郭陽陽

重慶長征重工有限責(zé)任公司

摘 要：耐火材料應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、有色金屬等各個(gè)領(lǐng)域。在高爐本體設(shè)計(jì)中可以根據(jù)高爐各部位的使用要求來選擇合理的耐火材料。研究高爐長壽技術(shù)以及降低冶煉生鐵成本等方面，高爐內(nèi)襯耐火材料的性質(zhì)都具有決定性的因素。

本課題以耐火材料在高爐中的使用為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)比介紹高爐中各部位用耐火材料性能，以及耐火材料在高爐中應(yīng)用的發(fā)展方向，從而提出延長高爐壽命、降低高爐生產(chǎn)成本和提高鐵水質(zhì)量的方法。

關(guān) 鍵 詞：耐火材料 高爐長壽 生產(chǎn)成本 出鐵質(zhì)量

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 高爐用耐火材料的研究目的及意義

耐火材料行業(yè)是為高溫技術(shù)服務(wù)的重要基礎(chǔ)行業(yè)，與鋼鐵工業(yè)的關(guān)系非常密切^[1]。近年來由于我國在高爐冶煉技術(shù)及產(chǎn)量等方面發(fā)展迅速，促進(jìn)了高爐用耐火材料的快速發(fā)展。耐火材料在高爐中起到了防止?fàn)t襯的侵蝕，保證高爐的使用壽命等作用，其合理選用越來越受到人們的重視。由于生產(chǎn)過程中高爐爐體各部位的溫度等生產(chǎn)條件不同，對(duì)耐火材料要求所具有的性質(zhì)都不相同，這就需要我們選擇相應(yīng)的耐火材料來滿足我們的要求。而不同的化學(xué)組成及生產(chǎn)過程會(huì)使耐火材料具有不同的使用特性。因此，我們要想經(jīng)濟(jì)的選用合理的耐火材料，就必須要了解它所具備的性質(zhì)。

高爐長壽是現(xiàn)代高爐追求的目標(biāo)，高爐長壽就意味著經(jīng)濟(jì)效益的提高^[2]。高爐耐火材料的使用對(duì)生產(chǎn)過程是否能夠順利進(jìn)行，高爐冶煉生鐵成本是否能夠降低，高爐是否能夠長壽都有著重大的關(guān)系。本課題以耐火材料在高爐中的使用為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)比介紹高爐中各部位用耐火材料性能，以及耐火材料在高爐中應(yīng)用的發(fā)展方向，從而提出延長高爐壽命、降低高爐生產(chǎn)成本和提高鐵水質(zhì)量的方法。

1.2 耐火材料在高爐煉鐵中的發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著近年我國政策推動(dòng)整合，使得鋼鐵生產(chǎn)快速發(fā)展，同時(shí)也促使高爐爐襯用耐火材料取得了巨大的進(jìn)步，在質(zhì)量水平、生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品品種方面，正逐步追趕世界先進(jìn)水平，并逐漸取代國外的產(chǎn)品，以滿足我國煉鐵生產(chǎn)發(fā)展的需要^[3]。我國高爐在耐火材料的使用，經(jīng)歷從氧化物耐火材料為主的產(chǎn)品到現(xiàn)在以氧化物-非氧化物復(fù)合耐火材料為主要產(chǎn)品的變遷。近年來在耐火材料的研制也做出了重大成果，分別出了高鋁磚、鎂碳磚、石墨磚等一些產(chǎn)品，它們都在高爐上起到了非常明顯的作用。同時(shí)我國還利用了豐富的高鋁釩硅土資源，研制出了新的高鋁磚，經(jīng)過實(shí)踐證明在大型高爐上面使用也能取得良好的效果。

宋木森^[4]通過對(duì)幾十座次的高爐破損調(diào)查，研究了高爐爐襯和冷卻器的破損機(jī)理；研究出高爐耐火材料特殊性能試驗(yàn)方法，并開發(fā)出系列化優(yōu)質(zhì)碳磚，陶瓷質(zhì)耐火材料；通過高爐高爐爐體結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)的研究，探索出長壽高爐的合理設(shè)計(jì)方案。

薛慶國、高小武、程素森利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)冷卻壁高爐爐墻的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同的磚襯材質(zhì)及其對(duì)爐墻溫度場的影響。通過對(duì)結(jié)果總結(jié)得出來在高爐爐身穩(wěn)定的磚襯層是不存在的。

金勝利、李亞偉等選取高爐出鐵溝耐火材料常用的5種骨料和攀鋼高爐鈦渣作為研究對(duì)象，通過相圖熱力學(xué)計(jì)算和靜態(tài)坩堝侵蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，探討了攀鋼高爐鈦渣條件下出鐵溝耐火骨料的選擇。經(jīng)過熱力學(xué)計(jì)算表明，電熔剛玉具有較好的抗鈦渣侵蝕能力。

