高炉（本体）用耐火材料的选择与技术进展

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东 广州510300）

尽管各国研究开发了很多炼铁方法，但由于高炉炼铁工艺相对简单、产量大、劳动生产率高、能耗低，仍是现代炼铁的主要方法，高炉炼出的生铁约占生铁总产量的95%以上。高炉冶炼过程包含复杂的物理化学变化。炼铁原料从高炉炉顶加入后，经过预热、 铁氧化物的还原和熔化、 铁和渣下滴流动及分离、焦炭燃烧及产生反应等过程而获得生铁。冶炼过程是在高温下连续进行的。高炉炉体从上到下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸及炉底等部位。各部位的温度：炉底一般在1 450～1 500 ℃，炉缸部位特别是风口区在1 700～2 000 ℃，炉腹、炉腰区域1 400～1 600 ℃，炉身上部 600～800 ℃。各部位砌体分别承受：炉料下降的磨损和撞击等机械作用、上升煤气含有粉尘的冲刷和磨损作用、 碱金属氧化物蒸汽的侵蚀作用、燃烧煤气分解时的炭素沉积作用、熔融金属和炉渣的化学侵蚀和渗入作用。其损坏机制因部位不同而异，选用的耐火材料材质亦应有相应的变化。随着钢铁工业技术进步，高炉朝着大型化、高效化和长寿化发展，逐步采用富氧喷煤、高风温操作、高压炉顶等新的冶炼技术。高炉炉衬的工作条件发生了重大变化，其耐火材料的使用寿命降低，特别是炉身下部及炉腰、炉腹部位，寿命更短。为了适应这一发展，高炉用耐火材料也有较大变化，长寿新型、高效耐火材料逐渐被应用，高炉寿命也逐渐提高。实现高炉长寿化、大型化是炼铁工业的重要目标，随着我国钢铁冶金行业节能降耗和节能减排工作不断深化和强力推进，开发高炉用长寿化耐火材料已取得长足进步，不用到国外购买耐火材料[1]。高炉大型化更明显，2005 年国家发改委的钢铁产业发展政策中规定：新建高炉的最小容积不应小于1 000 m3，自此，我国高炉迈向大型化的发展道路。到现在为止，我国已拥有 9 座 5 000 m3以上高炉，最大为 5 860 m3（江苏沙钢）。

1 高炉（本体）内衬用耐火材料的选择与高炉长寿

高炉长寿是系统工程，高炉本体耐火材料在其中发挥重要作用，因此，高炉内衬必须按部位选择合适的耐火材料[2-4]。

1.1 选择耐火材料的原则

必须遵循的原则是耐火材料内衬与该部位的热流强度相对应，耐火材料与该部位的侵蚀机理相对应，缓解和延缓破损速度，延长高炉寿命，选用价格低，性价比高的耐火材料。20 世纪50 年代以前，大多数高炉炉衬用黏土砖砌筑，使用寿命较短，有时引发炉壁、炉缸或炉底烧穿事故。50 年代以后，炉底和炉缸大量使用炭质耐火材料，有的在炉腰、炉腹及炉身下部也用炭质耐火材料，使炉役明显延长，很少发生烧穿事故。但随着高炉大型化和强化冶炼技术的发展，炉衬耐火材料的工作条件越来越恶化，对内衬用耐火材料提出更高要求。20 世纪70 年代以来，研制了许多新型耐火材料，供高炉选择。长寿命新型、高效耐火材料逐渐被应用，高炉寿命也逐渐提高。

1.2 各部位选择耐火材料

（1）炉喉和炉顶用耐火材料。炉喉一般采用水冷或无水冷钢砖（铸钢件），水冷钢砖与炉壳之间充填浇注料。无水冷钢砖安装时用浇注料配合施工。炉顶，即煤气封罩，一般采用金属锚固件加耐磨的耐火喷涂料。

