高炉用耐火材料

我国高炉距离原冶金部确定的一代炉龄8年不中修，单位炉容产铁量5000吨每立方米的目标要求还有一定的距离。这与高炉各部位耐火材料的选择，耐火材料的各种性能有很大关系。耐火材料寿命不断提高，将直接影响高炉下一代的寿命。所以，一个稳产、高产、顺行的高炉，没有性能优异的耐火材料做坚强的后盾是不行的。

世界各国的炼铁工作者为了提高高炉炉龄，做了大量的工作。主要是进行高炉解体破损调查，探讨炉衬损坏机理，提高砖衬的指令并创造新品种；砌筑综合炉衬；改变或改进冷却系统的结构和材质；加强维护操作和采用不定形耐火材料等。因此，炼铁方面的新技术，耐火材料的新品种不断涌现，由于采用上述新技术措施，目前大、中型高炉炉衬的使用寿命普遍有所提高。

高炉是冶炼生铁的主体设备。他有耐火材料砌筑成竖式圆筒形的炉体，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却壁保护。高炉内部工作空间的形状称为高炉内型，它有炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5段组成。高炉的大小用有效容积来表示，所谓的有效容积就是自出铁口中心线到大料钟下降位置下缘这段有效高度范围内的内部工作空间的体积。

要完成高炉生产，除高炉本体外，还必须有其他的附属设备。

1、供料系统，包括贮矿槽、过筛、输送、称量及上料机等一系列设备。

2、送风系统，包括鼓风机、加湿和脱湿装置、热风炉及一系列管道阀门等设备，主要是连续不断地供给送风。

3、除尘系统，包括粗除尘、半精除尘、精细除尘等设备。其主要任务是保证回收高炉煤气，使其含尘量降到15毫克每立方米，以资利用。

4、渣、铁处理系统，包括炉前出铁场设备、渣铁运输设备、铸铁机生铁炉外处理设备、水渣场机器设备等。主要任务是及时处理渣铁，保证高炉正常运行生产。

5、燃料喷吹系统，包括燃料的制备、贮存、空压机、高压泵和一系列管道阀门输送等。其任务是喷入燃料，降低焦炭消耗。

可见，高炉是一个庞大复杂的设备组合，是一个有上述系统组成的联动机。

一、高炉的构造

由于高炉及其所属系统是一个庞大的系统，每一个环节缺一不可。包括：高炉冷却设备及结构，风口、渣口及结构，炉顶装料系统及结构，高炉5段式内型。

(一)高炉内型

高炉冶炼过程包含着很复杂的物理化学变化。炼铁原料从高炉炉顶加入后，经过余热、铁氧化物的分解和还原、焦炭的燃烧及造渣等一系列过程之后才能获得生铁，当然每个过程不是孤立的。

高炉冶炼过程包括原料准备、鼓风加热、煤气清洗、冶炼过程控制以及炼铁产品处理等环节。高炉冶炼过程的连续性和周期性，决定了高炉的每一个环节出现故障都将会影响整个炼铁生产。

在混凝土基础上设有耐热混凝土基墩，以降低基础混凝土热负荷，并防止烧坏混凝土基础。炉体采用整体钢壳，

可以保证耐火材料砌体各层操作平台，热风围管也吊挂在横梁上。炉顶有上料设备系统、炉缸部分有渣铁处理系统，还有送风系统、原料系统、除尘系统等。

高炉比较完善的形式结构是5段式：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。其中，炉喉、炉腰、炉缸军委圆筒形，而炉身和炉腹则分别为上小下大和上大下小的圆锥台。5段式的炉型结构既满足了炉料下降时受热膨胀而引起体积增大的需要，同时又适应了炉料的还原熔化以及选渣过程，也适应了煤气上升过程中冷却收缩的情况。实践已经证明，5段式作为一个现代炉型结构满足了炼铁生产的要求，并取得了明显的效果。

