高爐設計中要根據(jù)容積大小和不同部位的使用性能要求，合理地選用耐火材料。在研究高爐長壽技術(shù)中，高爐內(nèi)襯用耐火材料是高爐壽命的決定因素。本文以高爐的耐火材料的使用為出發(fā)點，介紹高爐用耐火材料應用與發(fā)展。
耐火材料的使用性能是影響高爐壽命很重要的一個因素。以前，國內(nèi)高爐爐襯一般采用高鋁磚、粘土磚和普通炭磚砌筑，壽命很短。當時對高爐耐火材料使用性能的研究很少，因為產(chǎn)品標準中只有幾項常規(guī)指標，如炭磚的灰分、抗壓強度、氣孔率、體積密度，高鋁磚的抗壓強度、氣孔率、體積密度、耐火度、荷重軟化點、AlO3含量、Fe2O3含量等。這些常規(guī)指標不能反映生產(chǎn)過程中高爐爐襯的實際工作狀態(tài)，因而這些指標的高低與高爐壽命的關(guān)系并不密切。隨著鋼鐵生產(chǎn)的高速發(fā)展，我國高爐爐襯用耐火材料取得了很大的進步，在生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品品種、質(zhì)量水平方面，正逐步追趕世界先進水平，取代某些進口產(chǎn)品。延長高爐壽命是我國冶金工業(yè)的重要技術(shù)政策，煉鐵和耐火材料工作者為此做出了很大的努力，并取得了顯著的成效。
高爐用的耐火材料主要包括炭磚和硅鋁質(zhì)耐火材料等。高爐炭磚有半石墨炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚、石墨磚和模壓小炭磚等。
國外、國內(nèi)各牌號炭磚目前國內(nèi)高爐陶瓷杯用磚有復合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、塑性相結(jié)合棕剛玉磚、微孔剛玉磚，復合棕剛玉磚的抗堿性較差，一般大型高爐已不采用。陶瓷杯爐缸結(jié)構(gòu)是法國首先開發(fā)的，是一種不經(jīng)高溫燒成的澆注塊，其主要優(yōu)點抗堿性優(yōu)良，抗爐渣侵蝕性較好，抗鐵水熔蝕性很好，是微氣孔磚，適用于爐缸磚襯。近年國內(nèi)相繼開發(fā)出多種陶瓷杯用磚，則都是高溫燒成的。國產(chǎn)微孔剛玉磚的各項性能均已達到或優(yōu)于法國陶瓷杯磚，其中抗爐渣侵蝕性和耐壓強度更好。塑性相剛玉磚除微氣孔指標較差外，其他性能都較好，是目前應用最多的～種。剛玉莫來石磚由于抗堿性和抗爐渣侵蝕性很差，不適合用于爐缸部位，但用于陶瓷杯底仍是適用的。
除炭磚品種外，還要重視碳素搗打料和泥漿的選擇。如果采用導熱系數(shù)很低的碳素搗打料[1—3W/(m·K)]，即使炭磚導熱系數(shù)很高，但由于碳搗料相當于絕熱層，因而散熱仍然不暢，爐缸爐底溫度必然很高，影響強化冷卻的效果。
對于炭磚，主要研究其抗氧化性、鐵水滲透性、鐵水溶蝕性、導熱率、氣孔分布特性、抗堿性;對硅鋁質(zhì)耐火材料，主要研究其抗渣性、抗堿性、氣孔分布特性等指標。炭磚有以下幾種類型：
（1）微孔炭磚。普通微孔炭磚武鋼和寶鋼的高爐都使用了該產(chǎn)品，使用效果好，高爐壽命都達到了10 年以上。該產(chǎn)品的特點是導熱系數(shù)較高，微氣孔指標先進，抗堿性優(yōu)良。國產(chǎn)的普通微孔炭磚，其主要性能指標和日本BC一7S炭磚、法國AM一102炭磚已很接近，很多高爐的使用效果較好，例如武鋼的高爐使用國內(nèi)的普通微孔炭磚。
（2）超微孔炭磚。人們稱之為超微孔炭磚。其主要特點是導熱系數(shù)較高，孔容積率>85%，其他性能也保持優(yōu)良。
