選擇合理的爐底、爐缸用新型耐火材料，首先必須了解爐底、爐缸的侵蝕機(jī)理。20世紀(jì)60至70 年代。爐底、爐缸開始使用無(wú)煙煤基的炭磚，根據(jù)損毀分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同的現(xiàn)象，即形成“象腳狀”、“碗型”侵蝕。如圖所示。
形成這種異常的侵蝕原因如下：
(1) 化學(xué)侵蝕，即堿金屬向炭磚中滲透，造成炭磚的變質(zhì)脆化：侵入部分與未侵入部分物理性能產(chǎn)生巨大的差異，隨溫度的波動(dòng)，在侵入鐵水與未侵入鐵水界面產(chǎn)生巨大的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致脆化層爐襯材料裂紋、疏松、斷裂、剝落。
(2) 炭磚變質(zhì)的表面向鐵水中溶解及鐵水侵入炭磚晶界的間隙和基質(zhì)部分的氣孔中，炭磚的基質(zhì)部分先溶入鐵水中，導(dǎo)致炭磚顆粒脫離。
(3) 鐵水流動(dòng)對(duì)炭磚的沖刷，導(dǎo)致?tīng)t襯逐漸變薄。
(4) 炭磚的氧化，導(dǎo)致氧化面結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低，氣孔增大，使侵蝕、沖刷加劇。
這幾種侵蝕在爐缸內(nèi)同時(shí)發(fā)生，特別是爐底和爐缸的過(guò)渡區(qū)域，鐵水對(duì)炭磚的侵蝕沖刷更加嚴(yán)重。 針對(duì)上述侵蝕機(jī)理，從20世紀(jì)80年代至今高爐專家及爐襯材料的專家們開始致力于抗侵蝕炭磚的改進(jìn)研究.使石墨炭磚、半石墨炭磚、微孔炭磚及超微孔炭磚的性能不斷改進(jìn)，使用這些新型材料和更加合理的爐襯結(jié)構(gòu)使高爐的壽命大幅度提高。
02爐缸結(jié)構(gòu)的形成
爐襯設(shè)計(jì)的目的是保護(hù)高爐的爐殼，其主要的手段是冷卻爐殼和利用內(nèi)襯保護(hù)爐殼。不斷延長(zhǎng)爐襯的壽命則是高爐使用者，高爐設(shè)計(jì)者及爐襯材料制造者共同追求的目標(biāo)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，對(duì)爐底和爐缸結(jié)構(gòu)采取以下改進(jìn)措施：
(1) 優(yōu)化爐底、爐缸的幾何結(jié)構(gòu)，采用高導(dǎo)熱的炭磚或減薄爐底和爐缸的厚度，使死鐵層的深度增加，保護(hù)爐底爐缸的炭磚及陶瓷杯。
(2) 優(yōu)化爐底、爐缸內(nèi)襯材質(zhì)。爐底、爐缸內(nèi)襯材料有兩大體系：一是導(dǎo)熱體系，像霍戈文公司為代表的使用高導(dǎo)熱材料薄爐底、爐缸體系：二是隔熱體系，如陶瓷磚體系。這兩種體系其目的如出一轍，殊途同歸，都是為了提高爐襯壽命。
在陶瓷杯體系中，爐底、爐缸的內(nèi)襯材料應(yīng)以微孔炭磚、半石墨炭磚、石墨炭磚為主，并在爐底微孔炭磚上部鋪砌1至2層“陶瓷墊”，爐缸側(cè)壁用“陶瓷杯”構(gòu)成，一代爐役的壽命主要是靠炭磚完成的，提高炭磚的性能，采用新型高導(dǎo)熱、抗?jié)B透、抗侵蝕的剛玉碳化硅質(zhì)澆注料作“陶瓷墊、陶瓷杯”，是提高爐底、爐缸壽命的有效措施之一。
(3) 爐底、爐缸用石墨炭磚、半石墨炭磚、微孔炭磚、爐缸整體澆注的新型配置結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。
新型爐底爐缸配置結(jié)構(gòu)示意圖
