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在炼铁生产中，如何选择高炉用耐火材料
2025-03-08
高铝耐火材料对高炉渣的作用，铁水冲蚀，高温下的磨损，具有高的稳定性，并对一氧化碳有惰性。可是在碱介质中，在高温条件下工作时，发现刚玉转化为β-氧化铝。这个转化伴随体积增大20%，而导致碎裂。基质首先与碱蒸气相互作用。刚玉砖用莫来石或铬铝的基质代替刚玉结合，提高制品对碱作用的稳定性。
进一步提高高炉耐火材料效率是采用碳化硅制品;特别是用于炉身下部和炉腹内衬。碳化硅——化学惰性，对磨损，碳化硅耐火材料有非常高的稳定性，与碳质制品比较，碳化硅对氧化的稳定性较好。高炉应用碳化硅制品的主要问题是开发对碱具有足够高稳定性的结合剂。从试验的焦油结合碳化硅石墨制品，陶瓷(黏土)结合的，氧氮化物和氮化物结合的碳化硅制品，氮化物物Si₃N4和氧氮化物Si₃ON₂结合的制品有比较好的稳定性。可是发现自结合碳化硅制品更抗碱。既然自结合碳化硅制品制造困难，研究碳化硅含量各种组合的耐火材料：高铝碳化硅的，石墨碳化硅的等。
镁质耐火材料在炉身下部，炉腰和炉腹经过试验，它的寿命指标比高质量的黏土砖高些，然而低于碳化硅。炉身下部和炉腹选择合适的耐火材料，现在还在继续进行。
炉身下部和炉腹经过连续工作时间到5~8年，个别情况到10~12年。炉身和炉腹的中间修理(Ⅱ级检修)①，通常要12~18d完成。它是停炉，吹掉内衬、冷却，检查，内衬更换，检修金属构件和设备以及熔炉。个别场合的修理主要进行喷补。它由生产致密砖时应用的同样原材料构成喷补料，利用氧化铁含量低的矾土水泥或高铝水泥做结合剂。已知是不停炉，修理体积不大的方法，在这种情况下，专用成分的耐火泥料通过炉壳的孔，小于1.5MPa的压力下在炉中完成。这种泥料使用的黏结物质或软化温度超过200℃的煤焦油，冲淡的液体油，沥青或水玻璃结合的高铝水泥。
①检修高炉内衬分级：Ⅰ级：炉身和炉床检修;Ⅱ级：炉身检修;Ⅲ级：炉喉检修。
炉身上部修理(Ⅱ级修理)可以不冷炉进行喷补。
炉床和炉缸内衬基本上由碳质砌筑。碳质制品的优越性表现它在还原或惰性气氛中耐火度(超过3000℃)高，随温度提高，强度增大，在很宽的温度范围内体积不变，抗热震性好，对金属和渣的不润湿性以及能够制取公差要求严格的大块砖。炉床砌上3~4列有褶皱的碳质大砖，长到1.5~3.5m，断面积(0.5~0.65)m×(0.5~0.65)m。炉床上面的墙砌上碳质大砖。炉床中心上部系列用高铝褶皱(预防浮起)砖完成。为了预防砖浮起还用所谓顶砌的方法砌砖。耐火材料与生铁相互作用的较低温度为1100~1150℃。如果炉床上部应用高铝制品，沿砖表层通过1100~1150℃等温线，引起出铁温度为 1450℃左右。高铝砖在1100~1150℃等温线层变薄时，砖外层温度提高，出铁温度降低。
这样一来，出铁温度成为高炉炉床内衬状态的指示器。比较大的炉子由炉床下面配备调节冷却。炉床损毁的主要原因(砖浮起)——在铁静压力作用下，铁钻进砖之间的锯齿缝里。所以炉床砌体要在精心准备好的大砖试验台上预先装配。较大炉子的炉床耐火材料砌体的总厚度达到5m。必须预防炉子底座由于加热(特别是不均匀)和炉床破坏时产生铁的意外破口。
用碳质和硅酸铝质耐火材料砌筑炉缸。炉缸墙的碳质砌体用标准冷却装置或水套(二层炉壳)帮助冷却。炉缸上部(风口带)适合砌筑碳化硅耐火材料。
历史上曾选择有效耐火材料。认为碳的氧化物分解时析出的碳储存在耐火制品的气孔和裂隙里，以至造成耐火材料破坏。耐火材料组成中的氧化镁和沉积的锌，被认为是这个反应的催化剂。为了减少钢的增碳，采用氧化铁含量较小的致密制品，然而重要的是提高高炉内衬寿命。
