解析高爐爐缸耐火材料應用現狀及重要技術指標

肖亮

摘 要：近年來隨著煉鐵技術的發展，高爐的利用系數不斷提高，也就對高爐的耐火材料和冷卻系統提出了更高的要求。銅冷卻壁的應用，保證了爐腹以上部位的安全性，限制高爐長壽的環節轉移至爐缸爐底的壽命。近幾年高爐爐缸燒穿事故時有發生，造成了嚴重的經濟損失，不合理的爐缸爐底結構是造成短命和燒穿事故的原因之一。因此，高爐爐缸選用合理的耐火材料尤為重要。

關鍵詞：高爐爐缸 耐火材料 應用 重要技術指標

一、高爐爐缸耐火材料的應用現狀

目前，高爐爐缸部位采用的耐火材料主要可分為如下三種：以碳素為基質的碳磚，以氧化鋁為基質的剛玉質磚，以及碳素和氧化鋁適當比例復合的碳復合材料。

1.1碳磚

碳磚的種類很多，按石墨化程度、焙燒制度、添加劑種類等可分為高密度碳磚、微孔碳磚、超微孔碳磚、半石墨質塊、石墨質塊、高溫模壓碳塊、自焙碳磚等等。碳磚的優勢在于其高導熱性，導熱系數一般都在 10 W·m-1·K-1以上。碳磚爐缸結構體現了“傳熱學”在高爐冷卻系統中的應用，利用碳磚的高熱導率將熱量傳遞給冷卻系統而實現降低碳磚熱面溫度，并在碳磚和鐵水間形成保護層，達到保護爐缸內壁的目的。

實際生產中，高爐開爐初期無法迅速形成保護層，碳磚直接接觸高溫鐵水，侵蝕劇烈。高爐運行中，也經常因為操作、原料的變化，保護層不能穩定的存在，一旦保護層消失，便加速碳磚侵蝕。

1.2剛玉質磚

剛玉質磚以氧化鋁為基質，添加少量添加劑，利用氧化鋁優良的抗鐵水溶蝕性，提高了磚襯抵御高溫鐵水的能力。目前，剛玉質磚的應用主要是以陶瓷杯的形式與碳磚搭配使用。陶瓷杯結構是指在高爐爐缸碳磚內側砌筑陶瓷材料，利用陶瓷材料優良的抗鐵水溶蝕能力將碳磚和鐵水隔開，減緩鐵水對爐缸側壁的侵蝕，將 800℃堿金屬侵蝕線留在了陶瓷杯內，降低了碳磚的脆化程度。

實際生產中，陶瓷杯結構也出現了不足之處：（1）陶瓷杯僅在開爐之后起保護作用，待剛玉質磚被侵蝕殆盡之后，剩余的碳磚直接面對鐵水，陶瓷本質上是延緩了侵蝕進度。（2）由于陶瓷杯的導熱系數較低、熱阻大，使得爐缸部位的冷卻系統難以發揮作用。

1.3碳復合材料

碳復合材料是一種新型爐缸耐火材料，以河南五耐集團研發的碳復合磚為例。碳復合磚合理地將碳組分引入到氧化鋁中，進行陶瓷材料與碳素材料的復合。碳復合磚結合了碳磚和陶瓷杯的優點，利用碳組分在其內部形成了類似“導線”的結構提高了導熱率，同時具備了陶瓷材料優良的抗侵蝕性能。實際生產中，碳復合磚利用其高導熱率在鐵水與磚面接觸面形成保護層，又利用其高抗侵蝕性保證了保護層不能穩定存在時爐缸部位的安全。

碳磚結構利用其高導熱性能充分發揮了冷卻系統的作用，但難抵御高溫鐵水的溶蝕；陶瓷杯結構充分發揮其較高的抗侵蝕性，將碳磚與鐵水隔離開來，卻難以發揮冷卻系統的作用；碳復合磚兼顧了碳磚和陶瓷杯的優勢，實現“自保護”和“他保護”結合，是新一代爐缸爐底耐火材料的發展方向。

二、高爐爐缸耐火材料的重要技術指標

碳磚、陶瓷杯用剛玉質磚和碳復合磚這三種耐火材料的具體性能指標一直是耐材研發者和耐材選用者關注的焦點。耐火材料的技術指標眾多，從爐缸部位耐材的研發歷程和選用原則來看，關注的主要是導熱系數、鐵水溶蝕指數，抗爐渣侵蝕性和微氣孔化指標這四種重要技術指標。因此，正確理解這四項指標的作用機理，無論是對耐材企業還是鋼鐵企業都尤為重要。

2.1導熱系數

導熱系數是爐缸用耐火材料的最重要性能之一，即使耐火材料具備較高的抗侵蝕性，也只能減緩侵蝕速率，如目前應用較廣的陶瓷杯結構，也會在爐役后期完全被侵蝕。因此，在耐火材料表面形成保護層是延長爐缸壽命的正確理念。