（2）炉身用耐火材料。炉身上部和中部温度较低，普遍采用低气孔率黏土砖，高密度高铝砖，磷酸浸渍黏土砖，硅线石砖及抗剥落高铝砖等。也有在炉身上部采用2～3 段代衬镶砖冷却壁（即取消内衬耐火砖）；代衬冷却壁使用范围甚至扩大到高炉整个上部砌体（包括炉腹、炉腰和炉身）。炉身下部温度较高，有大量低熔物形成，以及灼热炉料下降磨擦碱蒸汽侵蚀等作用，过去采用优质黏土砖、高铝砖、刚玉砖等。现在大型高炉都选用氮化硅结合碳化硅砖、自结合碳化硅砖及Sialon 结合碳化硅砖。由于这几种碳化硅砖价格很高，鞍钢等单位开发了铝炭砖，采用特级高铝矾土熟料、 鳞片状石墨及碳化硅为主要原料，酚醛树脂结合、机压成型、烧成或不烧的致密铝炭砖，特别是烧成微孔铝炭砖，价格便宜，使用效果很好。

（3）炉腰用耐火材料。炉料在此部位已部分还原造渣，渣侵蚀比较严重，而且温度也比较高（1 400～1 600 ℃）。以前用黏土砖、高铝砖，现在中、小型高炉大多数用铝炭砖，甚至微孔铝炭砖。大型高炉多选用氮化硅结合碳化硅砖、 反应结合碳化硅砖，也有用Sialon 结合刚玉砖。对于冷却板结构内衬也有用石墨砖。

（4）炉腹用耐火材料。这部位温度更高，受热辐射，熔渣侵蚀，还有碱金属侵入、碳的沉积而引起化学作用。炉腹是高炉寿命最短的部位之一。以前多用高铝砖和刚玉砖，现在大中高炉采用烧成铝炭砖及烧成微孔铝炭砖，大型高炉多用氮化硅结合碳化硅砖或Sialon 结合碳化硅砖。

（5）炉缸、炉底用耐火材料。炉缸部位特别是风口区为高炉内温度最高的区域，在1 700～2 000 ℃，炉底一般在1 450～1 500 ℃。炉缸除受高温作用外，主要是受到渣铁的化学侵蚀与冲刷，炉底主要以铁水的渗入侵蚀为主，同时也有碱和锌的侵入。炉缸风口带采用刚玉莫来石砖或棕刚玉砖、硅线石砖，在渣铁接触的热面即采用前两种砖，而在冷面选用致密炭砖或石墨化、半石墨化炭砖，也可选用小块微孔炭砖、模压炭砖，炉底选用半石墨化炭砖、微孔炭砖。

铁口区工作条件恶劣，采用与炉缸用耐火材料材质相匹配的铁口组合砖砌筑，有炭质、半石墨碳—碳化硅质、莫来石质、碳化硅质等。

1.3 不定形耐火材料

（1）浇注料。有些小高炉内衬采用浇注料，特别是日本钢管公司一座高炉在炉身上部使用高密度浇注料，经过6 年后发现少量剥落。目前高炉使用黏土质浇注料用于炉喉钢砖内部空腔及钢砖与炉壳之间空隙，高铝质自流浇注料用于炉喉钢砖后面、炉顶撒水管及短管。

（2）喷涂料。炉腹中部以上内侧等部位均可采用喷涂料，提高高炉炉体的气密性，保护炉体钢壳。

（3）灌浆料。主要是堵缝、造衬，快速修补。

（4）捣打料。有炭质捣打料和碳化硅质捣打料，用于炭砖与冷却壁之间的缝隙填充，以及大型高炉炉底水冷管中心线以上及炉底封板以上找平层的填充捣打。还适用于炉缸冷却壁间填充及炉缸以上冷却壁间填充捣打。

（5）耐火缓冲料。主要是缓冲膨胀应力，高炉缓冲料有高铝质和碳化硅质缓冲料。

（6）炭素填料。以冶金焦、煤焦油等炭素材料为主构成的填料，主要用于填充高炉炉底板下面，冷却板两侧等部位。

（7）铁屑填料。以黏土熟料细粉、铁屑、铁精矿粉为主要原料，加入超微粉，用水泥或水玻璃结合的散状料体。用于填充冷却壁之间、炉喉钢砖之间，以及冷却壁与出铁口框，风，渣口大套之间的缝隙。

