耐火材料在冶金工業(yè)上的應(yīng)用

1、耐火材料在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用 前 言 耐火材料和鋼鐵工業(yè)密不可分，從人類開始從事煉鐵技術(shù)以來，人們就開始使用耐火材料。 耐火材料主要應(yīng)用在冶金行業(yè)，70；其次是用在建筑行業(yè)，20；其它行業(yè)10。2007-5-20 3 一、高爐簡介 高爐是利用鼓入的熱風(fēng)使焦炭燃燒及還原熔煉鐵礦石的豎式爐，是在高溫和還原氣氛下連續(xù)進行煉鐵的熱工設(shè)備。第一節(jié) 高爐用耐火材料（Refractories for blast furnace)2007-5-20 4 2007-5-20 5 1,890 m Working Volume Coal Injection 1 Tap Holes 5,500-6,000 t/day

2、10 -12 taps/day 2007-5-20 6 2007-5-20 7 2007-5-20 8 高爐用耐火材料損毀的原因 主要是爐料機械磨損、渣鐵侵蝕、堿金屬侵蝕和鉛鋅滲透、熱應(yīng)力和高溫荷重等綜合因素，其中溫度是決定性的因素。因此，高爐爐體易損部位均設(shè)有冷卻系統(tǒng)，以提高爐襯的使用壽命。2007-5-20 9 高爐爐體由爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸5部分組成。 爐體設(shè)有風(fēng)口、出渣口、出鐵口、冷卻系統(tǒng)及加料裝置等設(shè)施。高爐爐襯按其使用損毀特點可分為上、中、下三段；上段包括爐喉、爐身上部和中部；中段包括爐身下部、爐腰和爐腹；下段為爐缸和爐底。 高爐爐體用耐火材料2007-5-20 10 爐喉

3、承受爐料下降時的直接沖擊和摩擦，極易磨損，多采用高強度的粘土磚和高密度的高鋁磚砌筑。 爐身上部和中部溫度不超過700，無爐渣形成和爐渣侵蝕，除承受爐料滑行與沖擊以及熱煙氣所攜粉塵的摩擦而導(dǎo)致機械磨損外，主要是鉛、鋅侵入沉積，使襯磚組織變的脆弱，甚至鼓脹，還有碳素沉積及粘結(jié)物的作用，使?fàn)t襯開裂和結(jié)構(gòu)松散。整個爐體中該部位損毀較輕，一般采用氧化鐵含量較低的致密粘土磚或高鋁磚砌筑。1、爐喉、爐身上部及爐身中部用耐火材料11 爐身下部承受爐料下降時的摩擦與爐氣上升時粉塵的沖刷作用，該部位溫度較高并有大量爐渣形成，堿金屬蒸汽的侵蝕作用較重，因此爐襯損毀速度較快。 爐腰處溫度高，爐渣大量形成，渣蝕嚴重，堿

4、侵蝕及高溫含塵煙氣的沖刷均較爐身嚴重。2、爐身下部、爐腰和爐腹用耐火材料2007-5-20 12 爐腹部位的溫度較爐腰高，其下部爐料溫度約為16001650，氣流的溫度更高，低粘度的熔渣大量形成，不但渣蝕嚴重，同時仍然承受焦炭的摩擦以及由上而下的熔體及炙熱氣流的沖刷，該部位爐襯的損毀最為嚴重。2007-5-20 13 工業(yè)先進國家的經(jīng)驗以及中國高爐的實踐表明：碳化硅耐火制品具有硬度高、高溫強度大，熱膨脹率低、導(dǎo)熱性能、抗堿侵蝕性與抗熱震性優(yōu)良等特點，是高爐中段較為合適的爐襯材料。 其中以氮化硅結(jié)合的碳化硅制品最佳。因為氮化硅細致的纖維狀結(jié)晶作為結(jié)合相，將碳化硅細粉包裹形成牢固的機械結(jié)合，因而具

