6  高炉用耐火材料的选择

高炉砌体的设计应根据炉容和冷却结构，以及各部位的工作条件选用优质耐火材料。耐火材料质量的选择和砌筑质量对高炉寿命有极大的影响。不同容积的高炉和高炉不同部位要选用不同的耐火材料。提高炉缸、炉底和炉身中、下部砌体质量是延长高炉寿命的重要条件。在购买耐火材料时不但要有冷性能,还要有热性能,以及使用寿命的保证。

高炉采用的优质炭砖，除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热系数、微孔率、抗铁水侵蚀性等指标的要求。

6.1    炉身上部

炉身上部宜采用镶砖冷却壁。炉身上部砖衬要受到炉料下降的冲击和磨损，还要受到煤气流上升时的冲刷，同时还有碱金属、锌蒸汽和沉积碳的侵蚀等。为此，该部位选择高致密度的黏土砖或磷酸黏土砖或高铝砖。炉身上部宜采用镶砖冷却壁。

该部位要用球墨铸铁冷却壁代替支梁式水箱，可明显改善这一区域的冷却条件，可以较好地维护好该部分炉型，达到延长高炉长寿的目的。

6.2    炉身中下部和炉腰

本部位宜采用强化型铸铁镶砖冷却壁、铜冷却壁或密集式铜冷却板，也可采用冷却板和冷却壁组合的形式。这区域的炉衬主要是受碱金属、锌蒸汽和沉积碳的侵蚀，初成渣侵蚀，炉料和炉墙热震引起的剥落和高温煤气流的冲刷等。该部分宜采用超高氧化铝耐火材料，如刚玉莫来石砖、铬铝硅酸盐结合制成的耐火砖；半石墨化——碳化硅砖、Si3N4-SiC砖、铝碳砖或高铝砖。1994年，武钢与耐火厂研制成功微孔铝炭砖，价低和性能好，在鞍钢、包钢等钢铁企业中得到推广。碳化硅砖具有导热系数高，抗热震性好的特点，适宜在炉体中下部使用。

过去，炉身下部和炉腰采用高质量耐火材料，来抵御高温和化学侵蚀。近年来，该部位采用铜冷却壁，对热量进行疏导，让铜冷却壁形成稳定的渣皮来保护冷却设备，来实现高炉的长寿。在开炉时，在铜冷却壁之外砌筑一层厚50cm的耐火砖或不定型耐火材料，就可以使该部分的使用寿命在15～20年。铜冷却壁的导热性好，冷却壁体温度均匀，表面工作温度很低，一旦渣皮脱落，也能快速形成稳定的渣皮，淡化了高炉内衬的作用，有利于采用薄壁结构。所以，采用铜冷却壁，对延长高炉寿命有着明显的效果，已经得到国内外炼铁界的普遍认同。但铜冷却壁价格高，在高冶炼强度下，一些高炉也出现过不同程度的问题。宝钢湛江5000m³级高炉就不使用铜冷却壁了。

高炉采用优质碳化硅砖，除提出常规性能指标的要求外，还应提出导热率、抗渣性、热震稳定性、抗氧化性，线膨胀系数等适宜炉身中、下部工作的指标要求。

炉腹宜采用铸铁冷却壁或铜冷却壁，也可采用密集式铜冷却板或铸钢冷却壁。

炉腰和炉身中、下部的冷却设备宜采用强化型镶砖铸铁冷却壁、铸钢冷却壁、铜冷却壁或密集式铜冷却板，也可采用冷却板和冷却壁相组合的薄炉衬炉体结构形式。

高炉砌体设计应根据炉容和冷却结构，以及各部位的工作条件合理选用耐火材料。风口带宜采用组合砖结构。炉缸、炉底应采用炭砖或炭砖与陶瓷材料复合式结构，并采用优质炭砖砌筑。

