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，