耐火材料的应用.docx

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耐火材料的应用

第二篇耐火材料的应用

耐火材料作为高温炉窑及热工设备的结构材料及元部件材料，广泛用于钢铁、有色金属、建材、石油化工、机械工业等部门。

10.1冶金炉窑对耐火材料的要求

冶金炉窑种类繁多，结构复杂，耐火材料的选择和应用往住有很大差别。

但是，必须满足下列要求：

能承受高温作用而不软化、不熔化；

能承受高温荷重作用，不丧失结构强度，不发生变形和坍塌；

有好的体积稳定性，在高温下不发生过大的体积膨胀和收缩，重烧线变化小；

能抵抗温度急剧变化；

能抵抗高温熔体的化学侵蚀和物理冲刷作用；

外形尺寸规整，公差小。

10.2耐火材料在使投中损毁的机理

冶金炉窑长期连续处在高温下运行，耐火材料工作条件恶劣，极易损毁，其中以熔炼炉

最为典型。

造成耐火材料损毁的因素很多，但归纳起来主要有以下几点。

（1）渣蚀作用：

是由于熔渣和金属液或含尘腐蚀性气体的物理化学作用而引起的侵蚀。

据统计有色冶金炉窑的炉衬60%~70%是由于熔渣的侵蚀而损毁。

炼钢转炉和电炉渣线区域主要是由于渣蚀，而成为损毁最严重的部位，并决定着炉衬的寿命。

。

（2）温度剧烈变化作用：

许多炉窑，特别是间歇式操作炉窑，温度波动大，骤然变化产生很大的内应力，砖砌体开裂、剥落，严重时变形或坍塌倾倒。

如炼钢转炉、电弧炉和铜锡熔炼反射炉，熔炼期最高炉温可达1250~1650℃，而放渣和出钢、出铜后，炉内温度急剧，降至600~800℃，温度在短时间内波动太快太大，造成耐火材料内应力大，产生崩裂、剥落而损毁。

（3）气相的沉积作用：

很多熔炼炉和火焰炉，在生产过程中会产生CO分解和铅、锌及碱金属氧化挥发，并在耐火材料气孔及砌缝内沉积，造成砖砌体龟裂、变形和化学侵蚀。

这种现象在高炉、鼓风炉、竖窑及焦炉的上部较为突出，甚至成为这些部位损毁的主要原因。

（4）机械冲击和磨损作用：

许多炉窑内的物料是运动的。

如高炉、鼓风炉及竖窑内的物料连续不断地由炉顶向下运动；回转窑内物料作回转前进运动；转炉内液态金属作沸腾搅动等。

并且在运动的同时，物料还要发生一系列的物理化学变化。

因此，对炉衬产生很大的机械冲击和严重的磨蚀作用，破坏性非常大。

例如高炉炉喉磨损严重，不得不采用铸钢板加以保护。

氧气转炉由于钢水的剧烈搅动，常发生炉衬被刷掉的现象，而需经常补炉。

；

（5）单纯熔融作用：

许多耐火材料在高温热负荷作用下，往往发生重烧线变化，造成砌筑体失稳。

有时操作温度过高，还会造成局部软化甚至熔融，形成溶液，导致砌体坍塌。

。

10.3耐火材料选用的原则

（1）掌握炉窑特点：

根据炉窑的构造、各部位工作特性及运行条件，选用耐火材料。

要分析耐火材料损毁的原因，做到有针对性地选用耐火材料。

例如各种熔炼炉渣线及以下部位的炉村及炉底，以受渣和金属熔体的化学侵蚀为主，其次才是温度骤变所引起的热应力作

用，一般选用抗法性优良的镁质、镁铬质耐火砖砌筑。

渣线以上部位可选用镁铝砖或镁铬砖，

或高铝砖砌筑。

（2）熟悉耐火材料的特性：

熟悉各种耐火材料的化学矿物组成、物理性能和工作性能，

做到充分发挥耐火材料的优良特性，尽量避开其缺点。

如硅砖荷重软化温度高，能抵抗酸性

炉渣的侵蚀，但在600℃以下发生β晶型向α晶型的快速转变，抗热震性很差，在600℃以上使用时抗热震性较好，高温下只会膨胀而不发生体积收缩，因而可选用作火焰炉炉顶砖、

焦炉炭化室隔墙砖等。

（3）保证炉窑的整体寿命：

要使炉子各部位所用各种耐火材料之间合理配合，确定炉子各部位及同一部位各层耐火材料的材质时，既要避免不同耐火材料之间发生化学反应而熔融损毁，又要保证各部位的均衡损耗，保证炉子整体的使用寿命。

