徐國濤1，向武國2，王希波3，劉黎1，陳曉紅4，張洪雷1

( 1． 武漢鋼鐵( 集團) 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爐用熱風管系的使用壽命，對武鋼及國內不同企業(yè)熱風管系用耐火材料的組成與性能數(shù)據(jù)進行了收集和分析，對相關的企業(yè)標準及技術條件進行了討論，并介紹了熱風管系耐火材料行業(yè)標準的內容及其制定的要求。熱風管系用耐火材料應該通過成分來控制材質，通過對重質磚的蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標的控制來保證磚襯的品質，通過對輕質磚的導熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強度等指標的控制來保證其隔熱和安全使用性能。建立適宜的熱風管系耐火材料行業(yè)標準，有利于提高熱風管系的使用壽命，降低維修成本，提高煉鐵的技術水平。

關鍵詞: 高爐；熱風爐；耐火材料；標準；熱風管系

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

1 武鋼熱風管系用耐火材料的技術條件及存在問題

武鋼高爐及熱風爐用熱風管系耐火材料的要求隨引進技術要求不同有所不同，有依據(jù)日本設計的耐火材料技術條件，也有按照霍戈文設計的熱風爐提出的耐火材料技術條件，兩者注重點有所差別。如5 號高爐管系用耐火材料采用日本標準，材質及性能要求嚴，技術指標高于7 號高爐，使用壽命達到16 年，熱風主管爐襯基本無損壞; 7號高爐由于降低了成本，在蠕變性上沒有作要求，HS 紅柱石磚在荷軟溫度指標上有所降低，從2012 年的檢修看出，主管內襯頂部出現(xiàn)裂紋、抽簽、壓縮性變形，隔熱層有些指標偏低，在高風溫下收縮開裂，影響管道的正常運行，爐襯用后形貌見圖1。

日本公司對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)定性指標一般要求不小于15 次。7 號高爐管徑比5號高爐小，采用霍戈文的技術指標，磚型比較薄，霍戈文的技術指標中不注重抗熱震穩(wěn)定性指標。采用優(yōu)質的紅柱石-莫來石磚作為管道內襯工作層，質量好，壽命長; 采用高強抗熱震輕質磚對提高支管及主管近本體部位的隔熱性與結構穩(wěn)定有利。另外1 個問題是材料價格與爐襯壽命的影響，早期的高爐管道用工作襯采購價格近12 000元/t，而低價中標的廠家達到5 000 ～ 6 000元/t 或更低，如果采用低價競標，即使可以節(jié)省成本數(shù)百萬元，但使用中出現(xiàn)事故后小修、中修的費用更高，損失可能幾千萬，因此在控制耐火材料成本的同時，必須保證管系耐火材料的質量，不以低價競標的方式采購關鍵部位的長壽耐火材料。

按照武鋼熱風管系耐火材料的企業(yè)標準，工作層襯磚1500 ℃ × 4 h 重燒線變化率控制在± 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 %。這個技術指標如果嚴格控制，武鋼某些高爐，如5 號、6 號高爐的熱風主管用后爐襯結構損壞較少，壽命較長，但要達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粘土磚和輕質高鋁磚，輕質粘土磚耐壓強度不小于2.5 MPa，2 種輕質高鋁磚耐壓強度分別不小于4 MPa和8 MPa，輕質粘土磚0.02 MPa的荷重軟化溫度控制在1 150 ℃以上，輕質高鋁磚控制在1 380 ℃以上，從熱風管系的破損調研結果看，需考慮隔熱層襯磚工作層的開裂問題，如果送風溫度在1200 ～ 1300 ℃，熱風主管溫度可能在1 300 ～ 1 350 ℃，一旦工作層出現(xiàn)開裂，輕質磚會出現(xiàn)高溫收縮變形，造成管系的壓縮塌陷。

2 國內熱風管系用耐火材料的技術條件及存在問題

國內高爐的容積從幾百立方米到5500 m³ 不等，其熱風管系的耐火材料選擇標準相差較大，由于以往多注重高爐與熱風爐的長壽技術，管系存在的問題多被疏忽，出現(xiàn)問題通過小修或中修來彌補，但隨著高爐大型化的技術發(fā)展，高爐與熱風爐本體長壽，管系出現(xiàn)事故，造成整個系統(tǒng)的不協(xié)調。對于管系耐火材料，其化學成分的要求在于控制原材料的質量和性能，沒有好的原材料，工作襯的性能很難達到要求。而常規(guī)的抗壓強度、體積密度、氣孔率與爐襯耐火材料配方、生產、價格密切相關。

