高炉及熔融还原炼铁用耐火材料厦门论文终稿.docx

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高炉及熔融还原炼铁用耐火材料厦门论文终稿

我国高炉及熔融还原炼铁用耐火材料的技术进步

柴俊兰程庆先

中钢集团洛阳耐火材料研究院耐火材料杂志社

摘要：

对国内目前高炉炼铁系统如高炉、热风炉、干熄焦设备等及熔融还原炼铁用耐火材料的状况进行了概述，列举了我国几大钢铁公司如宝钢、武钢、鞍钢等炼铁用耐火材料的品种、性能指标，指出了目前炼铁用耐火材料存在的问题，就今后炼铁用耐火材料的研发重点提出了建议。

一、炼铁技术进步

近几年，国内钢铁工业紧跟世界先进技术步伐，取得了较大的的技术进步，炼铁高炉朝着大型化、高效化和长寿化发展，逐步采用富氧喷煤、高风温操作、高压炉顶等新的冶炼技术。

新建高炉的一代炉龄朝着15～20年的目标发展，采用了多种高炉长寿技术。

为适应这一发展，高炉用耐火材料也有了较大的变化，各种长寿命新型、高效耐火材料逐渐被开发应用。

另外，熔融还原炼铁具有节能、减少环境污染、缩短工艺流程、生产灵活性大等优点，受到广泛关注，世界各国已开发出了各种熔融还原炼铁法，估计在近些年，这种炼铁法将部分取代高炉，其所用的耐火材料也将得到发展。

二、高炉炼铁系统用耐火材料

1．高炉用耐火材料

1.1炉身上部至炉口以下部位用耐火材料

高炉炉身上部一般使用粘土砖，中部使用高铝砖、刚玉砖。

在炉喉处直接使用钢砖，炉喉下至炉身上部多采用Al2O3含量45%～60％铝硅质材料;也有采用双层结构的，即内衬采用60％Al2O3的高铝砖，背部衬以Al2O3含量４５％的致密粘土砖或SiC砖。

20世纪80年代国内研制并在高炉上使用了Si3N4结合SiC砖，使大型高炉炉龄提高到8～10年。

此外，还开发生产了性能优良、成本低的不烧Al2O3-C和烧成Al2O3-C砖，宝钢新建的3#高炉炉身中上部使用了堇青石结合硅线石砖。

鞍钢新1#高炉炉身中上部采用球墨铸铁满镶SiC砖冷却壁。

随着高炉内衬喷补技术的发展,实现该部位内衬长寿已不存在问题。

1.2炉身中下部、炉腰、炉腹用耐火材料

这个部位使用的耐火制品有：

粘土砖、高铝砖、刚玉砖、Si3N4结合ＳｉＣ砖、热压半石墨砖、硅线石砖、铝炭砖等。

同时，为了延长炉腹、炉腰和炉身下部内衬的寿命，开发生产了半石墨碳-SiC砖。

开发的Sialon结合SiC砖在高炉炉身下部和冷却壁的使用效果良好。

国内耐火材料生产企业对高炉用SiC系列耐火砖（包括自结合SiC砖，Si3N4结合SiC砖、Sialon结合SiC砖）具有较高的制造水平，产品有较好的技术性能，基本能达到一代高炉使用寿命的要求，近几年新建的大型高炉都已经使用国产的SiC制品。