碳磚和剛玉質磚的導熱分別是由石墨晶格振動和Al2O3晶格振動決定的，而碳復合磚的導熱是由石墨晶格振動與Al2O3晶格振動共同決定的。從國內外典型高爐耐火材料導熱系數的比較，可以看出：（1）碳磚的導熱系數與剛玉質磚的導熱系數相差比較大。這是因為C晶格振動的導熱能力強于Al2O3晶格的導熱能力。（2）碳磚和剛玉質磚的導熱系數大致隨溫度增加而增加。因為對于單一材料或振動頻率相同的復合材料，隨著溫度的升高，聲子運動加強，所以熱導系數增大。（3）碳復合磚的導熱系數隨溫度增加而減小，這是由于C與Al2O3聲子振動頻率不同，聲子間的相互作用或碰撞加強，對平衡位置的偏移加強，引起的散射加劇，從而使導熱載體聲子的平均自由程減小，從而導致導熱率隨溫度升高而下降。

2.2鐵水溶蝕指數

高爐破損調研結果表明，爐缸部位的侵蝕主要是鐵水溶蝕、鐵水滲透侵蝕及鐵水環流的機械磨損。耐火材料的鐵水溶蝕指數代表其抵抗高溫鐵水的機械沖刷和化學熔蝕能力，直接關系到耐火材料的侵蝕狀況。

2.3抗爐渣侵蝕性

渣相開始形成時FeO含量較高，對耐火材料有很強的侵蝕性。爐缸部位的耐火材料同樣也會受到爐渣的侵蝕，如果用于爐缸部位的耐火材料抗渣侵蝕性差，磚襯就將很快被侵蝕。武鋼高爐爐身下部曾用高鋁磚或粘土磚砌筑，雖然厚度很大，但一般生產2～3年就被侵蝕殆盡，主要是這些耐火材料的抗爐渣侵蝕性很差。

碳復合磚和碳磚的抗爐渣侵蝕性較好，遠低于剛玉質磚的抗爐渣侵蝕性。Al2O3質類的耐火材料抗渣性能之所以較差，是因為在高溫熔融狀態下爐渣中的CaO和SiO2與Al2O3，發生反應，生成的有關礦物不斷熔入爐渣中，從而使磚襯不斷被侵蝕，在磚襯和爐渣界面附近形成的反應層和尖晶石富集層及其所含的礦物對磚襯的侵蝕均有重要影響。而C元素基本不與渣相中的各類氧化物反應，所以表現出來的抗侵蝕性能較好。

2.4微氣孔化指標

耐火材料的微孔化指標包括透氣度、平均孔徑和<1μm孔容積。爐缸部位耐火材料的微孔化指標與侵蝕程度有關，包括鐵水的滲入，鋅、堿金屬的化學侵蝕，CO2和水蒸氣的氧化侵蝕等。微氣孔化指標的提高可以抵御或減緩部分侵蝕的發生。除此之外，微孔化指標的提高也有利于提高磚襯的機械性能，抵御鐵水沖刷帶來的破壞，同時減少熱應力導致“環裂”現象的發生。

從以上分析來看，高爐爐缸的侵蝕機理受多種復雜因素共同影響，對爐缸部位耐火材料的質量提出了更高的要求。耐火材料的各種性能指標是互相影響的，因此不應強調單一性能的提高，應注重各項性能協調綜合提高。通過幾種耐火材料的對比，說明碳復合磚的綜合性能優于碳磚和剛玉質磚，更適用高爐爐缸部位。

三、結論

一是綜合分析導熱系數、鐵水溶蝕指數、抗爐渣侵蝕性和微氣孔化指標這四項重要技術指標，碳復合磚的性能指標優于碳磚和陶瓷杯，更適合高爐爐缸部位。

二是碳復合磚的導熱系數接近于美國NMA碳磚的水平，因為Al2O3基質中引入了C元素，增強了整體的導熱能力；碳復合磚和剛玉的鐵水溶蝕指數低于碳磚。因為Al2O3可以降低耐火材料的鐵水溶蝕指數；碳復合磚和碳磚的抗爐渣侵蝕性優于剛玉質磚的抗爐渣侵蝕性，因為C元素基本不與渣相中的各類氧化物反應；碳復合磚的微氣孔化指標優于碳磚和剛玉質磚，因為引入Si元素，利用其在焙燒過程中所形成的晶須填補空隙。因此，碳復合材料是新一代爐缸爐底耐火材料的發展趨勢。

三是耐火材料的各種性能指標相互影響，應用在高爐爐缸部位的耐材不能單純追求某一指標的高低，應注重各項指標協調綜合提高。