陳汪寧  王金剛  張守旗

（山東鋼鐵股份有限公司）

摘要：隨著冶金裝備技術(shù)的發(fā)展，大中型高爐冶煉強(qiáng)度不斷提高，爐頂料罐襯板的耐磨性、耐高溫性和抗沖擊性能要求日益提高。傳統(tǒng)高鉻鑄鐵襯板存在韌性不足、維護(hù)頻繁等問題，嚴(yán)重影響高爐運(yùn)行效率。本文以1#1880m³高爐為研究對(duì)象，提出采用高純度氧化鋁（Al₂O₃）基陶瓷復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鑄鐵襯板，延長襯板使用壽命，對(duì)中型高爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供更大保障。

關(guān)鍵詞：高爐料罐；陶瓷襯板；耐磨材料；新材料應(yīng)用

0  前言

高爐料罐襯板長期承受高溫、高壓、磨損及化學(xué)腐蝕等多重工況，傳統(tǒng)高鉻鑄鐵襯板因韌性差、耐熱震性能不足，導(dǎo)致頻繁更換（年均2-3次），嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)效率。此外，襯板磨損引發(fā)的罐體泄漏問題增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)新型耐磨、耐高溫、抗沖擊的襯板材料成為高爐高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1  傳統(tǒng)鑄鐵襯板使用概況

傳統(tǒng)鑄鐵襯板在實(shí)際應(yīng)用中暴露出顯著的技術(shù)短板：一方面，其維護(hù)工作強(qiáng)度大、維護(hù)次數(shù)頻繁，每次檢修都需要投入大量人力物力；另一方面，由于作業(yè)區(qū)域位于高爐爐頂煤氣環(huán)境，存在煤氣泄漏、中毒、爆炸等多重安全隱患，嚴(yán)重威脅檢修人員安全。目前1#1880m³高爐爐頂料罐使用的鑄鐵襯板存在諸多問題，高爐爐頂料罐襯板磨損嚴(yán)重（圖1），每次高爐定修均需要維護(hù)更換襯板，年均維護(hù)2-3次，單次定修時(shí)間約15小時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。另外，由于長期磨損沖擊，外部罐體已進(jìn)行多次包焊修補(bǔ)，但仍發(fā)生磨穿泄漏事故（圖2），如處理不及時(shí)，很容易發(fā)生因泄漏造成均不上壓高爐減風(fēng)事故，導(dǎo)致高爐非計(jì)劃停機(jī)搶修，影響高爐正常運(yùn)行，且存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。這種狀況迫切需要通過材料革新來根本性解決現(xiàn)有問題。

圖1 爐頂料罐內(nèi)部概況

圖2 外部罐體包焊

2  材料性能對(duì)比與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1傳統(tǒng)高鉻鑄鐵襯板的局限性

高鉻鑄鐵板具有在金屬類襯板中較高的硬度、耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度，是應(yīng)用最早的金屬襯板材料，廣泛運(yùn)用在各類廠礦的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。但因其斷裂韌性、沖擊韌性在金屬襯板當(dāng)中最低，并不適用于運(yùn)輸大塊礦石的沖擊性較強(qiáng)的場所；其耐腐蝕性較差，也不適用于腐蝕性物料輸送；由于焊接性能差，無法采用焊接方法安裝，只能使用螺栓孔位方式安裝^[1]。

在力學(xué)性能方面，鑄鐵襯板存在顯著缺陷，主要表現(xiàn)為硬度與韌性的矛盾關(guān)系。其典型硬度為HRC60-65，但斷裂韌性僅為KIC≈2.5MPa·m^1/2，這種性能失衡源于高碳含量（2.5-3.5%）導(dǎo)致的晶界碳化物脆性相富集。在實(shí)際應(yīng)用中，夏比沖擊功普遍低于8J（25℃），動(dòng)態(tài)載荷下的臨界沖擊能量閾值≤15J/cm²，抗沖擊性能明顯不足。

