高爐陶瓷杯用長壽耐材的研制與設計創新

2021-11-11 03:46:50王佑寶高配亮蔡國慶秦建濤常雅楠

山東冶金 2021年5期

王佑寶，高配亮，蔡國慶，秦建濤，常雅楠

（山東耐材集團魯耐窯業有限公司，山東淄博255200）

1 前言

高爐長壽是現代高爐所追求的目標，高爐長壽必將帶來經濟效益的提升［1-2］。近年來，我國高爐的設計水平得到了較大的提高，陶瓷杯耐材也從全部依賴進口轉變為國產化，并且使用效果也逐步提升，高爐的一代爐齡也得到了較大的提高［3］。但與國外高爐壽命相比，我國只有少數高爐能夠達到國外高爐壽命的水平。雖然普遍認為影響高爐長壽有3 個因素：高爐設計時采用的長壽技術、穩定的高爐操作工藝管理和優質的原燃料條件和有效的爐體維護技術［4-5］，但陶瓷杯用耐材的選擇也非常重要。提高高爐的設計和建設水平，是高爐實現長壽的根本，高爐本體用耐材選擇對高爐長壽化有也重要意義［6］。隨著鋼鐵行業新舊動能轉換項目的實施，高爐的發展趨勢是大型化、長壽化，其內襯的耐火材料按高爐部位的使用條件應選擇相對應的品質及檔次的耐火材料，高爐本體用耐火材料與結構設計的優化提升勢在必行。

2 高爐陶瓷杯耐材的選材

2.1 陶瓷杯的作用及耐材性能要求

陶瓷杯即在高爐爐底爐缸工作區域采用陶瓷結合的耐火材料，爐底采用2～3層耐火磚砌筑，搭配的杯壁在炭磚外側采用多種磚型耐火材料環砌，在爐缸區域形成一個杯狀的陶瓷襯。利用陶瓷杯低導熱的特點，將1 150 ℃等溫線阻滯在陶瓷層中，使炭磚避開800～1 100 ℃的脆性斷裂區。由于陶瓷杯的存在使鐵水不直接與炭磚接觸，從結構設計上緩解了鐵水及堿金屬對炭磚的滲透、沖刷破壞。只要陶瓷杯穩定存在與炭磚內襯的內表面，陶瓷杯顯然也起著隔熱的作用，能降低炭磚表面的溫度，不僅節能降耗，還能改善炭磚層內的溫度分布。因此，對陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能：良好的抗鐵水熔蝕性能，良好的抗鐵水、渣液沖刷性能，良好的抗CO侵蝕和抗堿侵蝕能力，良好的抗熱震能力，在使用過程中應形成鍋底狀，避免出現象腳型。

2.2 高爐爐缸的侵蝕形式

高爐爐缸耐材和炭磚的損毀中堿金屬和鋅的化學侵蝕是主要的影響因素之一，要減小乃至消除爐襯環縫對高爐壽命的不利影響，除了從根本上提高高爐精料水平，降低堿金屬和鋅的負荷以外，砌筑爐缸、爐底選擇抗堿性好、微氣孔或超微氣孔、抗鐵水滲透和抗渣鐵溶蝕性能好的耐火材料是爐缸耐材技術趨勢。

高爐在運行過程中爐缸的耐火磚襯受到多方面的作用而逐步被侵蝕，因此在選擇各部位的耐火磚襯時應遵循的原則是：耐火磚襯要與該部位的熱流強度相對應，以保持在強熱流沖擊下，磚襯仍能保持整體性和穩定性；耐火磚襯要與該部位的侵蝕機理相對應，以緩解和延緩內襯破損速度，延長高爐壽命。

目前業內普遍將爐缸典型侵蝕情況分為4種，如圖1 所示。A 為蘑菇型侵蝕、B 為象腳型侵蝕、C為寬臉狀侵蝕、D 為鍋底狀侵蝕。其中蘑菇型、象腳型、寬臉狀侵蝕均為非均勻侵蝕的典型代表，均勻侵蝕磨損容易形成鍋底狀，適當的鍋底狀侵蝕有利于渣鐵層的形成和減緩侵蝕速率，是爐缸長壽的侵蝕思路。

2.3 陶瓷杯用微孔莫來石磚的技術優勢

目前國內高爐陶瓷杯用耐材主要有復合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、塑性相復合剛玉磚、微孔剛玉磚、法國陶瓷杯澆注磚等。澆注塊的重量相對較大，復合棕剛玉磚抗堿性相對較差，塑性相剛玉磚微氣孔指標相對較差，剛玉莫來石抗堿性和抗爐渣侵蝕效果相對較差。高爐陶瓷杯、陶瓷墊用耐材料直接與高爐內鐵水、鐵渣接觸，受鐵水、鐵渣溶蝕和沖刷嚴重而易于損毀。為滿足高爐一代爐齡的生產需求，高爐陶瓷杯與風口用耐火材料應具備良好的抗沖刷、耐侵蝕性能。高爐陶瓷杯用耐火材料的微孔化是當今耐材技術領域發展趨勢。

