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1、1,钢铁制造工艺流程概要,2,题目：,炼 铁 用 耐 火 材 料,3,4,目前，世界钢铁工业发达国家相继完成了高炉的大型化，据不完全统计，炉容大于2000m3的高炉已有100多座，大于4000m3的大型高炉有30多座，其中5000m3以上的超大型高炉有4座。其中我国上海宝山钢铁有限公司也分别于1985年和1991年建成投产了炉容为4063m3的1号和2号大型高炉。,为了适应现代化大型高炉日益苛刻的操作条件，必须选用合适的耐火材料，才能达到高产长寿之目的。,一、炼铁用耐火材料,5,6,1.高炉炉衬用耐火材料,1.1 高炉,高炉炉体由上而下依次为：炉喉 400炉身 4001100 炉腰 11001
2、200 炉腹 12001450 炉缸炉底 14501600,7,1.2 炉料在炉内分布,8,1.3 高炉炉衬用耐火材料的使用条件：,（1）在高温下，不熔化、不软化、不挥发；（2）应具有能在高温、高压条件下保持炉体结构完整的强度；（3）耐热冲击，耐磨损；（4）具有对铁水、炉渣和炉内煤气等的化学稳定性；（5）具有适当的导热率，同时又不影响冷却效果。,高炉用耐火材料，必须对炉内的反应保持物理和化学上的稳定，应达到以下要求：,1.4 高炉炉衬各部位用耐火材料,高炉在运行其间，炉体内部发生着复杂的物理化学变化，这种复杂的物理化学变化，要求高炉炉内不同的部位使用不同种类、不同材质的耐火材料。,9,10,1
3、.4.1 炉身上部和中部用耐火材料,在炉身上部，其破损机理主要是由于布料和炉料下降带来的机械冲刷和随上升气流而在此聚集的碱金属所产生的化学侵蚀。在炉身中部，主要是热震破坏，其次是机械冲刷。,炉身上部和中部侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,选用耐火材料：粘土砖、硅线石砖、致密粘土砖、高铝砖等。,11,高炉炉身过去一直使用高级粘土砖、高铝砖、莫来石砖、刚玉砖、硅线石砖、碳砖、石墨砖和半石墨砖等，但是从70年代开始使用碳化硅砖，到1990年为止，世界上已有65的高炉使用了碳化硅砖，在炉缸直径大于12m的大型高炉中，有68的高炉使用了碳化硅砖。,按照结合方式，碳化硅砖分别为SiC结合、Si3N4结合、
4、Sialon结合和Sialon-Si3N4结合的碳化硅砖。70年代末期和80年代初期，主要使用SiC结合的碳化硅砖，在80年代末期，除日本之外，Si3N4结合、Sialon结合和Sialon-Si3N4结合的碳化硅砖用量已占67.5。自1986年以来，世界各国已有数十座高炉使用了Sialon-Si3N4结合的碳化硅砖。,由于碳化硅砖具有良好的导热性、高温强度、耐磨损性、抗碱性和抗化学侵蚀性等，因此包括日本、美国、德国、英国等国家的高炉采用碳化硅砖都取得了很好的使用效果。例如，美国高炉寿命从原来的34年提高到810年，日本大型高炉炉龄由过去的56年提高到1015年以上。,12,1.4.2炉身下部
5、、炉腰,炉身下部、炉腰侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,从炉身下部到炉腰的砖衬，既受下降炉料和上升高温高压煤气的磨损以及温度变化引起的热冲击，又受高FeO高碱度初渣的化学侵蚀，更为严重的是碱金属和锌蒸气造成的碳素沉积和化学反应，使耐火砖组织脆化，失去强度。,选用耐火材料：,铝炭砖、碳化硅砖、热压小块炭砖及半石墨化炭-碳化硅砖等。,13,1.4.3 炉腹用耐火材料,炉腹带侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,炉腹处砌砖在冷却壁的冷却作用下，可以形成渣皮，起保护作用。,选用耐火材料：,高铝砖、铝碳砖、半石墨化碳-碳化硅砖、热压小块碳砖、SiC结合Si3N4砖等。,14,1.4.4 风口区用耐火材料,风
