我国高炉耐火材料发展现状

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随着近年我国钢铁生产的高速发展，高炉炉衬用耐火材料取得了很大的进步，在生产技术、产品品种、质量水平方面，正逐步追赶世界先进水平，取代某些进口产品，以满足我国炼铁生产发展的需要。 延长高炉寿命是近十几年来我国冶金工业的重要技术政策，炼铁工作者和耐火材料工作者为此做出了很大的努力，并取得了显著的成效。本文简介近年我国高炉炉衬用耐火材料发展的基本情况，以及武钢在这方面的研究工作。通过对高炉不同部位侵蚀机理的分析，以及国内高炉耐火材料产品与国外同类名牌产品的性能对比，探讨合理选用高炉耐火材料问题，避免或者减少盲目地、不恰当地使用进口耐火材料。
8 }2 Q! v1 N3 z7 S$ P, g1 高炉耐火材料性能评价方法的进步
9 e* f& ~' v# o) ]; P　 过去炼铁工作者对高炉耐火材料性能的要求仅限于一些常规性能，如对炭砖仅要求灰份、耐压强度、体积密度、气孔率等指标，对陶瓷耐火材料仅要求化学成分、耐火度、荷重软化温度、显气孔率、体积密度、耐压强度、重烧线变化率等指标。
) T; t# a+ {8 U- G0 S" ]　 我们在研究炭砖时发现，我国上世纪60年代生产的普通炭砖，如果只看其常规性能，如气孔率、体积密度、强度、灰份等指标，比国外的优质炭砖并不差。如果进一步对导热系数、抗碱性、微气孔指标进行对比，就发现国产炭砖的差距很大。这使我们认识到这些特殊性能应作为评价 高炉耐火材料优劣的重要标准。
　 对于高炉耐火材料使用性能的检测方法，武钢已进行了近20年的长期研究。我们在研究高炉砖衬破损和侵蚀机理的基础上，对高炉耐火材料提出了多项特殊使用性能要求，并研究出了相应的试验方法，通过原冶金部制定了检验方法标准。主要的检验方法标准有以下8种：①导热系数；②抗碱性；③抗铁水熔蚀性；④抗炉渣侵蚀性；⑤平均孔径；⑥＜1μm孔容积率；⑦透气度；⑧抗氧化性。武钢应用这些检验方法选用高炉耐火材料已有十多年历史，对武钢高炉寿命的提高发挥了重要的作用。这些检验方法目前已在国内得到广泛应用，很多新型优质高炉耐火材料不断地开发出来，有的综合性能已赶上国际先进水平，有些指标甚至超过了国际先进水平。
2 高炉炉衬用耐火材料质量水平分析
2.1高炉炭砖
+ Q2 w& X+ }* J9 a) ~; K　 高炉炭砖有半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、石墨砖和模压小炭砖等。我们曾对国内外同类炭砖产品进行了使用性能的对比试验，下面介绍我们对各种炭砖的对比试验结果。
  V7 s* v) `! R- n2.1.1半石墨炭砖
) w( d9 y" [9 z　 国产半石墨炭砖和日本BC-5型半石墨炭砖相比，其导热系数、抗碱性、铁水熔蚀等性能相当。德国半石墨炭砖的600℃导热系数达到18.04 W/m.k，优于一般的国产半石墨炭砖，其它性能则相当。但是，兰州新研制的半石墨炭砖的导热系数、微气孔指标则已经优于德国同类产品。
+ a% k: z0 m$ [+ u2.1.2 微孔炭砖
　 普通微孔炭砖中，日本的BC-7S和法国的AM-102炭砖可作为代表性的国际名牌产品，武钢5号高炉、宝钢1号和2号高炉都使用了该产品，使用效果好，高炉寿命都达到了10年以上。该产品的特点是导热系数较高，600℃达到12-14 W/m.k；微气孔指标先进，平均孔径0.10-0.13um，＜1μm孔容积率达到78.45%；抗碱性优良。
　 国产的普通微孔炭砖，包括兰州炭素厂、武彭公司、鲁山炭素厂、科瑞公司等厂家的产品，其主要性能指标和日本BC-7S炭砖、法国AM-102炭砖已很接近，国内很多高炉的使用效果较好。例如武钢4号高炉就是使用国内某厂的普通微孔炭砖，寿命已达到了10年。
2.1.3超微孔碳砖