5、有較高的高溫強度與較好的抗堿蝕性能，其用量已占全世界高爐用碳化硅材料的60以上。2007-5-20 14 塞?。⊿ialon)結(jié)合碳化硅制品，與氮化硅結(jié)合的制品相比，結(jié)晶較大，氣孔率較低，抗氧化性能好，經(jīng)抗堿試驗后，高溫抗折強度較佳，是高爐爐襯材料的優(yōu)選。碳化硅磚的理化性能指標(biāo)見下表所示。2007-5-20 15 中 國美 國結(jié)合方式Si3N4SialonSi3N4Sialon化學(xué)成分, SiC Si3N4 Sialon71 212377 2075 2575 20體積密度，g/cm32.722.702.602.70顯氣孔率，15151615常溫耐壓強度，MPa204220198213抗折強度，

6、MPa 常溫 140052 5753 5038 4247 48線膨脹率，0.450.510.410.51熱導(dǎo)率，W/(mK) 1200231617.5172007-5-20 16 爐身非工作層采用粘土質(zhì)隔熱磚砌筑，也可以用高鋁水泥隔熱耐火澆注料澆注和噴涂施工。 在生產(chǎn)過程中，爐身下部、爐腰和爐腹工作層損毀到一定程度時（爐殼發(fā)紅），可采用壓入料和噴涂料進行熱修補，目前，高爐噴補維護技術(shù)已在眾多高爐采用。2007-5-20 17 爐缸是盛裝鐵水和熔渣的部位，其側(cè)壁上設(shè)有出渣口、出鐵口和風(fēng)口。該部位長期承受高溫、熱荷載、鐵水和熔渣的侵蝕，以及熱應(yīng)力等作用。爐缸上部風(fēng)口區(qū)溫度最高，可達17002000

7、以上。 鐵水與熔渣滲入磚的氣孔與磚縫中，加快對爐襯侵蝕，導(dǎo)致砌體變形開裂，甚至爐底磚漂浮。 目前，國內(nèi)外大中型高爐普遍采用致密度高、導(dǎo)熱性和抗侵蝕性好的石墨碳磚和微孔碳磚。3、爐缸及爐底用耐火材料2007-5-20 18 使碳磚損毀的因素除滲入有金屬鐵外，還生成氧化鐵和碳化鐵，導(dǎo)致組織破壞。此外，碳磚遇有水蒸氣等物質(zhì)時發(fā)生氧化，也是損毀的原因。 對于粘土磚或高鋁磚爐缸及爐底來說，鐵水中的碳能將磚中的二氧化硅還原成硅，并為鐵水所吸收形成硅鐵，使磚的表面呈半熔融狀態(tài)。當(dāng)侵蝕達到一定深度，即達到鐵水凝固線時，鐵水與熔渣的滲入即中止。因此，現(xiàn)代高爐的爐缸及爐底均設(shè)有冷卻設(shè)施。2007-5-20 19

8、在大型高爐上廣泛采用砌筑陶瓷杯來保護爐底及爐缸壁。爐底采用莫來石磚或優(yōu)質(zhì)粘土磚，上升部分用鉻剛玉磚，也有采用超低水泥結(jié)合的棕剛玉澆注件，以形成“陶瓷杯”。 2007-5-20 20 新開發(fā)的微孔碳磚、半石墨磚及石墨磚與傳統(tǒng)的加入氧化物的碳磚相比，抗?jié)B透性、抗鐵、堿及爐渣侵蝕性以及導(dǎo)熱性能等均有明顯的改進，高爐自采用全碳磚爐底和綜合爐底以來，壽命可長達1520年。已不成為影響高爐爐齡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 下表給出了高爐用碳磚及石墨磚的性能。2007-5-20 21 高爐用碳磚及石墨磚的性能性能傳統(tǒng)碳磚微孔碳磚加外加劑碳磚半石 墨磚石墨磚加外加劑半石墨磚耐壓強度,MPa405060251548熱導(dǎo)率 W(