（8）耐火泥浆。高炉用耐火泥浆种类较多，一种是砌筑炉体的耐火砖接缝黏结和修补。一般是采用与耐火砖同材质的泥浆，如砌筑炭砖，就用炭质泥浆或含碳泥浆，砌筑黏土砖，采用以黏土熟料为基料，软质黏土或化学结合剂结合的黏土质耐火泥浆，还有砌筑隔热耐火制品的隔热耐火泥浆，砌筑碳化硅砖的碳化硅质耐火泥浆等；另一种是压入泥浆，采用挤压方法施工的膏状或浆状不定形耐火材料，它是由耐火粉料、结合剂和外加剂组成，使用时加水或液态结合剂调和后可用，压入高炉不同部位有不同材质的压入料，如高铝质压入料多用于炉身，炉缸、炉腹等部位多用于炭质压入料； 另外还有一种以可压缩的耐火原料为主的缓冲耐火泥浆，缓冲耐火砖砌筑体的热膨胀应力等。

2 我国高炉内衬可以完全使用国产耐火材料，无需进口

宝钢1#高炉是日本新日铁公司设计，炉体耐火材料全套由日本引进，即炭砖为日本NDK，其余为日本黑崎公司制造。一代炉龄10 年8 个月。大修后第二代炉体采用当时最好的耐火材料，炭砖仍是日本NDK，其余是法国SAVOIE 公司制造。随着首钢、本钢、 太钢等大型高炉引进美国UCAR 公司生产的热压炭砖，取得令人满意的使用效果。为此，甚至一些小高炉也引用外国产品。

我国是耐火材料生产大国，耐火材料品种齐全，技术力量雄厚，从20 世纪80 年代中开始，对高炉用耐火材料产品质量提高及新产品开发十分重视，武钢研究院对20 余座高炉破损情况调查认为：武钢与多家耐火厂合作开发系列化微孔炭质和硅铝质高炉用耐火材料，使用性能达到或超过国际先进水平，完全能替代进口耐火材料，对高炉长寿、耐火材料国产化做出重要贡献[5-6]，具体情况如下。

2.1 炭砖

有半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、石墨砖和模压小炭砖等。国内对国内外同类产品进行了使用性能对比试验，半石墨炭砖因高炉大型化已淡出使用。

（1）微孔炭砖。普通微孔炭砖中，日本 BC-7S 和法国AM-102 炭砖是国际名牌产品，宝钢1#和2#高炉、武钢5#高炉使用寿命达10 a 以上。炭砖的平均孔径 0.01～0.13 μm，抗碱优良，导热系数高。我国的微孔炭砖是用宁夏的无烟煤，煅烧后灰分最低，用它做原料，添加Si 粉和Al2O3粉，经过混碾、压型、烧成等工艺过程。国产的微孔炭砖质量指标接近日本和法国产品水平，其性能指标见表1。武钢4#高炉使用国内产品寿命也在10 a 以上。

（2）超微孔炭砖。高炉用炭砖向超微孔、高导热方向发展。日本BC-8SR 和德国7RDN 代表国际水平，炭砖的平均孔径 0.1 μm，＜1 μm 孔容积率＞85%。武汉科技大学研究人员围绕这个问题进行了细致研究，认为采用高温（2 200 ℃）电煅无烟煤作骨料，鳞片状石墨、 棕刚玉粉和硅粉作基质，酚醛树脂结合剂，引入氧化铝微粉，1 100～1 400 ℃烧成，成功研制出新型炭砖。平均孔径 0.08 μm，＜1 μm 气孔容积约90%，热导率 26～30 W/（m·K），同时有优良的抗铁水侵蚀性能，综合性能指标超过代表世界水平的日本BC-8SR 和德国7RDN 炭砖。兰州碳素厂与武钢合作生产这种超微孔炭砖，在武钢3 200 m3高炉使用，效果很好。

表1 微孔炭砖性能指标

（3）半石墨炭砖。采用电高温煅烧的宁夏无烟煤做原料，添加适量的石墨碎块来提高热导率，中温沥青结合剂，工艺过程与普通炭砖相同，制品的性能指标达到日本RC-5 水平，主要用于高炉炉底和炉缸铁口以上部位。

