高爐用粘土磚

砌筑高爐內襯的粘土磚。要求Fe2O3含量低，高溫、常溫耐壓強度高和較高的密度。其是一種常用的耐火磚。中國在20世紀50年代成功地制造出高爐粘土磚，并砌筑1000m3大型高爐上。高爐粘土磚常溫耐壓強度高，能夠抵抗爐料常期作業磨損；在高溫長期作業下體積收縮小：有利于爐襯保持整體性；顯氣孔率低和含量低,減少碳素在氣孔中沉積使耐火磚在使用過程中膨脹疏松而損壞；低熔點物形成少，使高爐粘土磚比一般粘土磚具有優良性能。原料破碎、粉碎與泥料制備中要除鐵。用混合細粉、泥漿、紙漿廢液作結合劑。采用高噸位壓制耐火磚磚機，成型壓力大于50MPa，耐火磚的密度大于2.38g/cm3. 燒成溫度1380-1400℃。高爐粘土磚用于小高爐爐襯的爐喉、爐身、爐缸和爐底。20世紀90年代大型高爐身用耐火磚以粘土磚為主，其余部位為高鋁磚、碳化硅磚、碳磚所代替，高爐粘土磚使用比例逐漸減少。

高爐用耐火材料 

高爐是以焦炭還原鐵礦石熔煉鐵水的大型高溫冶金爐。 

高爐煉鐵過程是在高溫下連續進行的。爐料(礦石+熔劑+焦炭)從爐頂加入，進入爐喉以后，向下運動，經過不同溫度區域，隨即發生礦石的還原、軟化、熔融，渣鐵分離等過程，爐渣和鐵水分別由底部放出。由下部鼓入的高溫熱風(900—1300℃)進入爐內后立即與赤熱的焦炭發生氧化反應，生成含CO的高溫爐氣，并放出大量熱量來維持冶煉過程的進行。含塵高溫爐氣由下至上透過爐料向上運動，并與礦石發生化學反應。含有一定量的CO高爐煤氣(爐氣)由爐頂逸出。由此可見，高爐內每一高度的爐襯所經受的溫度、壓力、物理化學變化的性質和強度、工作條件苛刻程度都是不同的，爐襯損毀機理、損毀的狀況也各異，耐火材料的選用也因此而明顯不同。高爐爐襯的侵蝕線和損毀原因如圖所示。

由圖可知，高爐爐襯損毀很嚴重的部位是爐腰、爐腹、爐身下部及爐底。損毀的原因是多方面的，主要是渣鐵的侵蝕及熱負荷的作用；還有堿金屬侵蝕和鉛鋅滲透，碳素沉積和機械磨損等。損毀過程中，溫度是決定因素。機械磨損鉛鋅侵入沉積堿侵蝕熔融物侵蝕碳素沉積}鐵水和熔渣的侵蝕圖。

(1)爐喉。

爐喉為高爐的咽喉，受到固體爐料下降時的直接沖擊和摩擦等物理作用，極易損毀。曾采用硬度高和密度大的高鋁磚砌筑，但不耐久。因此，目前都采用耐磨鑄鋼護板保護。

(2)爐身。

爐身可分為上、中、下三帶。從上至下爐料由300—400℃逐漸被加熱至1250—1300℃，物料在下降過程中發生一系列的物理化學變化。爐身上部和中部溫度為400—700℃，熔渣尚未形成，沒有渣蝕情況發生。爐襯主要受到下降爐料和上升含塵氣流的磨損和沖蝕；部分CO在磚縫、裂紋、氣孔中分解產生碳素沉積，引起襯磚龜裂、變質、組織疏松，導致剝落損毀。有的還受到鋅蒸氣、鉛蒸氣向磚內滲透，以ZnO?PbO形式沉積，并進一步與耐火磚發生化學反應，生成硅酸鋅(2ZnO·SiO2)和硅酸鉛(2PbO·Si02)，使耐火磚組織變脆、剝落。堿金屬的行為類似。