9、mK)-181111195122添加劑SiSi Al2O3Si Al2O3抗堿性,%5.11.61.65.23.50.3鐵中溶解度 %3.04.20.54.24.61.02007-5-20 22 指出鐵溝、渣溝與出鐵口和出渣口等處用耐火材料。 出鐵溝和出渣溝是流放鐵水與熔渣的通道，承受較強的鐵水流和渣流的機械沖刷、化學(xué)侵蝕和急冷急熱等作用，極易損毀，需要經(jīng)常維護。4、高爐其它部位用耐火材料 2007-5-20 23 2007-5-20 24 （1）出鐵溝分主鐵溝和鐵溝兩部分。主鐵溝一端與出鐵口相接，由于高爐大型化且強化冶煉，每個出鐵溝日通鐵量高達3000t左右，因此其工作條件是苛刻的。 對鐵溝

10、內(nèi)襯用耐火材料的要求是耐鐵水和熔渣的侵蝕和沖刷能力強，抗熱震性能好及重?zé)w積變化小，此外還要求不粘結(jié)渣鐵、易于施工與拆除，且不產(chǎn)生有害氣體。2007-5-20 25 過去，一般采用粘土磚、碳化硅磚、石墨或焦末和瀝青等配制成耐火搗打料做保護層。上世紀80年代以來，大型高爐采用的鐵溝料已從搗打料發(fā)展成澆注料，其主要材質(zhì)為電熔剛玉、碳化硅、少量金屬硅與金屬鋁粉以及適量的外加劑等原料配制，再輔以超細粉使其具有較高密度。2007-5-20 26 （2）出鐵口用耐火材料 用于堵塞出鐵口的泥料稱為炮泥。對炮泥的要求可塑性、粘結(jié)性及燒結(jié)性好，不產(chǎn)生裂紋與收縮，強度高、耐侵蝕，同時應(yīng)易打開，保證鐵水或熔渣順暢流

11、出。炮泥一般用粘土熟料、高鋁熟料、莫來石、碳化硅、碳粒和粘土為原料；大型高爐則用電熔氧化鋁、碳化硅、粘土等為原料，并用水或樹脂進行混練制成有水炮泥或無水炮泥，裝袋待用。2007-5-20 27 一、簡介 高爐熱風(fēng)爐是一種蓄熱式交換器，即能將鼓入高爐助燃的空氣由常溫加熱到高溫的熱工設(shè)備。 20世紀50年代高爐熱風(fēng)爐的工作風(fēng)溫一般為800左右，70年代超過1020，90年代達到1350。由于風(fēng)溫的提高，操作條件更苛刻，因此所用耐火材料也從普通材料向高性能、多品種方向發(fā)展，以滿足高風(fēng)溫操作的需要。 第二節(jié) 熱風(fēng)爐用耐火材料（Refractories for hot blast stove/furna

12、ce)2007-5-20 28 熱風(fēng)爐用耐火材料除了考慮體積密度及與熱容量有關(guān)的比熱容外，抗蠕變性能仍是最重要的指標(biāo)。抗熱震性與強度、外形準(zhǔn)確且無殘余膨脹都是重要的性能。當(dāng)今都用凈化的高爐煤氣，因此格子磚由于脹裂（1000 左右）而導(dǎo)致的崩潰或堵塞現(xiàn)象已不嚴重，熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)及其使用的耐火材料見下圖。 2007-5-20 29 2007-5-20 30 熱風(fēng)爐爐體由蓄熱室和燃燒室組成。熱風(fēng)爐一般用高爐煤氣或高爐與焦?fàn)t的混合煤氣作燃料，也有采用焦?fàn)t煤氣或重油等作燃料的，其操作溫度為13001600 。 由于爐體結(jié)構(gòu)和操作溫度不同，各部位一般選用高級粘土磚、高鋁磚、硅磚、莫來石磚、硅線石磚、紅柱石磚和