在熱物理性能方面，鑄鐵襯板表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性。其熱膨脹系數(shù)高達(dá)（10-12）×10^-6/℃，而導(dǎo)熱系數(shù)僅40-50W/(m·K)，這種特性導(dǎo)致嚴(yán)重的熱應(yīng)力集中。在750℃工況條件下，熱疲勞循環(huán)壽命不足100次，且600℃時(shí)抗彎強(qiáng)度下降超過40%。

從耐磨性能角度看，鑄鐵襯板存在復(fù)雜的磨損機(jī)制，包括顯微切削磨損、脆性剝落和氧化磨損。鑄態(tài)組織的各向異性導(dǎo)致20-30%的性能波動(dòng)，共晶碳化物取向造成的磨損率差異可達(dá)35%。實(shí)際使用中，襯板失效模式多樣，包括深度＞2mm的表面剝落、擴(kuò)展速率＞0.5mm/h的貫穿性裂紋以及安裝孔周邊碎裂等問題。

在微觀結(jié)構(gòu)方面，鑄鐵襯板存在枝晶偏析（Cr偏析度＞15%）和碳化物尺寸分布離散（5-50μm）等本征缺陷。環(huán)境敏感性方面，在濕H2S環(huán)境下腐蝕速率＞0.5mm/a，且易受堿金屬（K/Na）滲透導(dǎo)致晶界脆化。這些缺陷導(dǎo)致維護(hù)成本高昂，更換頻率達(dá)4-6個(gè)月/次，單次維護(hù)耗時(shí)15-20小時(shí)，年均綜合維護(hù)成本超過100萬元。

2.2陶瓷襯板的創(chuàng)新優(yōu)勢

在力學(xué)性能方面，陶瓷襯板完美解決了傳統(tǒng)材料硬度與韌性的矛盾問題。通過95%高純度Al₂O₃+ZrO₂復(fù)合體系設(shè)計(jì)，在保持HRA85-95超高硬度的同時(shí)，斷裂韌性提升至≥4.8MPa·m^1/2，沖擊功達(dá)到15J以上，完全克服了鑄鐵襯板脆性斷裂的問題。這種獨(dú)特的"剛?cè)岵?jì)"特性使陶瓷襯板在承受高速物料沖擊時(shí)表現(xiàn)出色，動(dòng)態(tài)載荷承受能力較傳統(tǒng)材料提高3-5倍。

在耐高溫性能方面，陶瓷襯板熱膨脹系數(shù)（7.2×10^-6/℃）較鑄鐵降低30%，導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化至25-30W/(m·K)，有效避免了熱應(yīng)力集中問題。在750℃高溫工況下，抗彎強(qiáng)度保持率超過85%，熱震循環(huán)壽命達(dá)500次以上，徹底解決了鑄鐵襯板熱疲勞壽命不足的痛點(diǎn)。

在耐磨性能方面，氧化鋁陶瓷優(yōu)異的耐磨性主要源于其很強(qiáng)的硬度。粒子沖蝕角為0°時(shí)，屬純滑動(dòng)磨損，磨損形式為低應(yīng)力磨粒磨損，在這種工況條件下，氧化鋁陶瓷的磨性相當(dāng)于錳鋼襯板的266倍，高鉻鑄鐵的171倍。在某些特定的工業(yè)工況下用，甚至可延長設(shè)備使用壽命十倍以上^[2]。

從使用維護(hù)角度看，陶瓷襯板具有8年的超長使用壽命，是傳統(tǒng)襯板的24倍，模塊化設(shè)計(jì)使安裝效率提升50%，實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)運(yùn)行。在惡劣工況下，其耐酸堿腐蝕性能提升10倍，抗高溫氧化溫度達(dá)900℃，年均綜合維護(hù)成本降低92%。這些優(yōu)勢使陶瓷襯板成為高爐高效穩(wěn)定運(yùn)行的理想選擇。

