徐國(guó)濤1，向武國(guó)2，王希波3，劉黎1，陳曉紅4，張洪雷1

( 1． 武漢鋼鐵( 集團(tuán)) 公司研究院，湖北武漢430080； 2． 武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，湖北武漢430083；3． 山東耐火集團(tuán)魯耐窯業(yè)有限公司，山東淄博255200； 4． 武漢鋼鐵股份有限公司制造部，湖北武漢430083)

摘要: 為了提高高爐及熱風(fēng)爐用熱風(fēng)管系的使用壽命，對(duì)武鋼及國(guó)內(nèi)不同企業(yè)熱風(fēng)管系用耐火材料的組成與性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分析，對(duì)相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件進(jìn)行了討論，并介紹了熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容及其制定的要求。熱風(fēng)管系用耐火材料應(yīng)該通過(guò)成分來(lái)控制材質(zhì)，通過(guò)對(duì)重質(zhì)磚的蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo)的控制來(lái)保證磚襯的品質(zhì)，通過(guò)對(duì)輕質(zhì)磚的導(dǎo)熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強(qiáng)度等指標(biāo)的控制來(lái)保證其隔熱和安全使用性能。建立適宜的熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高熱風(fēng)管系的使用壽命，降低維修成本，提高煉鐵的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞: 高爐；熱風(fēng)爐；耐火材料；標(biāo)準(zhǔn)；熱風(fēng)管系

熱風(fēng)管系是熱風(fēng)從熱風(fēng)爐本體輸送到高爐之間的熱風(fēng)管道系統(tǒng)，它包括送風(fēng)主管、支管、圍管以及連通主管和圍管、主管和支管的熱風(fēng)出口等部分。由于高爐一代爐齡已提高到15 ～ 20 年，而熱風(fēng)爐本體壽命達(dá)到20 ～ 30 年，因此，熱風(fēng)管系作為輔助系統(tǒng)，其使用壽命至少應(yīng)與高爐同步。隨著高爐與熱風(fēng)爐技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱風(fēng)溫度普遍提高，送風(fēng)溫度最高可達(dá)1 300 ℃，部分鐵廠高爐熱風(fēng)管道出現(xiàn)了管殼表面溫度過(guò)高、發(fā)紅，內(nèi)襯破損、掉磚、塌陷等問(wèn)題，有的僅使用5 ～ 8 年就進(jìn)行中修^［1-5］。熱風(fēng)管系耐火磚襯分為輕質(zhì)隔熱層磚和重質(zhì)工作層磚; 隔熱層一般由2 層或多層輕質(zhì)磚砌筑，靠管壁的外層多采用輕質(zhì)粘土磚，中間層采用輕質(zhì)高鋁磚或輕質(zhì)莫來(lái)石磚; 在主管、支管、圍管等部位的重質(zhì)工作層可采用紅柱石-莫來(lái)石、莫來(lái)石-紅柱石-剛玉等材質(zhì)的耐火磚; 在熱風(fēng)出口部位，由于熱風(fēng)閥開(kāi)啟過(guò)程中的瞬間沖擊力很大，可選用含紅柱石的剛玉-莫來(lái)石磚或性能相當(dāng)?shù)哪突鸩牧?。熱風(fēng)管系耐火材料選擇不當(dāng)，不能滿足高風(fēng)溫的需求。武鋼自2005 年開(kāi)始，有針對(duì)性地對(duì)5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)、1 號(hào)高爐的熱風(fēng)管系耐火材料破損狀況進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為熱風(fēng)管系耐火材料事關(guān)高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，建議制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熱風(fēng)管系的定形耐火材料性能指標(biāo)加以規(guī)范。2016 年8 月底，《高爐熱風(fēng)管系用耐火材料》通過(guò)了全國(guó)耐標(biāo)委組織的標(biāo)準(zhǔn)審定。

1 武鋼熱風(fēng)管系用耐火材料的技術(shù)條件及存在問(wèn)題

武鋼高爐及熱風(fēng)爐用熱風(fēng)管系耐火材料的要求隨引進(jìn)技術(shù)要求不同有所不同，有依據(jù)日本設(shè)計(jì)的耐火材料技術(shù)條件，也有按照霍戈文設(shè)計(jì)的熱風(fēng)爐提出的耐火材料技術(shù)條件，兩者注重點(diǎn)有所差別。如5 號(hào)高爐管系用耐火材料采用日本標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)及性能要求嚴(yán)，技術(shù)指標(biāo)高于7 號(hào)高爐，使用壽命達(dá)到16 年，熱風(fēng)主管爐襯基本無(wú)損壞; 7號(hào)高爐由于降低了成本，在蠕變性上沒(méi)有作要求，HS 紅柱石磚在荷軟溫度指標(biāo)上有所降低，從2012 年的檢修看出，主管內(nèi)襯頂部出現(xiàn)裂紋、抽簽、壓縮性變形，隔熱層有些指標(biāo)偏低，在高風(fēng)溫下收縮開(kāi)裂，影響管道的正常運(yùn)行，爐襯用后形貌見(jiàn)圖1。

