磚的各項性能均已達到或優于法國陶瓷杯磚，其中抗爐渣侵蝕性和耐壓強度更好。復合棕剛玉磚的抗堿性較差。塑性相剛玉磚除微氣孔指標較差外，其他性能都較好，是目前應用最多的一種。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。
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。這些部位的爐襯發展趨勢是，主要靠強化冷卻形成渣壁保持正常生產，磚襯僅留有很薄的鑲磚，耐火材料的用量很小。比較典型的設計如武鋼1號高爐的銅冷卻壁薄爐襯結構。這一區域選用耐火磚的原則是，抗爐渣侵蝕性能好，抗堿性較好，導熱系數較高，強度要高。在成渣帶以下可選用Si3N4結合SiC磚、賽隆結合剛玉磚或賽隆結合SiC磚。爐身中部無渣區可選用燒成微孔鋁炭磚。爐身上部可用磷酸浸漬粘土磚。這幾種磚的強度很高，抗堿侵蝕性和抗爐渣侵蝕性很好，導熱系數也高，適用于砌筑爐身到爐腹區域。上述幾種耐火材料國內都已能生產，一般不需要用進口產品。
3 高爐耐火材料的合理選用
3.1根據高爐容積合理選用耐火材料
我國不同鋼鐵企業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濟的和必要的。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。應當看到，近年來國產高爐爐襯用耐火材料已有很大進步，例如炭磚從普通炭磚、自焙炭磚發展到半石墨炭磚、微孔炭磚、進而到超微孔炭磚，每進一步質量都有大幅度提高。在高爐建設中，合理地選用國產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投資，對促進和發展國產耐火材料工業也是有深遠意義的。
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，高爐壽命達到10—15年是完全可能的。
對2500—4000m3級的高爐，爐缸用國產超微孔炭磚，爐底用普通微孔炭磚，陶瓷杯用國產微孔剛玉磚，高爐壽命15—20年，也是可能的。如果認為國產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，還要重視炭素搗打料和泥漿的選擇。如果采用導熱系數很低的炭素搗料（1—3 W/m.k），即使炭磚導熱系數很高，由于炭搗料相當于絕熱層，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。某廠1500 m3高爐就發生過這種情況。目前國內開發的炭搗料，在100℃烘烤后常溫導熱系數可達到12—20 W/m.k，炭素泥漿100℃烘烤后，粘結抗折強度可達到＞10MPa，已完全可以和高檔炭磚配套使用。
3.2防止進口低檔耐火材料產品
目前進口炭磚性能指標仍然只有少數幾項常規性能，如從某廠購買的進口D級大炭磚，僅有強度、氣孔率、體積密度、重燒收縮、導熱系數等指標，這種炭磚檢驗結果表明，20℃的導熱系數僅5 W/m.k。導熱系數是炭磚的主要性能指標，這樣指標的炭磚遠比不上國產半石墨炭磚，用于砌筑大型高爐顯然是欠妥的。
進口的陶瓷杯磚也只有常規性能指標，如強度、耐火度、荷重軟化點、化學成分等。某廠進口的陶瓷杯磚抗爐渣侵蝕率100%，35分鐘全部被侵蝕光，與法國陶瓷杯優質產品相差甚遠，其使用結果令人擔憂。我們認為，對進口高爐爐襯用耐火材料應當提出用我國的檢驗方法進行檢驗的要求，這樣可以防止劣質耐火材料產品進口。
4 結語
我國高爐爐襯用耐火材料近年來得到了迅速發展，不僅數量上滿足了鋼鐵工業的需要，產品質量上也有了很大的進步。具有國際先進水平的優質炭磚、陶瓷杯用磚、SiC磚都相繼開發出來，正在逐步滿足長壽高爐建設的需要，取代進口的優質耐火材料產品。我國高爐耐火材料使用性能的檢測方法正得到廣泛應用，凡是經過這些性能檢驗合格的耐火材料，用于高爐后的使用效果一般都比較好。為防止進口高爐耐火材料產品以次充好，廠家應當用我國高爐耐火材料檢測方法進行質量檢測。高爐建設中應根據爐容大小和預期壽命，并根據不同部位對使用性能的要求合理地選用耐火材料，以降低將設投資。近年來國產高爐爐襯用耐火材料的質量和品種已取得很大進步，不加分析地盲目使用進口耐火材料是完全不必要的。
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