6.3    炉缸、炉底

《高炉炼铁工程设计规范》中提出：高炉炉底宜采用水冷，炉缸、炉底侧壁应设置有效冷却设施，宜采用炉壳开孔少、界面少、容易施工、传热可靠的冷却方式。采用冷却壁方式时应注意冷却壁间及冷却壁与炭砖间的不定形材料的选择和施工方法的选择，防止生产过程中出现气隙，影响炉缸的传热体系工作效应。

炉缸、炉底应采用全炭砖或复合炭砖炉底结构，并应采用优质炭砖砌筑。大型高炉采用炭砖、SiC砖对延长高炉寿命极为重要。在采用铜冷却壁之后,高炉长寿的薄弱环节已从炉身中下部、炉腰、炉腹转移到炉缸部位。所以加大对延长炉缸寿命已成为高炉长寿工作的重点工作。近年来，我国一批高炉出现炉缸水温差升高的现象，甚至烧穿。应当采取综合措施，解决这方面问题。

高炉采用的优质炭砖和炭块除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热系数、透气度、抗氧化性、抗碱性、抗铁水侵蚀性等指标要求。

风口带宜采用组合砖结构，一般使用刚玉莫来石砖，或棕刚玉砖，也可用热压炭砖NMA或NMD砖。

高炉炉缸侵蚀的原因有：化学侵蚀、水蒸汽的氧化、锌和碱金属、热应力的破坏。采用高导热性的微孔炭砖，并对炉缸冷却壁实行强化冷却，使渣铁形成凝固的1150℃温度残存于炭砖之中，并要使之远离冷却壁。目前国内外高炉炉缸、炉底结构是有3种基本类型：一为大块炭砖砌筑，炉底设陶瓷垫；二是热压小块炭砖，炉底设陶瓷垫；三是大块或小块炭砖砌筑，炉底设陶瓷杯。上述3种结构形式均有高炉长寿的实践实例。

国内外高炉均已采用高导热炭砖、微孔炭砖和陶瓷垫结构。高喷煤比的高炉，在操作上强调要活跃炉缸中心，又要求炉底中心要保持适当的温度。因此，人们逐渐重视陶瓷垫的阻热作用，也重视陶瓷垫寿命的提高，希望能获得炉底中心温度的适中。

强化冷却形成凝固层理论：在炉缸侧壁采用有高导热的耐火材料［600℃，18.4W/（m·K）；20℃，60～80W/（m·K）］。进行强化冷却之后，高导热耐材、低孔隙度就能阻止渣铁的渗透，并具有高抗碱性能，可吸收部分热应力，配有高效的水冷却系统条件下，就能将炉缸的热量迅速地传递给冷却水，将热量带出炉外，可有效地降低炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成一层稳定的凝结保护层（即铁水凝固1150℃以下的等温线，使炉底形成稳定的“铁壳”保护层），抵抗炉缸侧壁的“象脚”侵蚀，进而获得炉缸长寿，其关键是炉缸侧壁的导热能力。这部分选择耐材的重点是导热性、防渗透性和防止发生环形裂纹的优质耐材。对炉缸的维护，是强调发挥冷却的效果，及时对炉缸冷却壁水温差和炉皮温度进行监测，经常对容易形成空隙的部位进行灌浆。

带炉底冷却的综合炉底是比较合理的结构。在冷却管上有炭捣层，其上面砌上2～3层炭砖。对于不同部位要使用不同性能的炭砖。铁口以下是容易受到严重侵蚀的地方，要用抗渗透性高的微孔炭砖；炉底的最底层要用具有高导热性的碳化硅砖；其他部位是采用普通炭砖或微孔炭砖。对于铁口以下的炉底周边炭砖的长度要增大，以提高其抵抗铁和碱金属对此处的强烈渗透和侵蚀能力；砖与砖之间的缝隙要将宽缝改为细缝（<0.5mm）进行砌筑。

