摘要：根據(jù)高爐風(fēng)口部位的工況條件及其對(duì)耐火材料的要求，開(kāi)發(fā)了碳化硅質(zhì)預(yù)制大塊。所開(kāi)展的系統(tǒng)研究工作包括組成優(yōu)化、抗熱震性和抗堿性等，并測(cè)定了顯微結(jié)構(gòu)和孔徑分布。所開(kāi)發(fā)高爐風(fēng)口用預(yù)制大塊具有碳化硅含量高、導(dǎo)熱性好、高溫性能優(yōu)異、抗熱震性好以及抗堿性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，多項(xiàng)性能超過(guò)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道指標(biāo)，產(chǎn)品應(yīng)用于高爐風(fēng)口部位將有利于提高風(fēng)口穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽化。

1? 技術(shù)背景

　　隨著高爐大型化及冶煉強(qiáng)度的增加，爐體自身維護(hù)越來(lái)越受到重視，延長(zhǎng)高爐使用壽命成為煉鐵工作者主要研究課題之一。風(fēng)口作為高爐的關(guān)鍵部位之一，其使用效果對(duì)高爐使用壽命有直接影響。在高爐生產(chǎn)中風(fēng)口區(qū)要經(jīng)受溫度高、熱負(fù)荷大等苛刻條件，承受高溫、溫差急變頻繁、爐內(nèi)含堿氣氛的侵燭，同時(shí)還要承受高的荷重作用。因此，要求耐火材料具有較高的高溫強(qiáng)度、抗熱震性、抗堿性、抗蠕變性和抗氧化性。高爐風(fēng)口組合磚材料主要有碳化硅磚、剛玉莫來(lái)石磚、硅線石磚、復(fù)合棕剛玉磚、微孔剛玉磚、炭磚等幾種。碳化硅磚具有強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率大、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熱震性優(yōu)異等一系列優(yōu)良性能，已成為當(dāng)前高爐爐身中下部特別是風(fēng)口區(qū)的首選材質(zhì)。

　　從熱風(fēng)爐來(lái)的高溫、高壓氣體由高爐風(fēng)口送入高爐，當(dāng)風(fēng)口砲體不穩(wěn)定時(shí)，將使風(fēng)口設(shè)備變形和漏風(fēng)，影響高爐壽命。同時(shí)在高爐生產(chǎn)時(shí)，在風(fēng)口部位耐火磚的磚縫處有堿性物的侵入和析出，也造成了爐內(nèi)側(cè)耐火磚的上翹，使風(fēng)口大套上翹。所以，為了減少由磚縫引起的這種破壞，提高風(fēng)口砌體的穩(wěn)定性，風(fēng)口組合磚的尺寸越來(lái)越大，磚的總數(shù)量越來(lái)越少。相對(duì)于風(fēng)口組合磚而言，采用大型預(yù)制塊的每個(gè)高爐風(fēng)口通常由塊、塊或整塊預(yù)制件組成，因其砌筑簡(jiǎn)單、磚縫少，減少了使用過(guò)程中出現(xiàn)變形、漏風(fēng)以及堿性物侵人引起上翹等問(wèn)題。風(fēng)口用大型預(yù)制塊的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，將來(lái)有可能完全取代風(fēng)口組合磚。碳化硅質(zhì)風(fēng)口預(yù)制大塊目前國(guó)內(nèi)尚不能生產(chǎn)進(jìn)口產(chǎn)品僅在400M3以上的少數(shù)大型高爐上獲得應(yīng)。

　　本文對(duì)高爐風(fēng)口用碳化硅質(zhì)預(yù)制大塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程及其主要性能進(jìn)行了介紹。

2? 開(kāi)發(fā)理念及研究?jī)?nèi)容

與機(jī)壓成型相比，澆注成型具有成型方式靈活、制品尺寸和形狀不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在制備大型、異形耐火材料制品方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，故碳化硅預(yù)制大塊采用澆注成型工藝較合理。針對(duì)澆注成型工藝以及風(fēng)口部位對(duì)耐火材料的具體要求，碳化桂質(zhì)預(yù)制大塊的開(kāi)發(fā)理念及主要工作內(nèi)容如下：

1）結(jié)合體系的選擇：所開(kāi)發(fā)碳化硅質(zhì)風(fēng)口預(yù)制大塊采用了超低水泥或無(wú)水泥結(jié)合方式，在滿足拆模、搬運(yùn)等要求條件下，盡可能降低鋁酸鈣水泥所引入CaO對(duì)材料高溫力學(xué)性能的不良影響。

