高爐陶瓷杯用長壽耐材的研制與設(shè)計(jì)創(chuàng)新

王佑寶，高配亮，蔡國慶，秦建濤，常雅楠

（山東耐材集團(tuán)魯耐窯業(yè)有限公司，山東 淄博255200）

1 前 言

高爐長壽是現(xiàn)代高爐所追求的目標(biāo)，高爐長壽必將帶來經(jīng)濟(jì)效益的提升［1-2］。近年來，我國高爐的設(shè)計(jì)水平得到了較大的提高，陶瓷杯耐材也從全部依賴進(jìn)口轉(zhuǎn)變?yōu)閲a(chǎn)化，并且使用效果也逐步提升，高爐的一代爐齡也得到了較大的提高［3］。但與國外高爐壽命相比，我國只有少數(shù)高爐能夠達(dá)到國外高爐壽命的水平。雖然普遍認(rèn)為影響高爐長壽有3 個(gè)因素：高爐設(shè)計(jì)時(shí)采用的長壽技術(shù)、穩(wěn)定的高爐操作工藝管理和優(yōu)質(zhì)的原燃料條件和有效的爐體維護(hù)技術(shù)［4-5］，但陶瓷杯用耐材的選擇也非常重要。提高高爐的設(shè)計(jì)和建設(shè)水平，是高爐實(shí)現(xiàn)長壽的根本，高爐本體用耐材選擇對高爐長壽化有也重要意義［6］。隨著鋼鐵行業(yè)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換項(xiàng)目的實(shí)施，高爐的發(fā)展趨勢是大型化、長壽化，其內(nèi)襯的耐火材料按高爐部位的使用條件應(yīng)選擇相對應(yīng)的品質(zhì)及檔次的耐火材料，高爐本體用耐火材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提升勢在必行。

2 高爐陶瓷杯耐材的選材

2.1 陶瓷杯的作用及耐材性能要求

陶瓷杯即在高爐爐底爐缸工作區(qū)域采用陶瓷結(jié)合的耐火材料，爐底采用2～3層耐火磚砌筑，搭配的杯壁在炭磚外側(cè)采用多種磚型耐火材料環(huán)砌，在爐缸區(qū)域形成一個(gè)杯狀的陶瓷襯。利用陶瓷杯低導(dǎo)熱的特點(diǎn)，將1 150 ℃等溫線阻滯在陶瓷層中，使炭磚避開800～1 100 ℃的脆性斷裂區(qū)。由于陶瓷杯的存在使鐵水不直接與炭磚接觸，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上緩解了鐵水及堿金屬對炭磚的滲透、沖刷破壞。只要陶瓷杯穩(wěn)定存在與炭磚內(nèi)襯的內(nèi)表面，陶瓷杯顯然也起著隔熱的作用，能降低炭磚表面的溫度，不僅節(jié)能降耗，還能改善炭磚層內(nèi)的溫度分布。因此，對陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能：良好的抗鐵水熔蝕性能，良好的抗鐵水、渣液沖刷性能，良好的抗CO侵蝕和抗堿侵蝕能力，良好的抗熱震能力，在使用過程中應(yīng)形成鍋底狀，避免出現(xiàn)象腳型。

2.2 高爐爐缸的侵蝕形式

高爐爐缸耐材和炭磚的損毀中堿金屬和鋅的化學(xué)侵蝕是主要的影響因素之一，要減小乃至消除爐襯環(huán)縫對高爐壽命的不利影響，除了從根本上提高高爐精料水平，降低堿金屬和鋅的負(fù)荷以外，砌筑爐缸、爐底選擇抗堿性好、微氣孔或超微氣孔、抗鐵水滲透和抗渣鐵溶蝕性能好的耐火材料是爐缸耐材技術(shù)趨勢。

高爐在運(yùn)行過程中爐缸的耐火磚襯受到多方面的作用而逐步被侵蝕，因此在選擇各部位的耐火磚襯時(shí)應(yīng)遵循的原則是：耐火磚襯要與該部位的熱流強(qiáng)度相對應(yīng)，以保持在強(qiáng)熱流沖擊下，磚襯仍能保持整體性和穩(wěn)定性；耐火磚襯要與該部位的侵蝕機(jī)理相對應(yīng)，以緩解和延緩內(nèi)襯破損速度，延長高爐壽命。