高炉内型作为一个外部条件对冶炼过程确实有很大的影响，现就内型各段在冶炼过程中的特征表现及作用分述如下：

炉喉：主要起着保护炉衬，合理布料和限制煤气灰被气体大量带出的作用。在这里形成煤气流的3次分布，从炉喉煤气曲线可以从另一侧面看出高炉的冶炼行为。其炉喉形状大小随高炉使用原料条件的变化而变化。一般炉喉直径与炉腰直径之比为0.69-0.72，其高度在3m以内。正常生产时，炉喉的温度为400─500℃。由于炉料的撞击和摩擦比较剧烈，钢砖一般选用铸钢件。

炉身：主要起着炉料的余热、加热、还原和造渣的作用。在这里发生了一系列的物理化学变化。为了是炉料顺利下降和煤气不断上升，炉身要有一定的倾斜度，以利于边缘煤气有适当发展。当炉身角太大的时候，边缘煤气不发展，便会发生悬料事故，造成高炉不顺行；反之，炉身角太小，大量的煤气会从边缘跑掉，煤气能量利用变差，矿石就得不到充分的加热和还原，以致焦化比升高。因此，合适的炉身角很重要。小高炉的料柱低，为了充分利用煤气的热能和化学能，炉身角应稍大些；反之炉身角应稍小些。

炉腰：起着缓冲上升煤气流的作用。炉料在这里已部分还原造渣，透气性较差，故炉腰直径有逐渐扩大之势。炉腰高的则不易过高，大高炉一般为2m左右，如某1000立方米高炉，其炉腰高度仅616mm。另外，因为炉腰部位的物料冲刷严重，所以炉腰是高炉的一个重要环节。

炉腹：连接着炉缸和炉腰。其上大下小，也正适应气体体积增加和炉料变成渣铁后体积缩小的需要。炉腹，的倾斜度也应适宜。为了改善此处炉料的透气性，炉腹角也又扩大趋势，一般大中型高炉的炉腹角度在80─82度之间。另外，炉腹部位温度很高，并有大量的熔渣形成，所以渣蚀严重，又是高炉部位的一个薄弱环节。

炉缸、炉底：主要起着燃烧焦炭和储存渣铁的作用。随着炼铁强度提高，炉缸直径也在扩大。炉缸部位工作环境最为恶劣。特别是风口区温度是高炉内温度最高的地方，耐火材料内衬除受高温作用外，还受渣铁的化学侵蚀和冲刷。炉底耐火材料主要受到渣铁特别是铁水的侵蚀。其实形成一般为蒜头状炉底。由于炉缸、炉底内衬的侵蚀不易修补，所以炉缸、炉底寿命的长短往往决定着一代高炉寿命的长短。

(二)冷却设备及结构

高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件，它降低耐火材料炉衬本身的温度，给以直接的保护。它还保护了炉壳等结构件的强度。

高炉用的冷却介质有：水、风、汽水等混合物。最普遍用的是水，它导热率大，热容量大，便于运送，成本便宜。风比水导热性差，在热流强度大时冷却器易过热，故多用在冷却强度不太大的地方。使用风冷的成本比水贵，但安全可靠，故高炉炉底多用空气冷却。用汽水混合物冷却的优点是，汽化潜热较大，可以大量节省水，又可回收抵押蒸汽，在高炉上正在大量使用。

水冷设备有喷水冷却，冷却壁和冷却水箱等专用冷却设备，业有风口、渣口、热风阀等专用设备的冷却。

喷水冷却结构轻便，简单易行，我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。国外在大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖外喷水冷的，效果也不错。一般喷水孔直径5─8mm，喷射方向宜向上倾斜45─60度，炉腹的喷水还要设置数圈防溅板，其下缘距炉壳的缝隙不大于10─15mm。

1、冷却壁

冷却壁是高炉冷却系统重要的冷却设备，它主要用在高炉炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，它的使用效果、寿命长短直接关系到高炉的正常生产及下一代寿命。所以，各国普遍注重冷却壁耐火材料材质的选择、结构的改进等工作，目的都是为了延长冷却壁的使用寿命。

