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高炉用耐火材料

发布时间:2021/01/20 行业新闻 标签:耐火砖浏览次数:157

  目前,高炉用耐火材料的品种很多,炉身中上部一般采用性能优异的粘土砖或高铝砖,炉身下部、炉腰及炉腹则用碳质制品、碳化硅砖、莫来石砖、刚玉砖等特种耐火材料,特别是最近发展起来的碳化硅砖,在高炉上的应用获得了成功。同时,其它不定形耐火材料也得到了广泛应用。

  20世纪50年代以前,世界上大多数高炉的炉衬采用粘土砖砌筑,由于粘土砖很容易受到碱金属盐类的侵蚀,即使在较低温度下也能发生化学反应,因此高炉投入运行后,在化学反应的影响下,粘土砖的荷重软化温度和耐火度不断下降,导致粘土砖在冶炼过程中逐渐被熔蚀或砌体产生裂纹,所以采用粘土砖砌筑的高炉寿命较短,有时引发炉壁、炉缸或炉底烧穿事故。

  20世纪50年代以后,炼铁高炉的炉底和炉缸大量使用碳质耐火材料,有的高炉炉腰、炉腹及下炉身也使用碳质耐火材料,采用碳质耐火材料以后,高炉炉役明显延长,很少发生炉底或炉缸烧穿事故。但是,随着高炉大型化和强化冶炼技术的采用,炉衬耐火材料的工作条件越来越恶化,因此对炉衬耐火材料提出更高的要求。70年代末,各国研制了多种新型碳质耐火材料用于高炉的各个部位,如高密度炭块、微孔炭块、半石墨化质炭块、石墨块、半石墨质-碳化硅块、高温模压炭块等,这些新型碳块(砖)各有各的优点和适用范围。

  各部位用耐火制品的理化指标、尺寸误差和要求高铝砖

  高炉用高铝砖是以高铝矾土熟料为主要原料制成的用于砌筑高炉的耐火制品,YB/T5015-1993将高炉用高铝砖按理化指标分为GL-65、GL-55、GL-48三种牌号。

  粘土砖

  高炉用粘土砖是以耐火粘土为原料生产的用来砌筑高炉内衬的粘土砖。高炉用粘土砖用于大高炉炉身及小高炉炉衬的炉喉、炉身、炉底。

  高炉用粘土砖要求常温耐压强度高,能够抵抗炉料长期作业磨损;在高温长期作业下体积收缩小,有利于炉体保持整体性;显气孔率低和Al2O3含量低,减少炭素在气孔中的沉积,避免砖在使用过程中膨胀疏松而损坏;低熔点物形成少,高炉用粘土砖比一般粘土砖具有优良性能。

  YB/T5050-1993将高炉用粘土砖按理化指标分为ZGN-42和GN-42两种牌号。

  磷酸浸渍粘土砖

  高炉用磷酸浸渍粘土砖是砌筑高炉内衬用的磷酸浸渍粘土砖。YB/T112-1997规定高炉用磷酸浸清粘土砖的代号为CLN-42。

  碳化硅砖

  碳化硅砖是用碳化硅为主要原料烧制的耐火制品。其主要特征是SiC为共价结合,不存在通常的烧结性,依靠化学反应生成新相达到烧结。20世纪70年代SiC质耐火材料在国外高炉上使用后,取得了很好的使用效果,一代高炉寿命延长到10年或10年以上。我国1985年在鞍钢6号高炉上首次使用Si3N4结合碳化硅砖获得成功,对SiC制品的研究与开发逐步深入,产品性能不断提高。目前,我国高炉用优质碳化硅砖主要品种有:Si3N4结合碳化硅砖,Sialon结合碳化硅砖和自结合(βSiC结合)碳化硅砖。

  ⑴Si3N4结合碳化硅砖。Si3N4结合碳化硅砖是用SiC和Si粉为原料,经氮化烧成的耐火制品。SiC、Si3N4都是共价键化合物,烧结非常困难。在多级配的SiC颗粒和细粉中,加入磨细的工业硅粉,Si与N在高温下按下式进行烧结反应:2N+3Si Si3N4。反应生成的Si3N4与SiC颗粒紧密结合而形成以Si3N4为结合相的碳化硅制品。经研究发现,大多数Si3N4结合相为针状或纤维状结构,存在于SiC颗粒周围或孔隙处,Si3N4呈纵横交错的结构与SiC颗粒紧密结合,使这种新型的耐火材料具有很高的常温和高温强度。

