高爐用耐火材料之炭磚介紹

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，由于碳磚的高導(dǎo)熱性、低潤(rùn)濕性、低滲透性等特點(diǎn)，煉鐵高爐爐底、爐缸均大量采用碳質(zhì)耐火材料，部分高爐的腰、下段也采用碳質(zhì)耐火材料。使用炭化耐火材料后，高爐的爐役明顯延長(zhǎng)，爐底、爐缸燒損事故較少。然而，隨著高爐大型化和強(qiáng)化冶煉技術(shù)的應(yīng)用，襯里材料的工作條件越來(lái)越差，對(duì)襯里材料提出了更高的要求。

通過(guò)對(duì)高爐炭磚腐蝕情況的研究，提高其使用壽命的主要途徑有：

(1)高爐不同部位使用不同質(zhì)量的碳磚。如圖2所示，中國(guó)上海寶山鋼鐵有限公司的4063m3高爐采用日本電極有限公司的成套高爐炭磚，共有5種型號(hào)。一碳化硅磚(GB1)和石墨塊(BC6)爐底和爐缸的一部分采用耐堿性較高的BC5碳磚，在爐缸上部采用導(dǎo)熱性高的G11炭磚，爐底鍵槽用耐磨性高的KC6磚；

(2)生產(chǎn)導(dǎo)熱性高、耐堿性強(qiáng)、滲透性低的微孔炭磚。為了提高碳磚的導(dǎo)熱性和耐堿性，配方中可以使用電鍛無(wú)煙煤作為主要原料，并添加適量的石墨粉碎、二氧化硅、碳化硅或純硅等添加劑；

(3)為減少砌筑時(shí)的間隙，爐底炭磚應(yīng)盡可能大。必要時(shí)，爐底炭磚應(yīng)浸泡一次，以提高炭磚的體積密度，降低孔隙率；

(4)爐缸炭磚除傳統(tǒng)擠壓成型的大型炭磚外，采用高溫模壓炭磚也是延長(zhǎng)爐缸壽命的有效途徑。

用電鍛無(wú)煙煤制成的半石墨炭磚、少量碳化硅碳化硅炭磚，再加入碳化硅、碳化硅、氧化鋁后制得的微孔炭磚、高溫?zé)釅禾看u、振動(dòng)成型工藝生產(chǎn)的碳化硅碳磚，再經(jīng)振動(dòng)成型工藝生產(chǎn)的不烘烤，并在出廠前不烘烤，加入高爐后用烘烤爐和初熱烘烤形成整體炭磚。

用無(wú)煙煤作為生產(chǎn)高爐炭磚的主要原料，由于產(chǎn)品的原料來(lái)源不同，產(chǎn)品的灰分和揮發(fā)分不同，需要在豎爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，其它原料有人造石墨和特殊的外加物(金屬和氧化物粉)等，結(jié)合劑是脫水瀝青等。

普通高爐炭磚是如何損壞的？

采用普通高爐炭磚、無(wú)煙煤(鍛燒溫度1250℃左右)為主要原料，在砌體熔煉強(qiáng)度不高、容積1000-2500m3的中型高爐中添加一定量的冶金焦和石墨粉。坯料經(jīng)擠出成型后，在烘焙爐中烘烤，溫度應(yīng)達(dá)到1100℃以上。烘焙后，根據(jù)用戶提供的圖紙，用銑床和刨床進(jìn)行機(jī)械加工。在工廠中，加工過(guò)的炭磚應(yīng)預(yù)先安裝并檢查相鄰塊間的間隙。

碳耐火材料耐火、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度高、耐磨性好，耐各種酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑的侵蝕，不易被熔渣、鐵水的侵蝕，但在氧化氣氛下容易氧化。碳制品的生產(chǎn)過(guò)程與其它耐火制品大體相似，但生產(chǎn)碳制品時(shí)，必須防止高溫下碳氧化。

