高爐發(fā)明的時(shí)期、地點(diǎn)目前尚不清楚，日本學(xué)者杉田清在著作中分析認(rèn)為，在中世紀(jì)也就是大概14~15世紀(jì)，木炭在煉鐵中應(yīng)用后，世界各地的煉鐵豎式爐逐漸演變、轉(zhuǎn)化為高爐，這便是高爐的原型。18世紀(jì)末19世紀(jì)初，焦炭、熱風(fēng)爐及燒結(jié)礦、球團(tuán)礦技術(shù)在高爐中的應(yīng)用，標(biāo)志著現(xiàn)代高爐的出現(xiàn)。之后經(jīng)過(guò)200多年的發(fā)展，煉鐵技術(shù)日臻完善，在這個(gè)過(guò)程中，作為輔助材料的耐火材料也取得了極大的進(jìn)步，從最初使用云母頁(yè)巖和砂巖砌筑，到后來(lái)的黏土磚及現(xiàn)代的陶瓷杯材料及碳磚。本文簡(jiǎn)要介紹了高爐爐缸陶瓷杯的出現(xiàn)過(guò)程，重點(diǎn)介紹了當(dāng)代主流陶瓷杯制品的技術(shù)特點(diǎn)。

　　天然石英巖

　　這是中世紀(jì)時(shí)煉鐵用豎式爐、橫式爐所采用的一類耐火材料，主要采用天然石英巖或者同類的打結(jié)料作為耐火材料。這類耐火材料是中世紀(jì)煉鐵爐使用的主要耐火材料，一直到高爐原型即木炭型高爐的出現(xiàn)，均以這類型材料作為主要的耐火材料，主要成分是高硅低鋁的天然原料，成分大概如表1所示。

　　黏土磚

　　1709年AbrahamDarby實(shí)施以焦炭為還原劑的鐵礦石冶煉，帶來(lái)爐容積的擴(kuò)大，對(duì)內(nèi)襯的可靠性要求提高，天然巖石及打結(jié)料內(nèi)襯無(wú)法滿足使用要求，逐漸消失。耐火磚成為爐襯的主體，材料中黏土質(zhì)（含有熟粘土、硅鋁類）成為主流，這種原料的使用特點(diǎn)一直持續(xù)到近代后期即第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束。

　　之后被高品質(zhì)的剛玉質(zhì)陶瓷杯制品所取代，不過(guò)該類產(chǎn)品在高爐爐身等部位依然使用，在有些高爐中爐缸部位也使用一部分，不過(guò)其使用作用已經(jīng)和之前大不相同了，僅作為高爐點(diǎn)火調(diào)試用耐火材料，其主要作用是在調(diào)試過(guò)程中為之后高品質(zhì)的陶瓷杯制品及碳質(zhì)耐火材料提供保護(hù)，避免因調(diào)試產(chǎn)生劇烈的工況條件變化對(duì)耐材造成的破壞。

　　這類耐火材料現(xiàn)在具有的指標(biāo)如表2（來(lái)源于冶標(biāo)YB/T5050-93）。

　　陶瓷杯的出現(xiàn)

　　及主流陶瓷杯制品的技術(shù)特點(diǎn)

　　煉鐵技術(shù)、設(shè)備的變化改變了對(duì)耐火材料的需求，推動(dòng)了耐火材料的發(fā)展。在煉鐵方面，還有幾個(gè)非常重要具有里程碑式的發(fā)明或技術(shù)極大地提高了對(duì)耐火材料的要求，如：1857年，發(fā)明利用格子磚加熱空氣的專利，造出了熱風(fēng)爐。1905年前后，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦工藝在高爐冶煉中得以應(yīng)用。這兩個(gè)發(fā)明或者技術(shù)在高爐煉鐵中的應(yīng)用，使得具有近代特征的高爐—熱風(fēng)爐—焦?fàn)t—燒結(jié)機(jī)四位一體的“高爐系統(tǒng)”形成。爐缸熱負(fù)荷進(jìn)一步提高，對(duì)耐火材料的要求進(jìn)一步提高，之前的黏土磚無(wú)法承受高的熱負(fù)荷而失效，急需開發(fā)出具有更高性能的優(yōu)質(zhì)配套耐火材料。

　　恰逢此時(shí)基礎(chǔ)科學(xué)也取得了極大的發(fā)展，對(duì)耐火材料性能的改進(jìn)提高提供了極大的幫助，世紀(jì)在物相平衡圖上的研究取得了極大的進(jìn)展，首先是1919年C.N.Fenner研究了氧化硅相的關(guān)系，而這些物相的變化通過(guò)Chatelier的研究得以解釋和說(shuō)明，這一研究使人們認(rèn)識(shí)清楚了氧化硅的膨脹特性與物相的關(guān)系。1924年N.L.Bowen完成了Al2O3-SiO2相圖的繪制，該相圖的完成對(duì)這一體系耐火材料無(wú)疑具有非常重大的意義，使得人們找到了黏土磚隨氧化鋁含量增加耐火度隨之上升的真正原因。借助于這些研究成果，可得出提高氧化鋁來(lái)提高黏土磚耐火度以抵抗不斷提高的熱負(fù)荷的結(jié)論。終于Bauer等于1988年開發(fā)出陶瓷杯，一類以剛玉為主晶相的陶瓷杯制品，這類材料與炭磚共同砌筑組成爐缸爐襯，并在1988年的世界煉鐵會(huì)議上公布了其陶瓷杯配套產(chǎn)品的組成：陶瓷杯壁用磚有綠剛玉、灰剛玉、Sialon結(jié)合剛玉；杯墊用磚合成莫來(lái)石。各材料的指標(biāo)見表3。