（4）模压小炭砖。以美国 NMA、NMD 热模压小炭砖为代表的国际名牌产品，我国应用的比较多，使用效果好，但价格昂贵。我国某厂生产的模压炭砖，利用高铝砖的工艺条件，采用电煅烧的无烟煤、石墨为原料，加入Si 粉和刚玉粉，酚醛树脂结合，模压成型，1 500 ℃烧成的小炭砖。采取降低电煅无烟煤电阻率＜500 MΩ·m，严格控制生产工艺，使制品600 ℃热导率平均 22.67 W/（m·K），耐压强度 33.87～36.82 MPa，抗铁水蚀损指数11.44%～17.43%（平均14.87%），平均孔径＜1 μm，达到和超过美国 NMA 和德国7RDN 微孔炭砖指标。主要用于高炉炉缸部位。

（5）铝炭制品。铝炭制品是用白刚玉或亚白刚玉和鳞片状石墨为主要原料，加入碳化硅、金属Si、Al 粉等抗氧化剂，沥青或树脂为结合剂，泥料混合均匀后，在150 MPa 压力下成型，然后经230 ℃热处理1 h，再埋炭1 400～1 500 ℃烧成的Al2O3-C 复相耐火材料，抗渣铁及碱的侵蚀能力强，广泛用于中小高炉炉腰等部位。

（6）微孔铝炭砖。采用高温煅烧铝矾土熟料、电熔白刚玉细粉、鳞片状石墨粉为原料，加入Si 粉，酚醛树脂结合剂。在混合之前，骨料和树脂结合剂要加热，泥料混合均匀，用压砖机冲压成型，砖坯体积密度控制＞2.8 g/cm3，表面光滑，尺寸精确，＜1 μm 孔隙率 70%以上，热导率高，室温下为 14～16 W/（m·K），热振稳定性好，1 100 ℃—水冷循环100 次无裂纹。这种砖在武钢高炉炉腰中、下部和炉腰区域使用，效果较好。

（7）碳化硅砖。由于结合相不同，碳化硅砖品种较多。黏土和低档莫来石结合的碳化硅砖逐渐被淘汰，而高炉主要用Si3N4结合和Sialon 结合的碳化硅砖。

其一，Si3N4结合碳化硅砖是用碳化硅和Si 粉做原料，经氮化烧成的制品。要求碳化硅原料含SiC＞97%，硅粉含 Si＞98%。碳化硅与 Si 粉配料、混合、成型、干燥后，砖坯在氮化炉中1 350～1 450 ℃烧成，在烧成过程中通入氮气，炉内的温度、压力、气氛要严格控制；宝钢在风口水冷铜套内衬使用国产Si3N4结合碳化硅砖，实用效果优于日本产品。

其二，Sialon 结合碳化硅砖在按颗粒合理配比的碳化硅料中，配入Si3N4和Al2O3粉，加入结合剂进行混合、成型后在还原气氛中烧成，制得以α-SiC 为骨架、以Sialon 为基质的耐火制品。由于Sialon 存在于粒子之间，使制品的强度提高，抗热震性增强。由于Sialon 结合制品比Si3N4结合制品烧成温度高，制品的显微结构有差异，结合相β-Sialon 主要呈条柱状或短柱状，形成网络，将碳化硅颗粒紧密结合；而Si3N4结合碳化硅砖，Si3N4主要为纤维状晶体，比表面积大，活性高，抗氧化能力不如柱状晶体稳定。制品的性能指标见表2。

（8）刚玉莫来石砖。在我国对刚玉莫来石砖的生产工艺方法有多种，其中两种方法生产的制品质量较好。其一，以板状刚玉为骨料，电熔刚玉、α-Al2O3微粉为基质，添加高硅有机物，采用有机物与无机胶体的复合结合剂，高压成型，1 700 ℃高温烧成，其制品的抗热振性（1 100 ℃～水冷）超过 70 次，高温（1 450℃，0.5 h）抗折强度达19.1 MPa。这是由于添加的游离SiO2与α-Al2O3反应形成莫来石，加上板状刚玉颗粒有1~10 μm 闭口气孔，提高了抗热振性。其二，用莫来石做骨料，烧结刚玉、红柱石、石英、黏土等做细粉，采用振动成型，1 550～1 650 ℃烧成，制品含 Al2O3（w）81.92%，耐压强度 101 MPa，抗热振性（1 100 ℃～水冷）＞40 次。