6、口区是高炉中温度最高的区域，由于高炉的大型化和强化冶炼技术的应用，致使大型高炉热风口顶部的热风动能很高；风口前的燃烧区域处于气流和焦炭的强烈扰动之中，因此，炉衬不仅受高温气流的冲刷，而且还受炽热焦炭和尘埃的磨蚀，以及含FeO很高的初渣的化学侵蚀。另外现代的喷吹煤粉操作也无疑增加了对风口区砖衬耐火材料的侵害。,风口区侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,15,风口区耐火材料：,以前高炉风口区使用粘土砖、高铝砖、硅线石砖等。近年来,在大、中型高炉的风口带普遍使用大的机压碳块砌筑，把风口周围砌筑成对称的扇形体。但考虑到由于碱性物质作用引起的变形，以改用抗碱性更好的碳化硅砖，如SiC结合、Si3N4结合和
7、Sialon结合SiC砖。,小型高炉现在多使用炭素料捣固或炭块砖砌筑。这部分砖衬同炉缸的砖衬砌成整体，为防止风口周围氧化的侵蚀,需要用高铝砖、粘土砖或耐火混凝土的砌筑保护层以便防止烘炉和开炉过程中炭素材料的氧化。,16,1.4.5 铁口部位用耐火材料,铁口部位用耐火材料要承受铁水和炉渣的侵蚀和冲刷，以及在开、堵铁口时受开口机和泥炮的外力影响。因此铁口部位用耐火材料要求抗炉渣、铁水侵蚀性好、抗机械应力的能力好.同时砌筑结构上要稳定.采用大块异型组合砖，砌筑时砖缝上下错开，每个单体相互咬合，使来自炉内外的压力向四周传递，从而使整个砌体受力保持平衡，达到砌体密封性和稳定性的目的。铁口区耐火材料：过去
8、高炉铁口区主要使用粘土砖、高铝砖、硅线石砖和大型碳砖，但这两种砖的抗碱性、耐剥落性和抗渣性不好，大型碳砖抗氧化性不好。而近期开发出ASC砖，使用结果表明其性能较好。,17,1.4.6 炉缸、炉底用耐火材料,内衬侵蚀原因及对耐材的基本性能要求：,炉缸侧壁砌体出铁口以上受到铁渣的侵蚀作用，出铁口以下为”死铁层”,长期受铁水侵泡，在炉缸壁与炉底的交界处受到铁水环流的冲刷作用。因此要求砌体具有良好的抗铁渣、铁水侵蚀能力和抗机械冲刷能力。目前国内大、中型高炉炉缸、炉底大多采用碳砖和碳砖陶瓷杯复合炉缸两种。,18,陶瓷杯结构示意图,19,高炉用陶瓷杯：,最早的陶瓷杯结构是法国沙佛埃公司的炉缸结构。其特点如
9、下：在大块碳砖的内侧砌筑刚玉-莫来石质的陶瓷杯；陶瓷杯与碳块之间留有一定的间隙，用特制的捣打料充填，防止因材质的热膨胀率不同而造成结构应力的破坏。,我国有多座大型高炉应用了法国的陶瓷杯，使用效果普遍较好，炉底炉缸寿命大幅提高，在高冶炼强度的条件下，炉底炉缸能确保安全生产。,国产陶瓷杯砖如刚玉莫来石砖，刚玉碳化硅砖等在大、中型高炉上广泛应用。由于陶瓷杯砖的导热系数较小，对炉缸的铁水有保温作用，因而能提高铁水温度，降低能源消耗，炉缸热量充足又利于高炉操作，提高铁水质量，因而陶瓷杯炉底炉缸结构得到迅速发展。,20,2.热风炉用耐火材料,我国现有的热风炉有四种形式：内燃式、外燃式、顶燃式和球式热风炉四
10、种。,内燃式热风炉,外燃式热风炉,外燃式热风炉优点：蓄热室内温度场分布较均匀，燃烧室内燃烧完全，结构稳定。缺点：投资高、结构复杂和占地面积大。,21,22,2.1 热风炉炉衬损毁机理,因热风炉的结构形式不同，炉衬的损毁情况也有差异，内燃式热风炉最易损毁的部位是隔墙；外燃式热风炉则是燃烧室和蓄热室的拱顶、两室的连接过桥等高温部位。综合损毁原因主要有以下三点：,1.热应力作用：热风炉炉衬和格子砖总是处于冷热交变的状态下，受热应力的作用，极易导致砌体产生裂纹、剥落、砌体松动等破坏因素。,2.化学侵蚀：由于燃烧用煤气和助燃空气中含有一定的碱性氧化物（氧化铁、氧化锌等），这些物质附着于砌体表面，并向内部