爐身上部和中部由于損毀程度較輕，一般采用含游離Fe2O3量較低的高爐專用粘土耐火磚、致密粘土耐火磚、高鋁磚砌筑，或由粘土質不定形耐火材料構成。

爐身下部溫度較高，有大量初渣形成，爐渣與爐襯表面直接接觸。爐襯在經受下降物料和含塵爐氣的摩擦、沖蝕作用的同時，爐渣的化學侵蝕嚴重。高溫下產生的堿金屬蒸氣與磚的化學反應也較上部和中部突出。若爐襯為硅酸鋁質材料，磚內形成鉀霞石(K2O·Al2O3·2SiO2)、白榴石(K20·Al2O3·4Si02)及玻璃相(K2O-SiO2)。由于這些新相的生成會產生較大的體積膨脹，破壞了磚的組織結構。強度和耐火性能明顯下降，爐身下部爐襯損毀較快，而且嚴重。一般選用耐火性能好、抗渣性強、高溫結構強度大和耐磨性好的高質量致密粘土耐火磚或高鋁磚砌筑。靠近爐腰部位可采用高鋁磚或用耐磨、抗渣性好、熱導率高的剛玉磚、碳化硅磚或炭磚砌筑。大型高爐爐身下部主要采用高鋁磚、剛玉磚、炭磚或碳化硅磚。

(3)爐腰。

爐腰是高爐寬大的部位。爐料體積膨脹至大，并開始在此形成大量的熔渣，因此，渣的化學侵蝕和堿金屬蒸氣的侵蝕較爐身下部嚴重。下降爐料和高溫焦炭對爐襯表面的磨損、沖刷也很突出，高溫上升氣流的沖蝕作用也比爐身部分強。堿金屬和碳素在磚內沉積作用仍然存在。這些因素的綜合作用，使得爐腰成為高爐易損毀的薄弱部位之一。中小高爐可采用高質量致密粘土耐火磚或高鋁磚或剛玉磚。大型現代高爐一般采用高鋁磚或剛玉磚或碳化硅磚。有的也采用碳磚砌筑。

(4)爐腹。

爐腹位于爐腰之下。下部爐料溫度可達1000—1650℃，氣流的溫度更高，高溫作用特別強烈。由于形成了低粘度熔渣，對爐襯的化學侵蝕特別嚴重，熔渣和高溫氣流對爐壁的沖刷突出，堿金屬的沉積引起爐襯的膨脹作用仍有相當大的影響。因此，爐腹是高爐爐襯損毀嚴重的部位。一般高爐開爐后不久就幾乎全部損毀，而靠覆蓋在爐腹處一層堅實的渣層來保護鋼殼。因此，爐腹部位采用高鋁磚(Al2O3＞70％)、剛玉磚砌筑。現代化大型高爐，普遍采用碳磚和石墨-石油焦、石墨—無煙煤等半石墨磚，外加水冷或汽化冷卻，以提高使用壽命。

(5)爐缸和爐底。

爐缸是盛裝鐵水和爐渣的部位。爐缸上部是高爐溫度高部位，靠近風口區的溫度達1700—2000℃以上。爐底溫度為1450—1500℃。爐缸的爐襯主要受到熔渣和鐵水的化學侵蝕和沖刷以及堿侵蝕的膨脹作用。當熔渣和鐵水侵入磚縫和裂紋之中，加速了爐渣的化學侵蝕和物理溶解損毀。爐底主要因為鐵水滲入磚縫，使耐火磚浮起而損毀。當鐵水滲入爐底碳磚后，還發生碳磚被溶解的作用。因此，高爐爐底并不實行絕熱保溫，而是對爐底進行強化冷卻，以減緩對碳磚的熔蝕反應，把鐵水凝固在爐底的上部，即當爐底上部溫度控制在1150℃(鐵水熔點)以下時，可以防止爐底繼續熔蝕，延長爐底壽命。

基于上述原因，并考慮到爐缸和爐底一旦被侵蝕損毀后，不易修補，嚴重時需要停爐大修，所以一般采用耐火度高、高溫強度大、抗渣性好、導熱能力強、體積密度較高和體積穩定性好的碳磚砌筑。我國高爐爐底工作表層也采用碳素搗固，其整體性好，縫隙少，鐵水不易滲入。爐底的砌法主要是兩種：一種為上部2—3層用碳磚，下面為高質量粘土耐火磚或高鋁磚。大型高爐，由于鐵水溫度提高，爐底損毀的危險性增大，因此，采用全碳磚爐底。也可用瀝青浸漬碳磚代替普通碳磚。砌法上采用于砌、鎖砌、錯縫或楔形砌法，防止碳磚漂浮損毀。

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