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      耐材行業資訊

      高爐陶瓷杯用耐火材料、演變及修復介紹

      編輯:耐火磚???瀏覽:???時間:2020-10-15


       
      高爐陶瓷杯用耐火材料
      陶瓷杯的主要特點是用低導熱的陶瓷耐火材料,將1150℃等溫線阻滯在陶瓷層中,使碳磚避開800-1100℃的脆性斷裂區,由于陶瓷杯的存在使鐵水不直接與碳磚接觸,從結構設計上緩解了鐵水及堿金屬對碳磚的滲透、沖刷破壞;同時所用的莫來石、棕剛玉等都是低導熱的陶瓷耐火材料,具有較高的抗滲透性和抗沖刷性。
      陶瓷杯技術的優點有:(1)防止鐵水對耐火材料的滲透;(2)減輕鐵水環流沖刷(與合理的死鐵層深度配合)、 提高鐵水溫度(18-25℃)和爐缸抗熱震性。由于陶瓷杯具有上述優點,因此國外許多新建或大修高爐采用了這種新型結構。爐底下端為循環水(或油)冷卻系統,冷卻管埋入炭搗層內。當冷卻管安裝在爐底封板上面時,為了防止管路事故,水泄漏后損壞碳磚,可以采用油為爐底冷卻介質。而當冷卻管安裝在爐底封板下面時,一般采用循環水冷卻,也可采用風冷爐底。爐底砌體的下部為垂直或水平砌筑的碳磚,碳磚上部為莫來石磚。
      熱力學計算表明:高導熱性耐火材料與低導熱性耐火材料的佳厚度比為2-2.5。為了維持這種比例關系,莫來石磚層數為1-2層。爐缸壁是由通過一厚層灰縫(約分隔的兩個獨立的圓環所組成,外環為碳磚(一般為碳磚或微孔碳磚),內環是剛玉質預制塊。鐵口區域徑向磚厚度被加大。鐵口中心線至爐底磚上表面的距離,即通常所說的死鐵層深度,一般取為爐缸直徑的20%。采用陶瓷杯來保護炭塊的熱面,其意圖是使熔融鐵水與炭塊隔開。其次陶瓷材質可使爐壁絕熱,因而降低熱損失?;谏鲜鲈?,在爐缸內襯采用陶瓷杯材質技術不僅是可能的,而且是可行的。這為大多數高爐的實踐所證明。
      陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能:1、良好的抗鐵水熔蝕性能,杯壁上部良好的抗渣侵蝕性能;2、良好的抗鐵水、渣液沖刷性能;3、在高溫狀態下,殘存線變為零或稍正;4、良好的抗侵蝕能力;良好的抗堿侵蝕能力;5、良好的 在受壓狀態下由熱膨脹引起的應力的適應能力;6、良好的抗熱震能力。
      高爐陶瓷杯用耐火材料的演變
      天然石英巖
      這是中世紀時煉鐵用豎式爐、橫式爐所采用的一類耐火材料,主要采用天然石英巖或者同類的打結料作為耐火材料。這類耐火材料是中世紀煉鐵爐使用的主要耐火材料,一直到高爐原型即木炭型高爐的出現,均以這類型材料作為主要的耐火材料,主要成分是高硅低鋁的天然原料,成分大概如表1所示。
      黏土磚
      1709年AbrahamDarby實施以焦炭為還原劑的鐵礦石冶煉,帶來爐容積的擴大,對內襯的可靠性要求提高,天然巖石及打結料內襯無法滿足使用要求,逐漸消失。耐火磚成為爐襯的主體,材料中黏土質(含有熟粘土、硅鋁類)成為主流,這種原料的使用特點一直持續到近代后期即第二次世界大戰結束。
