高炉耐火材料衬里技术：保护炉壳实现长寿命连续运行
高炉耐火衬里概述
现代高炉(BF)衬筑耐火材料保护炉壳免受炉内高温磨蚀材料侵害。耐火衬里实施冷却进一步强化防过热破坏保护。高炉拥有复杂耐火系统，提供长寿命、安全运行，保障高炉可用性、近乎连续运行和出铁。
高炉不同区域工况差异大，耐火材料承受多样磨损机制。详见表1。因几何形状和不同阶段冶金过程差异，各区域应用条件不同。各区域存在多样物理化学磨损机制且复杂。例：机械磨损/磨蚀主要发生上部炉身(料柱下降、含尘气体冲刷)；高热负荷是中下部炉身和腹部主要因素；炉底区水平/垂直热金属流动结合热应力常形成不利"象足状"空蚀。各区域耐火材料须针对性应对磨损机制防损坏。因此炉身(上/中/下)、腹、缸、风口赛瓦区、炉底、铁口均需根据各自应用条件选用不同质量耐火材料。
| 表1 高炉不同区域侵蚀机制 | ||
|---|---|---|
| 区域 | 侵蚀机制 | 导致损坏 |
| 上部炉身 | 磨蚀 | 磨损 |
| 中等温度波动 | 剥落 | |
| 冲击 | 砖脱落 | |
| 中部炉身 | 中-重温度波动 | 剥落 |
| 气流冲蚀 | 磨损 | |
| 氧化和碱侵蚀 | 劣化 | |
| 下部炉身 | 剧烈温度波动 | 严重剥落 |
| 气流喷射冲蚀和磨蚀 | 磨损 | |
| 氧化和碱侵蚀 | 劣化 | |
| 热疲劳 | 炉壳损伤和裂纹 | |
| 腹部 | 中等温度波动 | 剥落 |
| 氧化和碱侵蚀 | 劣化 | |
| 磨蚀、气流冲蚀和高温 | 磨损 | |
| 缸部 | 高温 | 应力攻击 |
| 渣和碱侵蚀 | 劣化和磨损 | |
| 中等温度波动 | 剥落 | |
| 磨蚀 | 磨损 | |
| 风口和 赛瓦区 | 极高温度 | 应力开裂和磨损 |
| 温度波动 | 剥落 | |
| 氧化(水和氧) | 劣化 | |
| 渣侵蚀和冲蚀 | 磨损 | |
| 挂渣损伤 | 冷却元件和风口损失 | |
| 炉底 | 氧化(水) | 磨损 |
| 锌、渣和碱侵蚀 | 劣化 | |
| 高温 | 应力积累和开裂 | |
| 热液体冲蚀 | 烧穿风险 | |
| 铁口(出铁口) | 剧烈温度波动 | 剥落 |
| 冲蚀(渣和铁) | 铁口磨损 | |
| 锌和碱侵蚀 | 劣化 | |
| 气体侵蚀和氧化(水) | 磨损和劣化 | |
根据磨损机制选择合适耐火组合至关重要。不当选择常导致耐火失效，后续成复杂难题。图1展示高炉各区域耐火衬里类型及趋势。
图1 高炉各区域耐火衬里
现代高炉炉龄预期15年以上。大型高炉趋势面临严苛工况。为达长衬里寿命，需高档耐火材料与高效冷却系统良好结合，严控炉况操作，确保高产出无过度侵蚀炉壁、最小化大规模"滑料"造成耐火衬里过早损坏。
炉底和部分炉底主要受铁水、渣、碱侵蚀。砖承受高载荷温度。需耐火衬里具备高强度、低压缩蠕变、高荷重软化温度(RUL)和皮塞克锥等效(PCE)值。部分高炉炉底和下部炉底用低铁致密42%-62%氧化铝、莫来石砖、常规碳砖等，趋势转向超微孔石墨砖。炉底寿命主要取决：
- 操作因素：(1)高产出致高热负荷，(2)高流速致更多冲蚀，(3)高喷煤致低透气性。均非操作员可控，唯一对策是强健耐火衬里。
- 衬里系统设计：整体衬里受热应力主导，设计不足后果严重。设计必须：(1)优化热阻，(2)提供膨胀缓冲，(3)防止开裂，(4)消除内置屏障。
- 耐火性能：含(1)高导热率，(2)抗碱性，(3)低渗透率，(4)低热膨胀，(5)低弹性模量。
微孔碳砖新发展和半石墨/石墨砖质量提升，增强了抗铁渣渗透性和导热性。碱凝结和热应力在~800℃等温线形成脆性层问题，通过小块化、最佳膨胀余量等解决。碳质耐火材料外覆粘土/莫来石砖防氧化，此"陶瓷杯"设计重要，因等温线随杯材质量厚度改变。
炉身砖特别暴露于自上而下装料磨蚀和高炉压力下高速烟尘颗粒冲蚀(CO环境)。需耐火材料具备高强度、低渗透率、高耐磨性、抗CO解离。超重负荷粘土砖或致密氧化铝砖(Al₂O₃ 39%-42%)可赋予炉身应用所需特性。