（4）实现综合经济效益合理：

选用的耐火材料要在满足工艺条件和技术要求的前提下，对材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗以及对产品质量的影响进行综合分析，力求做到综合经济效益合理。

耐火材料是工业炉窑的主要构筑材料，是发展钢铁、有色金属、建材、石油化工、机械和电力等工业的基础材料。

耐火材料在冶金工业中占有重要的地位，我国冶金工业消耗的耐火材料约占全国耐火材料总量的70％，日本约71％，美国60％，英国73％。

其中又以熔炼炉、加热炉及其附属设备消耗的耐火材料所占比例最大。

砌筑容积5000m3高炉，需要消耗黏土砖、高铝砖、碳砖和刚玉砖等耐火材料3500t；高炉的3个热风炉和其他辅助装置为27500t。

砌筑210m3的炼铜反射炉，需要镁砖、镁铬砖、高铝砖、黏土砖及各种轻质绝热材料等约1500t。

耐火材料的使用不仅关系到生产过程能否顺利进行，而且在生产成本中占有一定的比重。

目前，我国耐火材料消耗很大，以耐火材料年总产量与钢的年总产量相比（耐/钢），高达300kg/t钢以上，远远高出先进工业国家。

熔炼1t粗铜也需消耗优质耐火材料2~5kg。

因此，无论从技术观点，还是经济角度，正确选择和合理使用耐火材料，都具有重要的意义。

10.4耐火材料的应用

10.4.1炼铁高炉用耐火材料

高炉是以焦炭还原铁矿石熔炼铁水的大型高温冶金炉。

高炉炉体剖面结构如图10.1（P213）所示。

高炉炼铁过程是在高温下连续进行的，工艺过程为：

1.炉料（矿石+熔剂+焦炭）从炉顶加入，进入炉喉以后，向下运动，经过不同温度区域，随即发生矿石的还原、软化、熔融，渣铁分离等过程，炉渣和铁水分别由底部放出。

2.下部鼓入的高温热风（900~1300℃）进火炉内后立即与赤热的焦炭发生氧化反应，生成含CO的高温炉气，并放出大量热量来维持冶炼过程的进行。

3.含尘高温炉气由下至上透过炉料向上运动，并与矿石发生化学反应。

含有一定量的CO高炉煤气（炉气）由炉顶逸出。

由此可见，高炉内每一高度的炉衬所经受的温度、压力、物理化学变化的性质和强度、工作条件苛刻程度都是不同的，炉衬损毁机理、损毁的状况也各异。

高炉炉衬损毁很严重的部位是炉腰、炉腹、炉身下部及炉底。

损毁的原因主要是渣铁的侵蚀及热负荷的作用；还有碱金属侵蚀和铅锌渗透，碳素沉积和机械磨损等。

损毁过程中，温度是决定因素。

（1）炉喉：

炉喉为高炉的咽喉，受到固体炉料下降时的直接冲击和摩擦等物理作用，极易损毁。

采用硬度高和密度大的高铝砖砌筑不耐久。

因此，目前都采用耐磨铸钢护板保护。

（2）炉身：

炉身可分为上、中、下三带。

从上至下炉料由300~400℃逐渐被加热至1250~1300℃，物料在下降过程中发生一系列的物理化学变化。

炉身上部和中部温度为400~700℃，熔渣尚未形成，没有渣蚀情况发生。

