高炉陶瓷杯用长寿耐材的研制与设计创新

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前言

高炉长寿是现代高炉所追求的目标，高炉长寿必将带来经济效益的提升。 近年来，我国高炉的设计水平得到了较大的提高，陶瓷杯耐材也从全部依赖进口转变为国产化，并且使用效果也逐步提升，高炉的一代炉龄也得到了较大的提高。 但与国外高炉寿命相比，我国只有少数高炉能够达到国外高炉寿命的水平。 虽然普遍认为影响高炉长寿有3个因素： 高炉设计时采用的长寿技术、稳定的高炉操作工艺管理和优质的原燃料条件和有效的炉体维护技术，但陶瓷杯用耐材的选择也非常重要。 提高高炉的设计和建设水平，是高炉实现长寿的根本，高炉本体用耐材选择对高炉长寿化有也重要意义。 随着钢铁行业新旧动能转换项目的实施，高炉的发展趋势是大型化、长寿化，其内衬的耐火材料按高炉部位的使用条件应选择相对应的品质及档次的耐火材料，高炉本体用耐火材料与结构设计的优化提升势在必行。

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高炉陶瓷杯耐材的选材

2.1 陶瓷杯的作用及耐材性能要求

陶瓷杯即在高炉炉底炉缸工作区域采用陶瓷结合的耐火材料，炉底采用2～3层耐火砖砌筑，搭配的杯壁在炭砖外侧采用多种砖型耐火材料环砌，在炉缸区域形成一个杯状的陶瓷衬。利用陶瓷杯低导热的特点，将1 150℃等温线阻滞在陶瓷层中，使炭砖避开800～1 100℃的脆性断裂区。由于陶瓷杯的存在使铁水不直接与炭砖接触，从结构设计上缓解了铁水及碱金属对炭砖的渗透、冲刷破坏。只要陶瓷杯稳定存在与炭砖内衬的内表面，陶瓷杯显然也起着隔热的作用，能降低炭砖表面的温度，不仅节能降耗，还能改善炭砖层内的温度分布。因此，对陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能：良好的抗铁水熔蚀性能，良好的抗铁水、渣液冲刷性能，良好的抗CO侵蚀和抗碱侵蚀能力，良好的抗热震能力，在使用过程中应形成锅底状，避免出现象脚型。

2.2 高炉炉缸的侵蚀形式

高炉炉缸耐材和炭砖的损毁中碱金属和锌的化学侵蚀是主要的影响因素之一，要减小乃至消除炉衬环缝对高炉寿命的不利影响，除了从根本上提高高炉精料水平，降低碱金属和锌的负荷以外，砌筑炉缸、炉底选择抗碱性好、微气孔或超微气孔、抗铁水渗透和抗渣铁溶蚀性能好的耐火材料是炉缸耐材技术趋势。高炉在运行过程中炉缸的耐火砖衬受到多方面的作用而逐步被侵蚀，因此在选择各部位的耐火砖衬时应遵循的原则是：耐火砖衬要与该部位的热流强度相对应，以保持在强热流冲击下，砖衬仍能保持整体性和稳定性;耐火砖衬要与该部位的侵蚀机理相对应，以缓解和延缓内衬破损速度，延长高炉寿命。目前业内普遍将炉缸典型侵蚀情况分为4种，如图1所示。A为蘑菇型侵蚀、B为象脚型侵蚀、C为宽脸状侵蚀、D为锅底状侵蚀。其中蘑菇型、象脚型、宽脸状侵蚀均为非均匀侵蚀的典型代表，均匀侵蚀磨损容易形成锅底状，适当的锅底状侵蚀有利于渣铁层的形成和减缓侵蚀速率，是炉缸长寿的侵蚀思路。

2.3 陶瓷杯用微孔莫来石砖的技术优势

目前国内高炉陶瓷杯用耐材主要有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相复合刚玉砖、微孔刚玉砖、法国陶瓷杯浇注砖等。浇注块的重量相对较大，复合棕刚玉砖抗碱性相对较差，塑性相刚玉砖微气孔指标相对较差，刚玉莫来石抗碱性和抗炉渣侵蚀效果相对较差。高炉陶瓷杯、陶瓷垫用耐材料直接与高炉内铁水、铁渣接触，受铁水、铁渣溶蚀和冲刷严重而易于损毁。为满足高炉一代炉龄的生产需求，高炉陶瓷杯与风口用耐火材料应具备良好的抗冲刷、耐侵蚀性能。高炉陶瓷杯用耐火材料的微孔化是当今耐材技术领域发展趋势。

图1 不同炉缸侵蚀形貌示意图

微孔莫来石砖在国内应用并不多，但其在高炉陶瓷杯上使用的优异表现需要引起关注。近几年，鲁耐窑业和韩国浦项在高炉耐材方面紧密合作，韩国浦项和现代制铁高炉上使用的就是微孔莫来石砖(SDMPM70)与低铝莫来石砖(SDLAM45)搭配的鲁耐-浦项型复合结构陶瓷杯技术，使用过程中能够按照设计要求形成类锅底状均匀侵蚀，使用效果良好，能够满足一代炉龄15 a以上的需求。鲁耐-浦项型复合陶瓷杯技术根据陶瓷垫的使用性能和环境，材料的搭配使用易于形成均匀侵蚀磨损及类锅底状侵蚀，侵蚀主要向炉底下部发展，在炉底形成深坑，有减轻炉缸环流的作用，减轻对侧壁侵蚀，同时适当的类锅底状侵蚀有利于渣铁层的形成，以减缓侵蚀速率，是炉缸长寿的均匀侵蚀思路。