后来注意力转向碱蒸气的破坏作用。高炉炉料中含的碱在炉身下部与内衬接触(周边区域)达到10%~15%，同时炉子中心部分含有1%~2%。耐火材料内衬与碱相互作用包括如下阶段：形成含碱化合物蒸气，往耐火材料内部渗透，凝结，熔化，充满气孔，熔体与炉子气体介质反应。耐火材料中存在 SiO₂时(莫来石颗粒或基质中)，形成碱的化合物：K2O·Al2O3·4SiO2白榴石，K2O·Al2O3·2SiO2钾霞石，Na2O·Al2O3·2SiO2钠霞石，K2O·6Al2O3和Na2O·6Al2O3·β-氧化铝，Na2O·Fe2O3·4SiO2钠辉石;K2O·Al2O3·6SiO2正长石。形成碱的硅酸铝，伴随体积增大到45%，造成应力产生和形成新断裂。硅酸铝耐火材料被碱饱和部分开口气孔率降低到2.5%。莫来石在碱的作用下被溶解，碱的化合物在碳的作用下可能被还原和分解。1500℃时形成气体状钾和金属硅。在炉身下部形成氰化物KCN和 NaCN。氰化物一部分随气体急速离去，而其他的与耐火材料反应形成熔体。
研究碱与耐火材料相互作用，无疑证明在高炉结构的下部不能接受含SiO2的耐火材料。
已知刚玉制品(Al2O395%~98%)对碱稳定。然而，这又不是合适的判断。像刚玉制品已经表现出形成β-氧化铝，此外还具有高的线膨胀系数，使它裂开。
耐火材料本身与铁相互作用，甚至全部具备热力学可能的反应，在铁的作用下，耐火材料损毁很小，因为相互作用的速度不大，而反应产物形成硬的惰性保护层。1500℃时，铁对大多数耐火材料的润湿角大于 100°。
近年来，高炉内衬成功地使用碳质，特别是碳化硅耐火材料。碳化硅耐火材料与其他高炉耐火材料比较有以下优势：对碱有高的稳定性，抗热震性好和热导率高，气孔尺寸较小。这样一来，碳化硅制品从高炉下部结构挤出其他所有耐火材料。碳化硅耐火材料与石墨相配合被认为是有前途的。
后来开发的 Sialon结合碳化硅制品与氮化硅结合的相比，结晶较大，气孔率低，抗氧化性好，在一些国家的高炉中段试用。
高炉耐火材料的化学矿物组成，按气孔率对它提出要求，认为制品气孔率小于 12%，明显减小它被渣浸润，可是浸润不带闸性质。气孔率小于12%的制品，在室温下的磨损比气孔率17%制品低5~6倍，而980℃时低10~20倍。
冷却是高炉内衬稳定的重要因素。
炉缸和炉床内衬连续使用到15~20年。这期间鼓风风口，铁和渣出口按综合进程检修。风口采用特殊质量的耐火材料，并根据磨损情况替换它。每个周期放出铁和渣时，用专用炮泥打入出铁口。炮泥应该具有可塑性和对铁水和渣液的稳定性，高的硬化速度，它不应该分泌出烟或污染环境的有害气体。
现在广泛使用焦油结合的无水炮泥，它含氧化硅，高铝材料，碳化硅，不大数量的碳和黏土，并有约15%的煤焦油或沥青。可是这种泥硬化慢，形成烟，造成笨重的工作条件。用苯酚甲醛的焦油作为结合剂可以排除不足，它具有热反应性，即加热时转为固体状态。焦油的溶剂使用乙醇，Al2O3-SiC-C系统和MgO-C系统泥料对本酚甲醛的焦油有高的稳定性。采用这种泥，出铁口补修时间减短，因而有利于增加炉子产量。
高炉出铁沟耐火材料应该有高的化学稳定性，提高温度时耐磨损和对温度变换的稳定性。提高沟衬寿命采取：加入碳化硅的高铝料;碳化硅的、碳化硅氧化铝的和氮化硅结合的碳化硅。氮化硅结合的碳化硅泥料有比较好的寿命。氮化硅的特点是：在使用温度下有高的强度与低的热膨胀相配合和较大的热导率。所以这种结合剂具有高的抗热震性。此外，提高温度时，氮化硅晶体表面上形成氧化物薄膜，预防结合剂磨损。
出铁沟内衬的寿命不仅取决于耐火材料的性质，而且又与炉子工作制度，实现内衬的方法和沟本身结构有关。我国大型高炉的出铁沟已从捣打料发展成浇注料，主要材质为电熔刚玉，碳化硅，少量金属硅与金属铝粉，适量促凝剂，解胶剂，超细粉等原料配制。浇注料在一些高炉使用，获得效果较好。
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