原料煅燒和產(chǎn)品焙燒應(yīng)在還原氛圍下進(jìn)行。在使用前，無(wú)煙煤應(yīng)進(jìn)行鍛燒，以排除揮發(fā)性、硫化性和水分，提高其體積穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和抗氧化性。焦炭應(yīng)先干燥，以免因含水量過(guò)高而造成成形成困難，烘焙過(guò)程中產(chǎn)品開(kāi)裂。瀝青也應(yīng)加熱脫水。

普通高爐炭磚是如何損壞的？

為了提高高爐的生產(chǎn)效率和節(jié)能，碳磚的腐蝕與質(zhì)量得到了改善。碳磚損壞的主要原因如下:

(1)熔和渣(含大量堿金屬)對(duì)炭磚的滲透性和腐蝕性。隨著高爐出鐵效率的提高，鐵水中碳的不飽和度增加，鐵水和碳磚的反應(yīng)加劇，鐵水不斷滲透到碳磚的氣孔和碳磚之間的間隙中，碳磚的構(gòu)造變得疏松熔化，鐵水和熔渣中的堿金屬氧化物也與碳磚反應(yīng)，形成脆化層，產(chǎn)生龜裂，碳磚的強(qiáng)度下降

(2)鐵水、熔渣和煤氣對(duì)碳磚的機(jī)械沖刷；

(3)由于普通炭磚導(dǎo)熱性不高，高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致炭磚開(kāi)裂，開(kāi)裂逐漸擴(kuò)大到完全斷裂；

(4)煤氣中的CO2和水蒸氣氧化碳磚。以上四個(gè)原因中熔融的鐵水和渣對(duì)碳磚的滲透和侵蝕，以及熱應(yīng)力的破壞，是高爐碳磚損壞的主要原因。

在生產(chǎn)過(guò)程中，各種原料按規(guī)定成分混合，在加熱狀態(tài)下混合，壓制成型，然后在隔離空氣的還原氛圍中烘焙，去除揮發(fā)性物質(zhì)，使其再次加熱時(shí)體積穩(wěn)定。

YB2804-1991冶金工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高爐普通炭磚的理化指標(biāo)，并對(duì)其尺寸允許偏差和外形質(zhì)量作了相應(yīng)規(guī)定。如果普通炭磚用煤瀝青浸泡一次，普通炭磚的體積密度和機(jī)械強(qiáng)度可以明顯提高，稱為高密度炭磚。降低高密度炭磚的孔隙率可以降低鐵水或熔渣的滲透率。用來(lái)砌筑滿鋪爐底或非強(qiáng)化冶煉的高爐襯里。

高爐自烤炭磚是什么？

自烤炭磚是我國(guó)煉鐵和炭素生產(chǎn)人員經(jīng)過(guò)多年的艱苦探索，研制出的一種獨(dú)創(chuàng)的炭質(zhì)耐火材料。本發(fā)明采用無(wú)煙煤為骨料，鍛燒無(wú)煙煤、焦炭混合粉為細(xì)粉，以中溫煤瀝青為粘結(jié)劑，在一定溫度下混合均勻，采用高頻模壓振動(dòng)成型，外形尺寸精確，物理化學(xué)性能特殊。其特點(diǎn)是耐高溫、導(dǎo)熱性能好、高溫強(qiáng)度高、抗鐵渣腐蝕和價(jià)格低廉。

自烤炭磚在生產(chǎn)和使用中有以下特點(diǎn):

(1)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，投資成本低，施工方便；

(2)外形規(guī)則，無(wú)需精密加工即可砌成所需爐襯；

(3)烘爐和高爐生產(chǎn)過(guò)程中的熱量烘烤后，可形成接近無(wú)縫的整體襯里；

(4)在烘焙過(guò)程中(單面加熱條件)，煤焦油瀝青揮發(fā)物反向移動(dòng)，在工作熱端基質(zhì)孔中產(chǎn)生熱解碳，填充氣孔，使磚自行致密；