董紅芹、尤偉等通過研究礬土類型、剛玉種類、莫來石類型以及燒成氣氛對(duì)Al₂O₃—SiO₂材料蠕變性能的影響，并借助SEM 分析了燒后試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)材料類型的帆土做原料時(shí)，會(huì)使蠕變性變差。而且還會(huì)隨著雜質(zhì)質(zhì)量的增多，也會(huì)使蠕變性能變差。通過分析顯微結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)試樣的顯微結(jié)構(gòu)也能夠影響材料的蠕變性能，牢固的莫來石網(wǎng)絡(luò)骨架是制備低蠕變耐火材料的關(guān)鍵。

左海濱、王聰?shù)冉柚跓崃W(xué)分析和氧化性能研究實(shí)驗(yàn)，研究了高爐爐缸用炭磚在空氣氣氛下的氧化行為和氧化動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明，炭磚的質(zhì)量損失主要來自于石墨C氧化，質(zhì)量損失量隨溫度升高、保溫時(shí)間延長而增大。炭磚的氧化過程屬于連續(xù)型氧化，而非保護(hù)型氧化，石墨C氧化將導(dǎo)致炭磚內(nèi)部形成多氣孔的氧化層,隨溫度升高和時(shí)間增加,氧化層面積增大，材料耐壓強(qiáng)度和密度降低。

1.2.2 國外研究現(xiàn)狀

由于國外鋼鐵行業(yè)興起較早，導(dǎo)致耐火材料工業(yè)的發(fā)展與國內(nèi)相比而言發(fā)展較早。經(jīng)過這些年的發(fā)展，高爐所用耐火材料的壽命和質(zhì)量都得到了顯著的提高，使得國外用耐火材料呈現(xiàn)出消耗量降低，生產(chǎn)總量減少的情況。目前在高爐本體主要是由優(yōu)質(zhì)SiC耐火磚砌筑，再加上高爐操作技術(shù)的改進(jìn)和冷卻系統(tǒng)的改善，通過實(shí)際操作證明，可以使高爐壽命達(dá)到10年甚至更久不用中修?，F(xiàn)在高爐正在向大型化、高產(chǎn)量發(fā)展，粘土質(zhì)耐火材料和高鋁質(zhì)耐火材料已經(jīng)不能滿足高爐的使用要求，使與總耐火材料的比重正在下降，而且還有逐年降低的趨勢。相反的是，碳或碳化硅耐火材料與總耐火材料的比率正在逐年增加。通過實(shí)際操作可以證明碳或碳化硅耐火材料能夠顯著提升高爐的使用壽命。

近幾年來，俄羅斯國家的下塔吉爾鋼鐵公司研究開發(fā)出了熱風(fēng)爐砌筑的格子磚使用鎂橄欖石磚和鎂橄欖石格磚，這兩種磚的性能其耐壓強(qiáng)度比硅磚高0.5—1.5倍，導(dǎo)熱率也比硅磚高。根據(jù)實(shí)踐證明這種磚在高爐以及熱風(fēng)爐上面使用，都大大的提高了爐子的壽命取得了良好的效果。

Daniel MALDONADO 和Jim R POST^[11]等人討論研究了鐵水流動(dòng)由于溫度差形成的對(duì)爐缸爐底侵蝕造成的影響，通過試驗(yàn)表明，溫度的變化能夠影響到鐵水對(duì)爐缸爐底的侵蝕，并且溫差變化的越大對(duì)爐缸爐底的侵蝕就越嚴(yán)重，反之溫差越小侵蝕就越輕。

考慮到現(xiàn)代高爐內(nèi)襯設(shè)計(jì)要求，MIFI-BUSkeleting(斯洛伐克)為高爐1 OAOChMK(車?yán)镅刨e斯克冶金廠)開發(fā)了一個(gè)基本的設(shè)計(jì)。它包括現(xiàn)代高品質(zhì)石墨化碳?jí)K在微孔導(dǎo)熱爐上和莫來石耐火材料的使用；爐壁的雙環(huán)壁中的碳?jí)K水平鋪設(shè)；外部灌溉（水噴淋冷卻壁的錐形結(jié)構(gòu)）和增加在底殼高度為1800毫米，這是20%的爐膛直徑。經(jīng)過實(shí)踐證明這種高爐內(nèi)襯的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)過程中可以保證高爐的壽命以及高爐的高產(chǎn)。

1.3 高爐用耐火材料分類、性質(zhì)及用途

1.3.1 高爐用耐火材料分類

（1）不定形耐火材料是耐火材料一種新的發(fā)展趨勢。近年來，隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，定性耐火材料已經(jīng)不能滿足高爐用耐火材料的使用要求，導(dǎo)致定性耐火材料所占的比重正在逐年遞減，而不定性耐火材料所占的比重在逐年增加。它對(duì)于增加高爐爐襯的壽命以及提高高爐的出鐵率都有非常大的作用，同時(shí)可以降低冶煉的生產(chǎn)成本取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前不定形耐火材料在小型高爐的應(yīng)用中，主要是在爐襯部位采用耐火澆注料，而在大型高爐上，冷壁中均采用SiC澆注料進(jìn)行砌筑。高爐爐腹?fàn)t身的內(nèi)襯是特別容易損壞的地方，高爐常常因?yàn)閮?nèi)襯過早的損壞而停修?，F(xiàn)在最常用的方法就是包扎維護(hù)、噴補(bǔ)和壓入料修補(bǔ)等方法，從而提高高爐正常工作的壽命。目前，國內(nèi)外在高爐出鐵溝部位大都采用Al₂-O₃-SiC-C質(zhì)不定形耐火材料，最近德國研究出自留澆注料，經(jīng)實(shí)踐得出可以使出鐵溝工作內(nèi)襯的壽命能夠大幅度的提高。