对于有“陶瓷杯”的综合炉底结构，学术上有争议。一些人认为“陶瓷杯”的作用大,应予加强；另一些人认为，“陶瓷杯”在一定时间内会消失掉，炭砖是起主导作用的，在炉缸侧壁也使用高抗铁水渗透和高导热性、高密度的压小炭砖。总体上评述，两种方式各有优缺点，均可实现高炉长寿，经济代价有所差异。

高质量的微孔、超微孔炭砖（高密度的碳化硅砖是在大于1400℃,8h以上条件下的焙烧）和压小块炭砖得到推广之后，我国高炉寿命得到显著提高。

美联炭生产的小块微孔炭砖，热压成型，未经高温焙烧，就其本质来说是类似于我国自烧炭砖，它适用于全炭结构，不适用于陶瓷杯结构。如将其用于陶瓷杯结构，炭砖就没有焙烧的机会，一旦陶瓷杯损坏，铁水接触炭砖就易造成溶蚀而出现漏铁或烧穿事故；如用在全炭结构，炭砖可得到自焙烧，砖质量好，砌筑规范，可以获得长寿，宝钢3号4350m³高炉用它，炉龄达到19年。我国自产的这种热压微孔小块炭砖，质量是好的，并不比美联炭的差，但部分高炉的寿命短，其原因在于砌筑质量差，也就是筑炉管理缺失或不到位，砌筑用浆不当，砖缝过大造成投产后出现气隙，甚至铁水沿砖缝渗透。

国内大中型高炉基本上是否定了采用炭料捣打炉底，自焙烧制炭砖的工艺技术。

7         炉衬砌筑

高炉炉衬砌筑是有冶金行业规定，各施工队伍也均有与钢铁企业共识的《筑炉手册》，本文就不再赘述。对于所使用的标准砖型、非标准砖型，也有相关的砌筑标准。只是在具体砌筑中执行的程度要及时进行检查和监督。目前，影响高炉内衬砌筑质量的主要问题是，各部位砌体的砖缝实际控制值，特别是炉缸、炉底砖砌筑质量的高低，对高炉长寿的影响较大。表1为高炉各部位砌体砖缝厚度。

表1 高炉各部位砌体砖缝厚度。mm

8         高炉炉体冷却系统

对高炉炉衬必须要进行冷却。冷却的作用：一是降低耐材的温度，使其保持一定的强度，可以维持合理操作的炉型，实现延长高炉寿命和安全生产；二是促使炉衬形成保护性渣皮、铁壳和石墨层，保护炉衬并代替炉衬工作；三是保护炉壳及金属构件，免受高温的影响及减少破损；四是一些冷却设备起到支撑部分炉衬。高炉炉体、炉底宜采用软水密闭循环冷却。在水源充足、水质好的地区也可采用工业水开路循环冷却。

8.1    冷却介质种类

冷却介质有水、风、蒸汽3种。普遍采用的是水，它的热容大、传热系数大，便于输送，成本低，是较理想的冷却介质。

天然水要经过沉淀及过滤处理后，要去除水中的悬浮物杂质，而溶解的杂质未发生变化，称为普通工业净化水。在我国南方，水中pH值低，其硬度<3.57mmol/L，低于40℃，悬浮物<200mg/t，可用。

《高炉炼铁工程设计规范》中规定：以江河水、湖水等地表水为原水，经常规处理产生低硬度的水时，高炉可采用开路循环冷却水系统。在水质硬度高或较高的地区，应对生产新水进行软化，并应采用软水密闭循环冷却系统。在气象条件允许的地区，宜采用空气冷却器冷却循环水。

软化水：将钠离子经过离子交换剂与水中钙、镁离子进行转换，即软化处理，去掉钙、镁离子，降低水的硬度，获得软化水。

高炉采用软水密闭循环冷却系统的优点是：一为冷却可靠性高，冷却效率高；二为水量消耗少；三为动力消耗低；四为水处理费用低；五为冷却水流管道中以及冷却元件内无腐蚀、结垢、氧化现象，也不会产生生物污垢；六可运用高灵敏度的检测检漏系统，对每个冷却回路都进行水流量、流速、工作压力以及压力下降情况的精确检测和分析。