风口缸部受温变、磨蚀、碱侵蚀；腹部和下部炉身受热震、磨蚀、CO攻击等。高炉关键区(风口、缸、腹、下部炉身)，碳化硅(SiC)、SiC-Si₃N₄、刚玉耐火材料已取代碳砖和62%Al₂O₃/莫来石砖。利用SiC高导热配合水冷壁。但因铁口风口区漏水问题，多高炉用高铝或铝铬刚玉耐火材料。表2列现状与趋势。
| 表2 高炉耐火材料现状与趋势 | ||
|---|---|---|
| 区域 | 现状 | 趋势 |
| 炉身 | 39%-42% Al₂O₃ | 超重负荷粘土砖 |
| 腹部 | 39%-42% Al₂O₃ | 刚玉、SiC-Si₃N₄ |
| 缸部 | 62% Al₂O₃、莫来石 | SiC-Si₃N₄ |
| 风口 | 62% Al₂O₃、莫来石 | 自结合SiC、铝铬刚玉 |
| 下部炉底 | 42%-62% Al₂O₃、莫来石、常规碳砖 | 超微孔碳/石墨砖 |
| 铁口 | 粘土沥青结合、高铝/SiC沥青结合 | 粘土沥青结合、高铝/SiC沥青结合 |
| 主铁沟 | 沥青/水结合粘土/熟料/沥青结合捣打料、浇注料 | 超低水泥浇注料(ULCC)、SiC/氧化铝混合料、喷补修补技术 |
| 翻转包嘴 | 高铝/SiC捣打料/低水泥浇注料 | 高铝/SiC/碳/ULCC |
高炉主要耐火材料类型
- 烧结碳砖：微孔碳砖、半石墨碳砖、微孔碳化硅碳砖。主料：高温电煅无烟煤、合成石墨、碳化硅。具高导热率、低渗透率、良好抗铁水碱性。半石墨碳砖用作下部炉底衬里。微孔碳砖用作强化冶炼高炉上部炉底和下部炉衬。微孔碳化硅碳砖用于炉衬、铁口、渣口砌筑。
- 小型烧结碳砖：模压微孔碳砖、碳化硅碳砖。热压成型、高温烧结、精磨。主料同前，粘结剂用煤焦油/酚醛树脂及超微粉添加剂。模压微孔碳化硅碳砖可用于风口、渣口、铁口、炉衬、造渣带砌筑。
- 陶瓷杯砖：塑性相结合复合刚玉砖。优质莫来石、高纯熔融刚玉为原料，加特定粘结剂高压成型高温烧结。特性：高RUL、致密结构、低气孔率、高抗侵蚀性。用于大型高炉炉底、陶瓷杯底衬、风口/铁口/渣口组合砖。
- 刚玉砖：棕刚玉、碳化硅为主料，特种添加剂，模压烧结精加工。特性：良好抗碱、抗渣侵蚀。适用炉底、炉衬陶瓷杯、风口、铁口、渣口衬里。
- SiC-Si₃N₄砖：多种结合体系和SiC含量变体。总体直接结合SiC具高抗碱/锌性、高导热率、优异抗冲蚀、极佳热震稳定性、抗侵蚀和CO攻击。氮化物结合SiC常用于炉腹等。
- 微孔氧化铝碳砖：特级矾土熟料、刚玉、石墨、中铝为主料，多种超细粉添加剂。特性：微孔、良好抗碱性、高导热率。用于高炉缸部、炉身、冷却壁衬里。
- 50%氧化铝级砖：通常升级超重负荷粘土砖。组分：矾土、燧石粘土/熟料、可塑粘土混合。低气孔率、1600℃再烧膨胀、良好抗热循环。高纯原料制品具良好承载性、优异抗碱性。
- 60%氧化铝级砖：材质多样。最常见优质中铝砖基于硅线石矿物(常配少量煅烧氧化铝、可塑粘土)。其他含合成熟料、矾土、煅烧氧化铝、可塑粘土。高莫来石化程度赋予优异抗蠕变(尤含硅线石耐火材料)。硅线石砖常磷酸盐/化学结合并固化以提高热震稳定性。
- 70%氧化铝级砖：基于矾土/高铝熟料加粘土。~1400℃烧成防烧成过度膨胀(硅质成分与矾土反应生成莫来石致膨胀)。使用中高膨胀值减小接缝。
- 80%氧化铝级砖：基于矾土加煅烧氧化铝、粘土。~1420-1480℃烧成保持尺寸稳定。烧成品~20%气孔率、良好强度和抗热循环。常磷酸盐/化学结合(固化/烧成)赋予更高耐磨、降气孔率。
- 粘土砖：通常两种以上粘土配合。燧石/高岭土赋予耐火度，熟料(熟料)控制干燥烧成收缩，可塑粘土利于成型结合。分级：(1)超重负荷砖(PCE>33)典型Al₂O₃ 40%-45%，良好耐火度、抗热震、高温体积稳定；(2)重负荷砖(PCE 31½-33)类似超重负荷但用较低质燧石/熟料和可塑粘土(典型Al₂O₃ 40%-45%)，常替代热循环可能成问题的中负荷砖；(3)中负荷砖(PCE 29-31)(典型Al₂O₃ 38%-42%)用于较轻工况，抗热震低于超重/重负荷；(4)轻负荷砖(PCE 15-29)(典型Al₂O₃ 35%-38%)用作后衬及中温区；(5)半硅质砖典型Al₂O₃ 18%-25%、SiO₂ 72%-80%，优异承载强度和较高温度体积稳定性。
- 铁口泥：需良好粘度和烧结性能，兼具抗侵蚀/冲蚀性。
制造工艺