日本鋼管公司福山廠2號(hào)高爐經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在爐身上部使用Al₂O₃50%，SiO₂45%比例的高密度澆注料，能夠使材料很少發(fā)生剝落現(xiàn)象，并且提高爐身的使用壽命。

日本Kaw asaki公司研究開發(fā)出Al₂O₃-MgO澆注料，增加了其材料強(qiáng)度和抗渣滲透性，其壽命也比Al₂O₃-尖晶石澆注料提高了20%。

（2）碳質(zhì)耐火材料是以炭素材料為主要成分制成的復(fù)合耐火材料，并且以不同形態(tài)的石炭成分所構(gòu)成的耐火材料，其性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。這種碳質(zhì)耐火材料都具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，耐高溫強(qiáng)度高、并且還有較高的抗熱震性和較強(qiáng)的高溫耐磨性。因?yàn)楹疾牧暇哂羞@些優(yōu)良的特點(diǎn)，因此在國內(nèi)外很早就開始在高爐上使用。高爐的內(nèi)襯在50年代以前都是使用的黏土磚，但是這種耐火磚的質(zhì)量一般，并且在低溫的情況下也會(huì)參加化學(xué)反應(yīng)，由于這些問題的存在都會(huì)使高爐的壽命降低。為解決這一問題在50年代以后就開始在高爐內(nèi)襯使用碳質(zhì)耐火材料。經(jīng)過實(shí)踐證明，碳質(zhì)耐火材料是高爐爐襯理想的材料。

根據(jù)數(shù)據(jù)搜索統(tǒng)計(jì)出世界各個(gè)國家在高爐開始研究碳質(zhì)耐火材料，使用碳質(zhì)耐火材料，以及推廣碳質(zhì)耐火材料的時(shí)間。如下表1所示，在這些國家當(dāng)中德國最先開始研究碳質(zhì)耐火材料，并且在使用也推廣也是最早；而中國相比較其他國家來說就相對(duì)比較晚一點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)我國高爐爐體各部位使用用碳質(zhì)耐火材料的統(tǒng)計(jì)，制作出我國各大高爐每個(gè)部位內(nèi)襯使用碳質(zhì)耐火材料的具體情況。如表2。

李亞偉、桑紹柏、金勝利提出了關(guān)于研究碳復(fù)合耐火材料的工作中主要存在四個(gè)方面。①可以通過改變碳源和抗氧化劑之間的賦存狀態(tài)，從而用來提高碳的氧化性。②可以通過在耐火材料中引入納米碳源并改變基質(zhì)中高度分?jǐn)?shù)，并且提高與骨料接觸面，形成碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；或者是采用多種碳源復(fù)合，形成多種能量耗散機(jī)制，充分發(fā)揮抵抗裂紋擴(kuò)展的能力、抗渣侵蝕能力和吸收應(yīng)力。③通過優(yōu)化氣孔結(jié)構(gòu)，調(diào)整基質(zhì)化學(xué)和粒度組成，并且控制原位陶瓷相形貌和形成，利用顆粒增強(qiáng)、裂紋偏析等機(jī)制改善材料的抗熱震性及韌性。④通過優(yōu)化結(jié)合劑次生炭結(jié)構(gòu)，提高結(jié)合劑環(huán)保型，在改善其抗氧化性的同時(shí)進(jìn)一步改善材料的結(jié)合強(qiáng)度。

李士強(qiáng)、趙雷等研制開發(fā)了新型碳質(zhì)結(jié)合劑，與德國Rütgers Chemicals公司生產(chǎn)的CARBORESORP碳質(zhì)結(jié)合劑比較分析，結(jié)果表明：新型碳質(zhì)結(jié)合劑為整體中間相瀝青，殘?zhí)柯屎徒够蛎浶愿撸瑹崾е仄鹗紲囟雀哂?00℃其焦化結(jié)構(gòu)為薄帶狀疊合的板狀碳質(zhì)結(jié)構(gòu)，新型碳質(zhì)結(jié)合劑在結(jié)構(gòu)及性能上與德國Rütgers Chemicals 公司生產(chǎn)的CARBORESORP 基本相似。

歐陽德剛、胡鐵山等通過對(duì)武鋼鋼包渣線含碳耐火材料在烘烤條件下的氧化狀況觀察，再結(jié)合有關(guān)防氧化涂料的研究成果，分析出了鋼包渣線含碳耐火材料防氧化涂料的實(shí)驗(yàn)研究和配方設(shè)計(jì)，并且在實(shí)驗(yàn)室按照這個(gè)配方設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了防氧化效率達(dá)到72.56%的優(yōu)良效果。