  YB4035-1991规定,高炉用氮化硅结合碳化硅砖按其理化指标将制品分为两类,分别为DTZ-1和DTZ-2。标准规定制品的理化指标应符合表8的要求。高炉用标准型号制品的尺寸允许偏差及外观应符合表9的规定。高炉用非标准型号制品的尺寸允许偏差及外观要求,一般由供需双方协议来定。

  ⑵Sialon结合SiC砖。在1700℃时,在Si3N4-Al4N4-Al2O3-Si3O6构成的正方形相图中,有以Si3N4为起点的4/3(Al2O3、AlN)延伸,组成在相当大范围内变化的βSialon相;有以Si2ON2为起点的大体向X方向延伸,组成在较小范围内变化的O′-Sialon相。在氮化硅结合制品的生产过程中,加入适量加入物,使氧进入Si3N4晶格,生成一定数量的βSialon固熔体相,制出Sialon结合的SiC砖。

  ⑶自结合SiC砖。在工业α-SiC原料中加入工业硅和碳,在高温还原气氛下发生Si(s)+C →SiC(s)的反应,生成β- SiC,与原生高温型α-SiC颗粒结合,制出自结合SiC材料,使制品具有良好的性能。

  铝炭砖

  氮化硅结合碳化硅砖在高炉炉身下部的使用效果好,但该砖价格过高(每吨8500~9000元)难以普遍推广。我国耐火材料工作者,在借鉴炼钢用铝炭质滑板砖的生产工艺基础上,开发了高炉铝炭砖,该砖性能优良、价格便宜,已在大中小型高炉上推广应用。高炉铝炭砖采用特级高铝矾土熟料,鳞片状石墨及SiC为主要原料,添加抗碱剂及其它附加物,用酚醛树脂为结合剂,机压成型,按烧成和不烧成分为致密型(烧成温度不大于1450℃)和普通型铝炭砖,经200~250℃低温固化焙烧。高炉铝炭砖具有气孔率低、透气度低、耐压强度高、热导率高、抗渣、抗碱、抗铁水溶蚀及抗热震性好等各种优良性能。

  ⑴铝炭砖。YB/T5269-1999适用于以低铁高铝矾土熟料、鳞片状石墨为主要原料,酚醛树脂为结合剂,经机压成型工艺制成的铝炭砖。该产品适用于砌筑中小型高炉炉身及炉底。铝炭砖理化指标应符合表12的规定,高炉用标准型铝炭砖的尺寸允许偏差及外形应符合GB2278的规定。

  ⑵烧成微孔铝炭砖。烧成微孔铝炭砖是指平均孔径不大于1μm的孔容积占开口气孔总容积的比例(%)不小于70%的烧成铝炭砖。烧成微孔铝炭砖一般用于砌筑高炉内衬。YB/T113-1997将烧成微孔铝炭砖,按理化指标分为WLT-1、WLT-2、WLT-3三个等级。

  炭砖

  炭砖是用热处理无烟煤或焦炭、石墨为主要原料,以焦油沥青或酚醛树脂为结合剂制成的耐火制品。炭砖在高炉中的应用发展很快。炭砖具有以下性质:

  ⑴耐火度高;

  ⑵极高有荷重软化温度;

  ⑶高温耐磨性能良好;

  ⑷良好的化学稳定性;

  ⑸高温体积稳定性好;

  ⑹良好的导热性和导电性;

  ⑺抗热震性好。

  ⑻高温下易氧化。炭砖的以上特性,很适应高炉炉底和炉缸生产特点对内衬的要求。近年来,炭砖的使用范围不断扩大,炉腹和炉身下部也开始采用炭砖。

  ⑴高炉炭块。YB2804-1991规定了高炉炭块和炭键的理化指标和尺寸允许偏差。

  ⑵半石墨炭砖。关石墨炭砖是采用高温煅烧无烟煤、石墨、添加剂为主要原料而制成的耐火制品。半石墨质炭砖配方中一般不使用冶金焦为粉料,而使用磨碎的石墨为粉料,半石墨砖的导热性能非常好,而且抗碱金属盐类腐蚀的能力也比普通炭砖好。

  ⑶自焙炭块。自焙炭块及自焙炭块技术是一种新型炭质炉衬材料和成套炉衬技术。自焙炭块除了具有传统的焙烧炭块所具有的耐高温、高温强度大、不易粘渣铁、耐侵蚀等特性外,能够利用烘炉和生产过程中的热量逐步焙烧成坚实、致密近于无缝的整体炉衬。