      之后被高品質的剛玉質陶瓷杯制品所取代,不過該類產品在高爐爐身等部位依然使用,在有些高爐中爐缸部位也使用一部分,不過其使用作用已經和之前大不相同了,僅作為高爐點火調試用耐火材料,其主要作用是在調試過程中為之后高品質的陶瓷杯制品及碳質耐火材料提供保護,避免因調試產生劇烈的工況條件變化對耐材造成的破壞。
      陶瓷杯的出現
      及主流陶瓷杯制品的技術特點
      煉鐵技術、設備的變化改變了對耐火材料的需求,推動了耐火材料的發展。在煉鐵方面,還有幾個非常重要具有里程碑式的發明或技術極大地提高了對耐火材料的要求,如:1857年,發明利用格子磚加熱空氣的專利,造出了熱風爐。1905年前后,燒結礦、球團礦工藝在高爐冶煉中得以應用。這兩個發明或者技術在高爐煉鐵中的應用,使得具有近代特征的高爐&mdash;熱風爐&mdash;焦爐&mdash;燒結機四位一體的&ldquo;高爐系統&rdquo;形成。爐缸熱負荷進一步提高,對耐火材料的要求進一步提高,之前的黏土磚無法承受高的熱負荷而失效,急需開發出具有更高性能的優質配套耐火材料。
      恰逢此時基礎科學也取得了極大的發展,對耐火材料性能的改進提高提供了極大的幫助,世紀在物相平衡圖上的研究取得了極大的進展,首先是1919年C.N.Fenner研究了氧化硅相的關系,而這些物相的變化通過Chatelier的研究得以解釋和說明,這一研究使人們認識清楚了氧化硅的膨脹特性與物相的關系。1924年N.L.Bowen完成了Al2O3-SiO2相圖的繪制,該相圖的完成對這一體系耐火材料無疑具有非常重大的意義,使得人們找到了黏土磚隨氧化鋁含量增加耐火度隨之上升的真正原因。借助于這些研究成果,可得出提高氧化鋁來提高黏土磚耐火度以抵抗不斷提高的熱負荷的結論。終于Bauer等于1988年開發出陶瓷杯,一類以剛玉為主晶相的陶瓷杯制品,這類材料與炭磚共同砌筑組成爐缸爐襯,并在1988年的世界煉鐵會議上公布了其陶瓷杯配套產品的組成:陶瓷杯壁用磚有綠剛玉、灰剛玉、Sialon結合剛玉;杯墊用磚合成莫來石。
      陶瓷杯杯壁初設計使用的耐火磚為綠剛玉,使用這類型材料主要是從抗渣性方面出發考慮才選用的,Cr2O3與渣成分反應形成高黏度物相來覆蓋制品表面,阻止渣的進一步滲透。但是實際高爐條件下發現其表面形成的Al2O3-Cr2O3固溶體強度高、比較脆、膨脹較大,在溫度波動情況下會剝落,加劇損毀,實際使用效果受到影響,另外由于鎘污染,因此發展出莫來石結合的灰剛玉制品。這類制品具有適度的抗渣性能,同時表面不會形成脆性固溶體,有助于應力的釋放,綜合性能較好。杯壁的另一種配置是Sialon結合剛玉,這種非氧化物結合剛玉制品,抗渣性能更優,且這類產品強度高,熱膨脹系數小,抗熱震穩定性要較灰剛玉制品更優。
      杯墊使用莫來石磚,爐底被熔融鐵水覆蓋,沒有熔渣及堿的侵蝕,莫來石磚荷軟高,耐鐵水熔蝕性能優,用于爐底能達到很好的使用效果。
      鑒于法國陶瓷杯在高爐中使用業績較好,陶瓷杯技術上世紀90年代引入我國后,國內有一些廠家積極開發配套耐材,在市場上使用較多且比較有代表性的有兩種,塑性相結合復合剛玉磚及微孔剛玉磚。