目前業(yè)內(nèi)普遍將爐缸典型侵蝕情況分為4種，如圖1 所示。A 為蘑菇型侵蝕、B 為象腳型侵蝕、C為寬臉狀侵蝕、D 為鍋底狀侵蝕。其中蘑菇型、象腳型、寬臉狀侵蝕均為非均勻侵蝕的典型代表，均勻侵蝕磨損容易形成鍋底狀，適當(dāng)?shù)腻伒谞钋治g有利于渣鐵層的形成和減緩侵蝕速率，是爐缸長壽的侵蝕思路。

2.3 陶瓷杯用微孔莫來石磚的技術(shù)優(yōu)勢

目前國內(nèi)高爐陶瓷杯用耐材主要有復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、塑性相復(fù)合剛玉磚、微孔剛玉磚、法國陶瓷杯澆注磚等。澆注塊的重量相對較大，復(fù)合棕剛玉磚抗堿性相對較差，塑性相剛玉磚微氣孔指標(biāo)相對較差，剛玉莫來石抗堿性和抗?fàn)t渣侵蝕效果相對較差。高爐陶瓷杯、陶瓷墊用耐材料直接與高爐內(nèi)鐵水、鐵渣接觸，受鐵水、鐵渣溶蝕和沖刷嚴(yán)重而易于損毀。為滿足高爐一代爐齡的生產(chǎn)需求，高爐陶瓷杯與風(fēng)口用耐火材料應(yīng)具備良好的抗沖刷、耐侵蝕性能。高爐陶瓷杯用耐火材料的微孔化是當(dāng)今耐材技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢。

微孔莫來石磚在國內(nèi)應(yīng)用并不多，但其在高爐陶瓷杯上使用的優(yōu)異表現(xiàn)需要引起關(guān)注。近幾年，魯耐窯業(yè)和韓國浦項(xiàng)在高爐耐材方面緊密合作，韓國浦項(xiàng)和現(xiàn)代制鐵高爐上使用的就是微孔莫來石磚（SDMPM70）與低鋁莫來石磚（SDLAM45）搭配的魯耐-浦項(xiàng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯技術(shù)，使用過程中能夠按照設(shè)計(jì)要求形成類鍋底狀均勻侵蝕，使用效果良好，能夠滿足一代爐齡15 a 以上的需求。魯耐-浦項(xiàng)型復(fù)合陶瓷杯技術(shù)根據(jù)陶瓷墊的使用性能和環(huán)境，材料的搭配使用易于形成均勻侵蝕磨損及類鍋底狀侵蝕，侵蝕主要向爐底下部發(fā)展，在爐底形成深坑，有減輕爐缸環(huán)流的作用，減輕對側(cè)壁侵蝕，同時(shí)適當(dāng)?shù)念愬伒谞钋治g有利于渣鐵層的形成，以減緩侵蝕速率，是爐缸長壽的均勻侵蝕思路。

微孔莫來石磚（SDMPM70）利用無機(jī)占位、液相填充、二次莫來石化等反應(yīng)體積膨脹填充氣孔；生成的晶須將材料內(nèi)部氣孔分割微化；抑制鐵水等及渣、堿金屬和鋅蒸汽向材料內(nèi)部的滲透。應(yīng)用了低氣孔制作技術(shù)，堆積填充、燒結(jié)。材料中微孔極大減緩了耐火材料的侵蝕速率，從而提高材料使用壽命。具有以下優(yōu)異性能：①整體良好的抗鐵水熔蝕性能；②良好的抗鐵水、渣液沖刷性能，杯壁上部良好的抗渣侵蝕性能；③在高溫狀態(tài)下，殘存線變化為零或稍正，防止鐵水鉆向縫隙；④良好的抗熱震能力，在受壓狀態(tài)下由熱膨脹引起的應(yīng)力的適應(yīng)能力；⑤陶瓷墊中心部位在工作狀態(tài)下處于軟融狀態(tài)，封閉或減小材料氣孔數(shù)量和孔徑；⑥中心部位先于邊緣部位開始侵蝕，陶瓷墊在使用過程中應(yīng)形成鍋底狀，避免出現(xiàn)象腳型。

魯耐-浦項(xiàng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯技術(shù)用微孔莫來石磚（SDMPM70）理化指標(biāo)如表1 所示。搭配使用的低鋁莫來石磚（SDLAM45），其氧化鋁含量在45%～50%，體積密度2.35 g/cm3以上，荷重軟化溫度1 500 ℃以上，具有高溫狀態(tài)下表面軟熔的效果，便于鍋底狀的形成。所用配套火泥為剛玉莫來石火泥，其具有優(yōu)良的施工性能和良好的燒結(jié)性能，燒后永久線變化為正值，燒結(jié)后黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)6 MPa以上，能夠很好地滿足陶瓷杯墊使用環(huán)境。

