高炉用耐火材料之炭砖介绍

高炉用耐火材料之炭砖介绍

自20世纪50年代以来，由于碳砖的高导热性、低润湿性、低渗透性等特点，炼铁高炉炉底、炉缸均大量采用碳质耐火材料，部分高炉的腰、下段也采用碳质耐火材料。使用炭化耐火材料后，高炉的炉役明显延长，炉底、炉缸烧损事故较少。然而，随着高炉大型化和强化冶炼技术的应用，衬里材料的工作条件越来越差，对衬里材料提出了更高的要求。

通过对高炉炭砖腐蚀情况的研究，提高其使用寿命的主要途径有：

(1)高炉不同部位使用不同质量的碳砖。如图2所示，中国上海宝山钢铁有限公司的4063m3高炉采用日本电极有限公司的成套高炉炭砖，共有5种型号。一碳化硅砖(GB1)和石墨块(BC6)炉底和炉缸的一部分采用耐碱性较高的BC5碳砖，在炉缸上部采用导热性高的G11炭砖，炉底键槽用耐磨性高的KC6砖；

(2)生产导热性高、耐碱性强、渗透性低的微孔炭砖。为了提高碳砖的导热性和耐碱性，配方中可以使用电锻无烟煤作为主要原料，并添加适量的石墨粉碎、二氧化硅、碳化硅或纯硅等添加剂；

(3)为减少砌筑时的间隙，炉底炭砖应尽可能大。必要时，炉底炭砖应浸泡一次，以提高炭砖的体积密度，降低孔隙率；

(4)炉缸炭砖除传统挤压成型的大型炭砖外，采用高温模压炭砖也是延长炉缸寿命的有效途径。

用电锻无烟煤制成的半石墨炭砖、少量碳化硅碳化硅炭砖，再加入碳化硅、碳化硅、氧化铝后制得的微孔炭砖、高温热压炭砖、振动成型工艺生产的碳化硅碳砖，再经振动成型工艺生产的不烘烤，并在出厂前不烘烤，加入高炉后用烘烤炉和初热烘烤形成整体炭砖。

用无烟煤作为生产高炉炭砖的主要原料，由于产品的原料来源不同，产品的灰分和挥发分不同，需要在竖炉内进行热处理，其它原料有人造石墨和特殊的外加物(金属和氧化物粉)等，结合剂是脱水沥青等。

普通高炉炭砖是如何损坏的？

采用普通高炉炭砖、无烟煤(锻烧温度1250℃左右)为主要原料，在砌体熔炼强度不高、容积1000-2500m3的中型高炉中添加一定量的冶金焦和石墨粉。坯料经挤出成型后，在烘焙炉中烘烤，温度应达到1100℃以上。烘焙后，根据用户提供的图纸，用铣床和刨床进行机械加工。在工厂中，加工过的炭砖应预先安装并检查相邻块间的间隙。

碳耐火材料耐火、导热性好、热稳定性好、线膨胀系数小、高温强度高、耐磨性好，耐各种酸、碱、盐及有机溶剂的侵蚀，不易被熔渣、铁水的侵蚀，但在氧化气氛下容易氧化。碳制品的生产过程与其它耐火制品大体相似，但生产碳制品时，必须防止高温下碳氧化。

原料煅烧和产品焙烧应在还原氛围下进行。在使用前，无烟煤应进行锻烧，以排除挥发性、硫化性和水分，提高其体积稳定性、机械强度和抗氧化性。焦炭应先干燥，以免因含水量过高而造成成形成困难，烘焙过程中产品开裂。沥青也应加热脱水。

普通高炉炭砖是如何损坏的？

为了提高高炉的生产效率和节能，碳砖的腐蚀与质量得到了改善。碳砖损坏的主要原因如下:

(1)熔和渣(含大量碱金属)对炭砖的渗透性和腐蚀性。随着高炉出铁效率的提高，铁水中碳的不饱和度增加，铁水和碳砖的反应加剧，铁水不断渗透到碳砖的气孔和碳砖之间的间隙中，碳砖的构造变得疏松熔化，铁水和熔渣中的碱金属氧化物也与碳砖反应，形成脆化层，产生龟裂，碳砖的强度下降