炉衬主要受到下降炉料和上升含尘气流的磨损和冲蚀；部分CO在砖缝、裂纹、气孔中分解产生碳素沉积，引起衬砖龟裂、变质、组织疏松，导致剥落损毁。

炉身上部和中部由于损毁程度较轻，一般采用含游离Fe2O3量较低的高炉专用黏土砖、致密黏土砖、高铝砖砌筑，或由黏土质不定形耐火材料构成。

护身下部温度较高，有大量初渣形成，炉渣与炉衬表面直接接触。

炉衬在经受下降物料和含尘炉气的摩擦、冲蚀作用的同时，炉渣的化学侵蚀严重。

高温下产生的碱金属蒸气与砖的化学反应也较上部和中部突出。

一般选用耐火性能好、抗渣性强、高温结构强度大和耐磨性好的优质致密粘土砖或高铝砖砌筑。

靠近炉腰部位可采用高铝砖或用耐磨、抗渣性好、热导率高的刚玉砖、碳化硅砖或碳砖砌筑。

大型高炉炉身下部主要采用高铝砖、刚玉砖、炭砖或碳化硅砖

（3）炉腰

炉腰是高炉最宽大的部位。

炉料体积膨胀至最大，并开始在此形成大量的熔渣，因此，渣的化学侵蚀和碱金属蒸气的侵蚀较炉身下部严重。

下降炉料和高温焦炭对炉衬表面的磨损、冲刷也很突出，高温上升气流的冲蚀作用也比炉身部分强。

碱金属和碳素在砖内沉积作用仍然存在。

使得炉腰成为高炉最易损毁的薄弱部位之一。

中小高炉可采用优质致密黏土砖或高铝砖或刚玉砖。

大型现代高炉采用高铝砖或刚玉砖或碳化硅砖。

有的也采用碳砖砌筑。

（4）炉腹

炉腹位子炉腰之下。

下部炉料温度可达1000~1650℃，气流温度更高，高温作用强烈。

由于形成了低黏度熔渣，对炉衬的化学侵蚀严重，熔渣和高温气流对炉壁的冲刷突出，碱金属的沉积引起炉衬的膨胀作用相当大。

因此，炉腹是高炉炉衬损毁最严重的部位。

一般高炉开炉后不久就几乎全部损毁，而靠覆盖在炉腹处一层坚实的渣层来保护钢壳。

因此，炉腹部位采用高铝砖（

）、刚玉砖砌筑。

现代化大型高炉，普遍采用碳砖和石墨．石油焦、石墨．无烟煤等半石墨砖，外加水冷或汽化冷却，以提高使用寿命。

（5）炉缸和炉底

炉缸是盛装铁水和炉渣的部位。

炉缸上部是高炉温度最高部位，靠近风口区的温度达1700~2000℃以上。

炉底温度为1450~1500℃。

炉缸的炉村主要受到熔渣和铁水的化学侵蚀和冲刷以及碱侵蚀的膨胀作用。

当熔渣和铁水侵入砖缝和裂纹之中，加速了炉渣的化学侵蚀和物理溶解损毁。

炉底主要因为铁水渗入砖缝，使耐火砖浮起而损毁。

当铁水渗入炉底碳砖后，还发生碳砖被溶解的作用。

因此，高炉炉底并不实行绝热保温，而是对炉底进行强化冷却，以减缓对碳砖的熔蚀反应，把铁水凝固在炉底的上部，即当炉底上部温度控制在1150℃（铁水熔点）以下时，可以防止炉底继续熔蚀，延长炉底寿命。

基于上述原因，并考虑到炉缸和沪底一旦被侵蚀损毁后，不易修补，严重时必须停炉大修，一般采用耐火度高、高温强度大、抗渣性好、导热能力强、体积密度较高和体积稳定性好的碳砖砌筑。