  ⑷微孔炭块。微孔炭块是用高温电燃烧无烟煤、人造石墨、碳化硅为主要原料,煤焦油沥青为粘结剂,加入多种添加剂微粉,经过振动成型、高温焙烧、精磨加工而制成的,主要用于高炉炉底上部和炉缸、出铁口。

  ⑸国外炭砖。美国UCAR公司生产的热模压小碳砖NMA、NMD和NMS,采用热压制砖法BP工艺(即热模压)成型。把配好的料经过加热混练,与定量的糊料一起放到模具内进行模压,通电加热。脱模以后,焙烧结束。这种热压小块炭砖具有下列特点:优良的高温性能;热导率高,导电性好;良好的抗碱侵蚀性能;抗热震性、热冲击性好;低渗透性,孔隙度小,气孔封闭,吸水性能极弱;炭砖尺寸小,单块炭砖的温差小。日本以电煅烧无烟煤、人造石墨为主要原料生产的炭块也具有很好的抗碱侵蚀性能以及优良的高温性能和导热性能。法国生产的AM101、AM102型炭砖热导率高、抗碱侵蚀性能好。

  石墨砖

  高炉用石墨砖是以石油焦、沥青焦和煤沥青等为主要原料,制成具有较高导热性能的高炉砌筑用石墨材料。YB/T122-1997规定的高炉用石墨砖用于高炉炉底底层,除具有高炉炭块的一般特性外,还具有较高的热导率,起尽快导出炉底的热能、降低炉底温度的作用。

  硅线石砖、红柱石砖、蓝晶石砖

  硅线石砖、红柱石砖、蓝晶石砖是在高铝质砖的配料中加入一定比例的硅线石或红柱石或蓝晶石及其它微量元素制成的制品,也称三石制品。添加三石使制品的抗热震性得到改善,特别是制品的高温蠕变率得到降低。在高炉、热风炉、鱼雷罐等关键部位使用收到了良好的效果。也有人将这种砖称作低蠕变高铝砖。

  刚玉砖、棕刚玉砖

  含Al2O3大于90%以上的制品称为刚玉质耐火材料,亦称为纯氧化铝耐火制品。刚玉硬度很高。刚玉具有抵抗酸、碱性炉渣、金属和玻璃溶液作用的良好稳定性。它在高温下的氧化性气氛或是在还原性气氛中使用,均能收到良好的使用效果。表26和表27为刚玉制品的理化指标。表28为加入SiC的塑性相结合刚玉砖的技术指标。棕刚玉砖是以棕刚玉为主要成分压制成型的耐火砖,加入SiC的复合棕刚玉砖具有良好的抗热震性和强度,且价格相对刚玉砖便宜许多,可以部分代替刚玉砖用于高炉。

  近十年来,国内外不定形耐火材料的发展非常迅速,品种不断增加,主要的品种有:耐火浇注料、耐火可塑实、耐火捣打料、耐火喷涂料、耐火投射料、耐火涂抹料和耐火泥浆等。不定形耐火材料对于延长炉衬寿命,提高设备的作业率、降低劳动强度以及简化耐火材料生产工艺等方面将起到促进作用。

  在一些小高炉上,国内外采用耐火浇注料作高炉内衬,也能正常运行和达到一定的工作年限。高炉内衬是生产中的薄弱环节,特别是炉腹和炉身下部等部位尤为突出,经常因为过早的毁损而被迫停炉大修、中修。为此,各国广泛采用喷补、压入料修补和包扎维护等方法,以提高炉子的使用寿命。

  耐火泥浆

  耐火泥浆是用作耐火砌体接缝的不定形耐火材料,由一定颗粒配比的耐火粉和结合剂、外加剂组成,加水或液态结合剂调成浆体。耐火泥浆依其结合剂凝结硬化特点可分为水硬性、热硬性、气硬性耐火泥浆。水硬性耐火泥浆是以水泥为结合剂,可使用于常温下或可能与水或水气经常接触之处。热硬性耐火泥浆常用磷酸或磷酸盐等热硬性结合剂制成,此种泥浆硬化后除在各种温度下都有较高强度外,还有收缩小、接缝严密,耐侵蚀强的特点。气硬性耐火泥浆常用硅酸钠等气硬性结合剂配制,这种泥浆可使砌体接缝严密。