11、渗透，逐渐与耐火材料发生化学反应，生成低熔物，降低了耐火材料的高温使用性能。,23,3.机械载荷作用：热风炉是一种较高的建筑物，蓄热室下部格子砖承受的最大载荷高达0.8MPa，燃烧室下部衬体承受的载荷也达0.5MPa左右，在长期受热的状态下，砌体容易产生较大的收缩变形，严重影响热风炉的使用寿命。,2.2 热风炉耐火材料的性能要求,主要用耐火材料有：粘土砖、高铝砖、低蠕变高铝砖、硅砖等。,24,25,3.高炉出铁场用耐火材料,26,渣铁分离,27,3.1 高炉出铁口炮泥,炮泥是用来封堵出铁口的耐火材料，目前多采用Al2O3SiCC质材料，可分为有水炮泥和无水炮泥两大类。其中有水炮泥一般用于顶压较
12、低、强化冶炼程度不高的中小型高炉；无水炮泥则应用于顶压较高、强化冶炼程度较高的大中型高炉。,28,出铁口炮泥：,随着高炉尺寸和容积的增大，炮泥用耐火材料已由硅质变为高铝质；同样根据环境的要求，对传统的煤焦油成分进行改进，以改善炉前作业环境；,为了延长出铁时间，研究者在炮泥中加入SiC、Si3N4和含有特殊碳的矾土质、电熔氧化铝质原料，使炮泥的性能有了极大的提高，出铁条件稳定，出铁口不扩径，铁水和渣稳定流出，但是由于强度高，需要特殊的钻孔机才能打开铁孔。,29,3.2 高炉出铁沟用耐火材料,30,50年代，一般中、小型高炉的出铁沟均采用焦炭、粘土熟料，以焦油作结合剂的廉价材料，人工捣打成型。从6
13、0年代起，为适应高生产能力大容积高炉的生产条件，开发出了Al2O3-SiC-C质耐火材料，因其优异的耐剥落和耐侵蚀性，显著提高了出铁沟的使用寿命。70年代后期以来，随着Al2O3-SiC-C质浇注料的研制成功和投入使用，出铁沟用耐火材料得到广泛研究，开发出了品质各异、适应性不同的多种不定形耐火材料。,31,高炉出铁沟用耐火材料的性能和施工要求,高炉出铁沟用耐火材料的性能和施工要求,出铁主沟由于要经受周期性熔渣的化学侵蚀，炉前沟衬耐火材料必须满足如下性能要求：,1、具有优良的高温耐磨性，耐铁水和熔渣的冲刷能力强；2、耐熔渣的化学侵蚀性和渗透性好，抗氧化能力强；3、具有良好的抗热震性，抗爆裂性好；
14、4、重烧体积变化小，具有致密均匀的结构。,根据高炉炉前施工和使用要求，出铁沟耐火材料必须满足以下条件：,1、良好的施工性能，可进行快速施工；2、能够快速烘烤而不炸裂；3、在施工和使用中不产生有害气体，不污染环境；4、不粘渣铁，便于解体和修补。,32,耐火材料的发展与应用技术紧密相关。早在90年代，泵送浇注施工作业是最重大的改进。泵送浇注既可节省时间，又便于施工。,在大型高炉出铁场，渣沟通常浇注两层耐火材料。永久衬用铝矾土基Al2O3-SiC-C质浇注料，工作衬用电熔Al2O3-SiC-C质浇注料。为了便于维护出铁沟用耐火材料，近期开发的采用喷涂/喷补技术施工的耐火材料性能良好，施工更加方便。该
15、项技术既适用于低水泥浇注料，又适用于凝胶结合浇注料，大大提高了出铁沟的使用性能。,33,四、铁水运输及预处理装置用耐火材料,铁水预处理是对炼钢用铁水进行脱硅、脱磷和脱硫处理，主要在鱼雷式混铁车、铁水包和混铁炉中进行。,脱硅主要使用铁磷和石灰系处理剂；脱磷主要使用石灰系和苏打灰系处理剂；脱硫主要使用石灰系处理剂。在三脱处理过程中，由于炉渣碱度增高，铁水冲刷，间歇作业造成温度波动等，加剧了耐火材料的蚀损，因此要求耐火材料应具有耐侵蚀、耐冲刷、抗热震和抗氧化等性能。,34,4.1 鱼雷式混铁车,35,36,鱼雷式混铁车具有运送铁水和进行铁水预处理两种用途。早期鱼雷式混铁车所用耐火材料为致密粘土砖、高铝砖、莫来石砖、刚玉砖、白云石砖、红柱石砖、高铝碳化硅砖和镁碳砖等。进入80年代后改用ASC不烧砖，随后日本在此基础之上在ASC砖中加入ZrO2、石墨、Al等金属粉、硼硅酸盐玻璃、Si3N4、Al2O3、AlON、硅线石族矿物和叶蜡石等，进一步提高了ASC砖的耐蚀性等性能。,37,4.2 铁水包用耐火材料,相对于鱼雷式混铁车而言，铁水包是一种适合于近距离运输的铁水预处理装置。大多数工厂，铁水包用耐火材料主要是Al2O3含量在6070之间的高铝砖。最新开发的Al2O3-SiC浇注料使用寿命得到提高。由于采用改种浇注料，其工作衬表面平滑不挂渣，耐热震性能好，而且包衬在使用过程中几乎不产生剥落。,