微孔莫來石磚在國內應用并不多，但其在高爐陶瓷杯上使用的優異表現需要引起關注。近幾年，魯耐窯業和韓國浦項在高爐耐材方面緊密合作，韓國浦項和現代制鐵高爐上使用的就是微孔莫來石磚（SDMPM70）與低鋁莫來石磚（SDLAM45）搭配的魯耐-浦項型復合結構陶瓷杯技術，使用過程中能夠按照設計要求形成類鍋底狀均勻侵蝕，使用效果良好，能夠滿足一代爐齡15 a 以上的需求。魯耐-浦項型復合陶瓷杯技術根據陶瓷墊的使用性能和環境，材料的搭配使用易于形成均勻侵蝕磨損及類鍋底狀侵蝕，侵蝕主要向爐底下部發展，在爐底形成深坑，有減輕爐缸環流的作用，減輕對側壁侵蝕，同時適當的類鍋底狀侵蝕有利于渣鐵層的形成，以減緩侵蝕速率，是爐缸長壽的均勻侵蝕思路。

微孔莫來石磚（SDMPM70）利用無機占位、液相填充、二次莫來石化等反應體積膨脹填充氣孔；生成的晶須將材料內部氣孔分割微化；抑制鐵水等及渣、堿金屬和鋅蒸汽向材料內部的滲透。應用了低氣孔制作技術，堆積填充、燒結。材料中微孔極大減緩了耐火材料的侵蝕速率，從而提高材料使用壽命。具有以下優異性能：①整體良好的抗鐵水熔蝕性能；②良好的抗鐵水、渣液沖刷性能，杯壁上部良好的抗渣侵蝕性能；③在高溫狀態下，殘存線變化為零或稍正，防止鐵水鉆向縫隙；④良好的抗熱震能力，在受壓狀態下由熱膨脹引起的應力的適應能力；⑤陶瓷墊中心部位在工作狀態下處于軟融狀態，封閉或減小材料氣孔數量和孔徑；⑥中心部位先于邊緣部位開始侵蝕，陶瓷墊在使用過程中應形成鍋底狀，避免出現象腳型。

魯耐-浦項型復合結構陶瓷杯技術用微孔莫來石磚（SDMPM70）理化指標如表1 所示。搭配使用的低鋁莫來石磚（SDLAM45），其氧化鋁含量在45%～50%，體積密度2.35 g/cm3以上，荷重軟化溫度1 500 ℃以上，具有高溫狀態下表面軟熔的效果，便于鍋底狀的形成。所用配套火泥為剛玉莫來石火泥，其具有優良的施工性能和良好的燒結性能，燒后永久線變化為正值，燒結后黏結強度可達6 MPa以上，能夠很好地滿足陶瓷杯墊使用環境。

表1 微孔莫來石磚（SDMPM70）理化指標

3 陶瓷杯墊設計創新與熱工計算

3.1 陶瓷墊自鎖防漂浮結構設計

魯耐根據高爐陶瓷杯用耐材的使用環境，研究設計開發具有良好的抗沖刷、耐侵蝕的優質耐火材料，并通過優化設計組合結構形成自鎖緊、防漂浮陶瓷杯結構設計和大塊穩固的組合磚設計。針對現有爐底砌體在受熱后應力分布不均勻，易造成局部坍塌、漂浮而破損等不足。通過對爐底整理結構進行傾斜設計配合舌槽設計，讓單磚之間、爐底整體均形成了有利的自鎖結構；即使上層磚坯受到侵蝕破壞也不會影響剩余磚坯的相互鎖緊結構的維護，不會造成小塊磚坯的漂浮，從而形成整體防漂浮性能。陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設計示意圖見圖2。

圖2 陶瓷墊自鎖防漂浮磚型設計示意圖

3.2 陶瓷墊材料的熱工模擬及整體膨脹計算

陶瓷墊磚熱工設計測算是不可或缺的，為科學合理的對陶瓷墊環縫和泥縫的設計，對陶瓷墊用微孔莫來石、低鋁莫來石、剛玉莫來石火泥、環縫填料4 種耐材進行高溫壓縮試驗檢測，得出可壓縮比例。綜合熱膨脹數據，對陶瓷墊整體結構進行整體熱膨脹、壓縮計算。測算陶瓷墊在使用過程中的整體膨脹量是否對外層的炭磚造成擠壓，避免破壞炭磚結構。

通過高溫壓縮變形試驗檢測SDMPM70、SDLAM45、剛玉莫來石泥漿、環縫填料耐材在2 MPa 壓力下1 400 ℃保溫10 h 的高溫壓縮試驗，測得的可壓縮比例如表2所示。

表2 魯耐-浦項型陶瓷墊各耐材膨脹系數及可壓縮量檢測結果 %

以2020 年魯耐窯業為寶鋼本部設計生產的2#高爐直徑12.7 m陶瓷墊為例進行計算，下層陶瓷墊全部使用SDMPM70 磚，上層直徑3/4 范圍內使用SDLAM45 磚、外環 1/4 使用 SDMPM70 的方式。通過理論測算，陶瓷墊泥縫2 mm、環縫填料尺寸100 mm 時，上下兩層陶瓷墊的整體理論膨脹量總量趨近于零，分別為-0.3 mm 和-0.8 mm，如表3 所示。測算結果表明，火泥和環縫填料的壓縮剛好能夠吸收陶瓷墊磚的膨脹，從而保護了環縫填料外側炭磚結構，使其不會受到過度擠壓損毀，因此充分吸收陶瓷墊磚高溫膨脹陶瓷杯泥縫并非越小越好。