  A. 粘土质耐火泥浆

  粘土质耐火泥浆采用硬质粘土熟料作为基料,以软质粘土或化学结合剂结合。主要应用于高炉、热风炉等用粘土砖砌筑的炉体接缝和修补。根据GB/T 14982-1994的规定,粘土质耐火泥浆按Al2O3含量和粘结强度分为两类5个牌号。即普通粘土质泥浆4个牌号:NN-30、NN-38、NN-42、NN-45A,磷酸盐结合粘土质耐火泥浆1个牌号NN-45B。

  B 高铝质耐火泥浆

  高铝质耐火泥浆主体材料选用高铝熟料、结合剂用软质粘土或化学结合剂。根据所砌筑部位的砌体成分和使用要求决定Al2O3含量。可广泛用于高铝砖砌筑的各种工业炉窑。在高炉的炉底、炉缸、炉腹、炉腰等部位得到广泛应用,在热风炉上用于砌筑炉顶、蓄热室、燃烧室等。根据GB/T2994-1994的分类规定,高铝质耐火泥浆按Al2O3含量和粘结强度分为8个牌号。即普通高铝质耐火泥浆3个牌号:LN-55A、LN-65A和LN-75A,磷酸盐结合高铝质耐火泥浆5个牌号:LN-55A、LN-65B、LN-75B、LN-85B和GN85B。

  C 刚玉质耐火泥浆

  刚玉质耐火泥浆是主体材料选用刚玉料、结合剂用软质粘土或化学结合剂。根据所砌筑部位的砌体成分和使用要求决定Al2O3含量。

  D 碳化硅泥浆

  碳化硅泥浆以碳化硅为主,用于Si3N4结合SiC砖、Sialon结合SiC砖、刚玉SiC砖等各种SiC砖的砌筑泥浆,还可以作为灌浆和喷涂料使用。

  E 炭质泥浆

  武汉威林公司研制的炭质泥浆WD-02、WD-03适用于高炉本体炉底及环形炭砖砌筑。WD-02泥浆也可以用于陶瓷杯与环形炭砖之间的涂抹、填充。WD-03炭质泥浆是该公司最新研发产品,它具有常温固化性能、固化后强度高的特点,适用于炭砖在炉外预砌后整体吊装。节省施工时间,提高效率,是高炉砌筑新工艺的配套材料。

  炭素泥浆是以高温煅烧无烟煤、石墨、碳化硅细粉为主要材料,树脂及添加剂为胶结材料,加入多种添加剂而制成的。炭素胶泥和细缝糊都是炭素泥浆的商用名称,用于薄缝砌筑微孔炭-碳化硅焙烧炭块、微孔模压小炭块、半石墨质焙烧炭块、微孔炭块。

  F 压入泥浆

  压入泥浆是采用挤压方法施工的膏状或浆体状不定形耐火材料。它是由耐火材料、粉料,结合剂和外加剂组成的,使用时加水或液态结合剂调和。在高炉上压入泥浆主要应用于高炉炉身。高炉炉身压入修补一般采用铝硅质的高铝质耐火压入泥浆。

  G 隔热耐火泥浆

  隔热耐火泥浆是由各种轻质耐火粉和结合剂等配制而成。其特点是体积密度小、热导率低,可用于高炉、热风炉等各种工业炉窑上隔热材料的砌筑和修补。

  按照YB/T114-1997有关铝硅质隔热耐火泥浆的分类规定,铝硅质隔热耐火泥浆按材质和使用温度分为两类4个牌号,即高铝质隔热耐火泥浆:LGN-160、LGN-140;粘土质隔热耐火泥浆:NGN-120、NGN-100。

  H 缓冲泥浆

  耐火缓冲泥浆是指以可压缩的耐火原料为主要原料制成的缓冲耐火砌体热膨胀应力的特种耐火泥浆。主要用于需要缓冲热膨胀应力的高炉、热风炉等工业炉窑用的铝硅质和碳化硅质耐火砌体的砌筑。根据YB/T150-1998的规定,耐火缓冲泥浆按理化指标分为三类共4个牌号,即高铝质耐火缓冲泥浆HCN-L,硅质耐火缓冲泥浆HCN-G1、HCN-G2,非水系碳化硅质耐火缓冲泥浆FHCN-TG。