(2)铁水、熔渣和煤气对碳砖的机械冲刷；

(3)由于普通炭砖导热性不高，高温下产生的热应力导致炭砖开裂，开裂逐渐扩大到完全断裂；

(4)煤气中的CO2和水蒸气氧化碳砖。以上四个原因中熔融的铁水和渣对碳砖的渗透和侵蚀，以及热应力的破坏，是高炉碳砖损坏的主要原因。

在生产过程中，各种原料按规定成分混合，在加热状态下混合，压制成型，然后在隔离空气的还原氛围中烘焙，去除挥发性物质，使其再次加热时体积稳定。

YB2804-1991冶金工业标准规定了高炉普通炭砖的理化指标，并对其尺寸允许偏差和外形质量作了相应规定。如果普通炭砖用煤沥青浸泡一次，普通炭砖的体积密度和机械强度可以明显提高，称为高密度炭砖。降低高密度炭砖的孔隙率可以降低铁水或熔渣的渗透率。用来砌筑满铺炉底或非强化冶炼的高炉衬里。

高炉自烤炭砖是什么？

自烤炭砖是我国炼铁和炭素生产人员经过多年的艰苦探索，研制出的一种独创的炭质耐火材料。本发明采用无烟煤为骨料，锻烧无烟煤、焦炭混合粉为细粉，以中温煤沥青为粘结剂，在一定温度下混合均匀，采用高频模压振动成型，外形尺寸精确，物理化学性能特殊。其特点是耐高温、导热性能好、高温强度高、抗铁渣腐蚀和价格低廉。

自烤炭砖在生产和使用中有以下特点:

(1)生产工艺简单，投资成本低，施工方便；

(2)外形规则，无需精密加工即可砌成所需炉衬；

(3)烘炉和高炉生产过程中的热量烘烤后，可形成接近无缝的整体衬里；

(4)在烘焙过程中(单面加热条件)，煤焦油沥青挥发物反向移动，在工作热端基质孔中产生热解碳，填充气孔，使砖自行致密；

(5)能吸收炉衬加热时产生的温度应力，减轻热应力对炉衬的破坏；

(6)在炉内高温渣铁等介质的催化作用下，产生非均质石变化，提高炉衬的热传导性和耐化学腐蚀性，使1150℃的铁水凝固等温度线向炉内移动。

由于自烤炭砖的特性和炉内质量变化，终提高了炉衬的稳定性和耐久性，使自烤砖在中小高炉中得到广泛应用，取得了良好的技术经济效果。大型高炉采用半石墨自烤炭砖，可降低铁水熔融指数，提高导热性，提高耐碱腐蚀性，增强抗氧化性，改善耐冲刷磨损性，减少残留收缩。

半石墨高炉炭砖

半石墨碳砖的主要特点是以高温电锻烧无烟煤为原料，电锻烧温度可达1500-2000℃，使无烟煤进入半石墨化状态(电阻率比一般锻烧无烟煤低50%以上)，生产时半石墨碳砖一般不以冶金焦为粉料，而以磨碎石墨碎(石墨电极废品或加工时的切削碎屑)为粉料，这种半石墨碳砖的导热性能明显提高，而且耐碱金属盐的腐蚀性能也比普通碳砖好得多，有逐步取代普通碳砖的趋势。

由于过去普通碳砖的主要缺点是导热性低(一般为2~5W/(m·K)，耐碱性差，半石墨碳砖开发过程中首先要解决导热性和耐碱性低的问题，其次要进一步提高其抗氧化性和耐铁水的熔化性。因为提高其相关性能的关键因素是原材料的质量，所以有必要从原材料的选择、制备甚至后续的生产过程中进行研发和改进。

国产半石墨炭砖与日本BC-5半石墨炭砖相比，具有相当的热导率、抗碱性和铁水腐蚀性。德国半石墨碳砖在600℃时的热传导率可达18.04W/(m·K)，优于普通国产半石墨炭砖，其它性能相当。而国内某公司的半石墨炭砖在热导率、微孔指数等方面均优于德国同类产品。

碳质耐火制品是以碳素为主要组分，以焦炭(包括冶金焦、石油沥青焦等)为原料，以石墨或热处理的无烟煤为原料，以碳质有机材料如焦油、沥青等为结合剂的产品。这种产品包括碳砖、石墨人造石墨和半石墨碳砖，主要由焦炭或无烟煤组成。

碳制品的使用条件、技术要求和原材料特性是选择原材料和比例的重要依据。在配方中，原材料必须根据原材料的不同特性和对产品的要求进行选择。碳原料的特性比较如下:
热传导。
石墨>无烟煤>焦炭；
氧化。
焦炭>无烟煤>石墨；
铁水溶解。
石墨>焦炭>无烟煤；
与碱的反应。
焦炭>无烟煤>石墨；
高温体积稳定性。
石墨>无烟煤>焦炭。
半石墨高炉炭砖用于砌筑强化冶炼高炉下部和炉缸上部。目前YB4037-1991行业标准规定了其理化指标，还规定了尺寸允许偏差和外观质量。