李付、呂春江等借助XRD、SEM等技術(shù)，對(duì)新型自結(jié)合碳化硅磚的抗堿性、抗渣性和抗熱震性等高爐耐火材料的關(guān)鍵使用性能進(jìn)行了研究，并與Si₃N₄結(jié)合碳化硅高爐磚進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：這種新型自結(jié)合碳化硅磚熱導(dǎo)率高，力學(xué)性能好，抗堿性、抗渣性和抗熱震性優(yōu)良，預(yù)計(jì)用作高爐內(nèi)襯具有良好的應(yīng)用前景。

美國聯(lián)合碳素有限公司發(fā)明了一種熱模壓小塊碳磚的方法。采用這種方法壓制出來的碳磚具有：導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱系數(shù)高；良好的抗熱震性、熱沖擊性能好；孔隙度小，單塊碳磚的溫差小等一些優(yōu)良的特點(diǎn)。

（3）黏土質(zhì)耐火材料是指Al₂O₃含量在30%~45%范圍內(nèi)用粘土為主要原料的一類耐火材料。這種耐火材料所制作出來的粘土磚主要由莫來石、方石英及玻璃相構(gòu)成，它們的含量決定了黏土磚的性質(zhì)。

黏土磚的顯氣率為10%~30%，致密黏土磚的氣孔率低，黏土磚的抗熱震性較好。為了提高粘土制品的高溫性能可采用多熟料配料及混合細(xì)磨工藝；盡可能提高基質(zhì)中Al₂O₃含量，使基質(zhì)Al₂O₃/Si O₂比接近莫來石組成，提高基質(zhì)純度；引入外加物，增大液相粘度，控制燒成溫度。

（4）高鋁質(zhì)耐火材料是以高鋁礬土熟料為主要原料，以結(jié)合粘土等為主要結(jié)合劑，Al₂O₃質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于45%的一類耐火材料。由高鋁礬土熟料和結(jié)合黏土等制造的高鋁質(zhì)制品主要由莫來石、玻璃相及剛玉相組成。

高鋁磚的性質(zhì)取決于其組成與結(jié)構(gòu)，它的抗熱震性一般比黏土磚差，其荷重軟化溫度為1400~1500℃，高于一般黏土磚。提高原料純度，改變基質(zhì)的化學(xué)礦物組成，減小玻璃相數(shù)量，調(diào)整玻璃相成分，是提高高鋁質(zhì)制品的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性及抗渣性的關(guān)鍵。

1.3.2 高爐本體耐火材料的組成與性能

（1）爐喉位于高爐上部，當(dāng)高爐工作時(shí)爐喉能使?fàn)t料進(jìn)行合理的分布，并且減少爐料對(duì)高爐內(nèi)襯的摩擦，能夠?qū)t襯起到一定的保護(hù)作用。由于爐喉相比較高爐的其它部位直徑相對(duì)較小，因此這部位受到爐料的摩擦現(xiàn)象比較嚴(yán)重。由于高爐煤氣在爐體的下部產(chǎn)生，導(dǎo)致煤氣流對(duì)爐喉的侵蝕相對(duì)較輕。目前，高爐爐喉主要使用優(yōu)質(zhì)的黏土磚和高鋁磚砌筑，但這種磚的抗侵蝕能力差，使用壽命較短，所以在爐喉的內(nèi)襯還需要砌筑一層鑄鋼保護(hù)板來抵抗?fàn)t料的摩擦與侵蝕。在國內(nèi)也有很多高爐爐喉是采用鋼磚砌筑，但是采用這種鋼磚砌筑需要使用用水冷卻。

張秀梅、李增民通過高爐實(shí)際生產(chǎn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)爐喉鋼磚的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析研究；分析研究發(fā)現(xiàn)，損壞主要原因是在高爐爐喉砌筑的鋼磚受到爐溫溫差變換的侵蝕比較大，同時(shí)還會(huì)受到爐料的摩擦和撞擊，在長時(shí)間的使用就導(dǎo)致了鋼磚的變形直至最后脫落。經(jīng)過使用鋼磚在高爐爐喉的使用情況也證明了數(shù)值模擬的情況和實(shí)際情況是基本一致的，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在爐喉鋼磚的使用設(shè)計(jì)方面，還存在一些缺陷。因此應(yīng)該再對(duì)模擬的數(shù)值進(jìn)行合理的調(diào)整，使得對(duì)高爐實(shí)際生產(chǎn)的研究更加準(zhǔn)確。

（2）爐身位于高爐中部，有對(duì)爐料進(jìn)行加熱的功能，是爐料進(jìn)行還原的區(qū)域，同時(shí)也是造渣的區(qū)域。其中部和上部溫度區(qū)域?yàn)?00°C~800℃，自始至終都需要承受爐塵上升的磨損、物料的沖擊以及熱沖擊，內(nèi)襯還會(huì)受到堿、鋅等侵入。目前在這部位都是采用優(yōu)質(zhì)的黏土磚或高鋁磚砌筑而成。但是隨著高爐越來越趨向于大型化，高爐長壽化的發(fā)展，導(dǎo)致爐身的上部侵蝕嚴(yán)重，需要使用耐磨強(qiáng)度高、耐侵蝕性強(qiáng)的耐火材料。