  耐火浇注料

  耐火浇注料是用浇注方法施工且无需加热即可硬化的不定形耐火材料。一般在使用现场以浇注、振动或捣固的方法浇筑成型,也可以制成预制件使用。在高炉内衬中,目前常使用粘土质浇注料应用于高炉的炉喉钢砖内部空腔及钢砖与炉壳之间的间隙,使用高铝质自流浇注料应用于炉喉钢砖后面、炉顶撒水管及短管。

  耐热混凝土,它是一种能长期承受高热作用(200℃以上),并保持所需要的物理性能的特种混凝土。在高炉中常应用于炉底下面一些部位,如封板上下部以及粘土砖与炉壳之间。

  炮泥

  炮泥是用来堵塞高炉出铁口的材料。在高炉炼铁时,炮泥要能紧密地封住出铁口,并能抵抗铁水冲刷和侵蚀。在出铁时,炮泥要容易被打开,保证铁水和熔渣能均匀流出。

  喷涂料

  喷涂料是用风动工具以机械喷射方法施工的不定形耐火材料。高炉炉腹中部以上内侧等部位均可采用喷涂料。其作用为提高炉体的气密性,保护炉体钢壳。耐火喷涂料在热风炉应用较为普遍,热风炉的燃烧室、蓄热室、混合室以及各种热风管道内壁均可采用不同品种的耐火喷涂料,其作用是隔热保温,提高炉体的气密性,保护炉体钢板炉壳等。高炉和热风炉用耐火喷涂料普遍采用铝酸盐水泥或水玻璃为结合剂,以粘土熟料或高铝矾土熟料为骨料组成基本材料。隔热用喷涂料的骨料采用多孔耐火熟料、陶粒、蛭石、珍珠岩、漂珠等轻质材料。

  灌浆料

  高炉灌浆料是高炉基建及维护用的筑炉材料,对高炉的基建和日常检修维护起着重要的作用。它的主要用途是堵缝、造衬、快速修补。它也是延长高炉、热风炉使用寿命的有效手段之一。这种材料施工方便快捷有效。武汉威林公司研制的灌浆料根据使用部位的不同、用途的不同《所需材质的不同,产品分为几个牌号。对于高炉基建来讲,本体封板以下采用碳质灌浆料WF-06,该产品具有常温固化、热导率高的特点。高炉炉身下部、炉腹、炉缸采用非水系灌浆料WF-02、WF-05;炉身上部可采用灌浆料WF-02、WF-03。两种材料具有施工性能好、强度高的特点,使用部位在冷却壁和炉壳之间。水系灌浆料WF-03也可用于热风管道的灌浆。对于高炉维修,采用灌浆料WF-01,该产品具有常温、高温均可固化,气密性好,强度高,施工简单等特点,使用效果良好。对于铁口和风口区域维护采用灌浆料WF-04,含碳化硅,导热好,强度高。

  捣打料

  耐火捣打料是用人工或机械捣打方法施工,并通过加热硬化的不定形耐火材料。由具有一定级配的耐火骨料、粉料、结合剂、外加剂组成,加水或其它液体经过混练而成。根据使用需要可由各种材质骨料与粉料配制捣打料。同时依据耐火骨料材质的使用要求选用合适的结合剂。

  炭素捣打料和碳化硅捣打料具有良好的常温施工性能和导热性。其中WH-03适用于炭砖和冷却壁之间的缝隙填充捣打;WH-04适用于大型高炉炉底水冷管中心线以上及炉底封板以上找平层的填充捣打;WH-05适用于高炉炉缸冷却壁间填充捣打;WH-06适用于高炉炉缸以上冷却壁间填充捣打。

  缓冲料

  耐火缓冲料是指以可压缩的耐火原料为主要原料制成的可以缓冲耐火材料热膨胀应力的特种耐火材料。主要应用于需要缓冲热膨胀应力的高炉、热风炉等工业炉窑。常用于高炉的缓冲料主要有高铝质和SiC质缓冲料。

  炭素填料

  炭素填料是以冶金焦、煤焦油等炭素材料为主构成的填料,主要用于填充高炉炉底板下面、冷却板两侧等部位。

  铁屑填料

  铁屑填料是以粘土熟料细粉、铁屑、铁精矿粉为主要原料,加入超微粉添加剂,用水泥或水玻璃为结合剂制成的散状料体,用于填充冷却壁之间,炉喉钢砖之间以及冷却壁与出铁口框、风、渣口大套之间的缝隙。