微孔莫来石砖(SDMPM70)利用无机占位、液相填充、二次莫来石化等反应体积膨胀填充气孔;生成的晶须将材料内部气孔分割微化;抑制铁水等及渣、碱金属和锌蒸汽向材料内部的渗透。应用了低气孔制作技术，堆积填充、烧结。材料中微孔极大减缓了耐火材料的侵蚀速率，从而提高材料使用寿命。具有以下优异性能：(1)整体良好的抗铁水熔蚀性能;(2)良好的抗铁水、渣液冲刷性能，杯壁上部良好的抗渣侵蚀性能;(3)在高温状态下，残存线变化为零或稍正，防止铁水钻向缝隙;(4)良好的抗热震能力，在受压状态下由热膨胀引起的应力的适应能力;(5)陶瓷垫中心部位在工作状态下处于软融状态，封闭或减小材料气孔数量和孔径;(6)中心部位先于边缘部位开始侵蚀，陶瓷垫在使用过程中应形成锅底状，避免出现象脚型。

鲁耐-浦项型复合结构陶瓷杯技术用微孔莫来石砖(SDMPM70)理化指标如表1所示。搭配使用的低铝莫来石砖(SDLAM45)，其氧化铝含量在45%～50%，体积密度2.35 g/cm3以上，荷重软化温度1 500℃以上，具有高温状态下表面软熔的效果，便于锅底状的形成。所用配套火泥为刚玉莫来石火泥，其具有优良的施工性能和良好的烧结性能，烧后永久线变化为正值，烧结后黏结强度可达6 MPa以上，能够很好地满足陶瓷杯垫使用环境。

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陶瓷杯垫设计创新与热工计算

3.1 陶瓷垫自锁防漂浮结构设计

鲁耐根据高炉陶瓷杯用耐材的使用环境，研究设计开发具有良好的抗冲刷、耐侵蚀的优质耐火材料，并通过优化设计组合结构形成自锁紧、防漂浮陶瓷杯结构设计和大块稳固的组合砖设计。针对现有炉底砌体在受热后应力分布不均匀，易造成局部坍塌、漂浮而破损等不足。通过对炉底整理结构进行倾斜设计配合舌槽设计，让单砖之间、炉底整体均形成了有利的自锁结构;即使上层砖坯受到侵蚀破坏也不会影响剩余砖坯的相互锁紧结构的维护，不会造成小块砖坯的漂浮，从而形成整体防漂浮性能。陶瓷垫自锁防漂浮砖型设计示意图见图2。

图2 陶瓷垫自锁防漂浮砖型设计示意图

3.2 陶瓷垫材料的热工模拟及整体膨胀计算

陶瓷垫砖热工设计测算是不可或缺的，为科学合理的对陶瓷垫环缝和泥缝的设计，对陶瓷垫用微孔莫来石、低铝莫来石、刚玉莫来石火泥、环缝填料4种耐材进行高温压缩试验检测，得出可压缩比例。综合热膨胀数据，对陶瓷垫整体结构进行整体热膨胀、压缩计算。测算陶瓷垫在使用过程中的整体膨胀量是否对外层的炭砖造成挤压，避免破坏炭砖结构。

表2

通过高温压缩变形试验检测SDMPM70、SDLAM45、刚玉莫来石泥浆、环缝填料耐材在2MPa压力下1400℃保温10 h的高温压缩试验，测得的可压缩比例如表2所示。

以2020年鲁耐窑业为宝钢本部设计生产的2#高炉直径12.7 m陶瓷垫为例进行计算，下层陶瓷垫全部使用SDMPM70砖，上层直径3/4范围内使用SDLAM45砖、外环1/4使用SDMPM70的方式。通过理论测算，陶瓷垫泥缝2 mm、环缝填料尺寸100mm时，上下两层陶瓷垫的整体理论膨胀量总量趋近于零，分别为-0.3 mm和-0.8 mm，如表3所示。测算结果表明，火泥和环缝填料的压缩刚好能够吸收陶瓷垫砖的膨胀，从而保护了环缝填料外侧炭砖结构，使其不会受到过度挤压损毁，因此充分吸收陶瓷垫砖高温膨胀陶瓷杯泥缝并非越小越好。

表3

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结语

(1)高炉长寿是一项系统工程，涉及到设计、设备和耐火材料选型、制造与安装、生产操作和长寿维护等多个环节。 稳定、合格、性能优异的陶瓷杯耐材起到不可忽视的作用。 通过自锁结构设计选用不同耐火材料搭配的陶瓷杯设计模式，有助于向类锅底型均匀侵蚀的发展，有利于高炉长寿化运行。

(2)经过多年来鲁耐-浦项型复合结构陶瓷杯在国外高炉的良好应用，充分证明鲁耐研发的微孔莫来石砖SDMPM70与低铝莫来石砖SDLAM45配合的设计理念，能满足大型高炉的使用要求，发挥较好的作用。