　 要使高炉寿命进一步提高到15-20年，对炭砖应有更高的要求，主要是导热系数和微气孔指标应该更高。满足以上要求的国外炭砖以日本的BC-8SR和德国的7RDN为代表，我们称之为超微孔炭砖。其主要特点是导热系数较高，600℃达到18-20 W/m.k，平均孔径达到0.1μm，＜1μm孔容积率>85%，其他性能也保持优良。兰州炭素厂和武钢技术中心合作，经过6年的研究，现已研制成功这种超微孔炭砖，其性能达到了日本BC-8SR和德国7RDN炭砖的实物质量水平。现已首次用于武钢在建的7号高炉（3200 m3）。
2.1.4模压小炭砖
+ i& H+ ]. q5 {" ~" |; x　 以美国NMA、NMD热模压小炭砖为代表的国际名牌产品在我国应用也比较多，使用效果较好 。近年国内已有多家炭素厂生产模压小炭砖，但一般只达到普通微孔炭砖的水平。如600℃的导热系数仅12W/m.k左右，低于美国的热模压小炭砖。武钢技术中心和巩义市第五耐火材料厂合作进行了模压小炭砖的研制，以电煅无烟煤为原料，以酚醛树脂为结合剂，用磨擦压砖机成型，经高温烧成，生产模压小炭砖，其产品性能已优于美国热压小炭砖。
) ?/ Z. }1 n. G( g, {  e9 ~　 美国的热模压小炭砖的主要优点是导热系数较高，优于国产的普通微孔炭砖和普通模压小炭砖。
1 u5 \! l0 c# R5 X, u) T另一优点是抗碱性优良，而这一性能国内产品也已能够达到。其缺点是不属于微气孔炭砖、平均孔径＞1μm、＜1μm孔容积率仅53.4%。巩义五耐开发的模压小炭砖主要性能已明显优于美国NMA热模压小炭砖：600℃的导热系数＞20W/m.k；平均孔径0.237μm，＜1μm孔容积率76.12%，是较好的微孔炭砖；铁水熔蚀指数仅14.22%。该研制产品已经首次用于武钢新建的7号高炉炉缸部位。
: |- s9 O8 z  r+ u* \4 s2 l5 N　 美国的NMD是一种石墨炭砖，导热系数很高，有的高炉将它用作炉身冷却板之间的砖衬使用。
　 顺便指出，石墨砖一般用于炉底最下层，是利用其高导热性强化炉底冷却，在高炉炉役后期减缓铁水的侵蚀。但是如果炭捣料的导热系数很低，石墨砖也无法发挥高导热系数的作用。这种情况下还不如使用微孔炭砖，因为石墨砖的孔隙大、强度低，抗铁水熔蚀性能也差。
4 C* }5 M' n  s! p/ l2 Q2 K　 综上所述，我国的炭砖生产技术和产品性能、质量水平，经过近十年来的努力，有了明显的进步，已逐渐赶上世界先进水平，可以满足长寿高炉的需要。
9 W$ h5 {8 t1 D3 p4 X2.2 陶瓷杯用砖
& L* t# ^" `0 Y( N3 a　 目前国内高炉陶瓷杯用砖有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相结合棕刚玉砖、微孔刚玉砖、法国陶瓷杯砖（浇注块）等5种。
! A. X5 ^5 I$ O* g6 o, T8 z　 陶瓷杯炉缸结构是法国首先开发的，是一种不经高温烧成的浇注块，我国有不少高炉采用，使用效果较好。其主要优点抗碱性优良，抗炉渣侵蚀性较好，抗铁水熔蚀性很好，是微气孔砖，适用于炉缸砖衬。近年国内相继开发出多种陶瓷杯用砖，则都是高温烧成的。
　 国产微孔刚玉砖的各项性能均已达到或优于法国陶瓷杯砖，其中抗炉渣侵蚀性和耐压强度更好。复合棕刚玉砖的抗碱性较差。塑性相刚玉砖除微气孔指标较差外，其他性能都较好，是目前应用最多的一种。刚玉莫来石砖由于抗碱性和抗炉渣侵蚀性很差，不适合用于炉缸部位，但用于陶瓷杯底仍是适用的。
2.3炉腹、炉身和炉腰用砖