表1 微孔莫來石磚（SDMPM70）理化指標(biāo)

3 陶瓷杯墊設(shè)計(jì)創(chuàng)新與熱工計(jì)算

3.1 陶瓷墊自鎖防漂浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

魯耐根據(jù)高爐陶瓷杯用耐材的使用環(huán)境，研究設(shè)計(jì)開發(fā)具有良好的抗沖刷、耐侵蝕的優(yōu)質(zhì)耐火材料，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)形成自鎖緊、防漂浮陶瓷杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和大塊穩(wěn)固的組合磚設(shè)計(jì)。針對現(xiàn)有爐底砌體在受熱后應(yīng)力分布不均勻，易造成局部坍塌、漂浮而破損等不足。通過對爐底整理結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜設(shè)計(jì)配合舌槽設(shè)計(jì)，讓單磚之間、爐底整體均形成了有利的自鎖結(jié)構(gòu)；即使上層磚坯受到侵蝕破壞也不會(huì)影響剩余磚坯的相互鎖緊結(jié)構(gòu)的維護(hù)，不會(huì)造成小塊磚坯的漂浮，從而形成整體防漂浮性能。陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設(shè)計(jì)示意圖見圖2。

圖2 陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設(shè)計(jì)示意圖

3.2 陶瓷墊材料的熱工模擬及整體膨脹計(jì)算

陶瓷墊磚熱工設(shè)計(jì)測算是不可或缺的，為科學(xué)合理的對陶瓷墊環(huán)縫和泥縫的設(shè)計(jì)，對陶瓷墊用微孔莫來石、低鋁莫來石、剛玉莫來石火泥、環(huán)縫填料4 種耐材進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)檢測，得出可壓縮比例。綜合熱膨脹數(shù)據(jù)，對陶瓷墊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體熱膨脹、壓縮計(jì)算。測算陶瓷墊在使用過程中的整體膨脹量是否對外層的炭磚造成擠壓，避免破壞炭磚結(jié)構(gòu)。

通過高溫壓縮變形試驗(yàn)檢測SDMPM70、SDLAM45、剛玉莫來石泥漿、環(huán)縫填料耐材在2 MPa 壓力下1 400 ℃保溫10 h 的高溫壓縮試驗(yàn)，測得的可壓縮比例如表2所示。

表2 魯耐-浦項(xiàng)型陶瓷墊各耐材膨脹系數(shù)及可壓縮量檢測結(jié)果 %

以2020 年魯耐窯業(yè)為寶鋼本部設(shè)計(jì)生產(chǎn)的2#高爐直徑12.7 m陶瓷墊為例進(jìn)行計(jì)算，下層陶瓷墊全部使用SDMPM70 磚，上層直徑3/4 范圍內(nèi)使用SDLAM45 磚、外環(huán) 1/4 使用 SDMPM70 的方式。通過理論測算，陶瓷墊泥縫2 mm、環(huán)縫填料尺寸100 mm 時(shí)，上下兩層陶瓷墊的整體理論膨脹量總量趨近于零，分別為-0.3 mm 和-0.8 mm，如表3 所示。測算結(jié)果表明，火泥和環(huán)縫填料的壓縮剛好能夠吸收陶瓷墊磚的膨脹，從而保護(hù)了環(huán)縫填料外側(cè)炭磚結(jié)構(gòu)，使其不會(huì)受到過度擠壓損毀，因此充分吸收陶瓷墊磚高溫膨脹陶瓷杯泥縫并非越小越好。

表3 陶瓷墊耐火材料膨脹與壓縮量理論計(jì)算

4 結(jié) 語

（1）高爐長壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到設(shè)計(jì)、設(shè)備和耐火材料選型、制造與安裝、生產(chǎn)操作和長壽維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)。穩(wěn)定、合格、性能優(yōu)異的陶瓷杯耐材起到不可忽視的作用。通過自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用不同耐火材料搭配的陶瓷杯設(shè)計(jì)模式，有助于向類鍋底型均勻侵蝕的發(fā)展，有利于高爐長壽化運(yùn)行。

（2）經(jīng)過多年來魯耐-浦項(xiàng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷杯在國外高爐的良好應(yīng)用，充分證明魯耐研發(fā)的微孔莫來石磚SDMPM70 與低鋁莫來石磚SDLAM45 配合的設(shè)計(jì)理念，能滿足大型高爐的使用要求，發(fā)揮較好的作用。