13、一些不定形耐火材料。二、爐體用耐火材料 2007-5-20 31 蓄熱室用耐火材料 當(dāng)熱風(fēng)溫度低于900 時，高溫部位襯磚和格子磚砌體上層用高鋁磚，其余均用高級粘土磚；風(fēng)溫為9001100 時，高溫部位襯磚和格子磚則選用高鋁磚、莫來石磚或硅線石磚，其余部位用高鋁磚和高級粘土磚；風(fēng)溫高于1100 時，其高溫部位必須選用低蠕變高鋁磚、莫來石和硅磚。2007-5-20 32 項 目牌 號RL-65RL-55RL-48Al2O3，655548耐火度，1790177017500.2MPa荷重軟化溫度,150014701420重?zé)€變化， 1500，2h 1450，2h+0.1-0.4+0.1-0.4顯氣

14、孔率，24常溫耐壓強度，MPa49.044.139.2熱風(fēng)爐高鋁磚的理化性能2007-5-20 33 熱風(fēng)爐硅磚的理化指標(biāo)項 目指 標(biāo) SiO2，%94CaO，%23Fe2O3，%1.5耐火度，1710荷重軟化開始溫度， 1650蠕變率（1550，50h），0.5真密度，g/cm3 2.34顯氣孔率，23常溫耐壓強度，MPa302007-5-20 34 燃燒室用耐火材料 燃燒室用耐火材料與蓄熱室用的基本相同，也有用莫來石或者莫來石磚配用硅磚砌筑的；燃燒器的空氣、煤氣通道一般用粘土磚和高鋁磚砌筑，其上部帶輻射孔（噴嘴）的部位可用莫來石磚或莫來石剛玉磚砌筑，使用壽命24年。該部位采用高鋁質(zhì)耐火澆注

15、料預(yù)制帶噴嘴口的部件，也獲得了較好的使用效果。2007-5-20 35 其損毀原因主要是高溫、溫度變化形成的熱應(yīng)力和粉塵的化學(xué)侵蝕等因素所致。熱風(fēng)爐使用壽命為1520年，其間對易損毀部位需要進行小修。2007-5-20 36 一、簡介 焦?fàn)t是獲得焦炭及煉焦化學(xué)副產(chǎn)品的熱工設(shè)備，焦?fàn)t爐體結(jié)構(gòu)見下圖. 第三節(jié) 焦?fàn)t用耐火材料（Refractories for coke oven)2007-5-20 37 2007-5-20 38 二、碳化室用耐火材料 碳化室是由爐墻、爐底、爐頂和爐門組成。碳化室工作室工作是周期性的，裝煤時爐墻表面溫度降至500600 ，結(jié)焦末期爐墻表面溫度又升至10001100

16、。溫度的大幅波動，使砌體產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致砌體出現(xiàn)裂紋、組織松散、強度降低，還受到煤料成焦時的膨脹壓力，致使墻面鼓脹和凹陷等。 裝煤和推焦時，爐墻和爐底經(jīng)常受到強烈的機械磨損和撞擊，另外，爐墻還承受化學(xué)侵蝕和碳素沉積的作用。碳化室墻、底用硅磚砌筑。2007-5-20 39 焦?fàn)t，尤其現(xiàn)代化大型焦?fàn)t對硅磚的要求時及其嚴格的。 首先是外觀上光潔度與平整度要求很高。磚的棱角齊整、尺寸公差小。另外，硅磚為鱗石英、方石英并與殘余石英及玻璃相共存的復(fù)合體，其中只有鱗石英形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成堅固的骨架，使磚具有良好的高溫結(jié)構(gòu)強度，為此必須使石英達到充分轉(zhuǎn)化，促使磚中大量鱗石英的形成。2007-5-20 40 工