　 炉腹、炉腰和炉身中下部，炉衬的工作条件相近，主要侵蚀原因是炉渣侵蚀、碱金属侵蚀、炉料和渣铁的冲刷、磨损等。这些部位的炉衬发展趋势是，主要靠强化冷却形成渣壁保持正常生产，砖衬仅留有很薄的镶砖，耐火材料的用量很小。比较典型的设计如武钢1号高炉的铜冷却壁薄炉衬结构。这一区域选用耐火砖的原则是，抗炉渣侵蚀性能好，抗碱性较好，导热系数较高，强度要高。在成渣带以下可选用Si3N4结合SiC砖、赛隆结合刚玉砖或赛隆结合SiC砖。炉身中部无渣区可选用烧成微孔铝炭砖。炉身上部可用磷酸浸渍粘土砖。这几种砖的强度很高，抗碱侵蚀性和抗炉渣侵蚀性很好，导热系数也高，适用于砌筑炉身到炉腹区域。上述几种耐火材料国内都已能生产，一般不需要用进口产品。
' F4 E( t9 C- x% V2 e* g2 p3 高炉耐火材料的合理选用
3.1根据高炉容积合理选用耐火材料
　 我国不同钢铁企业的高炉容积相差很大，从几百m3到4000多m3，按照炉容大小选用不同等级的耐火材料是经济的和必要的。目前有的仅几百m3的小高炉也从国外购买高档炭砖和陶瓷杯砖，是完全不必要的。应当看到，近年来国产高炉炉衬用耐火材料已有很大进步，例如炭砖从普通炭砖、自焙炭砖发展到半石墨炭砖、微孔炭砖、进而到超微孔炭砖，每进一步质量都有大幅度提高。在高炉建设中，合理地选用国产耐火材料满足长寿高炉的要求是可行的。这不仅有利于降低高炉建设投资，对促进和发展国产耐火材料工业也是有深远意义的。
/ E5 X/ ^7 f, ?* `0 n# T3 u  T3 r0 p对于2500—1000m3级的高炉，炉缸可选用普通微孔炭砖，炉底用半石墨炭砖，陶瓷杯用微孔刚玉砖或塑性相刚玉砖，高炉寿命达到10—15年是完全可能的。
+ B* M! m) j1 i1 W! n8 C1 d　 对2500—4000m3级的高炉，炉缸用国产超微孔炭砖，炉底用普通微孔炭砖，陶瓷杯用国产微孔刚玉砖，高炉寿命15—20年，也是可能的。如果认为国产超微孔炭砖刚研制出来不可靠，则可以购买部分国外高档炭砖用于炉缸砌筑。
4 m$ W3 k  r' j3 G8 L8 j/ Y　 除炭砖品种外，还要重视炭素捣打料和泥浆的选择。如果采用导热系数很低的炭素捣料（1—3 W/m.k），即使炭砖导热系数很高，由于炭捣料相当于绝热层，散热仍然不畅，炉缸炉底温度必然很高，影响强化冷却的效果。某厂1500 m3高炉就发生过这种情况。目前国内开发的炭捣料，在100℃烘烤后常温导热系数可达到12—20 W/m.k，炭素泥浆100℃烘烤后，粘结抗折强度可达到＞10MPa，已完全可以和高档炭砖配套使用。
3.2防止进口低档耐火材料产品
7 I; a; G) G0 |2 b　 目前进口炭砖性能指标仍然只有少数几项常规性能，如从某厂购买的进口D级大炭砖，仅有强度、气孔率、体积密度、重烧收缩、导热系数等指标，这种炭砖检验结果表明，20℃的导热系数仅5 W/m.k。导热系数是炭砖的主要性能指标，这样指标的炭砖远比不上国产半石墨炭砖，用于砌筑大型高炉显然是欠妥的。
　 进口的陶瓷杯砖也只有常规性能指标，如强度、耐火度、荷重软化点、化学成分等。某厂进口的陶瓷杯砖抗炉渣侵蚀率100%，35分钟全部被侵蚀光，与法国陶瓷杯优质产品相差甚远，其使用结果令人担忧。我们认为，对进口高炉炉衬用耐火材料应当提出用我国的检验方法进行检验的要求，这样可以防止劣质耐火材料产品进口。
/ l! t& l7 K; ?3 K) T4 结语
　 我国高炉炉衬用耐火材料近年来得到了迅速发展，不仅数量上满足了钢铁工业的需要，产品质量上也有了很大的进步。具有国际先进水平的优质炭砖、陶瓷杯用砖、SiC砖都相继开发出来，正在逐步满足长寿高炉建设的需要，取代进口的优质耐火材料产品。我国高炉耐火材料使用性能的检测方法正得到广泛应用，凡是经过这些性能检验合格的耐火材料，用于高炉后的使用效果一般都比较好。为防止进口高炉耐火材料产品以次充好，厂家应当用我国高炉耐火材料检测方法进行质量检测。高炉建设中应根据炉容大小和预期寿命，并根据不同部位对使用性能的要求合理地选用耐火材料，以降低将设投资。近年来国产高炉炉衬用耐火材料的质量和品种已取得很大进步，不加分析地盲目使用进口耐火材料是完全不必要的。