通過表3對(duì)各國爐身使用的磚種對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各國所使用的黏土磚和高鋁磚它們的體積密度差不多；俄羅斯的黏土磚氣孔率大一些，英國的黏土磚氣孔率比較低，中國所制造的浸磷酸黏土磚的氣孔率一般；高鋁磚則是日本制造的顯氣孔率高一點(diǎn)，俄羅斯所制造的顯氣孔率小一點(diǎn)；從耐壓強(qiáng)度來看英國所制造的黏土磚能夠承受的抗壓強(qiáng)度最大，俄羅斯所制造的黏土磚所承受的抗壓強(qiáng)度最小；從荷重軟化溫度看，日本所制造的黏土磚軟化溫度都在1500℃以上，中國和俄羅斯所制造的黏土磚軟化溫度在1450℃以上。

在高爐爐身下部的工作溫度較高，由于一些物質(zhì)的耐高溫能力差就會(huì)導(dǎo)致這個(gè)部位形成大量的低熔物，同時(shí)在這片區(qū)域耐火材料的熱交換也比較頻繁。使得這部位更容易受到侵蝕，在爐襯的耐火材料受到侵蝕后只能依靠爐殼來保護(hù)內(nèi)襯。因此在這部位需要選用耐侵蝕、抗渣性好的耐火材料。

在高爐爐身處每當(dāng)灼熱爐料下降時(shí)就會(huì)與爐體內(nèi)襯產(chǎn)生摩擦作用造成耐火材料受到磨損，同時(shí)還會(huì)受到煤氣和粉塵上升時(shí)的沖擊作用以及堿金屬蒸氣的侵蝕作用。經(jīng)過對(duì)各種耐火材料的抗堿性試驗(yàn)來看，在爐身下部使用普通剛玉磚的抗強(qiáng)堿性并不比黏土磚的好，而Si₃N₄結(jié)合或直接結(jié)合SiC磚以及莫來石結(jié)合的剛玉磚依舊能擁有較高足夠的強(qiáng)度，所以這種制品在以后的研制中很有前途，在最近幾年新建設(shè)的高爐中，尤其是在一些大高爐得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是這種磚容易氧化，也不耐鐵水侵蝕，所以只能在鐵水接觸不到的部分使用。經(jīng)過一年半在爐身下部各類磚種侵蝕速度情況對(duì)比，制作出表4，發(fā)現(xiàn)Si₃N₄結(jié)合SiC磚的抗侵蝕性最好，SiC 石墨磚的抗侵蝕性其次，黏土磚的侵蝕速度最快。

經(jīng)過對(duì)高爐的大量的調(diào)查研究其結(jié)果表明，其中約有23%的高爐都是使用的SiC耐火材料。在我國研制出的Si₃N₄結(jié)合SiC磚對(duì)抗侵蝕性能有了顯著的提高，并且已經(jīng)開始應(yīng)用于我國的各大高爐爐身的砌筑，對(duì)高爐的使用壽命有了顯著的提高。

崔澤南、徐桂英等用不燒Al₂O₃-C質(zhì)耐火材料對(duì)高爐爐身下部在水蒸氣環(huán)境下的抗氧化性能進(jìn)行了氧化性能實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)分析，總結(jié)出耐火材料氧化規(guī)律，確定了不燒Al₂O₃-C質(zhì)耐火材料的氧化動(dòng)力學(xué)模型。并且，還對(duì)氧化前后試樣的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了比較和測定。

宋木森為了延長高爐爐身壽命，對(duì)提高高爐用耐火材料抗堿金屬浸蝕性能，進(jìn)行了大量的分析與試驗(yàn)，通過對(duì)高爐用耐火材料，在高爐模擬條件進(jìn)行了抗堿浸蝕試驗(yàn)，比較各個(gè)耐火材料抗堿性能的優(yōu)劣。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在我國高爐上面所用的耐火材料，它們的抗堿性能都比較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高爐的生產(chǎn)要求。經(jīng)過試驗(yàn)研制出了磷酸鹽黏土磚，這種磚不但便宜，而且抗堿性優(yōu)良，如果應(yīng)用在高爐的中上部可以大大提高爐身的使用壽命。

沐繼堯、薛正良通過在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別對(duì)高鋁磚、粘土磚、賽隆結(jié)合及氮化硅結(jié)合的碳化硅磚抗初渣以及抗堿金屬侵蝕的試驗(yàn)研究，經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，賽隆結(jié)合及氮化硅結(jié)合的碳化硅磚的抗堿金屬以及抗渣侵蝕的能力更強(qiáng)，可以用于高爐爐身作為內(nèi)襯材料。

（3）爐腰在高爐中主要起著上升煤氣流的緩沖作用，爐腰在正常工作時(shí)候的溫度為1400℃~1600℃，高溫輻射侵蝕嚴(yán)重，堿侵蝕嚴(yán)重，物料和爐塵沖刷嚴(yán)重，熱風(fēng)通過引起溫度急劇變化，爐渣侵蝕嚴(yán)重，含塵的熾熱爐氣上升，對(duì)爐襯產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷作用。綜合所述的諸多因素的共同作用，使這個(gè)部位的耐火材料損毀很嚴(yán)重，因此爐腰一般選擇抗渣侵蝕性強(qiáng)、耐沖刷的耐火材料。