冷却壁是包在炉衬外面，用螺栓固定在炉壳上的壁形冷却器。它用HT15─33灰铸铁铸入20号钢的冷拔无缝钢管，钢管外径为34─44.5mm、壁厚4.5─6mm，做成中心间距为100─200mm的蛇形管，一般铸铁保护层厚度为25─30mm，所以光面冷却壁的厚度通常为80─110mm。水管的引出部分必须铸入保护套管，并和炉壳焊接，以防开库后冷却壁上胀把水管切断。

为了避免铸造时高温铁水对钢管渗碳而导致脆裂，要在管壁除锈后涂上石英粉涂层，再放入铸型，铁水温度以降到1220℃一下再浇铸为宜。对光板冷却壁由于铸铁导热性良好，水管不必布置过密。

光板冷却壁一般是用在炉缸部位，经多数高炉使用验证，能够满足要求。

2、镶砖冷却壁

它与光板冷却壁比较，耐磨、耐冲刷，易于生产渣皮。一般镶砖的面积约为50%左右，厚度150─230mm，过薄易于脱落，过厚导致铸铁筋与铸铁板之间铸造应力太大而开裂，且热流一旦波动时会烧坏铁筋。镶砖冷却壁的热工方面，铸造筋的表面温度是一个重要参数，一般以不大于500℃为宜，热流越大，镶砖越厚，镶砖面节越大，导致铸铁筋温度升高而烧坏。故一般镶砖冷却壁多于炉腹、炉腰、炉身下部。

日本对冷却壁的研究开发经历了第一代、第二代、第三代、第四代过程。

这种改进对冷却壁的冷却的较大炉子起了促进作用。新日铁从原始的冷却壁至第二代是增强角冷却和强制水冷替代汽冷。新日铁冷却壁第二代做了如下改进：(1)冷却壁内的水管弯曲半径尽量缩小；(2)使用铁素体球墨铸铁代替高铬铸铁；(3)镶砖材质由黏土砖改为高铝砖；(4)将支撑砌体的T形部位用单独系统的水管冷却，经过实际应用后，冷却壁4个角部损坏有所改善，但是上、下段冷却壁间损坏仍较多。

第三代冷却壁的主要特点是：添加了一个段的耐火材料支撑台和一个螺旋管底座，用来防止前管故障。同时增加了角部水管，增加了背部蛇形管，铸在冷却壁内的耐火材料改为SiC质。第四代把斜肋条延长，用耐火材料就地浇铸。

我国宝钢3号高炉除炉腹上部、炉腰和炉身下部4段冷却壁由新日铁制造外，其余14段冷却壁均由宝钢设计和制造，从炉底至炉喉的18段冷却壁按照不同区域的工作条件和工艺要求，采用了不同的结构型式：

(1)炉底、炉缸砌筑了导热性良好的碳砖，因此这部分的冷却设备采用了高冷却强度的新式横型冷却壁、铁口冷却壁、风口冷却壁。

(2)炉腹、炉腰和炉身中、下部热负荷高、温度波动大、热震剧烈、碱金属侵蚀严重，是工作条件最参考的区域，所以采用了新日铁第三代冷却壁；在炉身下部采用了带凸台的第三代和第四代冷却壁。

(3)炉身上部砌体因受炉料的磨损以及装料时温度波动而遭到损坏。因此，炉身上部也采用了冷却壁。

镶耐火材料冷却壁用途多而广，它是大多数高炉的主要冷却部件。因此，它格外受到炼铁工作者的高度重视，也随之成为人民研究的主要内容之一。

3.冷却水箱

冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉耐火材料内衬之内的冷却器，材质上以铸铁居多，铸钢的、钢板焊的也有，以前则多用青铜铸成内部水路以铸入水管的较多，也有空腔的、隔板的等。在外形上有扁平卧式的，也有支梁式的(实际是楔形冷却水箱)。