      微孔剛玉磚技術指標如表4所示。微孔剛玉磚是國內某廠2002年推出的一款產品,采用剛玉及莫來石為主要原料,以樹脂作為結合劑,于埋碳條件下進行燒成,磚中會殘留少量碳,并使磚具有微孔技術特點,這使得該磚的抗渣、堿性能會提高,實現較好的使用效果。
      塑性相復合剛玉磚,是通達中原2001年推出的一款產品,是一種普遍應用的國產陶瓷杯用磚,以棕剛玉及碳化硅作為骨料,引入金屬硅,制備金屬塑性相剛玉復合材料,使制品兼具塑性相金屬及剛玉兩者的優點。
      該制品具有以下技術特點:添加的金屬硅有促進燒結的作用,添加后制品的致密度提高。添加金屬硅作為塑性彌散相與耐火骨料及基質復合,在外力作用下產生一定的塑性變形或沿晶界滑移分散集中的應力,使得斷裂能增大,引入金屬硅能達到增韌的效果。在磚中骨料與基質的交界處恰好是應力集中區,裂紋在這個區域容易擴展,而加入的金屬硅在1400℃以上時會變成液相填充在基質與骨料之間的界面上。當裂紋尖端擴展抵達塑性相時,其應力將被吸收,阻止裂紋繼續發展,增強了材料的斷裂能,增強了材料抵抗熱應力的能力。這一技術方案解決了陶瓷質耐火材料致密度提高與熱震穩定性降低的矛盾。
      燒結及使用過程中,塑性相金屬硅氧化形成的氧化硅與料中氧化鋁形成莫來石或玻璃相填充表面的氣孔,使得材料抗渣、堿滲透能力得到進一步提升。這也使得其在高爐中實現了良好的使用效果。
      以上是兩種國產陶瓷杯杯壁用磚,對杯墊兩類磚均可使用,不過從實用角度來考慮,使用剛玉莫來石磚即可滿足使用,有些鋼鐵廠使用高鋁磚也實現了不錯的使用效果。
      經過40多年的發展,現在主流陶瓷杯制品如SAVOIE制品、微孔剛玉磚及塑性相結合復合剛玉磚,各有優缺點,如果搭配合理并且能進行有效的維護,也能實現非常好的使用效果。
      當然高爐長壽方面涉及的影響因素非常多而且非常復雜,耐火材料只是影響高爐壽命的一個因素,從提升耐火材料使用性能方面出發來延長高爐爐缸的使用壽命,依然是有空間的。
      高爐傳統爐缸陶瓷杯修復技術
      近年來,圍繞高爐爐缸長壽化的技術一直在不斷探索與發展。綜合國內外研究以及實踐,形成的主流意見認為:爐缸長壽的關鍵在于保持1150℃凝鐵等溫線處于碳磚熱面以外,讓碳磚內側能夠形成穩定的高黏度渣鐵保護層,以避免碳磚與液態鐵水的直接接觸?;诖?,采用導熱性好的碳磚,并在碳磚內側砌筑一層不與鐵水反應、耐侵蝕的陶瓷杯材料,對碳磚加以保護的復合爐缸結構被普遍采用。同時,陶瓷杯材料具有較低的導熱系數,還可以減少爐缸熱損。
      傳統陶瓷杯,采用高鋁磚砌筑而成,新砌陶瓷杯與碳磚之間,采用碳素搗打料進行填充。這種修復方式,具有以下難點:
      (1)需根據高爐尺寸,提前定制陶瓷杯磚,周期較長;
      (2)對中修高爐,爐缸清理要求較為苛刻,破壞性清理殘余碳磚,造成浪費;
      (3)碳磚與陶瓷杯砌磚難度較大,工期較長;
      (4)搗打料密封效果難以保證,對爐缸工作造襯很大隱患。
      傳統砌筑陶瓷杯技術,在新高爐中應用較為普遍;但對高爐檢修來說,在爭分奪秒的大環境下,砌筑技術略顯局限,新型的爐缸整體澆注技術應運而生。
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