這種結(jié)構(gòu)是在炭磚墻與澆注體之間實(shí)現(xiàn)了與炭磚的無(wú)縫隙結(jié)合，消除填充層，致使?fàn)t缸結(jié)構(gòu)更加緊密，減少了熱阻層。由于碳化硅質(zhì)澆注體向爐內(nèi)熱端位移，使其提前達(dá)到燒結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)熱性能能夠達(dá)到最高狀態(tài)，保證爐內(nèi)熱量及時(shí)通過(guò)爐缸壁、冷卻壁擴(kuò)散。提高了爐缸壁的導(dǎo)熱效率，使1100℃等溫線向爐內(nèi)移動(dòng)，有利于死鐵層形成，并增加死鐵層厚度。這種結(jié)構(gòu)對(duì)防止鐵水、熔渣滲透，阻止炭磚表面氧化，阻止堿金屬滲透，起到了延長(zhǎng)爐底爐缸壽命的作用?？梢苑乐硅F口下部若使用低檔次炭磚時(shí)的斷裂。
03自流高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料的開發(fā)機(jī)應(yīng)用
爐底密封板以下水冷管周圍及石墨炭磚以下的找平層，通常用的是碳質(zhì)搗打料。在碳質(zhì)搗打料中，含有較多的酚醛樹脂及酚醛樹脂稀釋劑，在施工時(shí)，其密度很難達(dá)到1.9 g.cm3原因是由于氣動(dòng)搗打造成的振動(dòng)以及搗錘的沖擊，材料會(huì)從搗固點(diǎn)發(fā)生位移或浮動(dòng)，位移使得石墨碳質(zhì)搗打料不可能被搗打到象在實(shí)驗(yàn)室用液壓成型做試樣那樣的高密度。除此以外，這些石墨碳質(zhì)搗打料直接接觸水冷管，水冷管周圍的溫度不可能達(dá)到酚醛樹脂及稀釋劑所需要的碳化溫度400℃。因此，石墨碳質(zhì)搗打料中的酚醛樹脂及稀釋劑永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生碳化，所以石墨碳質(zhì)搗打料就形不成高導(dǎo)熱性材料。相反，它們都會(huì)保持在原有的未碳化狀態(tài)。反而隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而干燥收縮，導(dǎo)致在接觸面之間留下空隙。這些空隙會(huì)嚴(yán)重影響熱景的傳遞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的熱量傳導(dǎo)造成嚴(yán)重的影響(見(jiàn)下圖)。
石墨碳質(zhì)搗打料收縮及焊接密封板變形造成的間隙
石墨碳質(zhì)搗打料中的酚醛樹脂及稀釋劑不發(fā)生碳化，檢驗(yàn)其導(dǎo)熱系數(shù)在2~3 W·m-1·K-1，而并不是通常所稱的高密度、高導(dǎo)熱。相反，爐底冷卻管周圍采用高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料，其導(dǎo)熱系數(shù)在20 ℃時(shí)接 近于15W·m-1·K-1，200℃時(shí)超過(guò)了20W·m-1·K-1比原用的碳質(zhì)搗打料導(dǎo)熱系數(shù)高7~10倍。
原用碳質(zhì)搗打料其上部必須安裝一塊密封鋼板，密封鋼板之間接縫的焊接過(guò)稈中會(huì)導(dǎo)致鋼板表面鼓肚及變形，同時(shí)焊接過(guò)程還會(huì)燒損其下面的石墨碳成搗打料，留下空隙。這種情況會(huì)導(dǎo)致下部耐火材料熱里傳輸?shù)闹袛?，并?duì)爐底的冷卻產(chǎn)生負(fù)面影響。為了使碳質(zhì)搗打料與密封板緊密接觸，需要在縫隙中壓入碳質(zhì)膠泥或泵送灌漿材料來(lái)進(jìn)行填充。碳質(zhì)膠泥及液態(tài)泵送灌漿材料烘干時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的收縮導(dǎo)致鋼板與石墨碳質(zhì)搗打料間留下空隙，空隙的存在會(huì)嚴(yán)重影響高爐爐底熱量的熱傳導(dǎo)。
