科技新进展:炼铁高炉风口用碳化硅质组合衬的开发与应用

一、研究的背景与问题

与发达国家相比，我国炼铁高炉服役数量多，平均炉容低，一代炉役中修次数多，碳排放约占全国工业总排放的15%，是国家重点进行技术改进和机构性改革的行业。近几年，在“双碳”目标下，我国钢铁产业的聚集度不断提高，大型高炉技术取得举世瞩目的成就，4000M3以上高炉数量在世界名列前茅，冶炼技术和先进设备有了长足的进步。熔融还原、氢冶金等低碳非高炉炼铁新技术多地也在积极开展，不断取得技术突破，推动了我国钢铁工业由大向强转变。在此背景下，高炉内衬用耐火材料需要适应炼铁工业新技术的发展趋势，对耐火材料性能和使用效果提出更多要求和挑战。

耐火材料的好坏是高炉健康运行和长寿的先决条件，炼铁高炉风口是高炉运行操作和检修频率最高的部位之一，也是高炉内温度最高区域，该区域炉内冶金反应产生高温煤气以很高速度上升，温度达到1600℃以上；铁水和炉渣经炉腹流向炉缸，很易对风口区内衬耐火材料造成严重侵蚀和磨损。安全可靠的耐火材料有利于尽早形成保护性渣皮并稳定存在，并在漫长的服役期限内，抵御渣、碱、气的侵蚀，提高炉体波动时的安全性，显著降低风口上翘和烧穿事故的发生几率。

碳化硅较氧化物类材质具有更为优异的导热性、抗热震性、耐高温、抗渣碱、耐磨性、低膨胀等。目前，应用于炼铁高炉的国产碳化硅材质产品以氮化硅结合碳化硅制品用量最多，小块风口组合砖的设计源于氮化硅结合碳化硅制品厚度通常不超过150mm，厚尺寸产品烧制时砖体芯部氮气渗透能力有限，不能进行有效氮化烧结反应，易造成烧结不充分残硅过量，大几率出现烧成缺陷。2008年开始氮化硅结合碳化硅小块组合方式风口组合衬由中钢洛耐院推广应用，直到现在产品的性价比不断提高，目前仍是国内炼铁企业的优先选择，为项目工作打下坚实的技术经验和新产品推广基础。另外，国际上最为先进的风口组合衬产品之一是日本产高抗碱的浇注成型大型自结合碳化硅产品，另外还有抗渣碱性能更受欧美发达国家认可的赛隆结合碳化硅产品，这两种产品在国内高炉风口上的应用都很少，前者浇注成型大型自结合碳化硅制品国内技术完全缺失，后者制备价格偏高推广难度大。可见，国内碳化硅质风口组合衬产品，在保持高性价比小块组合风口衬持续优化改进的同时，急需打破更为先进材质和大型制品的制备技术“卡脖子”问题，以进一步提升客户对国产碳化硅风口组合衬的认可程度。

综上所述，为适应高炉大型化、长寿化、高效化发展和氢冶金等新型炼铁技术工况需要，打破大型碳化硅风口衬完全依赖进口的局限性，本项目开展了碳化硅系列风口内衬耐火材料的技术开发工作，目标是继续完善提高氮化硅结合碳化硅等小型风口材质性能，优化砖型组合结构设计，继续提高产品的性价比；新开发大型浇注烧成产品，取得工业化应用突破和进展，打破浇注成型大型烧成产品国内缺失的现状，形成满足不同需要的全系列碳化硅风口组合衬制品的工业化应用能力，努力提高产品的综合使用性能。

二、解决问题的思路与技术方案

国际先进大型自结合碳化硅风口内衬产品，以大块砖型设计为主，不适合氮化物结合碳化硅材质的工艺设计和制备过程，另外该产品进口价格过高，依靠进口很难在国内大规模推广应用，因此项目要实现国内优质大型碳化硅风口产品的制备技术，同时有效降低该类产品的制备成本，实现更好的国内推广路线。小块组合风口在优化材质性能的同时，通过总结多年来国内氮化硅结合碳化硅小块风口组合衬的设计和应用经验，不断提高结构设计的合理性。

碳化硅质耐火材料内衬产品的性能表现，主要取决于产品制备过程控制和材质结合相的性能。因此，需要开发大型化专用设备，实现超大型产品的机械化或自动化生产，可提高生产效率和质量可靠性，实现低制备成本大规模工业化生产。其次，碳化硅质耐火材料的材质性能取决于其内部结合相，结合相应具有优异的性能表现，可选的优异结合相种类有赛隆、β-SiC和石墨等，赛隆具有良好的挂渣和抗渣碱性能，β-SiC和石墨具有优异的对渣的不润湿表现和高抗碱能力等。

图1 项目技术方案

三、主要创新性成果

本项目针对炼铁高炉用高性能碳化硅风口组合衬耐火材料的需求，为实现高性能碳化硅风口内衬高效制备和应用，研究了不同形状和尺寸范围砖型材质的工业实现和方法，分析不同材质在风口工况下的性能表现，产品得到工业化制造和推广。其主要创新内容包括以下几个方面：

