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高爐的安全和長壽是煉鐵界的夢想，尋求一種能真正滿足高爐爐缸爐底安全長壽的耐火材料，是幾代煉鐵人的期盼。河南五耐集團實業(yè)有限公司(下文簡稱五耐)聯(lián)合河南科技大學(xué)、北京科技大學(xué)研發(fā)出一種已榮獲國家發(fā)明專利(專利號ZL2006101072055)和冶金科學(xué)技術(shù)獎的耐材產(chǎn)品———高爐爐缸爐底用碳復(fù)合磚，取得優(yōu)良的使用效果，其使用壽命可達20年以上，達到了國際先進水平。
全國知名煉鐵專家、北京科技大學(xué)原校長楊天鈞教授評價，該產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用是高爐爐襯耐火材料的一項重大革新。
在煉鐵生產(chǎn)中，高溫冶煉條件和熔融流動的鐵水極易對爐缸磚襯造成損傷。幾乎年年都有爐缸燒穿的嚴重事故發(fā)生，讓高爐操作與管理者提心吊膽，一旦爐缸爐底溫度升高異常就有恐懼襲來、坐臥不安之感，身心倍受折磨與煎熬。因此，提高爐缸爐底磚襯的抗損傷能力，是爐缸爐底長壽和安全生產(chǎn)的最重要的技術(shù)關(guān)鍵?？墒窃诟郀t高溫、腐蝕、沖刷、磨損、破損條件下，如何提高爐缸爐底磚襯的抗損能力，成為世界煉鐵行業(yè)的重大技術(shù)難題。
五耐創(chuàng)新研發(fā)的碳復(fù)合磚既吸收了優(yōu)質(zhì)炭磚和陶瓷杯的優(yōu)點，同時又克服了其缺點，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)炭磚和陶瓷杯用于高爐爐缸爐底，而且在全國五十多座高爐上推廣應(yīng)用均取得了安全長壽的使用效果。山西建邦通才工貿(mào)公司2號高爐爐缸爐底采用該碳復(fù)合磚已安全生產(chǎn)10年，最近停爐檢測，無任何損傷，預(yù)計仍可使用10年以上。
碳復(fù)合磚的制造特點與眾不同
通常高爐爐缸爐底安全長壽對耐材有下列要求：即抗渣鐵侵蝕、抗氧化、抗水蒸氧化、較高的導(dǎo)熱性、較低的膨脹性、較高的抗磨損性、較高的抗熱應(yīng)力強度、抗鋅侵蝕能力強、泥漿有較高的粘結(jié)強度與施工性能、搗打料有較高的導(dǎo)熱性與施工性能。一旦滿足了上述要求，高爐爐缸爐底的安全長壽方能實現(xiàn)。
五耐碳復(fù)合磚之所以能夠滿足上述要求，皆采取下列措施制造：一是選用優(yōu)質(zhì)的電熔剛玉和低比電阻的炭素材料，嚴格控制原料中的R2O等雜質(zhì);二是嚴格控制粒度分布，引入超微細粉，通過基質(zhì)細粉預(yù)混合，使各粉料混合分散均勻，避免團聚，達到成分均勻一致;三是采用多元添加劑，利用它們的分解相變和原位反應(yīng)，產(chǎn)生微體積膨脹，既有利于形成微孔，又有利于抗氧化性和強度的提高;四是采用與碳素原料潤濕性好的樹脂結(jié)合劑;五是控制加料順序和混練時間，避免偏析;六是通過適當困料和成型過程中的間斷打擊，有利于中途排氣，避免彈性后效而產(chǎn)生層裂;七是采用2500噸全自動液壓成型機高壓成型，提高磚坯質(zhì)量;八是采用溫度均勻的連體窯，在不低于1600℃下埋碳高溫?zé)刹㈤L時間保溫，以利于碳化物原位反應(yīng)的發(fā)生、完成和燒結(jié)致密化，提高制品的強度和形成微孔結(jié)構(gòu)。