日本公司對(duì)管系工作襯的高溫蠕變率控制一般在1450 ℃ × 50 h不大于0.4 %，而抗熱震穩(wěn)定性指標(biāo)一般要求不小于15 次。7 號(hào)高爐管徑比5號(hào)高爐小，采用霍戈文的技術(shù)指標(biāo)，磚型比較薄，霍戈文的技術(shù)指標(biāo)中不注重抗熱震穩(wěn)定性指標(biāo)。采用優(yōu)質(zhì)的紅柱石-莫來(lái)石磚作為管道內(nèi)襯工作層，質(zhì)量好，壽命長(zhǎng); 采用高強(qiáng)抗熱震輕質(zhì)磚對(duì)提高支管及主管近本體部位的隔熱性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利。另外1 個(gè)問(wèn)題是材料價(jià)格與爐襯壽命的影響，早期的高爐管道用工作襯采購(gòu)價(jià)格近12 000元/t，而低價(jià)中標(biāo)的廠家達(dá)到5 000 ～ 6 000元/t 或更低，如果采用低價(jià)競(jìng)標(biāo)，即使可以節(jié)省成本數(shù)百萬(wàn)元，但使用中出現(xiàn)事故后小修、中修的費(fèi)用更高，損失可能幾千萬(wàn)，因此在控制耐火材料成本的同時(shí)，必須保證管系耐火材料的質(zhì)量，不以低價(jià)競(jìng)標(biāo)的方式采購(gòu)關(guān)鍵部位的長(zhǎng)壽耐火材料。

按照武鋼熱風(fēng)管系耐火材料的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工作層襯磚1500 ℃ × 4 h 重?zé)€變化率控制在± 0.2 %，熱震穩(wěn)定性1100 ℃，水冷循環(huán)控制在20 次以上，0.2 MPa 下的荷重軟化溫度控制在1470 ℃ 以上，1450 ℃ 或1500 ℃ 的蠕變率( 0.2 MPa^，× 50 h) 不大于1 %，( 0.2 MPa^，20 ～50 h) 不大于0.2 %。這個(gè)技術(shù)指標(biāo)如果嚴(yán)格控制，武鋼某些高爐，如5 號(hào)、6 號(hào)高爐的熱風(fēng)主管用后爐襯結(jié)構(gòu)損壞較少，壽命較長(zhǎng)，但要達(dá)到與高爐大修壽命同步，仍存在一定的困難。

隔熱層襯磚包括輕質(zhì)粘土磚和輕質(zhì)高鋁磚，輕質(zhì)粘土磚耐壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa，2 種輕質(zhì)高鋁磚耐壓強(qiáng)度分別不小于4 MPa和8 MPa，輕質(zhì)粘土磚0.02 MPa的荷重軟化溫度控制在1 150 ℃以上，輕質(zhì)高鋁磚控制在1 380 ℃以上，從熱風(fēng)管系的破損調(diào)研結(jié)果看，需考慮隔熱層襯磚工作層的開(kāi)裂問(wèn)題，如果送風(fēng)溫度在1200 ～ 1300 ℃，熱風(fēng)主管溫度可能在1 300 ～ 1 350 ℃，一旦工作層出現(xiàn)開(kāi)裂，輕質(zhì)磚會(huì)出現(xiàn)高溫收縮變形，造成管系的壓縮塌陷。

