解析高炉炉缸耐火材料应用现状及重要技术指标

肖亮

摘 要：近年来随着炼铁技术的发展，高炉的利用系数不断提高，也就对高炉的耐火材料和冷却系统提出了更高的要求。铜冷却壁的应用，保证了炉腹以上部位的安全性，限制高炉长寿的环节转移至炉缸炉底的寿命。近几年高爐炉缸烧穿事故时有发生，造成了严重的经济损失，不合理的炉缸炉底结构是造成短命和烧穿事故的原因之一。因此，高炉炉缸选用合理的耐火材料尤为重要。

关键词：高炉炉缸 耐火材料 应用 重要技术指标

一、高炉炉缸耐火材料的应用现状

目前，高炉炉缸部位采用的耐火材料主要可分为如下三种：以碳素为基质的碳砖，以氧化铝为基质的刚玉质砖，以及碳素和氧化铝适当比例复合的碳复合材料。

1.1碳砖

碳砖的种类很多，按石墨化程度、焙烧制度、添加剂种类等可分为高密度碳砖、微孔碳砖、超微孔碳砖、半石墨质块、石墨质块、高温模压碳块、自焙碳砖等等。碳砖的优势在于其高导热性，导热系数一般都在 10 W·m-1·K-1以上。碳砖炉缸结构体现了“传热学”在高炉冷却系统中的应用，利用碳砖的高热导率将热量传递给冷却系统而实现降低碳砖热面温度，并在碳砖和铁水间形成保护层，达到保护炉缸内壁的目的。

实际生产中，高炉开炉初期无法迅速形成保护层，碳砖直接接触高温铁水，侵蚀剧烈。高炉运行中，也经常因为操作、原料的变化，保护层不能稳定的存在，一旦保护层消失，便加速碳砖侵蚀。

1.2刚玉质砖

刚玉质砖以氧化铝为基质，添加少量添加剂，利用氧化铝优良的抗铁水溶蚀性，提高了砖衬抵御高温铁水的能力。目前，刚玉质砖的应用主要是以陶瓷杯的形式与碳砖搭配使用。陶瓷杯结构是指在高炉炉缸碳砖内侧砌筑陶瓷材料，利用陶瓷材料优良的抗铁水溶蚀能力将碳砖和铁水隔开，减缓铁水对炉缸侧壁的侵蚀，将 800℃碱金属侵蚀线留在了陶瓷杯内，降低了碳砖的脆化程度。

实际生产中，陶瓷杯结构也出现了不足之处：（1）陶瓷杯仅在开炉之后起保护作用，待刚玉质砖被侵蚀殆尽之后，剩余的碳砖直接面对铁水，陶瓷本质上是延缓了侵蚀进度。（2）由于陶瓷杯的导热系数较低、热阻大，使得炉缸部位的冷却系统难以发挥作用。

1.3碳复合材料

碳复合材料是一种新型炉缸耐火材料，以河南五耐集团研发的碳复合砖为例。碳复合砖合理地将碳组分引入到氧化铝中，进行陶瓷材料与碳素材料的复合。碳复合砖结合了碳砖和陶瓷杯的优点，利用碳组分在其内部形成了类似“导线”的结构提高了导热率，同时具备了陶瓷材料优良的抗侵蚀性能。实际生产中，碳复合砖利用其高导热率在铁水与砖面接触面形成保护层，又利用其高抗侵蚀性保证了保护层不能稳定存在时炉缸部位的安全。

碳砖结构利用其高导热性能充分发挥了冷却系统的作用，但难抵御高温铁水的溶蚀；陶瓷杯结构充分发挥其较高的抗侵蚀性，将碳砖与铁水隔离开来，却难以发挥冷却系统的作用；碳复合砖兼顾了碳砖和陶瓷杯的优势，实现“自保护”和“他保护”结合，是新一代炉缸炉底耐火材料的发展方向。

二、高炉炉缸耐火材料的重要技术指标

碳砖、陶瓷杯用刚玉质砖和碳复合砖这三种耐火材料的具体性能指标一直是耐材研发者和耐材选用者关注的焦点。耐火材料的技术指标众多，从炉缸部位耐材的研发历程和选用原则来看，关注的主要是导热系数、铁水溶蚀指数，抗炉渣侵蚀性和微气孔化指标这四种重要技术指标。因此，正确理解这四项指标的作用机理，无论是对耐材企业还是钢铁企业都尤为重要。

2.1导热系数

导热系数是炉缸用耐火材料的最重要性能之一，即使耐火材料具备较高的抗侵蚀性，也只能减缓侵蚀速率，如目前应用较广的陶瓷杯结构，也会在炉役后期完全被侵蚀。因此，在耐火材料表面形成保护层是延长炉缸寿命的正确理念。