(5)能吸收爐襯加熱時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，減輕熱應(yīng)力對(duì)爐襯的破壞；

(6)在爐內(nèi)高溫渣鐵等介質(zhì)的催化作用下，產(chǎn)生非均質(zhì)石變化，提高爐襯的熱傳導(dǎo)性和耐化學(xué)腐蝕性，使1150℃的鐵水凝固等溫度線向爐內(nèi)移動(dòng)。

由于自烤炭磚的特性和爐內(nèi)質(zhì)量變化，終提高了爐襯的穩(wěn)定性和耐久性，使自烤磚在中小高爐中得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。大型高爐采用半石墨自烤炭磚，可降低鐵水熔融指數(shù)，提高導(dǎo)熱性，提高耐堿腐蝕性，增強(qiáng)抗氧化性，改善耐沖刷磨損性，減少殘留收縮。

半石墨高爐炭磚

半石墨碳磚的主要特點(diǎn)是以高溫電鍛燒無(wú)煙煤為原料，電鍛燒溫度可達(dá)1500-2000℃，使無(wú)煙煤進(jìn)入半石墨化狀態(tài)(電阻率比一般鍛燒無(wú)煙煤低50%以上)，生產(chǎn)時(shí)半石墨碳磚一般不以冶金焦為粉料，而以磨碎石墨碎(石墨電極廢品或加工時(shí)的切削碎屑)為粉料，這種半石墨碳磚的導(dǎo)熱性能明顯提高，而且耐堿金屬鹽的腐蝕性能也比普通碳磚好得多，有逐步取代普通碳磚的趨勢(shì)。

由于過(guò)去普通碳磚的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性低(一般為2~5W/(m·K)，耐堿性差，半石墨碳磚開(kāi)發(fā)過(guò)程中首先要解決導(dǎo)熱性和耐堿性低的問(wèn)題，其次要進(jìn)一步提高其抗氧化性和耐鐵水的熔化性。因?yàn)樘岣咂湎嚓P(guān)性能的關(guān)鍵因素是原材料的質(zhì)量，所以有必要從原材料的選擇、制備甚至后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行研發(fā)和改進(jìn)。

國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚與日本BC-5半石墨炭磚相比，具有相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率、抗堿性和鐵水腐蝕性。德國(guó)半石墨碳磚在600℃時(shí)的熱傳導(dǎo)率可達(dá)18.04W/(m·K)，優(yōu)于普通國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚，其它性能相當(dāng)。而國(guó)內(nèi)某公司的半石墨炭磚在熱導(dǎo)率、微孔指數(shù)等方面均優(yōu)于德國(guó)同類產(chǎn)品。

碳質(zhì)耐火制品是以碳素為主要組分，以焦炭(包括冶金焦、石油瀝青焦等)為原料，以石墨或熱處理的無(wú)煙煤為原料，以碳質(zhì)有機(jī)材料如焦油、瀝青等為結(jié)合劑的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品包括碳磚、石墨人造石墨和半石墨碳磚，主要由焦炭或無(wú)煙煤組成。

碳制品的使用條件、技術(shù)要求和原材料特性是選擇原材料和比例的重要依據(jù)。在配方中，原材料必須根據(jù)原材料的不同特性和對(duì)產(chǎn)品的要求進(jìn)行選擇。碳原料的特性比較如下:
熱傳導(dǎo)。
石墨>無(wú)煙煤>焦炭；
氧化。
焦炭>無(wú)煙煤>石墨；
鐵水溶解。
石墨>焦炭>無(wú)煙煤；
與堿的反應(yīng)。
焦炭>無(wú)煙煤>石墨；
高溫體積穩(wěn)定性。
石墨>無(wú)煙煤>焦炭。
半石墨高爐炭磚用于砌筑強(qiáng)化冶煉高爐下部和爐缸上部。目前YB4037-1991行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其理化指標(biāo)，還規(guī)定了尺寸允許偏差和外觀質(zhì)量。