同时，Sialon结合刚玉砖也在高炉上应用。

但是，在高炉炉身上配合铜冷却壁使用的高导热性砖，如石墨—SiC砖，半石墨砖、石墨砖还需要进行国产化研究。

由洛阳耐火材料研究院自行研制并生产的高炉中段用SiC砖（火泥）及刚玉砖的性能指标见表1。

表1洛耐院自行研制并生产的高炉中段用SiC砖和火泥及刚玉砖的性能指标

项目

Si3N4结合

SiC砖

Sialon结合

SiC砖

非水系SiC火泥

Sialon结合

刚玉砖

SiC，%≥

72

70

85

80（Al2O3）

Si3N4，%≥

20

5（N）

5（N）

Fe2O3，%≤

0.7

0.7

0．8

0.7

体积密度，g/cm3≥

2.65

2.65

3.1

显气孔率，%≤

16

16

16

常温耐压强度，MPa≥

150

150

120

抗折强度，MPa

≥

常温

42

42

16（110℃,24h）

10（1300℃,3h）

（抗折粘结强度，MPa）

12

1400℃,0.5h

45

42

20

荷重软化温度，℃＞

（0.2MPa,0.6%）

1700

1700

1700

抗热震性，次≥

（1100℃，水冷）

30

30

30

应用

高炉炉身下部、

炉腰、炉腹

高炉炉身下部、

炉腰、炉腹

砌筑Si3N4结合及Sialon结合SiC砖

陶瓷杯及炉腰、

炉腹

除了SiC制品外，国内利用矾土资源和石墨资源丰富的优势开发了烧成和不烧高炉铝炭砖，该砖的性能与Si3N4结合ＳｉＣ砖相近，完全可以满足炉身下部内衬的要求，已在国内中型高炉上推广应用。

另外，一些钢铁公司如柳钢等还在高炉炉身采用由炉壳、冷却系统和浇注料预制块组成的水冷模块系统取代传统的插入式水箱和砖衬系统，所用炉身水冷浇注料预制块的组成为：

Al2O357.6%，CaO1.06%,Fe2O31.47%。

1.3炉缸和炉底用耐火材料

传统炉缸用耐火材料为炭素材料。

新型耐火材料有焙烧炭砖、热压炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、Ｃ复合ＳｉＣ砖、半石墨化自焙炭块等。

普通炭砖气孔径为４～５μｍ，微孔炭砖为0.5μｍ,超微孔炭砖为0.02μｍ。

微孔和超微孔炭砖的机械强度、抗铁水渗透以及高温性能都高于普通炭砖。

这一类的耐火材料国内也有生产，但性能指标，尤其是微孔尺寸达不到国外产品的水平。

“陶瓷杯”技术逐步在高炉上推广应用，采用自焙炭块、刚玉莫来石砖、刚玉砖等构成“陶瓷杯”，可提高出铁温度约１０～２０℃，减少铁水渗透，防止炭砖脆化，高炉寿命得到显著提高。

陶瓷杯用砖仍然以法国SAVOIE公司的产品为主，国产的刚玉莫来石砖、复合棕刚玉砖、微孔刚玉砖、塑性相结合刚玉砖质量与进口产品不相上下，都已在高炉上得到了应用。

武钢准备建设的6#高炉（3200m3）的设计中也采用了陶瓷杯结构。

武钢5#高炉炉缸采用微孔炭砖，炉底用半石墨炭砖，预计寿命可达到15年。

鞍钢新1#高炉采用水冷碳砖薄炉底、炉缸结构，引进1层日本NDK微孔碳砖和炉缸环壁微孔碳砖，其平均孔径＜0.2μm，热导率＞14W·（m·K）-1，国内配套1层石墨碳砖，3层半石墨碳砖，并配合法国陶瓷杯以及复合棕刚玉为材质的盖面砖、风口大块组合砖。