我國針對(duì)爐腰部位所受到的侵蝕以及沖刷嚴(yán)重的情況，研制出Si₃N₄結(jié)合SiC磚，經(jīng)過實(shí)踐證明這種磚的耐沖刷、耐侵蝕性好?，F(xiàn)在已經(jīng)在我國的各大高爐爐腰中投入使用，均取得了良好的效果。

（4）爐腹在高爐中主要是連接爐缸和爐腰的作用。在這區(qū)域溫度內(nèi)的溫度很高，氣流溫度也高，其下部爐料溫度約在1600℃~1650℃，并形成大量的中間渣開始滴落。在這個(gè)部位主要受到三中方式?jīng)_擊與侵蝕：①容易受到高溫的煤氣和渣鐵沖刷，在風(fēng)口循環(huán)區(qū)里面的煤氣溫度能夠達(dá)到2000℃以上，它們對(duì)爐腹用耐火材料的侵蝕相當(dāng)嚴(yán)重，特別是當(dāng)高爐噴煤比較高時(shí)，爐腹的工作條件更為惡劣。②由于爐腹是在軟熔帶，軟熔帶的氣流變化所引起的溫度變化導(dǎo)致爐腹受到高熱流強(qiáng)度和熱沖擊。③由于堿金屬與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，導(dǎo)致剝落。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明這部分磚襯都是被堿金屬和鋅的破壞作用造成破損。

由于上述這些原因在高爐爐腹需要選用純度高、抗侵蝕能力強(qiáng)、抗熱沖擊能力強(qiáng)的耐火材料。在國內(nèi)一般選用碳質(zhì)耐火材料制作的碳化硅磚，這種磚能夠顯著提高高爐爐體的使用壽命。在國外這部位選用的耐火材料也比較多，荷蘭霍戈文鋼鐵公司3662m³高爐爐腹砌半石墨磚，效果較好。

（5）爐缸在高爐中的作用主要是盛裝鐵水和熔渣，溫度一般是在1450°C~1500°C之間，同時(shí)還是焦炭燃燒的主要場所，為鐵的還原提供條件，同時(shí)產(chǎn)生大量的煤氣。在這個(gè)風(fēng)口區(qū)是整個(gè)高爐溫度最高的區(qū)域，其溫度能夠達(dá)到1700°C~2000°C。爐缸、爐底內(nèi)襯出了要受到高溫的侵蝕，還需要受到鐵水的沖刷和化學(xué)的侵蝕，同時(shí)受到堿和鋅的侵蝕也比較嚴(yán)重。因此，爐缸內(nèi)襯必須采用具有導(dǎo)熱性和耐磨性較高的耐火材料。

目前我國在高爐爐缸上面主要是采用炭磚砌筑，因?yàn)樘看u的耐火度高，擁有良好的導(dǎo)熱性以及導(dǎo)電性，高溫耐磨性好，熱震性好。非常適合在爐缸爐底部位使用，能夠保證爐缸的使用壽命。

為了能適應(yīng)高爐新的冶煉條件，根據(jù)陶瓷底座開發(fā)了新型的復(fù)合內(nèi)襯，并在20世紀(jì)80年代初期砌筑使用，最先采用該復(fù)合內(nèi)襯的是ThyssenStahl A.G.公司Hambo-rn和Ruhrort廠的兩座高爐，因其外形為環(huán)狀，故被稱為―陶瓷杯”。陶瓷杯的使用在一段時(shí)間內(nèi)防止了鐵水對(duì)爐缸炭質(zhì)耐火材料的侵蝕，從而保證爐缸使用的高效、安全以及長壽。近年來，國內(nèi)很多高爐爐底爐缸采用法國SAVOIE公司和日本電極公司碳質(zhì)材料-陶瓷材料復(fù)合結(jié)構(gòu)。

陶瓷杯具有下列優(yōu)點(diǎn)：①提高出鐵溫度。陶瓷杯有隔熱效果，減少了從爐底和爐缸壁輻射的熱量，使鐵水能保持較高的溫度從出鐵口流出，使用陶瓷杯鐵水溫度可提高10～20℃之間，溫度更高的鐵水有利于鐵水往煉鋼廠的運(yùn)輸。②降低了鐵水的滲透，鐵水的凝固溫度是1150℃，而陶瓷內(nèi)襯的內(nèi)壁等溫線很接近1150℃，因此，滲入孔隙處的鐵水是有限的，僅對(duì)耐火材料表面層的性質(zhì)有所影響，使整個(gè)預(yù)制塊仍保持完整的性能。③―“脆化層”的消除，因?yàn)?00℃等溫線現(xiàn)在在陶瓷杯內(nèi)部，所以，以前認(rèn)為在碳質(zhì)內(nèi)襯的脆化層現(xiàn)已消除了，經(jīng)過實(shí)踐所證明確實(shí)如此。④出鐵溝磨損的消除，由于使用陶瓷杯，使?fàn)t底的深度加深了，這樣以前在碳質(zhì)內(nèi)襯經(jīng)常發(fā)生的出鐵溝磨損，現(xiàn)在得到了很好的消除。

