高炉及热风炉用热风管系耐火材料

热风管系是热风从热风炉本体输送到高炉之间的热风管道系统，它包括送风主管、支管、围管以及连通主管和围管、主管和支管的热风出口等部分。由于高炉一代炉龄已提高到15～20年，而热风炉本体寿命达到20～30年，因此，热风管系作为辅助系统，其使用寿命至少应与高炉同步。
　　随着高炉与热风炉技术的不断进步，热风温度普遍提高，送风温度最高可达1300℃，部分铁厂高炉热风管道出现了管壳表面温度过高、发红，内衬破损、掉砖、塌陷等问题，有的仅使用5～8年就进行中修。热风管系耐火砖衬分为轻质隔热层砖和重质工作层砖;隔热层一般由2层或多层轻质砖砌筑，靠管壁的外层多采用轻质粘土砖，中间层采用轻质高铝砖或轻质莫来石砖;在主管、支管、围管等部位的重质工作层可采用红柱石-莫来石、莫来石-红柱石-刚玉等材质的耐火砖;在热风出口部位，由于热风阀开启过程中的瞬间冲击力很大，可选用含红柱石的刚玉-莫来石砖或性能相当的耐火材料。热风管系耐火材料选择不当，不能满足高风温的需求。武钢自2005年开始，有针对性地对5号、6号、7号、1号高炉的热风管系耐火材料破损状况进行了调研，认为热风管系耐火材料事关高炉的稳定运行，建议制定相关的行业标准，对热风管系的定形耐火材料性能指标加以规范。2016年8月底，《高炉热风管系用耐火材料》通过了全国耐标委组织的标准审定。
　　考虑到热风管系用耐火材料的特点，以往的企业标准都是以红柱石砖、刚玉莫来石砖等具体材料的形式来确定组成与性能范围，由于其材质的不确定性，不同企业选择差别大，规范性差，使用效果差别大，不理想。行业标准制定主要把握2个方面:成分控制与性能控制。根据高炉热风管系耐火材料的特点及用户要求，确定Al2O3、Fe2O3、TiO2、(K2O+Na2O)、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、加热永久线变化、蠕变率、抗热震性、导热系数等物理化学指标，见表5，表6。 　　3.1化学分析指标的确定
　　化学组成决定耐火材料制品的基本特性，化学成分的设定主要考虑2个因素:一是与相关产品标准的继承性和兼容性;二是热风管系的使用安全性。设置了Al2O3，Fe2O3，TiO2，K2O+Na2O4个化学指标，Al2O3为其主要成分，Fe2O3，K2O+Na2O为杂质，影响耐火砖的高温使用性能，TiO2规范原料的品质，因此需要加以限定。小型高炉因为成本的考虑，未对TiO2，K2O+Na2O含量提出要求。
　　3.2体积密度、显气孔率及常温耐压强度
　　指标的确定高炉热风管系用耐火材料主要用于热风管系工作层和隔热层的砌筑，为确保产品使用性能，延长热风管系使用寿命，设置了体积密度和显气孔率的检测项目，保证耐火砖的材质、致密度，利于提高其使用性能。设置了常温耐压强度指标，耐压强度主要反映材料的力学性能和烧结情况，影响着炉衬的结构稳定性能。常温耐压强度高，气孔率低，表明制品组织结构致密均匀，烧结良好，从而确保炉衬具有良好的结构强度和抗冲刷、磨损的能力。
　　3.3加热永久线变化指标的确定
　　加热永久线变化反应了材料的高温体积稳定性，对耐火衬的膨胀结构或膨胀缝设计具有重要参考，是一般耐火材料严控的性能指标。在标准中限定炉衬高温条件下的变形量，保证了炉衬的整体稳定性，不至于收缩或膨胀导致开裂、坍塌。
　　3.4蠕变率指标的确定
　　蠕变率表示在规定的温度和时间内，受恒定载荷产生的变形量。蠕变率是表征耐火材料高温性能的重要指标，影响着耐火材料在高温使用过程中的体积稳定性和使用性能。大型高炉因为要求比较严格，高温下的蠕变率要求较高;中型高炉更注重使用过程的稳定性，所以以20～50h内的蠕变率为控制指标。
　　3.5抗热震性
　　抗热震性指耐火制品抵抗温度急剧变化的能力。由于高炉热风管系的工作特点，温度急冷急热、反复循环，故砖衬应具有良好的抗热震性。
　　3.6导热系数
　　导热系数表示在单位时间内通过单位面积传递的热量，与材料的组成、结构、密度、温度等因素有关。对于管道保温材料来讲，要求导热系数低，同时要满足其使用性能。
　　高炉及热风炉热风管系用耐火材料行业标准中，定型耐火材料制品分为隔热层轻质砖和工作层重质砖。重质砖分为ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140共7个牌号;轻质砖分为QGW-0.8，QGW-1.0，QGJ-0.8，QGJ-1.0共4个牌号。热风管系用耐火材料行业标准制定的产品理化指标应符合表5和表6的规定。
　　通过标准的制定，可以从组成上规范热风管系耐火材料的材质，从性能上控制材料的品质，尤其是蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等指标，制约了生产者的造假行为，也为炼铁企业优质优价提供了1个技术上的规范。1座高炉热风管系的更换往往需要数千万元，如果仅仅因为几百万耐火材料的伪劣引起事故，造成检修频繁，应该是行业技术的倒退。因此热风管系耐火材料行业标准的制定，利于高炉管系耐火材料技术水平的提高。由于该标准涉及的热风管系耐火材料的基础数据既有耐火材料生产企业的产品技术数据，也有来源于武钢、宝钢、首钢、鞍钢、太钢、安阳钢厂等钢铁企业或设计单位的数据，具有广泛的代表性。国内没有系统、规范的热风管系用耐火材料产品标准，该标准对热风管系用耐火材料进行了合理的分类，并提出了相应的技术指标，可以为耐火材料生产企业和炼铁用户提供了选材和验收依据，对行业科技进步起到积极的引导作用。
　　4 结语
　　1) 高炉及热风炉用热风管系耐火材料的技术要求不同，导致炼铁企业的耐火材料标准不一致。武钢有的高炉管系用耐火材料采用日本技术，材质及高温蠕变等性能要求严，使用寿命达到16 年，热风主管炉衬基本无损坏; 有些高炉热风管系性能指标控制不当，使用过程容易损坏被迫提前检修，影响高炉的长寿运行。
　　2) 热风管系用耐火材料行业标准通过成分控制与性能控制来保证砖衬的材质与品质以提高其使用寿命。根据高炉热风管系的耐火材料特点及用户要求，确定Al2O3，Fe2O3等化学组成、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、加热永久线变化、蠕变率、抗热震性、导热系数等指标为需控制的物理化学指标。
　　3) 管系工作层重质砖着重控制蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等指标; 轻质砖着重控制导热系数、加热永久线变化、耐压强度等指标来作为耐火材料生产企业与用户的验收条件，建立热风管系耐火材料行业标准利于提高热风管系的使用寿命，降低生产成本。