另外，首钢、本钢等大型高炉先后引进美国ＵＣＡＲ公司的热压炭砖，取得了令人满意的效果。

高炉风口以前使用粘土砖或硅线石砖,因考虑到抗碱性,已改用SiC砖、复合棕刚玉组合砖或Sialon结合的刚玉制品。

就SiC砖的抗碱性而言,Si3N4结合的SiC砖比硅酸盐结合的SiC砖好。

出铁口处使用Al2O3-SiC-C砖越来越普遍。

鞍钢新1#高炉风口采用复合棕刚玉大块组合砖，铁口采用莫来石棕刚玉异型组合大块砖。

宝钢和鞍钢高炉内衬用耐火材料分别列于表2和表3。

表2宝钢高炉内衬耐火材料的配置

部位

1#高炉（一代）

1#高炉（二代）

2#高炉

3#高炉

炉底

石墨SiC砖

普通炭砖

普通炭砖，微孔炭砖

陶瓷杯底

高导热性炭砖

普通炭砖，微孔炭砖

石墨化炭砖

D级普通炭砖

炉缸

侧壁

普通炭砖

微孔炭砖，普通炭砖

陶瓷杯壁

微孔炭砖

普通炭砖

热压小块炭砖NMD

铁口区

硅线石砖

大块超微孔炭砖

ASC砖

热压小块炭砖NMD

风口区

硅线石砖

刚玉浇注料

自结合SiC砖

D级普通炭砖

炉腹

刚玉砖

Sialon结合刚玉砖

刚玉砖

嵌铸β—Al2O3结合SiC砖，冷却壁

Si3N4结

合SiC砖

炉腰

刚玉砖

Sialon结合SiC砖

刚玉砖

嵌铸Si3N4结合SiC砖，冷却壁

炉身下部

刚玉砖

Sialon结合SiC砖

刚玉砖

嵌铸Si3N4结合SiC砖，冷却壁

炉身中部

刚玉砖，粘土砖

Si3N4结合SiC砖

刚玉砖，粘土砖

嵌铸堇青石结合硅线石砖，冷却壁

炉身上部

致密粘土砖

硅线石砖

致密粘土砖

嵌铸堇青石结合硅线石砖，冷却壁

炉喉钢砖下部

硅线石砖

水冷板

水冷板

水冷板

冷却系统

冷却板

冷却板

冷却板

冷却壁

表3鞍钢高炉用耐火砖的理化指标

名称

半石墨碳-碳化硅砖

微孔铝碳砖

氮化硅结合碳化硅砖

焙烧碳块

半石墨质焙烧碳块

微孔焙烧碳块

刚玉-莫来石砖

化

学

组

成

/%

固定碳

灰分

SiC

Al2O3

Fe2O3

TFe

≥40

11（C）

≥98

≥78

≤1.0

≤20

≤19

≥50

≥70

≥65

≤0.6

≥82

≤0.7

≤0.5

≤1.5

≥22（Si3N4）

≤0.5（TiO2）

体积密度（g·cm-3）

≥1.90

≥2.80

≥2.65

≥1.55

≥1.55

≥1.55

≥3.10

显气孔率/%

≤15

≤14

≤16

≤25

≤17

≤20

≤15

耐压强度/MPa

≥40

≥60

≥140

≥25

≥25

≥25

≥100

抗折强度/MPa

≥9

≥40

≥6

≥9

≥18

荷重软化开始

温度/℃

≥1680

≥1700

1.4高炉内衬的维护技术

为了延长高炉寿命，目前对高炉炉衬的修补越来越普遍,具体方法有：

1）半干法喷补炉衬；2）用湿式喷射料喷补；3）压入修补：

当高炉壁发红时，在该处打孔，用挤压机把压入料压入到发红的炉衬处，压入料到被压入内衬后，固化或硬化而造衬，使该处的炉衬变厚，该技术在国外已成为高炉长寿化的重要措施之一。

国内高炉用喷补料的研究较多，开发的喷补料可以满足使用要求，但遥控喷补设备主要还依靠进口。

宝钢选用低铁致密、热震稳定性好及耐侵蚀性好的合成熟料生产喷补料在宝钢１#高炉上喷补后可使其超期限1～2年，回弹率降低至２０％以下。

高炉压入料大致分为热硬性压入料、水硬性压入料、气硬性和化学性压入料，并根据炉子的类型、温度条件来选定各种压入材料。

国内有多家单位研制开发了高炉内衬压入料。

由洛耐院研制的非水系压入料的理化指标为：

Al2O3≥60％，体积密度2.2g/cm3（110℃,24h），抗折强度≥8MPa（110℃，24h）、4MPa（1200℃，0.5h），耐火度≥1760℃，线变化率（1200℃,3h）±0.6%。

硬质压入料在宝钢1#高炉上应用，取得了一定的效果，今后应进一步提高压入料性能，降低成本。

部分压入料、喷补料和湿式喷射浇注料的性能见表4。

表4压入料、喷补料和湿式喷射浇注料的性能

材质

铝碳化硅喷补料

粘土质喷补料

高铝质湿式喷射浇注料

铝碳压入料

铝碳压入料

加水量/％

10~12

12~15

5.5~6.5

Al2O3

≥43

≥40

≥50

≥25

≥30

SiO2

Fe2O3

<1.6

SiC

≥10

CaO<2

≥30

≥30

C

≥20

≥20

显气孔率/％

≤23

≤23

≤18

≤15

≤12

体积密度/gcm-3

≥2.00

≥2.00

≥2.50

≥1.70

≥1.90

耐压强度/MPa

110℃,24h:

≥15

110℃,24h:

≥10

110℃,24h:

≥20

110℃,24h:

≥25

110℃,24h:

≥30

热态抗折强度/MPa

≥7（1000℃）

≥5（1000℃）

≥6（1000℃）

≥3（1200℃）

≥3（1400℃）

耐火度/℃

≥1630

≥1790

线变化/％

±0.5

（1000℃，3h）

±0.5

（1000℃,3h）

±0.3

（1000℃,3h）

0～-0.4

1200℃,3h还原

0～-0.4

1200℃,3h还原）

使用部位

修补上部炉腰以上部位

修补炉身下部、炉腰、炉腹

注：

显气孔率、体积密度、耐压强度的测定均为110℃,24h处理后。

1.5出铁沟用新型优质耐火材料

高炉出铁沟有捣打成型、浇注成型，也有使用预制件组装的，但采用浇注料成型是目前的发展方向。

目前，用于高炉出铁沟的高效不定形耐火材料主要为Al2O3－SiC－C浇注料及其预制件，其它还有莫来石－SiC－Ｃ质、Al2O3－Ｃ质、MgO－Al2O3质和镁铝尖晶石质等多种类型。

国内研制生产的Al2O3－SiC－C质出铁沟用材料发展较快，其生产和使用已达到国际先进水平。

出铁沟使用新型优质材料，可使其寿命提高到一次通铁量１０万t以上。

由洛耐院自行研制并生产的高炉出铁沟浇注料的性能指标见表5。

宝钢主沟一次性通铁量１０万t，主沟耐材单耗０．３５kg／t，一代沟龄达１００万t以上，达到世界一流水平。

为延长出铁沟的使用寿命，宝钢又采用了湿式喷补技术,所用喷补料的指标见表6。

鞍钢使用不同档次的铁沟料用于不同部位，一次通铁量达15万t以上，理化指标见表7。

表5洛耐院自行研制并生产的高炉出铁沟浇注料的性能指标

项目

铁线

渣线

最高使用温度，℃

1550

1550

化学组成，%≥

Al2O3

72～78

５８～６０

SiC

１２～２０

１５～３５

体积密度，g/cm3

≥

110℃×24h

２．９５

２．８５

1500℃×３h

２．９０

２．８０

线变化率，%

1500℃×３h

±０．６

±０．６

耐压强度，MPa

≥

110℃×24h

２５

２５

1500℃×３h

３０

３０

抗折强度，MPa

≥

110℃×24h

６．０

６．０

1500℃×３h

６．５

６．５

耐火度，℃　　≥

１７００

１７００

应用

可现场浇注或浇注成预制块使用

表6宝钢出铁沟所用喷补料的指标

项目

湿式喷补料

半干法喷补料

化学组成，%≥

Al2O3

60

55

SiC

18

16

体积密度，g/cm3

≥

110℃

2.8

2.25

1450℃

2.65

耐压强度，MPa

≥

110℃

18

10

1450℃

25

15

表7鞍钢出铁沟用Al2O3－SiC－C浇注料的理化指标

名称

铁线料

渣线料

w（Al2O3），%

≥65

≥60

w（SiC），%

≥15

≥25

耐压强度，MPa

≥30

≥30

体积密度，（g·cm-3）

≥2.80

≥2.85

显气孔率，%

≤20

≤20

线变化率，%　　（1450℃）

0～0.5

0～0.5

近年来，开发了在渣线处使用的高抗侵蚀性的Al2O3－ＭgO材料，内衬寿命大幅度提高。

而且使用这种材料可减少能耗高的SiC原料的用量，具有一定的节能意义。

对出铁沟内衬进行热喷补维修所使用的喷补料主要是Al2O3-SiC-C质，江苏某厂研制的喷补料含Al2O359.22%,SiC19.01%,110℃24h处理后体积密度2.34g/cm3,耐压强度29MPa,抗折强度5.7MPa,1500℃2h烧后体积密度2.26g/cm3,耐压强度25.6MPa,抗折强度3.6MPa，该料在宝钢使用后通铁量与进口料相当，经济效益显著。