8.2    冷却方式

《高炉炼铁工程设计规范》中规定：高炉炉体、炉底应采用软水密闭循环冷却。在水源充足，水质好的地区可采用工业水开路循环冷却。

铸铁冷却壁要求水质的含氧量低。

高炉应根据不同用水水质和压力要求，分别设置供水系统，并应根据不同水质和水温的要求串级使用。

炉底的冷却被整合进行有回路的回形管中，要有一个膨胀罐。在流量控制及泄漏检测中，应使其波动达±0.3％的程度。

实行分段供水：大高炉采取炉底冷却、铁口区冷却、软熔带冷却、炉身的冷却分开进行。

8.3    热流强度和冷却水量

热流强度是指冷却介质从每1m2冷却面积每小时所带出的热量。用冷却壁的内表面积作为冷却面积进行计算。高炉热流强度最大的区域在炉身下部。炉身下部的热流强度是随着砖衬侵蚀程度而有很大的变化。在砖衬被完全侵蚀掉，或因操作条件变化造成渣皮脱落时，该部分的热流强度会剧烈上升。这时表现出的数值为最大热流强度值。开炉初期冷却设备所承受的是最小热流强度值。在整个炉役期内热流强度的算术平均值平均热流强度值。热流强度的参考值见表2（高炉的冷却面积应以炉壳内的表面积为依据进行计算）。

表2   热流强度参考值，w/m2

上世纪70年代炉底安全操作的标准规定：炉底热流强度<16.7MJ/m2h为正常值，达到29.3 MJ/m2h为报警值，达到33.6 MJ/m2h为警戒值，达到50.23MJ/m2h为事故状态。

系统的最大负荷是各区段热流强度的最大值与他们的面积乘积的总和。它是确定冷却系统能力的主要参数之一。

铜冷却壁使用工业水冷却时，其水速必须大于2m/s，水的硬度必须小于8，避免产生硬质垢，并需定期进行杀菌无藻。在采用软水或纯水冷却时，则要求水速大于1.5m/s。

炉体：冷却水压力要比炉内压力高0.1MPa为宜。为防止水中悬浮物沉积，最低水速应大于0.8m/s。高炉风口冷却水速>7.2m/s，2000m3以上容积的高炉风口冷却水速>9m/s。高炉炉体冷却用水量是用每立方米有效容积每小时消耗水量来表示。高炉有效容积越大，单位容积小时耗水量会相对减少，其参考数据见表3。

表3 高炉炉体冷却水耗量

8.4    保证冷却设备的高质量安装

冷却设备到厂后要进行检验，包括外观和内在的质量。外观要平整，无裂纹，进出水管接头要牢固，丝扣好。对冷却设备先进行清扫，再进行通球实验，再进行通水打压数小时，观察是否有泄漏等。

要按有关国家标准对各类冷却设备进行安装，并要有施工监理。对安装好的冷却设备要用高压水进行管道清扫，清除管内杂物，并要进行数小时的试压阶段。用工业净化水冲洗之后要进行化学清洗除锈斑。清洗后的管道要进行钝化预膜处理。

8.5    安全供水

《高炉炼铁工艺设计规范》提出：高炉必须设置安全供水系统，列为强制性条款，严格要求。安全供水泵的定量为定额循环量的50％，扬程与电动循环泵相同。要求柴油机启动时间15～30s。冷却水的压力取决于冷却器的水阻损和炉内压力。立式冷却壁的总阻损每米管子可考虑为0.27～0.78kPa；高炉平台回水槽水箅处最低水压要必须保持比风压高50％。高炉容积和冷却水压参考值见表4。建议风口区采用单独供水，压力为1.0～1.6MPa为宜。

表4      冷却水最低压值，MPa