表2 国内外Si3N4 和Sialon 结合碳化硅制品理化指标

（9）刚玉制品。

一是Sialon 结合刚玉制品。20 世纪80 年代初，法国SAVOIE 公司研制成功Sialon 结合刚玉制品。90 年代初，我国也研制成功并大量生产，用于高炉内衬。其生产方法大致是：配料制造以刚玉做颗粒和细粉，配入 α-Al2O3和 SiO2微粉、Si3N4粉组成基质，以Y2O3为助烧剂配料制砖，砖坯在氮气或埋炭的气氛中，通过反应烧结制备β-Sialon 结合刚玉耐火制品。也有用烧结合成法，即用刚玉颗粒与SiO2微粉、金属Al 粉等配料制砖，砖坯在氮气中通过自蔓延原位合成β-Sialon 结合刚玉制品。还有将先合成的Sialon 粉与刚玉配料，烧制β-Sialon 结合的刚玉耐火制品。

二是微孔刚玉制品。我国研制的高炉陶瓷杯用微孔刚玉砖是用电熔致密刚玉和棕刚玉做主要原料，酚醛树脂结合剂，并选择A、B 添加物，高压成型，1 500 ℃烧成的刚玉制品，再经过机床精磨后预组装供陶瓷杯使用。形成微孔的条件是：成型时砖坯的气孔尽可能小，并且要少；依靠粒度很小（5～10 μm）添加物成型时填充气孔，1 500 ℃烧成过程中A、B 添加物生成硅铝酸盐化合物，熔化和气化渗入气孔中。酚醛树脂在高温下碳化析出的炭与添加物反应生成化合物，使刚玉砖有很高的强度。我国对高炉陶瓷杯用微孔刚玉砖制定了标准（YB/T 4134-2005）。实际生产的微孔刚玉砖理化指标与法国产品对比见表3。

表3 我国与法国的微孔刚玉陶瓷杯理化指标

法国的微孔刚玉砖是以棕刚玉为原料的低水泥结合浇注料预制块。我国的微孔刚玉砖已成功用于武钢、杭钢、柳钢、天钢等公司的高炉，并取得很好的使用效果。

（10）低气孔率黏土砖、磷酸浸渍黏土砖、致密高铝砖、浇注料等各种不定形耐火材料，属于我国的大宗产品，无论从质量上或数量上都能满足高炉的要求。在此就不一一介绍了。

3 高炉水冷技术进步，助高炉长寿

水冷是内衬寿命稳定的重要因素[7-8]。一般炉身下部采用水冷作业，即铸铁冷却壁+耐火砖结构，使高炉寿命达8～10 a，国外有些高炉寿命达20 a 以上。近年来又开发了高炉炉身水冷模块技术，其技术核心是用厚壁无缝钢管弯制成型直接焊接在炉壁上，再浇注耐火浇注料而成为冷却模块，应用在高炉中部和炉腰等部位，替代传统的铸铁壁+耐火砖结构，可以缩短工期10 d 以上，又减少了施工量，总费用降低50%以上，并且保证有相当长的使用寿命。

高炉寿命很大程度取决于炉体冷却系统的冷却效率，效率高低主要是炉墙的热面温度能否稳定地降到化学侵蚀及机械破损临界温度以下，形成稳定的渣壁。在软熔带形成的高热负荷区和炉缸、铁口异常侵蚀区，炉墙热面温度降到渣铁凝固点以下尤为重要，因为是高炉寿命的关键部位。

经过多年努力得出，延长炉身下部寿命的根本办法在于采用“无过热”的冷却设备——铜冷却壁，认为铜冷却壁可以承受500 kW/m2的热流强度冲击。炉腹、炉腰及炉身下部采用铜冷却壁是高炉实现长寿行之有效的措施。由于铜热导率一般在240～340 W/（m·K），综合导热能力，铜壁比球墨铸铁壁高40 倍以上，铜壁表面在数十分钟内形成渣壁，渣壁热导率低，而使炭砖热端温度降低。将铁水凝固线温度（1 150 ℃）乃至碱金属和锌对高炉内衬起破坏作用的温度（800～1 030 ℃）向热端推移，形成稳定的凝结保护层，延长高炉寿命。