1.6出铁口炮泥

出铁口所用炮泥大部分是传统炮泥,俗称有水炮泥。

宝钢为了满足大型高炉强化出铁的需要，采用了另一类型的炮泥——无水炮泥。

无水炮泥一般由刚玉、SiC和焦粉为主要原料,同时配加不同的外加剂,以焦油作为结合剂。

宝钢TA—4炮泥每次出铁时间可达120min以上,每天出铁次数为10～11次。

无水炮泥的缺点是开铁口困难,宝钢采用插棒法开铁口,炮泥单耗已从过去的0.8kg/t铁降到了0.35kg/t铁。

近几年,随着人们对炮泥研究的深入,越来越多的非氧化物添加到炮泥中,对改善炮泥的性能起到了很好作用。

除SiC外，还有氮化硅、氮化硅结合SiC、氮化硅铁等。

2．铁水罐和混铁车用耐火材料

铁水罐（包）多使用粘土砖，也有用高铝碳化硅砖的,使用寿命可以在500～600炉次，也开始使用ASC砖，一次性使用寿命就能达到800次以上，通过修补等维护，可使使用寿命达到1500炉次以上。

现在有明显向高档次耐火材料发展的趋势，如用Al2O3—SiC—C浇注料和Al2O3—SiC—C砖的比例在增加，铁水罐寿命显著提高。

另外，还使用喷涂高铝—SiC涂层的方法来提高铁水罐的寿命。

铁水包用部分耐火材料的性能见表8。

表8铁水包用部分耐火材料的性能

材质

粘土砖

Al2O3—SiC—C砖

Al2O3—SiC—C砖

高铝砖

Al2O3—SiC—C浇注料

Al2O3—SiC—C

浇注料

使用部位

炉墙炉底工作层

炉墙炉底工作层

渣线

炉墙炉底工作层

炉底和熔池

渣线

Al2O3

>42

>70

>70

>70

>60

>50

Fe2O3

1.5

<1.8

<1.5

<1.5

SiC

>8

>8

>7

>23

C

>5

>2

>2

显气孔率/％

16

<17

<5

<18

<16（110℃,24h）

<17（1400℃,3h）

<16（110℃,24h）

<17（1400℃,3h）

体积密度/g·cm-3

>3.00

>2.85

>2.80

>2.6（110℃,24h）

>2.6（1400℃,3h）

>2.4（110℃,24h）

>2.38（1400℃,3h）

耐压强度/MPa

50

56.3

77.1

44.6

>10（110℃,24h）

>30（1400℃,3h）

>10（110℃,24h）

>30（1400℃,3h）

耐火度/℃

>1750

>1790

荷重软化点（T2）/℃

>1450

>1450

>1550

热震稳定性/次

>20

>30

>20

鞍钢100t铁水包工作衬主要使用粘土砖和蜡石砖砌筑，使用寿命一般在400～500次左右，现使用Al2O3-SiO2-C质铁水包整体浇注技术及采用Al2O3-SiO2-C砖砌筑包衬，包衬寿命提高。