（3）模壓小炭磚。武鋼技術(shù)中心和國內(nèi)某耐火材料廠合作進行了模壓小炭磚的研制，以電煅無煙煤為原料，以酚醛樹脂為結(jié)合劑，用磨擦壓磚機成型，經(jīng)高溫燒成，生產(chǎn)模壓小炭磚，其產(chǎn)品性能已優(yōu)于美國熱壓小炭磚。
（4）半石墨炭磚。國產(chǎn)半石墨炭磚和日本BC-5型半石墨炭磚相比，其導熱系數(shù)、抗堿性、鐵水熔蝕等性能相當。德國半石墨炭磚的600℃導熱系數(shù)達到18.04 W/(m·K)，優(yōu)于一般的國產(chǎn)半石墨炭磚，其他性能亦相當。
在高爐的內(nèi)部，不同的部位所使用的耐火材料也是不同的，高爐不同部位磚襯由于侵蝕、破損的原因不同則對耐火材料的性能要求也各異，應根據(jù)主要侵蝕因提出性能要求，而不應對每種耐火材料都提出同的性能要求。因此，高爐設計非常重視爐底、爐缸設計的合理性，基本措施包括三個方面：一是增加死鐵層深度，以延緩爐缸鐵水流動對爐底、爐缸的侵蝕;二是改善爐缸耐材質(zhì)量，提高爐缸的導熱能力、抗壓強度、抗鐵水侵蝕;三是加強爐底、爐缸冷卻強度與冷卻效果。
爐腹、爐身和爐腰用磚
高爐的這些部位通常被認為是高溫區(qū)，是耐火材料內(nèi)襯的關(guān)鍵部位，即在正常情況下，高爐一代壽命就取決于這些部位的耐火材料和冷卻設備性能。這部分冷卻強度最大，溫度波動大，機械沖刷和堿侵蝕嚴重。因此，要求耐火材料具有高的導熱系數(shù)。高耐磨性和抗堿侵蝕性。針對上述情況，在60年代到80年代，經(jīng)過多種試驗，淘汰了傳統(tǒng)的高鋁磚，選用SiC磚。
爐腹、爐腰和爐身中下部，爐襯的工作條件相近，主要侵蝕原因是爐渣侵蝕、堿金屬侵蝕、爐料和渣鐵的沖刷、磨損等。高爐爐身上部，主要是機械沖刷與磨損。
這些部位的爐襯發(fā)展趨勢是，主要靠強化冷卻形成渣壤保持正常生產(chǎn)，磚襯僅留有很薄的鑲磚，耐火材料的用量很小。比較典型的設計如武鋼l鍋爐的銅冷卻壁薄爐襯結(jié)構(gòu)。這一區(qū)域選用耐火磚的原則是，抗爐渣侵蝕性能好，抗堿性較好，導熱系數(shù)較高，強度要高。在成渣帶以下可選用Si，N。結(jié)合SiC磚、賽隆結(jié)合剛玉磚或賽隆結(jié)合SiC磚。爐身中部無渣區(qū)可選用燒成微孔鋁炭磚。爐喉處直接使用鋼磚，爐喉下直到爐身上部均采用粘土劑。此外，日本目前還用硅線石磚，我國寶鋼在爐身上部均采用大塊硅線石磚。英國用含Al2O3為60%的SiC磚。這幾種磚的強度很高，抗堿侵蝕性和抗爐渣侵蝕性很好，導熱系數(shù)也高。適用于砌筑爐身到爐腹區(qū)域。
爐缸用耐火材料
現(xiàn)對于1 000～2 500 m3級的高爐，爐缸可選用普通微孔炭磚，爐底用半石墨炭磚，陶瓷杯用微孔剛玉磚或塑性相結(jié)合棕剛玉磚，高爐壽命達到10～15年是完全可能的。
對于2 500～4000 m3級的高爐，爐缸用國產(chǎn)超微孔炭磚，爐底用普通微孔炭磚，陶瓷杯用國產(chǎn)微孔剛玉磚，高爐壽命達到15～20年也是可能的。如果認為國產(chǎn)超微孔炭磚剛研制出來不可靠，則可購買部分國外高檔炭磚用于爐缸砌筑。
現(xiàn)代高爐爐缸主要結(jié)構(gòu)類型有：以微孔碳磚為襯的炭質(zhì)爐缸，以陶瓷材料為襯的陶瓷杯爐缸;熱壓碳磚+陶瓷材料的復合爐缸。對以上三種爐缸結(jié)構(gòu)可分析其各自特點：高爐爐缸采用微孔碳磚，有效阻止了鐵水向碳磚的滲透，從而減輕了鐵水對爐缸內(nèi)襯材在于碳磚中，不能解決堿侵蝕對爐缸的侵蝕。
高爐爐缸采用陶瓷內(nèi)襯有更多的優(yōu)點：