2)顆粒級(jí)配的優(yōu)化：通過(guò)嚴(yán)格控制碳化硅原料的關(guān)鍵性指標(biāo)，以及澆注料顆粒級(jí)配等多方面的系統(tǒng)優(yōu)化研究，大幅度降低了澆注料需水量，使材料內(nèi)部顆粒實(shí)現(xiàn)了緊密堆積，保證了其優(yōu)異的力學(xué)性能。

3)孔徑分布的調(diào)控：加人了適量微、納米粉體，優(yōu)化了澆注料微納米尺度的粒度分布，使饒注料孔徑分布微細(xì)化，改善了材料的微觀結(jié)構(gòu)和組成，提高了材料的抗?jié)B透和抗侵蝕性能。

4）氣氛“自控”及促進(jìn)氮化物再結(jié)合：通過(guò)硅粉原位氮化生成氮化物時(shí)，隨硅粉不斷氮化材料氣孔率降低、孔徑減小，且局部溫度過(guò)高導(dǎo)致硅粉溶化堵塞氣孔，易出現(xiàn)殘硅而影響產(chǎn)品性能，使得現(xiàn)有硅粉原位氮化工藝無(wú)法制備較大尺寸的氮化物結(jié)合碳化硅制品。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，我院確定了多種氮化物、微納米粉體的最佳加入量，通過(guò)對(duì)預(yù)制塊的表面處理工藝，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部氣氛的“自控”，大幅度降低了高溫下材料內(nèi)部反應(yīng)受爐內(nèi)氣氛的影響，成功解決了大塊碳化硅材料內(nèi)部氣氛難以控制的難題。在高溫?zé)商幚頃r(shí)，通過(guò)適量添加劑的活化和促進(jìn)作用，使所添加高活性微納米粉體原位反應(yīng)生成碳化硅、氧氮化硅以及塞隆等，與碳化硅形成很好的結(jié)合，增強(qiáng)了材料結(jié)構(gòu)，提高了材料的力學(xué)性能。

3? 碳化桂質(zhì)預(yù)制大塊的性能及結(jié)構(gòu)

　　針對(duì)上述開(kāi)發(fā)理念，河南耐火材料廠進(jìn)行了較系統(tǒng)、詳盡的研究，工作內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，下面僅對(duì)預(yù)制大塊的抗熱震性能、抗堿試驗(yàn)、最終產(chǎn)品理化指標(biāo)及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

3.1? 抗熱震試驗(yàn)

　　碳化硅質(zhì)預(yù)制塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用1200℃*30min=水冷和1200℃*30min=風(fēng)冷兩種方法進(jìn)行了抗熱震實(shí)驗(yàn)，通過(guò)熱震3次后的殘余強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度保持率來(lái)評(píng)價(jià)。水冷熱震次后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，不同組成碳化桂質(zhì)預(yù)制塊殘余強(qiáng)度較接近，均在10~15MPa之間。如此茍刻的熱震條件，一般高純氧化物體系耐火材料通常一次實(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)生斷裂，但碳化硅質(zhì)預(yù)制塊熱震3次后殘余強(qiáng)度保持率仍有20~35%?？紤]到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和條件，與水冷相比較風(fēng)冷更能反應(yīng)材料的實(shí)際應(yīng)用效果。由圖2可以看出，風(fēng)冷3次后不同組成碳化硅質(zhì)預(yù)制塊之間殘余強(qiáng)度差別較大，但殘余強(qiáng)度均在75~95%以上，個(gè)別組成高達(dá)以上，殘余強(qiáng)度保持率在之間。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明：所開(kāi)發(fā)碳化硅質(zhì)預(yù)制塊具有優(yōu)異的抗熱震性能。

3.2? 抗堿性試驗(yàn)