碳砖和刚玉质砖的导热分别是由石墨晶格振动和Al2O3晶格振动决定的，而碳复合砖的导热是由石墨晶格振动与Al2O3晶格振动共同决定的。从国内外典型高炉耐火材料导热系数的比较，可以看出：（1）碳砖的导热系数与刚玉质砖的导热系数相差比较大。这是因为C晶格振动的导热能力强于Al2O3晶格的导热能力。（2）碳砖和刚玉质砖的导热系数大致随温度增加而增加。因为对于单一材料或振动频率相同的复合材料，随着温度的升高，声子运动加强，所以热导系数增大。（3）碳复合砖的导热系数随温度增加而减小，这是由于C与Al2O3声子振动频率不同，声子间的相互作用或碰撞加强，对平衡位置的偏移加强，引起的散射加剧，从而使导热载体声子的平均自由程减小，从而导致导热率随温度升高而下降。

2.2铁水溶蚀指数

高炉破损调研结果表明，炉缸部位的侵蚀主要是铁水溶蚀、铁水渗透侵蚀及铁水环流的机械磨损。耐火材料的铁水溶蚀指数代表其抵抗高温铁水的机械冲刷和化学熔蚀能力，直接关系到耐火材料的侵蚀状况。

2.3抗炉渣侵蚀性

渣相开始形成时FeO含量较高，对耐火材料有很强的侵蚀性。炉缸部位的耐火材料同样也会受到炉渣的侵蚀，如果用于炉缸部位的耐火材料抗渣侵蚀性差，砖衬就将很快被侵蚀。武钢高炉炉身下部曾用高铝砖或粘土砖砌筑，虽然厚度很大，但一般生产2～3年就被侵蚀殆尽，主要是这些耐火材料的抗炉渣侵蚀性很差。

碳复合砖和碳砖的抗炉渣侵蚀性较好，远低于刚玉质砖的抗炉渣侵蚀性。Al2O3质类的耐火材料抗渣性能之所以较差，是因为在高温熔融状态下炉渣中的CaO和SiO2与Al2O3，发生反应，生成的有关矿物不断熔入炉渣中，从而使砖衬不断被侵蚀，在砖衬和炉渣界面附近形成的反应层和尖晶石富集层及其所含的矿物对砖衬的侵蚀均有重要影响。而C元素基本不与渣相中的各类氧化物反应，所以表现出来的抗侵蚀性能较好。

2.4微气孔化指标

耐火材料的微孔化指标包括透气度、平均孔径和<1μm孔容积。炉缸部位耐火材料的微孔化指标与侵蚀程度有关，包括铁水的渗入，锌、碱金属的化学侵蚀，CO2和水蒸气的氧化侵蚀等。微气孔化指标的提高可以抵御或减缓部分侵蚀的发生。除此之外，微孔化指标的提高也有利于提高砖衬的机械性能，抵御铁水冲刷带来的破坏，同时减少热应力导致“环裂”现象的发生。

从以上分析来看，高炉炉缸的侵蚀机理受多种复杂因素共同影响，对炉缸部位耐火材料的质量提出了更高的要求。耐火材料的各种性能指标是互相影响的，因此不应强调单一性能的提高，应注重各项性能协调综合提高。通过几种耐火材料的对比，说明碳复合砖的综合性能优于碳砖和刚玉质砖，更适用高炉炉缸部位。

三、结论

一是综合分析导热系数、铁水溶蚀指数、抗炉渣侵蚀性和微气孔化指标这四项重要技术指标，碳复合砖的性能指标优于碳砖和陶瓷杯，更适合高炉炉缸部位。

二是碳复合砖的导热系数接近于美国NMA碳砖的水平，因为Al2O3基质中引入了C元素，增强了整体的导热能力；碳复合砖和刚玉的铁水溶蚀指数低于碳砖。因为Al2O3可以降低耐火材料的铁水溶蚀指数；碳复合砖和碳砖的抗炉渣侵蚀性优于刚玉质砖的抗炉渣侵蚀性，因为C元素基本不与渣相中的各类氧化物反应；碳复合砖的微气孔化指标优于碳砖和刚玉质砖，因为引入Si元素，利用其在焙烧过程中所形成的晶须填补空隙。因此，碳复合材料是新一代炉缸炉底耐火材料的发展趋势。

三是耐火材料的各种性能指标相互影响，应用在高炉炉缸部位的耐材不能单纯追求某一指标的高低，应注重各项指标协调综合提高。