碳復(fù)合磚的關(guān)鍵指標令人稱道
該碳復(fù)合磚的抗鐵性能優(yōu)良。碳復(fù)合磚的鐵水溶蝕指數(shù)優(yōu)于碳磚，且接近于不侵蝕狀態(tài)。究其原因，是剛玉磚中的Al2O3基本不與高溫鐵水發(fā)生反應(yīng)，具有很強的抗溶蝕能力;而C易溶于高溫鐵水中，抗溶蝕能力弱。碳復(fù)合磚正是利用了Al2O3的這一特性，減少了C元素直接接觸高溫鐵水的面積，使碳復(fù)合磚的鐵水溶蝕指數(shù)接近于剛玉磚的性能指標。其抗鐵水侵蝕失重率只有0.12%～0.62%，而國內(nèi)外知名碳磚為14%～28%。
該碳復(fù)合磚與鐵水幾乎不潤濕，較容易分離。在與鐵水接觸的碳復(fù)合磚處，出現(xiàn)了明顯的碳富集現(xiàn)象，而此處氧化鋁顆粒較小，彌散在碳基質(zhì)中。當鐵水與碳復(fù)合磚接觸時，鐵水與碳復(fù)合磚界面處碳的存在，使其接觸面積減小，與鐵水接觸的碳不斷地與鐵水進行碳交換，由于碳的損失，在碳復(fù)合磚熱面形成了一層脫碳層，裸露出氧化鋁，鐵水很難進一步侵蝕。同時，碳復(fù)合磚具有較高的微氣孔率，平均孔徑為0.238μm。當耐火材料的氣孔小于1μm時，鐵水就難以滲透侵蝕磚襯。
該碳復(fù)合磚的抗渣性能好。究其原因，是爐渣和碳復(fù)合磚的潤濕性較好，兩者緊密的粘接在一起。熔渣與碳復(fù)合磚中的氧化鋁相互反應(yīng)，并逐漸侵入到碳復(fù)合磚的內(nèi)部，同時，在碳復(fù)合磚的表層發(fā)現(xiàn)大量的渣相氧化物組分。
隨著熔渣的侵入和化學(xué)反應(yīng)的進行，熔渣中氧化鋁的含量增多，部分以鎂鋁尖晶石的形式析出，在反應(yīng)界面層，仍然存在著大量的氧化鋁顆粒，因此，混合有大量固體質(zhì)點的高鋁渣相粘度顯著提高。在爐缸爐底冷卻作用的條件下，在反應(yīng)界面層形成一層粘稠的物相，隔離開熔渣與碳復(fù)合磚本體的接觸，熔渣很難進一步侵入碳復(fù)合磚的內(nèi)部，對碳復(fù)合磚形成有效的保護機制。因此說，這種磚具有優(yōu)越的抗渣性能，抗渣后的失重率只有1.2%～1.8%，優(yōu)于工業(yè)發(fā)達國家的鋁碳碳化硅磚，更優(yōu)于剛玉系列的陶瓷杯磚。
該碳復(fù)合磚的抗CO2氧化性能突出。國產(chǎn)微孔碳磚抗CO2氧化試驗后表面氧化嚴重，呈蜂窩狀，碳復(fù)合磚抗CO2氧化試驗后表面幾乎無氧化，表面光滑，具有優(yōu)越的抗CO2氧化性能，氧化后失重率率只有0.5%～0.9%，而國內(nèi)外知名碳磚的為2.5%～18%。
碳復(fù)合磚有很好的抗氧化性能。究其原因，一是添加的Si粉在燒結(jié)過程中將發(fā)生Si+C=SiC的原位反應(yīng)，生成的SiC堵塞和封閉了氣孔，并起燒結(jié)輔助劑的作用，使碳復(fù)合磚內(nèi)的氣孔變小或封閉，同時使骨料和基質(zhì)間結(jié)合更加緊密。生成的SiC等物相彌散分布到整個磚體中，像一張網(wǎng)彌散在碳復(fù)合磚中，從而阻隔氧化性氣氛的侵入，達到保護碳復(fù)合磚免遭氧化的作用。二是高溫下生成的Al2O3·SiO2產(chǎn)生較大的體積膨脹，可起到堵塞氣孔的作用，這些作用的結(jié)果可顯著地降低碳復(fù)合磚的透氣度。
該碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱性能較高。究其原因，一是材料的導(dǎo)熱系數(shù)取決于其中固體組分的導(dǎo)熱系數(shù)(λs)與材料的氣孔率(p)，λ=(1-P)λs。碳復(fù)合磚為超微孔磚，氣孔率較低，因此碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱系數(shù)不會顯著降低。二是碳復(fù)合磚是在高溫條件下燒制而成，減少了晶體中存在的空位、位錯或其他缺陷，弱化了因晶格缺陷造成的導(dǎo)熱系數(shù)的降低。三是碳復(fù)合磚中雜質(zhì)成分含量較少，對晶格波熱散射作用影響小，故導(dǎo)熱系數(shù)較大。四是碳復(fù)合磚中新生成的碳化物等形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，原位生成的β-SiC纖維狀晶須猶如導(dǎo)線，有利于熱的傳導(dǎo)。
該碳復(fù)合磚的抗鋅性能較高。鋅對磚襯的侵蝕主要是和碳的反應(yīng);碳復(fù)合磚和微孔碳磚的質(zhì)量均減小，微孔碳磚質(zhì)量損失較多，是因為參與反應(yīng)的碳含量較大，對磚襯有較大的破壞作用，而碳復(fù)合磚因部分碳參與了化學(xué)反應(yīng)，強度僅下降了約26%，但反應(yīng)后的強度仍保持在較高的水平，耐壓強度約55MPa;微孔碳磚完全失去了強度，這也是爐缸炭磚出現(xiàn)不狀斷裂的主要原因。因此，碳復(fù)合磚的抗鋅性明顯好于微孔碳磚。因此，碳復(fù)合磚能有效解決爐缸磚襯環(huán)狀斷裂的問題。
金杯銀杯，不如用戶的口碑
山西襄汾新金山特鋼有限公司在用戶質(zhì)量報告中，對五耐碳復(fù)合磚作出了高度評價：
我公司為保證高爐長壽，一代高爐爐齡達到15年不大修，在2011年2號高爐大修時，經(jīng)過對國內(nèi)多數(shù)耐火材料生產(chǎn)廠家的考察和比較，最后確定高爐爐底、爐缸部位采用五耐生產(chǎn)的碳復(fù)合磚。該產(chǎn)品不但具有陶瓷材料良好的抗鐵水、抗渣、抗堿侵蝕性能，而且又具有普通碳磚導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點，在使用中既克服了剛玉材料陶瓷杯制品熱膨脹大的缺點，又改變了普通碳磚抗鐵、抗氧化差的缺點，是保證高爐長壽的一種新型產(chǎn)品。公司2號高爐使用五耐碳復(fù)合磚已有6年，在這6年中爐底、爐缸溫度正常，高爐操作穩(wěn)定，高爐利用系數(shù)達4.3t/(m3·d)以上，高爐各項參數(shù)指標正常，由此證明該產(chǎn)品的性能是穩(wěn)定的，此安全長壽設(shè)計方案是可行的。碳復(fù)合磚的使用不但為公司高爐正常運行奠定了良好的基礎(chǔ)，而且為公司實現(xiàn)新一代高爐長壽作出了巨大貢獻，希望五耐在此基礎(chǔ)上能開發(fā)出更多適用于不同爐容的新型產(chǎn)品，為高爐長壽、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗作出更大的貢獻。
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