鞍钢铁水包用浇注料的理化性能指标见表9。

混铁车过去使用致密粘土砖、莫来石砖、镁砖和镁铝砖等，在混铁车内进行铁水预处理后，已不能满足生产的需要，而使用Al2O3-SiC-C砖有很好的使用效果。

宝钢混铁车内衬各部位所用的Al2O3-SiC-C砖的性能指标见表10。

另外，还开发出了整体浇注混铁车内衬技术，材质为Al2O3-SiC-C质，该整体内衬施工技术操作方便，已在多家钢厂的混铁炉上推广应用，能够显著降低耐火材料成本。

如莱芜钢铁公司就采用了整体浇注技术,整体浇注内衬由保温层和工作层组成，所采用的材料的理化性能见表11和表12。

Al2O3-SiC-C材料已使用多年了，针对今后越来越苛刻的操作条件，应以材质、结构方面研究开发为重点，生产出更优良的Al2O3-SiC-C砖。

表9铁水包用浇注料理化性能指标

项目

TB-1

TB-2

TB-3

TB-4

w，%

Al2O3％

SiO2+C％

F.C％

SiO2％

≥60

≥12

≤45

≥60

≥15

≥3

≤20

≥60

≥20

≥5

≤10

≥80

≤8

体积密度，（g·cm-3）

110℃24h

1000℃3h

1450℃3h

≥2.35

≥2.40

≥2.45

≥2.70

≥2.65

≥2.65

≥2.65

≥2.65

≥2.60

≥2.85

≥2.90

≥2.90

耐压强度，MPa

110℃24h

1000℃3h

1450℃3h

≥35

≥40

≥60

≥30

≥30

≥50

≥20

≥25

≥30

≥40

≥60

≥80

抗折强度，MPa

110℃24h

1000℃3h

1450℃3h

≥6

≥10

≥12

≥4

≥6

≥6

≥3

≥4

≥4

≥8

≥10

≥15

表10宝钢混铁车内衬各部位所用的Al2O3-SiC-C砖的性能指标

项目

铁水部

炉顶部

渣线部

化学组成，%≥

Al2O3

53

53

53

SiC

7

11．5

5

C

10

5

11．5

体积密度，g/cm3≥

2．75

2．75

2．75

显气孔率，%≤

8．5

10

8．5

耐压强度，MPa≥

40

40

40

表11　工作层所采用的浇注料的理化性能指标

项目

炉底料

熔池料

炉顶料

化学组成，%

≥

Al2O3

70

72

60

SiC

-

5

-

体积密度，g/cm3

≥

110℃×16h

2．60

2．80

2．40

1350℃×3h

2．50

2．80

2．30

耐压强度，MPa

≥

110℃×16h

35．0

30．0

30．0

1350℃×3h

70．0

70．0

60．0

抗折强度，MPa

≥

110℃×16h

6．0

5．0

5．0

1350℃×3h

8．0

8．0

7．0

线变化率，%

110℃×16h

0～0.1

0～0.1

0～0.1

1350℃×3h

0～0.5

0～0.5

0～0.5

表12保温层所采用材料的理化性能指标

类别

Al2O3，%≥

体积密度，g/cm3

耐压强度，MPa

热导率,W/（m.K）（700℃）

轻质浇注料

30

≥0.5

≥1.0

硅酸铝纤维毡

45

0.22

-

轻质高铝砖

50

0.8

4.0

3．热风炉用耐火材料

目前，我国绝大部分热风炉高温部位使用的耐火材料仍然是高铝砖。

我国除开发应用了热风炉用高抗蠕变高铝砖、硅砖外，还使用有硅线石砖、烧结莫来石砖、红柱石砖、粘土砖等，部分优质高铝砖、低蠕变硅砖等的各项理化性能已达到了日本等先进国家的水平，并且有中国耐火原料的特色，同时还开发有各种不定形材料。

硅砖广泛地用在热风炉的拱顶、连络管、燃烧室和蓄热室上部高温区，格子砖上部高温区。

砌有硅砖的热风炉在炉顶温度≥1400℃时的使用效果较好。

洛阳耐火材料研究院和某厂共同研制生产的高铝砖性能指标见表13。

该砖的各项理化性能达到国外先进水平。

在宝钢、武钢等大型高炉热风炉中上部使用效果良好。

表13热风炉用低蠕变高铝砖的性能

化学成分,%

气孔率,

%

体积密度,g/cm3

耐压强度,MPa

荷软,

℃

蠕变率,%

Al2O3

Fe2O3

温度,℃

0～50h

20～50h

70.32

1.32

20

2.56

121.5

1590

1300

—0.349

—0.085

74.34

0.71

15

2.87

123

1560

1300

—0.434

—0.186

宝钢１#高炉有４座新日铁式外燃式热风炉，热风主、支管及蓄热室使用刚玉莫来石砖，燃烧室、热风主管使用粘土砖，蓄热室燃烧室上部使用SiC质浇注料，蓄热室下部格子砖使用高铝砖，其它一些部位还使用了高铝质隔热砖、硅质轻质砖，堇青石砖及隔热浇注料等。

武钢新3#高炉热风