我国炼铁高炉关键部位耐火材料的发展现状
发布时间：
2024-07-18
高炉炼铁是重要的炼铁工艺模式，在我国乃至世界上均占据主导地位。据统计，我国生铁年产量呈增长趋势，如图1所示，在2019年超过8亿t，在世界范围占比超60%，其中92%以上的生铁是由高炉冶炼工艺生产的。
高炉炼铁是重要的炼铁工艺模式，在我国乃至世界上均占据主导地位。据统计，我国生铁年产量呈增长趋势，如图1所示，在2019年超过8亿t，在世界范围占比超60%，其中92%以上的生铁是由高炉冶炼工艺生产的。截至2020年，我国共有炼铁高炉500多座，总生产能力超6.5亿t，其中容积≥5000m³的高炉有9座，最大容积在5860m³。随着炼铁技术的快速发展，高炉逐步趋向大型化。此外，长寿化也是高炉发展的重要目标。目前，高炉寿命多数超过15年，甚至达到20年以上。新建高炉的一代炉龄寿命也要达到20年以上。耐火材料性能的提高及高炉冷却技术的进步是高炉长寿化的重要保障。
1、高炉关键部位耐火材料的性能对高炉炉龄寿命有重要影响
高炉炉衬耐火材料要承受高温热震作用，炉料、煤气的冲刷及磨损，碱金属的侵蚀，炉腹以下还受到铁水和炉渣的侵蚀、冲刷。Si₃N₄结合SiC砖和SiAlON结合Si C砖因抗碱侵蚀性优于其他材料且具有良好的抗热震性、耐磨性、高温体积稳定性等而被广泛应用。国内高炉炉身下部、炉腰及炉腹已多采用Si₃N₄结合SiC砖，而美国及欧洲国家的高炉多采用SiAlON结合SiC砖，均取得较好的应用效果。
随着高炉装备技术的不断发展，高炉使用铜冷却壁后，高炉寿命的限制性环节逐渐从炉身下部、炉腰、炉腹等高热负荷区域转向炉缸，炉缸部位逐渐成为高炉性能的薄弱环节。高炉炉缸通常采用陶瓷杯+炭砖复合技术。为了延长炉缸寿命，提高耐火材料性能及合理配置是关键。高炉炉缸炉底长期遭受铁水和熔渣的侵蚀，且长期存贮高温铁水，无法修补，因此对高炉陶瓷杯及炉底炭砖的性能提出了更高要求。
此外，高炉风口耐火材料除了遭受强气流冲刷外，还受到热震的强烈影响及碱性气氛的侵蚀，经常需要进行修补，甚至需要更换，也影响高炉的顺行。铁口区工作条件恶劣，采用与炉缸材质相匹配的铁口组合砖砌筑，有炭质、半石墨碳-碳化硅质、莫来石质、碳化硅质等。随着高炉炼铁的发展，高炉用耐火材料不断地被开发、应用，涌现出许多耐火材料新技术，值得关注探讨。
2、高炉的基本结构和冶炼工艺
高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。各部位的温度为：炉底一般为1450～1500℃，炉缸部位特别是风口区为1700～2000℃，炉腹、炉腰区域为1400～1600℃，炉身上部为600～800℃。高炉炼铁示意图如图2所示。
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于高炉下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下，焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）同鼓入空气中的氧燃烧生成一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中将铁矿石还原成铁
高炉关键部位的损毁机制：高炉冶炼过程中，炉缸上部是高炉中温度最高的部位，如炉缸上部靠近风口区温度为1700～2000℃，炉底温度一般为1450～1 800℃。由于炉缸和炉底砖衬受侵蚀破坏后不易修补，严重侵蚀时必须停炉大修，因此，这些部位的损毁情况决定着高炉的一代炉龄。炉缸、炉底内衬、出铁口、风口区域的损毁大致可概括为以下几方面：
1）铁水对炭砖的渗透侵蚀
当保护渣皮脱落时，铁水直接与炉缸接触，对于全炭砖炉缸，铁水容易渗透到炭砖的气孔中，生成FexC类的脆性物质，造成炭砖热面脆化，性能下降。此过程分3个阶段（见图3)：第一阶段，铁水渗入到炭砖的气孔中，与此同时，炭砖开始溶解；第二阶段，1150℃等温线处，铁水开始凝固，同时发生体积收缩，裂纹开始扩展，随后被铁水填充的空隙数量增加，见图3(a)；第三阶段，随着炭砖侵蚀的逐步加剧，1150℃等温线移向炭砖冷面，铁水的渗入是随着裂纹的扩散（平行于热面）而逐渐进行的，见图3(b)。
2）碱金属及熔渣的侵蚀
烧结矿、焦炭等原燃料带入高炉的碱金属和锌是引起炉衬侵蚀和破坏的重要因素。随着高炉的长期冶炼，碱金属的富集和熔渣的入侵不可避免。碱金属氧化物在一定温度（850～900℃）下与炭砖中的C反应产生碱蒸气（如K₂O+C=2K↑+CO↑），而碱蒸气侵入炭砖中时，易与炭砖中的Al₂O₃、Si O₂或熔渣反应形成新的化合物，如生成钾霞石K₂O·Al₂O₃·2SiO₂（其体积膨胀达到49%～50%），以及白榴石K₂O·Al₂O₃·4SiO₂（其体积膨胀达到30%），会导致炭砖膨胀开裂，炭砖侵蚀面粉化。K、Zn的蒸气在温度高于800℃时被氧化成K₂O、ZnO,K₂O和ZnO会与Al₂O₃和SiO₂反应生成K₂O·Al₂O₃·2SiO₂、K₂O·Al₂O₃·4SiO₂、ZnAl₂O₄、ZnSiO₃液相，使刚玉质或莫来石质耐火材料发生异常膨胀，使砖的结构变得酥松，引起风口上翘、炉底上涨。
3）铁水环流的冲刷磨蚀
出铁时，铁水环流冲刷炭砖热面，会造成炭砖的磨蚀。而导致铁水环流的主要原因是炉缸内死料柱的存在。当死料柱浮起减小时，自由铁水区的铁水流速加快，铁水对炉壁和炉底冲刷力增大。死料柱孔隙减小以及中心死料柱相对尺寸增大，均会加重铁水对炉底和炉壁侵蚀。
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