1、氮化硅结合碳化硅风口小块组合砖材质优化、结构设计及其配套技术。碳化硅质耐火材料制备技术与内衬结构设计技术领域。在材质结构优化、氮化烧结、抗热冲击剥落等氮化硅结合碳化硅工艺问题分析基础上，利用计算机辅助设计技术，科学地解决了高炉风口小块组合复杂内衬结构的设计技术难题。现场预摆技术利用三维模拟指导风口安装过程，为客户提供了更全面的服务。

2、优质碳化硅风口材质的开发制备与性能研究。碳化硅质耐火材料制品制备技术领域。理论与实验研究结合，开发赛隆-石墨复相结合碳化硅、自结合碳化硅等新型碳化硅风口组合砖材质，实现了工业生产和应用，为稳定优质高炉风口内衬砌体提供材质基础和技术支持。

3、大块组合碳化硅风口内衬耐火材料开发。碳化硅质耐火材料制品制备技术领域。超大异型制品的高稳定无水泥预制浇注配方技术、真空环境预制浇注成型技术、变气氛复相连续梯度烧结技术。适应高炉技术发展趋势，大块组合碳化硅风口使用效果稳定，且可简化风口内衬安装过程，降低安装成本和缩短安装周期。

本项目相关的技术共申请发明专利9项，实用新型专利1项，发表相关论文22篇，研究成果已在本单位自行转化。关于碳化硅高炉风口组合砖的制备技术，从材料材质优化制备到结构设计形成了先进、完备的技术体系，整体技术达到国际先进水平。

四、应用情况与效果

高性能碳化硅风口内衬耐火材料的应用有利于高炉强化冶炼技术条件下，降低金属风口的损坏，进而节约风口维护成本，为高炉用户带来操作便利和生产效益。因此，国内高炉设计单位和用户对风口组合砖提出了更高的技术要求。近年来，我国高炉技术发展很快，每年有数十座1000 M3以上的高炉在新建或大修，宝钢、鞍钢、昆钢、邢钢、包钢等多家钢厂都在尝试新型碳化硅质风口内衬技术。

项目成果于2008年在广东韶山钢铁公司8#3200M3高炉全面实施，提供的氮化硅结合碳化硅风口砖产品，均达到合同协商的技术指标要求，首套氮化硅结合碳化硅高炉风口内衬小块组合砖预摆图，如图2所示。2009年制定相关产品检验国家标准GB/T 23293-2009。项目首次实施后，材质不断优化开发，相继形成了赛隆结合、自结合、大型复相制品等多种优质碳化硅复合材料。

图22008年广东韶钢3200M3高炉风口预摆

建设了22×22m组合砖预摆平台，通过实践不断总结经验，制定出完整的技术操作流程，及时反馈结构设计和制备过程中存在的不足，实现了设计、材料制备、预组装技术体系的先进和成熟。目前，实现了现场砌筑零加工，为现场高效施工奠定了良好的基础。截至目前，中钢洛耐院已为多家钢厂不同大小高炉生产了50余套优质碳化硅质风口组合砖，小块组合风口实现10天完成砖型组合设计，5天快速预组装，合同后2个月交货周期，保证现场快速准确施工。形成可适用5800 M3以上高炉风口的预组装平台，产品理化技术指标优良，配合先进操作技术，一代炉龄无中修使用寿命可达15年以上的同步耐材寿命。

不同结构设计类型的氮化硅结合碳化硅小块风口衬的预摆照片，如图3～图5所示；新型赛隆结合碳化硅小块风口预摆照片，如图6所示；大块风口预摆照片，如图7和图8所示。其中，图3为某钢厂1080M3高炉风口组合衬双层结构的预砌图，风口组合砖结构稳定，预砌精度完全满足现场筑炉要求；图4为某厂2600 M3高炉风口组合衬双层结构预组装完成后的砖体标识图片。图5为某钢厂3200M3高炉风口组合衬单层结构预组装图。图6是赛隆结合碳化硅风口组合砖单层结构预组装图。图7为复相结合碳化硅中型风口组合衬（8块组合）预摆。图8为2块组合大型浇注成型复相结合碳化硅组合衬预摆。

图31080M3高炉小块组合衬风口组合砖预摆

图42600 M3高炉小块组合衬风口组合砖预组装

图53200M3高炉小块组合衬风口组合砖预砌图

图6赛隆结合碳化硅小块组合衬预摆

图7复相结合碳化硅中型风口组合衬（8块组合）预摆

图8浇注成型复相结合碳化硅大型组合衬（2块组合）预摆

项目形成了不同材质的系列产品，技术指标见表1-表3。

表1小块组合衬氮化硅结合碳化硅砖的理化技术指标

表2小块组合衬赛隆结合碳化硅风口组合砖的技术指标

表3浇注成型大块组合衬复相结合碳化硅风口组合砖的技术指标

信息来源：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司