目前，国内外大型高炉比较流行铜冷却壁，加薄壁炉衬的结构形式。这样不仅达到人工造衬的保护目的，还加大死铁层厚度，由2.0 mm 左右增大到3.5 mm。炉缸部位使用高导热耐火砖和强化冷却效果已在新建高炉长寿技术中推广应用，并取得效果。

4 高炉内衬修补技术进步

高炉在炉役中后期，炉腹、炉腰和炉身下部内衬砖局部破损严重，甚至出现炉皮发红等现象。在这种情况下，要对内衬进行热态修补，对高炉长寿起着重要作用[9-11]。如宝钢1#高炉开展的热态维修作业，取得较好效果。

（1）热喷补。在高炉休风状态下进行喷补作业，可用湿法或半干法进行喷补。湿法：喷补料与水在搅拌机内事先混合好，成为可泵送的自流料，经管道等运送到喷枪头，在喷出同时与液态促凝剂迅速混合，喷至修补面；半干法：喷补料通过高压空气送至枪口附近，同时水也送到该处，料与水快速混合，喷射到修补的高炉内衬表面。宝钢1#高炉中后期在气流冲刷、物料磨损等作用下，炉喉形状变成不规则，为此，宝钢用自制的喷补机对炉喉进行热态修补，喷枪在炉内上下移动和左右转动，使炉喉恢复原来形状。

（2）灌浆料。生产中炉体砖衬，砌泥和填料的永久性收缩，使砌体之间，砌体与炉壳之间形成空隙和裂纹，导致煤气泄漏，甚至炉壳局部过热发红，因此要经常性地对炉体压入灌浆料维护炉体。一般炉缸、炉底压入炭质灌浆料，风口以上部位用高铝质灌浆料。经维修后，煤气泄漏及温升现象得到控制。

（3）硬质压入料。硬质压入，即在维修部位炉壳开孔，使用高压（18.8 MPa）双缸往复式压入设备，对炉身中、下部，炉腰、炉腹部位压入复合树脂结合的铝炭质硬质压入料，若大面积炉壳发红，可用两台压入机同时作业。

硬质压入造衬技术，以简便、快捷、有效的特点，成为日常维修最常用的技术手段之一。高炉每次休风时，炉身开孔，压入硬质压入料。不仅适合冷却板式高炉、也适合冷却壁式高炉，并结合微型冷却器技术的应用，大大提高了硬质压入造衬技术的适用范围及造衬效果。

（4）含钛料护炉。高炉炉底和炉缸侵蚀到一定程度要采用含钛料护炉，起护炉作用的是料中TiO2的还原产物。TiO2在炉内高温还原气氛中，可直接被还原为元素钛，然后再生成 TiC、TiN 及固溶体 Ti（CN）。这些化合物在炉缸、炉底生成，发育集结，与铁水及铁水中析出的碳等凝结在离冷却壁比较近的侵蚀严重的炉缸、 炉底砖缝和内衬表面，形成保护层。因为这些化合物熔点很高，能起保护作用。

5 结语

高炉长寿是人们一贯追求的目标。可是过去主要用黏土砖和高铝砖+球墨铸铁冷却壁的中小高炉寿命普遍不高，一般寿命在 4～6 年。20 世纪 80 年代建设宝钢4 063 m3大型高炉，采用日本的先进技术，高炉内衬不同部位分别选用不同档次的炭质、 碳化硅质、 刚玉质等耐火材料，1#高炉寿命达12.5 a，攀钢1#高炉炉龄接近14 a。在这期间我国高炉用耐火材料的生产技术水平迅速提高，高档次的耐火材料无论质量和品种上都赶上和超过进口材料水平。因此，也提高了炼铁工作者的信心，如湛江5 050 m3高炉，设计无中修的一代炉龄22 a；首钢京唐钢铁5 500 m3高炉一代炉役设计寿命25 a 等。不过与国外相比仍有差距，如日本一座4 500 m3高炉实际寿命已达20 a 以上，将目标定为30 a。