17、業(yè)發(fā)達國家所生產(chǎn)的硅磚真密度一般為：3，控制硅磚中殘存石英含量使殘余膨脹幾乎為零。 現(xiàn)代大型焦?fàn)t碳化室墻面采用致密硅磚砌筑，顯氣孔率控制在1617，以提高爐墻導(dǎo)熱性，增加生產(chǎn)能力；爐門由于經(jīng)常開啟，溫度波動較大，朝向碳化室一側(cè)一般采用粘土磚砌筑，也可用堇青石磚和不定形耐火材料，耐火材料與外殼之間充填隔熱材料。2007-5-20 41 碳化室靠爐門的墻，也稱爐頭，處于溫度波動大的區(qū)域，因此多用粘土磚、高鋁磚、硅線石磚和紅柱石磚砌筑。 爐頭和爐門損壞時一般用磚補砌，或用耐火可塑料及澆注料修補，較好的修補方法為火焰噴補法。2007-5-20 42 三、燃燒室用耐火材料 燃燒室由爐墻、爐底和爐頂組成。

18、爐墻與碳化室共用，需砌筑嚴密，不得有氣體串通，該側(cè)面主要受高溫、煤中所含鹽類和燃氣的作用。爐底與斜道上的空氣和煤氣道相通。燃燒室工作層用硅磚砌筑，其技術(shù)要求與碳化室用磚相同。2007-5-20 43 以鱗石英為主晶相用于砌筑煉焦?fàn)t的硅質(zhì)制品。 現(xiàn)代焦?fàn)t是由成千種磚形，上萬噸耐火材料砌筑的龐大熱工設(shè)備。硅磚是其砌體的主要材料，構(gòu)成了焦?fàn)t的基本部分：蓄熱室、斜道、燃燒室、碳化室、爐頂?shù)?，占耐火磚總量的6070。 焦?fàn)t的一個爐役約2030年，有的高達45年。焦?fàn)t硅磚的質(zhì)量好壞直接影響到爐役的長短。四、焦?fàn)t硅磚介紹（silica brick for coke oven) 2007-5-20 44 焦?fàn)t

19、硅磚性能要求： 1、荷重軟化溫度高； 焦?fàn)t硅磚在高溫下能承受爐頂上裝煤車的動負荷，并可在長期使用中不變形。 2、熱導(dǎo)率高； 焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃燒室的熱傳導(dǎo)加熱而煉成的，所以，砌筑燃燒室的硅磚應(yīng)該有較高的熱導(dǎo)率。2007-5-20 45 3、高溫時有良好的熱震穩(wěn)定性能； 由于焦?fàn)t周期性的裝煤、出焦，引起燃燒室墻兩側(cè)硅磚的溫度急劇變化。正常操作的溫度波動范圍內(nèi)不會引起硅磚的嚴重裂紋和剝落，因為在600以上，焦?fàn)t硅磚具有良好的抗熱震性能。 4、體積穩(wěn)定性； 晶型轉(zhuǎn)化良好的硅磚中，殘存石英不大于1，加熱時的膨脹集中在600 以前，之后膨脹顯著趨緩。在焦?fàn)t正常操作時，溫度不會降至600 以下，砌

20、體的變化也不會大，可長期保持砌體的穩(wěn)定和嚴密性。2007-5-20 46 某焦?fàn)t硅磚的理化性能項 目指 標(biāo)備 注SiO2，94耐火度，1690荷重軟化溫度，1620重?zé)€變化,1450,%0.2顯氣孔率，2225依使用部位而定常溫耐壓強度，MPa20碳化室墻和爐底 30MPa熱導(dǎo)率，W/(mK)1.7參考指標(biāo)2007-5-20 47 焦?fàn)t硅磚的礦物組成 真密度為3的硅磚，其礦物組成為：鱗石英6070，方石英1525，殘存石英35，玻璃相及其它10。焦?fàn)t硅磚殘存石英少，鱗石英多，可以減輕烘爐時的膨脹和在使用過程中由于殘存石英的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的膨脹。 新砌焦?fàn)t烘爐的溫度時間升溫曲線應(yīng)合理制定，尤其是在