采用碳質(zhì)澆注料可以去掉爐底鋼制封板。碳質(zhì)澆注料本身具有自動(dòng)找平功能，澆注后4~6h即可固化，固化后直按或稍加修平即可以在其上砌筑炭磚。
高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料優(yōu)點(diǎn)：(1)高導(dǎo)熱碳質(zhì)繞注料不含水泥，石墨及SiC含量很高，導(dǎo)熱系數(shù)高;(2) 高導(dǎo)熱碳質(zhì)燒注料可以泵送或人工運(yùn)輸，施工方便：(3)高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料具有自流找平功能，體積穩(wěn)定，導(dǎo)熱率高，干燥后的平面光滑平整，平整度可以達(dá)到±0.5 mm。砌炭磚時(shí)，在上面抹上薄搏一層碳質(zhì)膠泥即可砌石墨炭磚，爐底高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料可以與石墨炭磚緊密接觸;(4)高導(dǎo)熱碳質(zhì)繞注料不需要特別的烘干，這樣可以明顯的縮短施工時(shí)間，減少施工工期，提高高爐的可利用率。
高導(dǎo)熱碳質(zhì)澆注料一般使用在水冷管周圍、爐底找平層，冷卻壁與炭磚間的間隙、細(xì)粒型可以用于冷卻壁與爐殼之間的間隙替代無(wú)水壓入泥漿。
04爐缸整體澆注技術(shù)
目前，陶瓷墊、陶瓷杯通用的是剛玉莫來(lái)石磚或金屬?gòu)?fù)合剛玉碳化硅磚(塑性相結(jié)合剛玉碳化硅磚)，由于金屬?gòu)?fù)合剛玉碳化硅磚強(qiáng)度高，抗堿侵蝕性好，中小型高爐使用的較多。用這種材料由于在使用過(guò)程中產(chǎn)生超常膨脹，致使中國(guó)南昌一座高爐，于2004年投產(chǎn)后幾個(gè)月就把爐殼脹裂，把厚厚的鋼制爐殼撐開，造成煤氣泄露，到處冒火，致使多處冷卻進(jìn)水管斷裂，被迫停爐。
為了避免類似事故發(fā)生，華西科技經(jīng)過(guò)反復(fù)研究己研究成功一種新型、抗堿侵蝕的爐缸整體澆注技術(shù)（專利號(hào)：201610353176.4），取代金屬?gòu)?fù)合剛玉碳化硅磚、剛玉莫來(lái)石磚。
4.1爐缸整體澆注特性
爐缸整體澆注不存在傳統(tǒng)陶瓷杯與炭磚間的填充層，實(shí)現(xiàn)了與炭磚的無(wú)縫隙結(jié)合，致使?fàn)t缸結(jié)構(gòu)更加緊密，減少了熱阻層，使?jié)沧t缸整體傳熱效率得到保證，達(dá)到傳熱平衡，澆注體具有抗堿侵蝕性能好，達(dá)到U級(jí)水平，耐壓強(qiáng)度較高、耐磨性優(yōu)良、抗鐵水溶蝕性好，溶蝕指數(shù)<5%，保護(hù)爐襯安全 。與傳統(tǒng)的陶瓷杯材料相比，采用爐缸整體澆注的高爐使用壽命可以提高3~5年。
05爐腹、爐腰及爐身中上部爐襯的損毀機(jī)理及新型耐材選擇