左海棠、王聰?shù)冉柚跓崃W(xué)分析和氧化性能實(shí)驗(yàn)，研究了高爐爐缸用炭磚在空氣氣氛下的氧化行為和氧化動(dòng)力學(xué).結(jié)果表明，炭磚的質(zhì)量損失主要來自于石墨C氧化，質(zhì)量損失量隨溫度升高、保溫時(shí)間延長而增大.炭磚的氧化過程屬于連續(xù)型氧化，而非保護(hù)型氧化。在800～1 200℃時(shí)，氧化過程的控速環(huán)節(jié)為碳氧界面反應(yīng)控速，氧化反應(yīng)的活化能為5 586.76 J/mol。石墨C 氧化將導(dǎo)致炭磚內(nèi)部形成多氣孔的氧化層，隨溫度升高和時(shí)間增加，氧化層面積增大，材料耐壓強(qiáng)度和密度降低。

劉愛云對(duì)與高爐爐料中添加鈦的傳統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的渣面和生鐵層耐火材料內(nèi)襯的保護(hù)機(jī)理進(jìn)行了調(diào)查研究，從CSN 2號(hào)和3號(hào)高爐的事后剖析及使用兩種不同的碳質(zhì)耐火材料進(jìn)行的模擬試驗(yàn)中得到了結(jié)論。依據(jù)對(duì)這些機(jī)理的了解，提高高爐爐料中添加鈦的傳統(tǒng)技術(shù)的效率是可行的。

張建良、王志宇等對(duì)高爐爐缸用炭磚及剛玉磚的抗渣侵蝕性及掛渣性進(jìn)行了研究。在1500℃高溫條件下進(jìn)行試驗(yàn),探究現(xiàn)場高爐渣對(duì)炭磚及剛玉磚的侵蝕機(jī)理，通過SEM-EDS及XRD等手段分析侵蝕界面的微觀組織結(jié)構(gòu)和物相組成，并提出炭磚及剛玉磚掛渣理論。試驗(yàn)結(jié)果表明，高爐渣與剛玉磚在侵蝕界面發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)生成的鎂鋁尖晶石及剛玉磚中的Al₂O₃、Si C等高熔點(diǎn)物質(zhì)阻礙高爐渣對(duì)剛玉磚的進(jìn)一步侵蝕；高爐渣在炭磚表面未生成高熔點(diǎn)物質(zhì)，炭磚因與高爐渣黏結(jié)點(diǎn)少而導(dǎo)致高爐渣對(duì)炭磚黏結(jié)強(qiáng)度差，從而形成炭磚表面渣皮周期性脫落。

李繼錚、宋木森、張彥文為了防治鉛對(duì)爐底襯磚的侵蝕，對(duì)被鉛侵蝕的高爐爐底炭磚殘磚試樣進(jìn)行了性能測試和顯微結(jié)構(gòu)分析，并重點(diǎn)分析了含鉛量高的爐底炭磚的顯微結(jié)構(gòu)，研究了鉛在炭磚中的存在形式和分布狀態(tài)。結(jié)果表明：金屬鉛可以滲入爐底炭磚的氣孔中，鉛滲入炭磚對(duì)炭磚強(qiáng)度、抗氧化性、抗堿性等性能有明顯的不利影響；鉛對(duì)炭磚的侵蝕機(jī)制是鉛滲透到炭磚的孔隙中氧化膨脹而破壞磚體；防治鉛害的措施是盡量少用鉛含量高的入爐原料，爐缸爐底采用超微孔炭磚，強(qiáng)化爐缸爐底冷卻^[26]。

（6）鐵口在高爐中主要是用來出鐵水用。在鐵口主要的裝置是鐵口套，它是由鑄鋼制成，并與爐殼焊接。鐵口在高爐的工作環(huán)境非常惡劣，由于經(jīng)常出鐵水以及爐渣所以在這個(gè)部位受到他們的沖刷和侵蝕比較嚴(yán)重。目前在這個(gè)部位主要使用性能優(yōu)異的炭磚。

王安杰、高長賀等對(duì)國內(nèi)高爐對(duì)國內(nèi)高爐主溝用耐火材料的使用環(huán)境和性能要求、主溝溝型以及主溝工作襯進(jìn)行了概述，并從高爐主溝耐火材料性能提高、主溝設(shè)計(jì)和施工改進(jìn)三個(gè)方面進(jìn)行了分析。

孫志紅、岳衛(wèi)東針對(duì)高爐出鐵溝長壽化的要求，提高大中型高爐出鐵溝耐材總包綜合效益，經(jīng)過在30多座450-2500立方高爐出鐵溝改良優(yōu)化的出鐵溝快干澆注料。在不同煉鐵條件高爐出鐵場總包經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，特提出影響高爐鐵溝料使用壽命的因素與同仁溝通交流，以促進(jìn)提升高爐出鐵溝耐材的科技與應(yīng)用水平^[28]。