21、600 前膨脹較激烈的階段應(yīng)嚴格控制。2007-5-20 48 混鐵爐是煉鋼廠儲存鐵水、保持和均化鐵水溫度及其成分的熱工設(shè)備，有時也用于脫出鐵水中的雜質(zhì)成分?；扈F爐一般用煤氣作燃料，操作溫度為15001550。該爐通常為臥式圓筒形（見下圖），兩端呈球面狀。 第四節(jié) 混鐵爐用耐火材料（Refractories for hot metal mixer)2007-5-20 49 2007-5-20 50 混鐵爐爐體的厚度一般為600800mm?？繝t殼鋪1020mm厚的石棉板、耐火纖維氈或硅鈣板，再砌筑厚度為113230mm的粘土質(zhì)隔熱磚或漂珠磚作永久層。 堿性混鐵爐內(nèi)襯的工作層通常用普通鎂磚砌筑，有

22、些部位用高鋁磚。兌鐵水口處，開始采用含碳化硅的材料。 有的鋼廠已在混鐵爐內(nèi)采用整體澆注工藝（預(yù)制件）。2007-5-20 51 煤氣燒嘴磚一般采用高鋁材質(zhì)制作，裝鐵水口的爐蓋內(nèi)襯工作層因掉磚需經(jīng)常維修，一般用粘土磚砌筑，改用耐火澆注料或耐火可塑料做成的整體工作層，壽命顯著提高。 混鐵爐內(nèi)襯經(jīng)常承受鐵水沖刷、熔渣侵蝕、溫度變化和動負荷振動等作用，較易損毀。特別是渣線區(qū)、出鐵口、裝鐵水口等部位更是薄弱環(huán)節(jié)，在一個爐役中，該處內(nèi)襯需要經(jīng)常維修。如果在混鐵爐內(nèi)脫除鐵水中的雜質(zhì)，將嚴重影響爐體內(nèi)襯的壽命。2007-5-20 52 砌筑鐵水預(yù)處理容器使用的耐火材料。 鐵水預(yù)處理是鐵水在進入煉鋼爐冶煉前，為

23、除去某些有害成分或回收某種有益成分的處理過程。第五節(jié) 鐵水預(yù)處理用耐火材料（Refractories for hot metal pretreatment）2007-5-20 53 預(yù)處理對耐火材料的損毀 鐵水預(yù)處理技術(shù)實質(zhì)是首先在出鐵溝脫硅，然后在同一容器中進行脫硅、脫磷和脫硫處理。鐵水預(yù)處理可分為鐵流攪拌法、機械攪拌法、氣體攪拌法等。2007-5-20 54 脫硅處理主要采用氧化鐵系處理劑；脫磷處理主要采用石灰系（CaO-CaF2-FeO）或蘇打系（Na2CO3）處理劑； 脫硫主要采用石灰系（CaO-CaF2或CaF2）處理劑。 這些處理劑對耐火材料具有強烈的侵蝕作用，特別是蘇打灰的主要成

24、分為Na2CO3，除強烈的侵蝕耐火材料外，還能使含石墨的耐火制品受到嚴重氧化。石灰系處理劑中包括螢石，其中的CaF2易于分解，有較強的腐蝕性，使磚中的骨料受到侵蝕。2007-5-20 55 幾種處理劑對耐火材料侵蝕程度處理內(nèi)容處理劑對磚的相對侵蝕程度脫 磷Na2CO31大 侵蝕 小CaO-CaF2-FeO2脫 硅FeO3CaO-CaF24脫 硫CaF252007-5-20 56 鐵水預(yù)處理過程中爐渣由酸性變?yōu)閴A性，倒入鐵水時承受高溫和熱震，在運輸和裝卸鐵水時發(fā)生沖刷和振動等，這些因素均能加劇耐火材料的損毀。因此，要求耐火材料具有較好的抗渣性能、抗沖刷和抗熱震的能力。2007-5-20 57 出鐵溝用耐火材料 鐵水通常在出鐵溝中首先脫硅，以粉狀鐵鱗作處理劑，將其噴入鐵水中，可使硅含量脫到小于0.15%，使用Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料作出鐵溝內(nèi)襯，由于其中的SiC和C被氧化，使內(nèi)襯損毀加劇，使用壽命不長。改用Al2O3-MgO質(zhì)澆注料作內(nèi)襯后，延緩了爐渣滲透，鐵溝壽命有所