爐腹、爐腰及爐身下部長(zhǎng)期受到煤氣氣流的沖刷，爐料的磨損，堿金屬和鋅蒸氣的滲透，除此以外還要受到FeO初渣的侵蝕及溫度波動(dòng)所產(chǎn)生的熱震破壞作用，工作條件十分苛刻。爐腹、爐腰部位爐襯的壽命在高爐中是較低的，保證高爐的正常生產(chǎn)主要靠掛渣完成。爐身中、上部仍受到堿金屬和鋅蒸氣的滲透及侵蝕，同時(shí)將直接受到爐料焦炭和鐵礦的磨損，爐身中部全部選用燒成鋁碳磚。爐身中、上部仍受到堿金屬和鋅蒸氣的滲透及侵蝕，同時(shí)將直接受到爐料焦炭和鐵礦的磨損，爐身中部、上部選用抗?jié)B透，低氣孔率，高強(qiáng)度，抗磨損的耐火材料。根據(jù)數(shù)十年不同國(guó)家的使用情況，可供選擇的優(yōu)質(zhì)爐襯材料有氮化硅結(jié)合碳化硅磚、濕法噴造襯及2007年中國(guó)寶鋼4#高爐在爐腹、爐腰采用特殊的密集式銅冷卻板+石墨磚爐襯結(jié)構(gòu)。
選用特殊的密集式銅冷卻板+石墨磚爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是構(gòu)成高導(dǎo)熱層，將有助于在該部位爐襯的熱面形成凝固的渣皮，進(jìn)而降低了爐襯的溫度，同時(shí)也阻止了爐內(nèi)有害元素對(duì)爐襯的侵蝕，使?fàn)t襯和冷卻系統(tǒng)得到保護(hù)。這種材料具有較好的自我造襯，自我保護(hù)作用。
氮化硅結(jié)合碳化硅磚與華西濕法噴注造襯技術(shù)（專利號(hào)：Zl201010179044.7）使用9個(gè)月測(cè)量其侵蝕，繪出蝕損斷面見(jiàn)下圖 。使用效果好的兩種磚的蝕損率及外觀如圖。
氮化硅結(jié)合碳化硅磚、濕法噴注造襯的蝕損率及外觀
由上表數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)華西濕法噴注造襯的使用效果最好。因此，爐腹、爐腰選用華西HXCS-2塞隆氮化硅結(jié)合噴注料。爐腰、爐身下部采用華西HXCS-1塞隆炭氮結(jié)合噴注料。這種結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了工作層的抗侵蝕、抗?jié)B透性及燒成鋁碳磚的較高導(dǎo)熱性能，有利于在工作襯上形成渣殼保護(hù)層，達(dá)到延長(zhǎng)爐腰爐身下部的使用壽命。爐腹、爐腰、爐身下部用新型耐火爐襯及結(jié)構(gòu)配置示意圖見(jiàn)下圖。
HXCS塞隆結(jié)合噴注料、磷酸鹽浸漬粘土磚的技術(shù)指標(biāo)
06結(jié)語(yǔ)
隨著高爐結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和新型爐襯材料不斷推出使用，控制與操作水平的提高，使高爐的壽命不斷延長(zhǎng)，有望使高爐壽命達(dá)到20年以上。
高爐長(zhǎng)壽是鋼鐵企業(yè)高效低耗的重要保證。隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，爐襯用耐火材料使用環(huán)境日益嚴(yán)苛，高爐長(zhǎng)壽化要求對(duì)耐火材料提出了更大挑戰(zhàn)。高爐爐缸爐底部位耐火材料長(zhǎng)期儲(chǔ)存熾熱鐵水，在高爐連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中難以及時(shí)更換破損爐襯，其壽命決定高爐一代爐役。長(zhǎng)期實(shí)踐表明，優(yōu)質(zhì)的耐火材料及合理的爐襯結(jié)構(gòu)是高爐長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)。因此，分析高爐耐火材料內(nèi)襯侵蝕機(jī)理，并采取行之有效的措施改進(jìn)爐襯結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，對(duì)于延長(zhǎng)高爐壽命具有重要意義。