冷却水箱一般也是用HT15-33铸成，卧室的厚度为75─110mm，内铸钢管的管径为44.5mm，壁厚为6mm的冷拔无缝钢管。安装时距炉内耐火材料内衬工作表面的距离为：炉身上部230mm、炉身下部345mm。冷却水箱上下有填充层以允许砖衬膨胀。这种冷却器冷却强度大，故可以维持较厚的砖衬，它插入砖衬中，故和耐火材料内衬的接触面较大，冷却效果好，同事也能支承砌体。其同谁方式多用密闭式。冷却水箱固定在炉壳上，虽然采用了交错布置的排列方法，但插入密度仍不宜过大，以免影响炉壳的强度。为了防止从冷却水箱周围露煤气而采用了密封装置，简单的办法就是把冷却水箱插入固定在炉壳上的支架外壳之中，其间隙填充用石棉加水玻璃。

有的高炉在炉墙从薄变厚处，或在炉腹和炉腰之间，或在炉腰和炉身之间，紧密的布置一层不可更换的冷却片。相互的间隙只有20─40mm，以保护炉缸支柱上的炉腰支圈。

支梁式冷却水箱可以起到更好的支撑砖衬的作用，而且冷却水箱本身就有与炉壳固定的法兰圈，所以密封性好。缺点是冷却强度不大，故多用于炉身上部。

综上所述，冷却壁与冷却水箱相比，冷却壁的有点是，冷却均匀炉墙光滑。下料阻力小，炉壳完整，故强度与密封性好。而冷却水箱的优点是，冷却强度大而且深入，可以支撑耐火砖衬，可更换，且外层水管损坏时水管尚可工作，重量较轻。

(三)高炉风口、渣口

1.风口装置

风口装置是用来把从热风炉出来的热风经热风总管、热风围管，在经过它送入高炉内的装置。一般风口装置由鹅颈管、弯管、直吹管、风口套组成。对它的要求是：密封好，不漏风，耐高温，隔热且热量损失少，耐用、拆卸简单方便易于机械化。

鹅颈管是上大下小的异径弯管，其形状应保证局部阻力越小越好，大中型高炉用铸钢制成，内砌筑黏土转，使之耐高温且热损失小。为密封起见，在常拆换的下端做成球形接触面，鉴于球面接触的方式，要求在上下法兰连接处都加上球面直管，还要两套吊环梢子，从两侧分别固定，由于它结构复杂密封不严，近来德国、日本改为两头法兰连接，鹅颈管设有两个膨胀圈，可以很好的补偿围管对高炉的相对位移，解决了其他膨胀收缩，错位引起的不密封问题。

弯头用插销吊挂在鹅颈管上，也是铸钢材质，内砌筑粘土砖，后面有风口视孔装置，下端为拉近固定用的一块带肋的板。

直吹管现在也常用铸钢管带内衬的，其内衬有用高铝砖套的，也有用耐热混凝土捣固的。这样重量增加了，给换风口带来不便，但能防止在高温时被烧红或烧穿，既减少了热量散失，又保证了安全。在直吹管两端球面的接触处，为防止烧坏可采用耐热钢和不锈钢，并通水冷却，以提高其强度。

风口水套，为了便于更换并减少备件消耗，做成圆锥台形3段水套。风口大套是铸入蛇形无缝钢管的铸铁冷却器，它有法兰盘状凸缘用螺钉固定在炉壳上，当高炉采用高压操作时，为了防止漏煤气，在炉壳上有风口压套，其上的法兰盘可以与风口大套上的法兰盘固定在一起。风口二套和风口一般用青铜铸成，大高炉也有用铜板焊接而成的，因为这里需要的冷却强度大，故应选取导热性好的材料。风口的形状一般是空腔锥形风口，铸完并清芯砂后，在返回返上流出。风口直径是根据风量、风速和风口数量来确定的，一般大型高炉风口风速以100─120m/s为宜，中小型高炉以60─90m/s为宜。

但是，由于风口的工作环境恶劣，不仅成后高温热负荷作用，而且要经受1500℃左右的铁侵蚀，特别是当高炉状况不顺、悬、崩料多发生时，风口极易受损害。坏的部位大都是前端下沿、上沿或侧面。大部分是熔损造成的，当然也有破损或磨损造成的。所以，怎样提高风口的使用寿命，减轻工人的劳动强度，提高产量，又成了人们普遍关心的问题。