2 國(guó)內(nèi)熱風(fēng)管系用耐火材料的技術(shù)條件及存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)高爐的容積從幾百立方米到5500 m³ 不等，其熱風(fēng)管系的耐火材料選擇標(biāo)準(zhǔn)相差較大，由于以往多注重高爐與熱風(fēng)爐的長(zhǎng)壽技術(shù)，管系存在的問(wèn)題多被疏忽，出現(xiàn)問(wèn)題通過(guò)小修或中修來(lái)彌補(bǔ)，但隨著高爐大型化的技術(shù)發(fā)展，高爐與熱風(fēng)爐本體長(zhǎng)壽，管系出現(xiàn)事故，造成整個(gè)系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。對(duì)于管系耐火材料，其化學(xué)成分的要求在于控制原材料的質(zhì)量和性能，沒(méi)有好的原材料，工作襯的性能很難達(dá)到要求。而常規(guī)的抗壓強(qiáng)度、體積密度、氣孔率與爐襯耐火材料配方、生產(chǎn)、價(jià)格密切相關(guān)。

表1 為_w( Al₂O₃) 在55 % ～ 58 %的紅柱石莫來(lái)石磚的部分性能。在加熱永久線變化上，要求不一，有些為± 0.2 % ( 1 500 ℃ × 4 h) ，有些為0 % ～ 0.2 % ( 1 450 ℃ ×4 h) ，前者試驗(yàn)溫度高50 ℃，后者要求數(shù)值范圍更窄。蠕變率分為2 種試驗(yàn)條件，1個(gè)為固定時(shí)間，如1 400 ℃ × 50 h不大于0.8 %；1 個(gè)為時(shí)間范圍，如1 450 ℃ × ( 20 ～50) h 不大于0.2 %。

表2、表3 為_w( Al₂O₃) 在60 % ～ 75 % 的紅柱石莫來(lái)石磚的部分性能。與表1 比較，_w( Fe₂O₃) 要求提高，體積密度增加，耐壓強(qiáng)度、蠕變率、抗熱破壞性能要求提高。

表4 為_w( Al₂O₃) 在75 % ～ 80 %的剛玉莫來(lái)石磚的部分性能。體積密度高，耐壓強(qiáng)度、蠕變率要求較高。

從表1 至表4 看，用于管系工作襯耐火材料的指標(biāo)控制比較復(fù)雜，要求各不相同; 如果指標(biāo)控制較少，對(duì)耐火材料生產(chǎn)企業(yè)有利，但是對(duì)于管系長(zhǎng)壽運(yùn)行、煉鐵生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行不利。

3 熱風(fēng)管系用耐火材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定

考慮到熱風(fēng)管系用耐火材料的特點(diǎn)，以往的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是以紅柱石磚、剛玉莫來(lái)石磚等具體材料的形式來(lái)確定組成與性能范圍，由于其材質(zhì)的不確定性，不同企業(yè)選擇差別大，規(guī)范性差，使用效果差別大，不理想。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定主要把握2 個(gè)方面: 成分控制與性能控制。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系耐火材料的特點(diǎn)及用戶要求，確定Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂、( K₂O + Na₂O) 、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等物理化學(xué)指標(biāo)，見(jiàn)表5，表6。

3．1 化學(xué)分析指標(biāo)的確定

化學(xué)組成決定耐火材料制品的基本特性，化學(xué)成分的設(shè)定主要考慮2 個(gè)因素: 一是與相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的繼承性和兼容性; 二是熱風(fēng)管系的使用安全性。設(shè)置了Al₂O₃，F(xiàn)e₂O₃，TiO₂，K₂O + Na₂O₄ 個(gè)化學(xué)指標(biāo)，Al₂O₃為其主要成分，F(xiàn)e₂O₃，K₂O +Na₂O 為雜質(zhì)，影響耐火磚的高溫使用性能，TiO₂規(guī)范原料的品質(zhì)，因此需要加以限定。小型高爐因?yàn)槌杀镜目紤]，未對(duì)TiO₂，K₂O + Na₂O 含量提出要求。

3．2 體積密度、顯氣孔率及常溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)的確定

高爐熱風(fēng)管系用耐火材料主要用于熱風(fēng)管系工作層和隔熱層的砌筑，為確保產(chǎn)品使用性能，延長(zhǎng)熱風(fēng)管系使用壽命，設(shè)置了體積密度和顯氣孔率的檢測(cè)項(xiàng)目，保證耐火磚的材質(zhì)、致密度，利于提高其使用性能。設(shè)置了常溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)，耐壓強(qiáng)度主要反映材料的力學(xué)性能和燒結(jié)情況，影響著爐襯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能。常溫耐壓強(qiáng)度高，氣孔率低，表明制品組織結(jié)構(gòu)致密均勻，燒結(jié)良好，從而確保爐襯具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖刷、磨損的能力。