（1）陶瓷材料對碳磚起到保護作用，提高了爐缸抗鐵水的滲透和機械沖刷磨損;
（2）陶瓷材料的低導熱性使爐缸內(nèi)襯溫度分布趨于合理，降低或避免堿侵蝕的破壞，同時還可降低熱耗。
高爐本體用不定形耐火材料
一座大型高爐用磚幾千噸，磚的品種繁多，而且磚與冷卻壁、冷卻壁與爐殼、爐底有很多間隙。這些間隙均需填充耐火材料，材料的質(zhì)量直接影響到磚的使用壽命，因此必須引起重視。根據(jù)其用途，高爐內(nèi)用不定形耐火材料可分為：砌磚用泥漿、搗打料或填料、高爐修補料。
隨著高爐大型化扣煉鐵技術(shù)的發(fā)展，高爐壽命也要不斷提高。為了延長高爐壽命所采取的措施就是修補。一般高爐修補部位主要是爐身上部、下部的爐腰。修補方法有噴補法和壓入法。
現(xiàn)在高爐噴補已成為高爐維持生產(chǎn)的技術(shù)，已在全國大部分高爐上采用。存在的主要問題是國產(chǎn)噴補機未能達到理想水平。因此，國內(nèi)高爐噴補仍由國外公司占據(jù)國內(nèi)市場。
風口與出鐵口用耐火材料
該區(qū)熱負荷大，有一定堿侵蝕，同時還有機械沖刷。結(jié)合Si和Sialon結(jié)合的SiC磚。但日本認為Si3N結(jié)合、SiMon結(jié)合SiC磚的制造受到限制。而17-SiC更適合做風口磚。我國寶鋼2#高爐、本鋼高爐風口使用SiC磚，寶鋼3#高爐使用大型碳磚。
高爐出鐵口過去主要使用粘土磚，硅線石磚和大型碳磚。由于其抗堿性、耐剝落和抗渣性不好，在80年代，EI本又開始使用了Al2O3--C-SiC磚。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，世界各國都在積極發(fā)展高爐生產(chǎn)技術(shù)，延長高爐壽命。
今后高爐長壽課題包括：(1)耐火材料的長壽化;(2)冷卻設備高性能和通過冷卻范圍擴大來降低爐殼的損壞等措施的實施。耐火材料的工作者，應該提高陶瓷耐火材料質(zhì)量，研究開發(fā)高導熱超微孔碳質(zhì)材料，完善和提高開發(fā)噴補技術(shù)，應將改善其使用性能作為主要研究目標，使耐火材料新產(chǎn)品在延長高爐壽命方面發(fā)揮出更大的作用。
我國不同鋼鐵企業(yè)的高爐容積相差很大，應按照爐容大小正確選用不同等級的耐火材料，幾百立方米的小高爐完全沒有必要從國外購買高檔炭磚和陶瓷杯磚。近年來國產(chǎn)高爐爐襯用耐火材料已有很大進步，例如炭磚從普通炭磚、自焙炭磚發(fā)展到半石墨炭磚、微孔炭磚，進而到超微孔炭磚，每進一步質(zhì)量都有大幅度提高。在高爐建設中，合理地選用國產(chǎn)耐火材料滿足長壽高爐的要求是可行的，這不僅降低高爐建設投資，也對促進和發(fā)展國產(chǎn)耐火材料工業(yè)具有深遠意義。
國內(nèi)高爐爐襯用耐火材料近年來得到了迅速發(fā)展，不僅數(shù)量上滿足了鋼鐵工業(yè)的需要，而且產(chǎn)品質(zhì)量上也有很大進步。具有國際先進水平的優(yōu)質(zhì)炭磚、陶瓷杯用磚、SiC磚都相繼開發(fā)出來，正在逐步滿足長壽高爐建設的需要，取代進口的優(yōu)質(zhì)耐火材料產(chǎn)品。國內(nèi)高爐耐火材料使用性能的檢測方法正得到廣泛應用，凡是經(jīng)過這些性能檢驗已合格的耐火材料，用于高爐后的使用效果一般都比較好。高爐建設中應根據(jù)爐容大小和預期壽命，并根據(jù)不同部位對其使用性能的要求合理地選用耐火材料，以降低建設投資。近年來，國產(chǎn)高爐爐襯用耐火材料的質(zhì)量和品種已取得很大進步。