我国高炉炉底工作表层也采用碳素捣固，其整体性好，缝隙少，铁水不易渗入。

炉底的砌法主要是两种：

一种为上部2-3层用碳砖，下面为优质黏土砖或高铝砖。

另一种是大型高炉，完全采用全碳砖炉底。

10.4.2炼钢转炉用耐火材料

1.炼钢转炉炉体结构

用纯氧从转炉顶部吹炼铁水成钢的转炉炼钢方法。

自50年代初投入工业生产以来，在世界范围内得到迅速推广，逐步取代空气转炉法和平炉炼钢法，成为现代炼钢的主要方法。

氧气顶吹和复吹氧气转炉炼钢法是目前世界上最主要的炼钢方法，成功地应用了碱性含碳耐火材料，生产成本大幅度减少。

氧气顶吹转炉炉体结构如图10.3所示。

氧气顶吹转炉的金属炉料主要是铁水，约占金属总装料量的70~85％,其余部分是废钢（个别厂采用富铁矿或球团矿）。

通过氧枪从熔池上面垂直向下吹入高压（6~10大气压）的纯氧（含O299.5％以上），氧化去除铁水中的硅、锰、碳和磷等元素，并通过造渣进行脱磷和脱硫。

各种元素氧化所产生的热量，加热了熔池中的液态金属（从铁到钢），使钢水达到规定的化学成分和温度。

冶炼一炉钢的吹炼时间一般为15~20分钟。

总冶炼时间（从出钢到下一次出钢的时间）一般为30~45分钟。

氧气顶吹转炉炉体结构

总体呈直筒状，借助于水平耳轴支承和倾动。

炉体倾倒在水平位置时，为加料或出钢，吹炼时置于垂直位置。

转炉设备：

氧气顶吹转炉由炉体、托圈、耳轴和倾动机械等组成。

炉体为钢板焊接体，可分为炉帽、炉身和炉底三个部分。

炉帽一般和炉身焊成一体。

炉底有的与炉身焊成一体，称为“死炉底”；有的可以拆卸，称为“活炉底”。

绝大多数转炉都有支承炉身的托圈。

通常，耳轴均通水冷却，也有连托圈一道冷却的。

转炉传动系统大致可分成“全悬挂”和“半悬挂”两种，一种半悬挂式的转炉设备见图。

2.炼钢转炉炉衬的工作条件及损毁机理

转炉炼钢是在高温下进行的。

碳素钢出钢温度为1540~1670℃，吹炼后期可达1700℃，而出钢后炉衬温度又常降到1000℃以下，故炉衬材料受到高温和热震作用。

炼钢过程也是造渣过程，由于炉渣及熔剂的化学侵蚀作用和钢水的搅动，炉衬受到磨损和冲刷等。

造成氧气转炉炉衬损毁的主要原因是：

在高温下炉渣和钢水的化学侵蚀和机械冲刷作用；

频繁装料、出钢操作使炉衬受周期性急冷急热的应力作用；

料时废钢和铁水的冲击及机械磨损作用；

粉尘和烟气的侵蚀作用；

3.转炉用耐火材料

（1）炉口：

耐火材料必须耐熔渣和高温废气冲刷，不易挂钢挂渣并易清除，能耐废钢和吊车吊除渣圈时的机械冲击，耐氧化。

一般采用抗渣、抗热震性和耐磨损撞击的烧成砖，常以烧成白云石砖为主，但其寿命较低，有的采用不易挂钢和挂渣的镁碳砖。

为提高耐侵蚀性，在排渣侧采用高温烧成高纯镁砖和熔铸耐火制品。

（2）炉帽：

炉帽取样和出钢时的渣线区域，是受炉渣侵蚀最严重的部位之一。

同时受到含尘废气的冲刷和温度骤变引起的热应力的作用，砖中碳也易氧化。

因此，常采用焦油沥青结合白云石砖和镁砖，为避免焦油沥青中碳的氧化，导致耐磨性降低，有的也采用烧成砖。

（3）炉腹

①装料侧：

这是转炉炉衬中最薄弱的环节，损毁最严重的部位。

它受到吹炼时炉渣和钢水的喷溅、渣蚀、磨损、冲刷及装入废钢和铁水时的撞击和冲蚀，机械损伤严重，因而造成装料侧炉衬熔损、冲蚀和崩裂。

受温度波动引起热应力的影响也大。

要求所用耐火材料具有较高的抗渣性和高温结构强度以及较好的抗热震性。

一般选用含杂质量低的高温烧成合成白云石油浸砖，和m（CaO）/m（SiO2）＞2的高温烧成高纯度直接结合油浸镁砖或镁碳砖和镁白云石砖，也有使用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖以及轻烧油浸砖。