　　陶瓷杯杯壁最初設(shè)計(jì)使用的耐火磚為綠剛玉，使用這類型材料主要是從抗渣性方面出發(fā)考慮才選用的，Cr2O3與渣成分反應(yīng)形成高黏度物相來(lái)覆蓋制品表面，阻止渣的進(jìn)一步滲透。但是實(shí)際高爐條件下發(fā)現(xiàn)其表面形成的Al2O3-Cr2O3固溶體強(qiáng)度高、比較脆、膨脹較大，在溫度波動(dòng)情況下會(huì)剝落，加劇損毀，實(shí)際使用效果受到影響，另外由于鎘污染，因此發(fā)展出莫來(lái)石結(jié)合的灰剛玉制品。這類制品具有適度的抗渣性能，同時(shí)表面不會(huì)形成脆性固溶體，有助于應(yīng)力的釋放，綜合性能較好。杯壁的另一種配置是Sialon結(jié)合剛玉，這種非氧化物結(jié)合剛玉制品，抗渣性能更優(yōu)，且這類產(chǎn)品強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震穩(wěn)定性要較灰剛玉制品更優(yōu)。

　　杯墊使用莫來(lái)石磚，爐底被熔融鐵水覆蓋，沒(méi)有熔渣及堿的侵蝕，莫來(lái)石磚荷軟高，耐鐵水熔蝕性能優(yōu)，用于爐底能達(dá)到很好的使用效果。

　　鑒于法國(guó)陶瓷杯在高爐中使用業(yè)績(jī)較好，陶瓷杯技術(shù)上世紀(jì)90年代引入我國(guó)后，國(guó)內(nèi)有一些廠家積極開發(fā)配套耐材，在市場(chǎng)上使用較多且比較有代表性的有兩種，塑性相結(jié)合復(fù)合剛玉磚及微孔剛玉磚。

　　微孔剛玉磚技術(shù)指標(biāo)如表4所示。微孔剛玉磚是國(guó)內(nèi)某廠2002年推出的一款產(chǎn)品，采用剛玉及莫來(lái)石為主要原料，以樹脂作為結(jié)合劑，于埋碳條件下進(jìn)行燒成，磚中會(huì)殘留少量碳，并使磚具有微孔技術(shù)特點(diǎn)，這使得該磚的抗渣、堿性能會(huì)提高，實(shí)現(xiàn)較好的使用效果。

　　塑性相復(fù)合剛玉磚，是通達(dá)中原2001年推出的一款產(chǎn)品，是一種普遍應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)陶瓷杯用磚，以棕剛玉及碳化硅作為骨料，引入金屬硅，制備金屬塑性相剛玉復(fù)合材料，使制品兼具塑性相金屬及剛玉兩者的優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

　　該制品具有以下技術(shù)特點(diǎn)：添加的金屬硅有促進(jìn)燒結(jié)的作用，添加后制品的致密度提高。添加金屬硅作為塑性彌散相與耐火骨料及基質(zhì)復(fù)合，在外力作用下產(chǎn)生一定的塑性變形或沿晶界滑移分散集中的應(yīng)力，使得斷裂能增大，引入金屬硅能達(dá)到增韌的效果。在磚中骨料與基質(zhì)的交界處恰好是應(yīng)力集中區(qū)，裂紋在這個(gè)區(qū)域容易擴(kuò)展，而加入的金屬硅在1400℃以上時(shí)會(huì)變成液相填充在基質(zhì)與骨料之間的界面上。當(dāng)裂紋尖端擴(kuò)展抵達(dá)塑性相時(shí)，其應(yīng)力將被吸收，阻止裂紋繼續(xù)發(fā)展，增強(qiáng)了材料的斷裂能，增強(qiáng)了材料抵抗熱應(yīng)力的能力。這一技術(shù)方案解決了陶瓷質(zhì)耐火材料致密度提高與熱震穩(wěn)定性降低的矛盾。

　　燒結(jié)及使用過(guò)程中，塑性相金屬硅氧化形成的氧化硅與料中氧化鋁形成莫來(lái)石或玻璃相填充表面的氣孔，使得材料抗渣、堿滲透能力得到進(jìn)一步提升。這也使得其在高爐中實(shí)現(xiàn)了良好的使用效果。

　　以上是兩種國(guó)產(chǎn)陶瓷杯杯壁用磚，對(duì)杯墊兩類磚均可使用，不過(guò)從實(shí)用角度來(lái)考慮，使用剛玉莫來(lái)石磚即可滿足使用，有些鋼鐵廠使用高鋁磚也實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的使用效果。

　　經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)在主流陶瓷杯制品如SAVOIE制品、微孔剛玉磚及塑性相結(jié)合復(fù)合剛玉磚，各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果搭配合理并且能進(jìn)行有效的維護(hù)，也能實(shí)現(xiàn)非常好的使用效果。

　　當(dāng)然高爐長(zhǎng)壽方面涉及的影響因素非常多而且非常復(fù)雜，耐火材料只是影響高爐壽命的一個(gè)因素，從提升耐火材料使用性能方面出發(fā)來(lái)延長(zhǎng)高爐爐缸的使用壽命，依然是有空間的。

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