近年来，各种新型风口不断涌现：贯流式、堆焊氏、共渗式等。其同一个目标是：改进风口铜纯度，改进结构。这样以方面提高材质纯度，以便提高其导热性能；另一方面，改进结构，加强冷却能力；这样才能收到良好的效果。所以，提高风口的使用寿命，目前仍是重要的研究课题之一。

2.渣口装置

渣口是放渣的设备。它由4个水套及其压紧固定件组成。渣口一般是用青铜或紫铜铸成空腔式水套，直径为50─60mm，对高压操作的高炉则缩小为40─45mm。渣口二套也是用青铜铸成的中空水套，渣口大套是铸有螺旋形水管的铸铁水冷套。

渣口大套固定在炉壳山的钢法兰盘上，并用铁屑填料与炉缸内的冷却壁相接，保证良好的气密性。渣口和各套的水管都用和炉壳相连的挡板压紧，如是高压操作的高炉，内部有巨大的推力，会将渣口各套抛出，故在各套上加了用楔子固定的挡杆。对于中小型高炉炉墙不厚时，渣口水套也可以减少为3个。

渣口的工作环境仍是很恶劣的，主要受渣铁侵蚀，特别是放渣带铁较多时，更容易烧坏。因此，若渣口频坏，不仅影响高炉顺行，而且也严重影响了产量及经济效益的提高。因此，提高渣口的使用寿命也显得非常重要。但是，无论外部怎样改进，都要同高炉自身的操作相配套，即要保证炉况顺行。这样从客观上就有助于提高渣口寿命，再配以诸如改善水质、改进渣口结构、提高渣口自身纯度等措施，才能达到预期目的。

(四)炉顶装料设备

炉顶是炉料的入口也是煤气的出口。为了满足双峰式布料而采用锥形料钟。

目前用的较多的是马基式炉顶，即双钟带小料斗旋转式布料器，它有下列部分组成：

装料器：包括大料钟、大料斗、煤气封盖、大钟杆等。

布料器：包括大料钟、小料斗、小钟杆、旋转驱动机构、受料漏斗等。

装料设备的操纵装置：包括大小钟拉杆、平衡杆、平衡重锤、钟料卷扬机、料面探测装置和均压系统等。

1.装料器

(1)大料钟。一般用ZG35整体铸成，为了防止在堆焊硬质合金过程中出现局部的硬化区，所选材料ZG35的含碳量最好控制在0.28%─0.38%之间。大钟壁厚55─60mm，大钟倾角53度，可根据炉料的流散性好坏适当减小或加大。大钟直径应在设计炉型时与炉喉直径配合考虑，以获得合适的漏料间隙，一般大高炉的炉喉间隙为900─1100mm。

大钟拉杆有15号钢做成，直径为175mm，长度可达14─15m，由于很难得到这种大尺寸的钢材，所以通常由钢锭锻成坯料，再进行加工。

大钟拉杆与大钟的连接方法，可以是刚性的楔连接，也可以是挠性的铰链连接。

还有一种大钟杆与大钟的连接方式是扁担梁式结构，过去一直用在料罐上了的炉顶上，故亦称料罐式炉顶装料装置。

(2)大料斗。它用ZG35整体铸成，壁厚50─55mm，料斗壁的倾角为85─86度，大料斗高度一般不应该大于2m，以便于运输。在有的大型高炉则分成两段，下端被磨损时可更换，而上部则继续使用。为密封起见，下端要整体铸成，斗壁倾角也应该大于70度。大料斗上与大料钟接触面处，焊有硬质合金，并进行抛光。大料斗铸成和焊上硬质合金后，都要退火处理，以消除内应力。大料斗与大料钟接触处的密封性应严格控制和检查，其接触面的间隙值应小于0.05mm。在安装时要保证大料钟和大料斗的中心线相重合，其公差为2mm。