由于生产过程中经常有局部损毁，一般采用相同或相近材质的不定形耐火材料进行喷补。

②出钢侧：

这一部位主要受到出钢时钢水的热冲击和冲刷作用，损毁程度远比装料侧轻。

常采用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖，也可采用烧成油浸砖或镁碳砖。

当采用与装料侧相同的材质时，为保持炉衬的均衡寿命，常采用厚度较装料侧薄的结构形式。

③渣线部位。

渣线部位是炉村长期与熔渣接触而受渣蚀最严重的部位。

出渣侧的渣线位置随出钢而变，不很明显。

出渣侧由于受到炉渣强烈侵蚀和吹炼过程中其他作用的共同影响，损毁严重。

所用耐火材料特别重视抗渣性能，一般选用高温烧成并油浸的致密的含MgO量较高的合成白云石砖或高纯镁砖，以及镁碳砖和镁白云石碳砖。

④耳轴两侧。

炉腹中耳轴区属易损毁部位。

经受吹炼时各种损毁作用的影响和炉体转动时机械应力的影响。

在出钢和排渣时耐火材料不与熔渣接触，表面暴露于空气之中，砖中的碳极易被氧化。

因此，耳轴两侧使用焦油白云石砖和轻烧白云石砖，也可使用高温烧成的高纯白云石油浸砖或高纯油浸镁砖，或镁碳砖和镁白云石碳砖。

（4）炉壁和炉底：

炉壁和护底在吹炼过程中受到钢水的剧烈冲蚀，在出渣和出钢时受到炉渣的侵蚀。

但与其他部位相比，损毁一般较轻。

只有采用高速浅地吹炼时，炉底中心部位损毁可能加重。

当采用底吹或顶底复合吹炼时，这一部位的损毁较顶吹法时严重。

一般选用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖砌筑，或采用与炉腹相同材质的耐火材料。

（5）出钢口：

出钢口受钢水冲蚀和温度急剧变化产生的热应力的影响，损毁极为严重。

常在服役期内中修2~3次，以延长使用寿命。

过去常使用焦油沥青结合的白云石砖或镁砖以及烧成的白云石砖或镁砖，或稳定性白云石砖，但寿命都不高。

现在多采用电熔镁砂制成的烧成镁砖或套管砖。

也有采用高纯镁质捣打料或高纯烧成镁质管砖。

几种常用转炉炉衬砖的主要性能列于表10.3中（P219）。

10.4.3有色冶金用耐火材料之炼铝用耐火材料

有色金属在国民经济中占有极其重要的地位，应用十分广泛。

普遍应用铜、铝、铅、锌、镍等5种有色金属。

冶炼有色金属的方法很多，使用炉窑的类型也很多，一般分为熔炼炉、精炼炉和熔铸炉。

炼铝工艺过程复杂，使用的炉窑种类较多，但炉子工作温度都比较低（最高1200℃），使用条件也不太苛刻，所以一般采用黏土砖和高铝砖，即可满足生产要求。

随着耐火材料技术进步，近年来炼铝工艺过程用的耐火材料有所改进。

（1）生产氧化铝的回转窑及闪速炉

将天然铝土矿变成氢氧化铝，再将氢氧化铝经950~1200℃煅烧成氧化铝，一般采用回转窑和闪速炉煅烧。

回转窑的绝热层靠窑壳铺一层耐火纤维毡，然后用硅藻土、漂珠砖或轻质黏土砖砌筑，现有的改用轻质耐火浇注料。

预热带用粘土砖，烧成带、冷却带用高铝砖，现改为磷酸盐结合不烧高铝砖。

闪速炉是先在炉壳上焊接耐热钢锚固钉或陶瓷锚固件，然后铺一层20mm厚的耐火纤维毡，最后浇注200~300mm厚的耐火浇注料。

（2）电解氧化铝的电解槽。

电解槽既是电解装置，又是高温冶金设备。

电解槽的形式很多，但基本构造一致，应用最广的是密闭式自焙阳极电解槽。

炉体的基本结构如图10.6所示。

铝电解采用冰晶石（NaAIF6）、氟化铝（AlF6）、氟化理（LiF）等熔液为电解质，将A12O3加入电解槽，通电熔化，虽然A12O3熔点为2050℃，但在氟化盐熔体中可降至970℃左右。

在电场力的作用下A12O3电离，Al在阴极聚集，可用真空泵吸入铝水罐送去进一步处理和铸锭。

电解槽内衬实际上既是导电材料（如槽底炭砖），又是高温耐火材料。

根据上述过程，电解槽用耐火材料应具有耐高温、抵抗熔融氟化物的侵蚀和良好的导电能力，少含或不含SiO2，以避免SiO2被金属铝还原，同时要求气孔率低和致密度高，以防铝液渗漏，因此，一般电解槽内衬采用致密优质炭砖砌筑，非工作层为高铝砖砌筑，绝热层多采用轻质高铝砖和耐火纤维制品，并用钢制壳体固定。

目前，电解槽靠槽壳铺一层耐火纤维毡，接着砌漂珠砖或轻质饶注料，再砌黏土砖，工作层用导电性良好的碳或氮化硅结合碳化硅砖，能抵抗铝液的渗透、氟化物和电解质及熔融钠盐的侵蚀，延长使用寿命。

槽壁和槽底工作层采用炭块砌筑或用碳质捣打料，捣打成整体。

（3）熔炼炉：

主要有反射炉、转筒护和感应电炉等.操作温度一般为700~1000℃。

其炉衬的损毁主要是铝液的渗透和冲刷所致，一般使用黏土砖、高铝砖及刚玉莫来石砖砌筑。

近年来，普遍使用高铝质浇注料和耐火可塑料，炉子寿命长者可达5年。

（4）铝精炼：

电解槽操作温度为720~800℃，槽壁用镁砖砌筑，其余为黏土砖和高铝砖。

（5）铝水罐：

铝水罐是盛装铝液的高温容器，要求能耐铝水的侵蚀，能承受急冷急热，保温性能好。

非工作层一般采用体积密度为1.7g/cm3的轻质浇注料或轻质高铝砖，为了加强保温效果，减轻罐体质量，采用氧化铝空心球耐火浇注。

工作衬一般采用含SiO2量低的高铝砖砌筑。

现有的罐底内衬采用刚玉质耐火浇注料，出铝口周围采用碳化硅砖、刚玉砖或熔融石英砖砌筑。