3．3 加熱永久線變化指標(biāo)的確定

加熱永久線變化反應(yīng)了材料的高溫體積穩(wěn)定性，對(duì)耐火襯的膨脹結(jié)構(gòu)或膨脹縫設(shè)計(jì)具有重要參考，是一般耐火材料嚴(yán)控的性能指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)中限定爐襯高溫條件下的變形量，保證了爐襯的整體穩(wěn)定性，不至于收縮或膨脹導(dǎo)致開(kāi)裂、坍塌。

3．4 蠕變率指標(biāo)的確定

蠕變率表示在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，受恒定載荷產(chǎn)生的變形量。蠕變率是表征耐火材料高溫性能的重要指標(biāo)，影響著耐火材料在高溫使用過(guò)程中的體積穩(wěn)定性和使用性能。大型高爐因?yàn)橐蟊容^嚴(yán)格，高溫下的蠕變率要求較高; 中型高爐更注重使用過(guò)程的穩(wěn)定性，所以以20 ～ 50 h內(nèi)的蠕變率為控制指標(biāo)。

3．5 抗熱震性

抗熱震性指耐火制品抵抗溫度急劇變化的能力。由于高爐熱風(fēng)管系的工作特點(diǎn)，溫度急冷急熱、反復(fù)循環(huán)，故磚襯應(yīng)具有良好的抗熱震性。

3．6 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量，與材料的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度等因素有關(guān)。對(duì)于管道保溫材料來(lái)講，要求導(dǎo)熱系數(shù)低，同時(shí)要滿足其使用性能。

高爐及熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，定型耐火材料制品分為隔熱層輕質(zhì)磚和工作層重質(zhì)磚。重質(zhì)磚分為ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140 共7個(gè)牌號(hào); 輕質(zhì)磚分為QGW-0.8，QGW-1. 0，QGJ-0.8，QGJ-1. 0共4 個(gè)牌號(hào)。熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的產(chǎn)品理化指標(biāo)應(yīng)符合表5 和表6的規(guī)定。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以從組成上規(guī)范熱風(fēng)管系耐火材料的材質(zhì)，從性能上控制材料的品質(zhì)，尤其是蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo)，制約了生產(chǎn)者的造假行為，也為煉鐵企業(yè)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)提供了1 個(gè)技術(shù)上的規(guī)范。1 座高爐熱風(fēng)管系的更換往往需要數(shù)千萬(wàn)元，如果僅僅因?yàn)閹装偃f(wàn)耐火材料的偽劣引起事故，造成檢修頻繁，應(yīng)該是行業(yè)技術(shù)的倒退。因此熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，利于高爐管系耐火材料技術(shù)水平的提高。由于該標(biāo)準(zhǔn)涉及的熱風(fēng)管系耐火材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)既有耐火材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，也有來(lái)源于武鋼、寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、安陽(yáng)鋼廠等鋼鐵企業(yè)或設(shè)計(jì)單位的數(shù)據(jù)，具有廣泛的代表性。國(guó)內(nèi)沒(méi)有系統(tǒng)、規(guī)范的熱風(fēng)管系用耐火材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱風(fēng)管系用耐火材料進(jìn)行了合理的分類，并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，可以為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)和煉鐵用戶提供了選材和驗(yàn)收依據(jù)，對(duì)行業(yè)科技進(jìn)步起到積極的引導(dǎo)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 高爐及熱風(fēng)爐用熱風(fēng)管系耐火材料的技術(shù)要求不同，導(dǎo)致煉鐵企業(yè)的耐火材料標(biāo)準(zhǔn)不一致。武鋼有的高爐管系用耐火材料采用日本技術(shù)，材質(zhì)及高溫蠕變等性能要求嚴(yán)，使用壽命達(dá)到16 年，熱風(fēng)主管爐襯基本無(wú)損壞; 有些高爐熱風(fēng)管系性能指標(biāo)控制不當(dāng)，使用過(guò)程容易損壞被迫提前檢修，影響高爐的長(zhǎng)壽運(yùn)行。

2) 熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)成分控制與性能控制來(lái)保證磚襯的材質(zhì)與品質(zhì)以提高其使用壽命。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系的耐火材料特點(diǎn)及用戶要求，確定Al₂O₃，F(xiàn)e₂O₃等化學(xué)組成、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)為需控制的物理化學(xué)指標(biāo)。

3) 管系工作層重質(zhì)磚著重控制蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo); 輕質(zhì)磚著重控制導(dǎo)熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強(qiáng)度等指標(biāo)來(lái)作為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)與用戶的驗(yàn)收條件，建立熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)利于提高熱風(fēng)管系的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。