(3)煤气封盖。它是封闭大小料钟之间的外壳，一般有两半组成的钢板焊接结构。为了使料钟间的有效容积能满足最大料批进行同装的需要，它应为料车有效容积的5─6倍，使煤气封盖变成上下两部分组成，下部为圆通形，内壁用铸造的锰钢板保护；上部为圆锥形，其上设置有2个均压阀的管道接头孔，4个入孔中的3个小的入孔作为日常维修时的检视孔，一个大的椭圆形孔用来修理时，放进或取出半个小料钟之用。

2.布料器

在装料器的上面是布料器，它有小料钟、小料斗、受料漏斗及旋转转动装置组成。常用的马基式布料器，是把承载着炉料的小料斗旋转起来，按规定角度把堆尖分别送到圆周上的各个位置上。而快速旋转漏斗和空转定点漏斗，是把受料漏斗分为上下两部分，上面的仍是固定的受料漏斗，下面的则给以旋转传动，这就视线了旋转部分不用密封，密封的仍然是把堆尖分散在圆周各点的位置上；而快速旋转斗，则是在受料过程中就消灭了堆尖，特别是大高炉用的双坡口的斗，更能消灭堆尖，因而避免了因炉料多少和粒度大小而造成的偏析。

3.料器

探料器的作用是准确探测料面下降情况，以便及时上料。这样既可防止料满时开大钟顶弯钟杆，又可防止亏料时炉顶温度升高，烧坏炉顶设备，特别是高炉大型化、自动化、炉顶设备也不断发展到今天，料面情况已成为上部布料作业的重要依据。

4.新型炉顶

随着高压操作和高炉大型化的发展趋势，炉顶装料设备愈加庞大复杂，维修量巨大，但寿命却与炉顶压增加成反比地缩短。目前新建的4000～5000立方厘米级的大型高炉，高压操作已从顶压0.1～0.15MPa达到0.2～0.25MPa。

a)双钟密封阀式炉顶。它首先由日本石川岛播磨重工业公司于1965年发明，到1969年才以该公司名字命名，故称“IHI”炉顶，它由两个受料漏斗(各对应于左右料车)、两个盘式密封阀、双坡口定点空转或单坡口旋转漏斗、小钟及大钟组成，在大小钟之间和小钟与密封阀之间，形成了上下两个均压室。由左(或右)料车来的炉料倒入左(或右)贮料漏斗(亦称受料漏斗)，经下口的盘式密封阀和旋转漏斗落到上均压室，如用皮带上料时，则通过分岔流槽，将料自动分装在两个料斗中。

IHI炉顶，近年来发展了只有小钟室的单室均压法，下均压室与高炉炉内连通，处于高压状态，上均压室则用半净煤气或用氮气或用半净煤气作一次充压，用氮气作为二次充压，以获得不低于炉内的压力。

a)新日铁式NSC炉顶，即双钟回阀式装置。这种炉顶的旋转漏斗位于上均压室外，受料漏斗和密封阀的上面，受料漏斗的底部卸料孔有4个，有4个闭锁器和密封阀，工作时盘式密封阀要在闭锁器之前打开，在闭锁器关闭之后再关上，这种炉顶从布料来看，比双钟双阀式炉顶略差。固定点位置只有4个，圆周上均匀性较差，但布料器的检查维护和钟杆密封较容易。

我国在新建的1200立方米高炉和大修改造的1735立方米高炉的设计中开始采用了双钟双阀式炉顶，在新建的4063.立方米高炉和大修改造的2580立方米高炉的设计中开始采用了双钟4阀式炉项，而且在具体部件上是多种多样的。

a)料钟炉顶(摆动-旋转布料溜槽式炉顶)。其优点是布料理想调剂灵活，它是用一旋转溜槽和两个底封料斗，代替了原来的大小钟斗等一整套装置，所以设备、结构大大简化，炉顶高度降低。

它是由受料漏斗、料仓、中心喉管、气密箱、旋转溜槽等5部分组成的。

有带翻板的固定式受料漏斗，也有可沿滑轨移动的受料漏斗。

这种炉顶控制系统较复杂，要求有可靠的监控系统，防止堵料卡料；炉顶温度不能太高，要有优质耐火材料等。但是无料钟炉顶在世界各国得到了广泛的应用。