　　抗堿性試驗(yàn)參照“GB/T14983-2008耐火材料抗堿性試驗(yàn)方法方法1(堿蒸氣法)”進(jìn)行。試樣大小為25mm*25mm*25mm，實(shí)驗(yàn)條件為1100℃保溫30小時(shí)。實(shí)驗(yàn)所用坩堝結(jié)構(gòu)如圖3所示。將12塊試樣以及250克混合粉（K2CO3：木炭質(zhì)量比為1:1）裝人帶蓋石墨坩堝中，石墨坩堝和坩堝蓋之間通過(guò)螺紋連接并用碳化硅泥漿密封。將石墨禍裝人密封的碳化硅相禍中，石墨坩堝和碳化硅坩堝之間用焦炭填充。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將試樣取出，通過(guò)觀察試驗(yàn)后試樣裂紋大小及數(shù)量進(jìn)行目測(cè)判定?？箟A侵蝕實(shí)驗(yàn)后石墨坩堝外形完好，將坩堝蓋撬開(kāi)后照片如4圖所示，可以看到坩堝內(nèi)部混合粉形狀完好，說(shuō)明試驗(yàn)密封效果很好、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠?？箟A侵蝕試驗(yàn)后試樣的照片如5圖所示，所有試樣的棱角均無(wú)蝕損，表面光滑且無(wú)裂紋存在，所開(kāi)發(fā)碳化硅質(zhì)預(yù)制塊具有優(yōu)異的抗堿侵蝕性能。

3.3? 理化指標(biāo)以及與國(guó)外產(chǎn)品比較

　　在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化開(kāi)發(fā)出兩種牌號(hào)高爐風(fēng)口用碳化硅質(zhì)預(yù)制大塊，其理化指標(biāo)如表所示。由1表可以看出，所開(kāi)發(fā)預(yù)制塊雜質(zhì)含量低、化學(xué)純度較高，SiC和Si3N4合量達(dá)到了90%以上，體積密度不低于2.65g/cm3，氣孔率不超過(guò)15%，具有優(yōu)異的常溫和高溫抗折強(qiáng)度，以及良好的導(dǎo)熱系數(shù)。與牌號(hào)SICAPREC-LO相比較，牌號(hào)SICAPREC-HN碳化硅質(zhì)預(yù)制塊力學(xué)性能更加優(yōu)異，但其導(dǎo)熱系數(shù)略低。除導(dǎo)熱系數(shù)外，牌號(hào)SICAPREC-HN碳化硅質(zhì)預(yù)制塊的各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)文獻(xiàn)所報(bào)道國(guó)外同類產(chǎn)品。

4? 應(yīng)用前景

　　與現(xiàn)有剛玉、剛玉莫來(lái)石、剛玉碳化硅等材質(zhì)相比，我院開(kāi)發(fā)的碳化硅質(zhì)預(yù)制塊具有碳化硅含量高、導(dǎo)熱性好、高溫性能優(yōu)異、抗熱震性好、抗堿性能優(yōu)以及抗渣性能好等優(yōu)點(diǎn)。碳化硅大型預(yù)制塊在我院預(yù)制并經(jīng)適當(dāng)溫度燒成，采用各種性能優(yōu)異的原料，控制合適的制作環(huán)境（溫度、濕度），嚴(yán)格控制全部工藝過(guò)程，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量。與現(xiàn)有組合磚相比，采用整體預(yù)制的方式解決了風(fēng)口磚的磚型種類多、尺寸公差不易控制、磚縫多及整體性差的問(wèn)題。我院所開(kāi)發(fā)碳化硅質(zhì)預(yù)制大塊應(yīng)用于高爐將更有利于高爐操作穩(wěn)定和長(zhǎng)壽化。

　　參考文獻(xiàn)：

(1) 張壽榮.延長(zhǎng)高爐壽命是系統(tǒng)工程.高爐長(zhǎng)壽技術(shù)是綜合技術(shù).煉鐵.2000,19(01)：1-4.

(2)吳吉光；王建棟；張新華等.高爐用氮化硅結(jié)合碳化硅風(fēng)口組合磚的開(kāi)發(fā).2012全國(guó)煉鐵用耐火材料技術(shù)交流會(huì).中國(guó)山東濟(jì)南：2012.

(3)鄒祖橋；鄧棠；宋木森.武鋼高爐風(fēng)口組合磚材質(zhì)的改進(jìn).武鋼技術(shù)，2010,48(4):1-4.

(4)李付；呂春江；李杰.等.高爐用新型自結(jié)合碳化硅磚性能研究耐火材料，2011,45(5):364-366.

(5)高振昕；李紅霞；石干.等.高爐襯蝕損顯微剖析.北京：冶金工業(yè)出版社，2009:37-40.’

(6)姜華；傅思榮；王立輝.高爐本體內(nèi)襯耐火材料技術(shù)進(jìn)步.中國(guó)冶金.200717(8):1-6.

(7)張國(guó)銀；陳文娟.高爐陶瓷杯及風(fēng)口大型預(yù)制塊砌筑新技術(shù).天津冶金.2009(05):70-72.

(8)王賢昭.寶鋼高爐風(fēng)口組合磚研制.寶鋼技術(shù).1995(02):38-41.