楊林、廖立兵等對(duì)優(yōu)化了Sialon-TiNC添加量的Al₂O₃-SiC-C質(zhì)澆注料進(jìn)行實(shí)際工況應(yīng)用評(píng)價(jià)。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用葉蠟石、金紅石和焦炭合成的Sialon-TiNC復(fù)相粉體原料可以替代傳統(tǒng)Al₂O₃-SiC-C質(zhì)澆注料中30％的高成本剛玉、碳化硅以及氧化鋁等微粉，達(dá)到了良好的使用效果。

1.4 耐火材料在高爐中的發(fā)展方向

隨著我國鋼鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，也使得我國耐火材料行業(yè)也得到了很快的發(fā)展，主要標(biāo)志為：①現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)好人水泥回轉(zhuǎn)窯等所用的耐火材料制品已基本上是自給，而且每年耐火制品出口量達(dá)到50萬~80萬t，其中包括鎂碳磚、鋁碳磚等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。②重要用途的耐火材料使用壽命顯著提高，如高爐出鐵溝用Al₂O₃-SiC-C質(zhì)澆注料，每爐通過鐵水量超過15萬t，氧氣轉(zhuǎn)爐爐襯用Mg-C磚爐齡能達(dá)到5000爐以上；

雖然我國在高爐用耐火材料行業(yè)取得了一定的進(jìn)步，但是從在國內(nèi)的調(diào)查情況來看還是存在著一定的問題，①在我國生產(chǎn)耐火材料的企業(yè)較多，并且小型企業(yè)為主，導(dǎo)致耐火材料生產(chǎn)供大于求，浪費(fèi)資源，使得企業(yè)之間相互競爭；②我國耐火材料雖然產(chǎn)量大，但是其中的中低端產(chǎn)品居多，真正自主研發(fā)的高檔產(chǎn)品很少，且產(chǎn)品的質(zhì)量和性能遠(yuǎn)不如國外。

在我認(rèn)為我國高爐用耐火材料，以后的應(yīng)該是針對(duì)以上所提出的問題作為發(fā)展方向：①將小型企業(yè)通過聯(lián)合的方式來組成一個(gè)大型企業(yè)，這樣做既能增加企業(yè)的競爭力，有能避免產(chǎn)能過剩導(dǎo)致資源浪費(fèi)；②引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)以及設(shè)備，這樣既能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，又能降低制造的成本；③光靠引進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)不是長久之計(jì)，應(yīng)當(dāng)增加科研經(jīng)費(fèi)，多通過自主創(chuàng)新來研制出新的品種，使產(chǎn)品作到多樣化，提高企業(yè)自身的實(shí)力。④減小中低端耐火材料的生產(chǎn)量，提高高檔耐火產(chǎn)品的比重。

雖然我國是耐火材料生產(chǎn)大國，但是與國外先進(jìn)國家生產(chǎn)的耐火材料相比，還是具有一定的差距。相信通過國家政策的引導(dǎo)，在不遠(yuǎn)的將來我們一定會(huì)超過國外耐火材料，達(dá)到產(chǎn)品多樣化，質(zhì)量優(yōu)異，耐侵蝕能力強(qiáng)的耐火材料。從而也會(huì)使我國的高爐工作壽命得到提升，冶煉成本也將會(huì)降低，并且冶煉鐵水的質(zhì)量也會(huì)得到較大的改善。

雖然我國現(xiàn)在耐火材料的產(chǎn)量居世界第二位，但是與新進(jìn)工業(yè)國家比還是會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量低、品種少、單耗高等等缺點(diǎn)。為使我國耐火材料工業(yè)更快接近，甚至超過世界其它各國耐火材料。因此我們?cè)谘兄颇突鸩牧蠒r(shí)要改變不合理的結(jié)構(gòu)，并且耐火材料工業(yè)部門在制定政策和措施時(shí)應(yīng)該瞄準(zhǔn)主攻方向，有計(jì)劃、有組織，集中主要力量，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，使投產(chǎn)的設(shè)備能夠盡快達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)正在建設(shè)的企業(yè)引進(jìn)新設(shè)備，盡快使我國耐火材料達(dá)到先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。相信只要我們認(rèn)真做，在耐火材料的品種和質(zhì)量上面多做研究，狠下功夫在不久的將來我國耐火材料也會(huì)在品種上面出現(xiàn)多樣化，并且質(zhì)量有保證。同時(shí)可以促進(jìn)我國其它與耐火材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鐘香崇,王澤田.中國耐火材料工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].硅酸鹽通報(bào),1995.

[2] 黃秀花,臧紅瑞,柳祎.高爐長壽淺談[J].山東冶金,2007(02).

[3] 蔡國慶,王文學(xué),劉成強(qiáng),王希波,付衛(wèi).高爐用耐火材料的發(fā)展概括[J].山東冶金,2011,33(5).

[4] 宋木森.武鋼高爐長壽技術(shù)的研究和實(shí)踐[J].武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院.2011.