綜合分析來看，氧化鋁陶瓷襯板在硬度、耐磨等方面是所有襯板材料中最優(yōu)的，適用于物料硬度高、沖擊性不大、粘結(jié)性適中、高溫性的物料，尤其是對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)、缺少停機(jī)維護(hù)時(shí)間的企業(yè)，其使用周期長、免維護(hù)的優(yōu)勢^[1]。

3  應(yīng)用效果分析

耐磨新型陶瓷襯板與傳統(tǒng)高鉻襯板對(duì)比分析，以1880m³高爐為例：

在經(jīng)濟(jì)效益方面，傳統(tǒng)鑄鐵襯板每年需進(jìn)行3次維護(hù)，其中兩次局部更換，剩余一次完成1套料罐襯板整體更換，年均綜合成本高達(dá)100.3萬元（含備件90.3萬元和維護(hù)費(fèi)用10萬元）；而陶瓷襯板使用壽命長達(dá)8年，整體更換62.86萬元，年均成本僅7.86萬元，年節(jié)約成本達(dá)92.44萬元，投資回收期不足1年。這種革命性的成本優(yōu)勢主要來源于材料壽命的大幅提升（延長24倍）和維護(hù)需求的根本性降低。

從生產(chǎn)穩(wěn)定性角度看，陶瓷襯板實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。其優(yōu)異的抗沖擊性能（KIC≥4.8 MPa·m¹/²）徹底解決了襯板斷裂問題，將年非計(jì)劃停機(jī)維護(hù)次數(shù)從3次降至0次。模塊化設(shè)計(jì)使更換效率提升50%，單次維護(hù)時(shí)間從15小時(shí)大幅縮短，為高爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。

2024年1月16日利用1#1880m³高爐大修機(jī)會(huì)，爐頂料罐施工作業(yè)15天，完成新型耐磨陶瓷襯板改造使用以來，經(jīng)過一年多的運(yùn)行，系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生襯板脫落、外部罐體磨損情況（圖3）。這一技術(shù)革新不僅大幅降低了高爐料罐的停機(jī)維護(hù)頻率，還顯著減少了人工維護(hù)成本，為高爐長周期經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。
 

圖3 爐頂料罐襯板采用新型陶瓷材料

在可持續(xù)發(fā)展維度，陶瓷襯板具有三重戰(zhàn)略價(jià)值：其一，減少維護(hù)頻次直接降低碳排放，完美契合《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》要求；其二，作為國家《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》重點(diǎn)支持的陶瓷基復(fù)合材料（CMC），其推廣應(yīng)用符合產(chǎn)業(yè)升級(jí)方向；其三，8年免更換的特性顯著減少固廢產(chǎn)生量，每套襯板全生命周期可減少約15噸廢棄物，環(huán)境效益顯著。這些優(yōu)勢使其成為同時(shí)滿足《鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見》中效率提升和綠色發(fā)展要求的典范案例。結(jié)語：陶瓷襯板在高爐料罐中的應(yīng)用可顯著提升耐磨性、延長壽命，并降低維護(hù)成本。其輕量化、模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化了高爐運(yùn)行效率，為鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了新材料解決方案。未來可推廣至其他高溫、高磨損工況設(shè)備。

4  結(jié)語

陶瓷襯板在高爐料罐中的應(yīng)用可顯著提升耐磨性、延長壽命，并降低維護(hù)成本。其輕量化、模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化了高爐運(yùn)行效率，為鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了新材料解決方案。未來可推廣至其他高溫、高磨損工況設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]  劉金華,張志輝,郝建偉,等.耐磨襯板材料應(yīng)用研究[J].設(shè)備管理與維修,2023(3):18-24.

[2]  康樂.金屬—陶瓷復(fù)合抗磨襯板的研究與應(yīng)用[D].貴州:貴州大學(xué),2010.