表1 為_w( Al₂O₃) 在55 % ～ 58 %的紅柱石莫來石磚的部分性能。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) ，前者試驗溫度高50 ℃，后者要求數(shù)值范圍更窄。蠕變率分為2 種試驗條件，1個為固定時間，如1 400 ℃ × 50 h不大于0.8 %；1 個為時間范圍，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 %的剛玉莫來石磚的部分性能。體積密度高，耐壓強度、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控制比較復雜，要求各不相同; 如果指標控制較少，對耐火材料生產企業(yè)有利，但是對于管系長壽運行、煉鐵生產穩(wěn)定運行不利。

3 熱風管系用耐火材料的行業(yè)標準制定

考慮到熱風管系用耐火材料的特點，以往的企業(yè)標準都是以紅柱石磚、剛玉莫來石磚等具體材料的形式來確定組成與性能范圍，由于其材質的不確定性，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)標準制定主要把握2 個方面: 成分控制與性能控制。根據(jù)高爐熱風管系耐火材料的特點及用戶要求，確定Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂、( K₂O + Na₂O) 、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導熱系數(shù)等物理化學指標，見表5，表6。

3．1 化學分析指標的確定

化學組成決定耐火材料制品的基本特性，化學成分的設定主要考慮2 個因素: 一是與相關產品標準的繼承性和兼容性; 二是熱風管系的使用安全性。設置了Al₂O₃，F(xiàn)e₂O₃，TiO₂，K₂O + Na₂O₄ 個化學指標，Al₂O₃為其主要成分，F(xiàn)e₂O₃，K₂O +Na₂O 為雜質，影響耐火磚的高溫使用性能，TiO₂規(guī)范原料的品質，因此需要加以限定。小型高爐因為成本的考慮，未對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度指標的確定

高爐熱風管系用耐火材料主要用于熱風管系工作層和隔熱層的砌筑，為確保產品使用性能，延長熱風管系使用壽命，設置了體積密度和顯氣孔率的檢測項目，保證耐火磚的材質、致密度，利于提高其使用性能。設置了常溫耐壓強度指標，耐壓強度主要反映材料的力學性能和燒結情況，影響著爐襯的結構穩(wěn)定性能。常溫耐壓強度高，氣孔率低，表明制品組織結構致密均勻，燒結良好，從而確保爐襯具有良好的結構強度和抗沖刷、磨損的能力。

3．3 加熱永久線變化指標的確定

加熱永久線變化反應了材料的高溫體積穩(wěn)定性，對耐火襯的膨脹結構或膨脹縫設計具有重要參考，是一般耐火材料嚴控的性能指標。在標準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致開裂、坍塌。

3．4 蠕變率指標的確定

蠕變率表示在規(guī)定的溫度和時間內，受恒定載荷產生的變形量。蠕變率是表征耐火材料高溫性能的重要指標，影響著耐火材料在高溫使用過程中的體積穩(wěn)定性和使用性能。大型高爐因為要求比較嚴格，高溫下的蠕變率要求較高; 中型高爐更注重使用過程的穩(wěn)定性，所以以20 ～ 50 h內的蠕變率為控制指標。

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。由于高爐熱風管系的工作特點，溫度急冷急熱、反復循環(huán)，故磚襯應具有良好的抗熱震性。

3．6 導熱系數(shù)

導熱系數(shù)表示在單位時間內通過單位面積傳遞的熱量，與材料的組成、結構、密度、溫度等因素有關。對于管道保溫材料來講，要求導熱系數(shù)低，同時要滿足其使用性能。

高爐及熱風爐熱風管系用耐火材料行業(yè)標準中，定型耐火材料制品分為隔熱層輕質磚和工作層重質磚。重質磚分為ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140 共7個牌號; 輕質磚分為QGW-0.8，QGW-1. 0，QGJ-0.8，QGJ-1. 0共4 個牌號。熱風管系用耐火材料行業(yè)標準制定的產品理化指標應符合表5 和表6的規(guī)定。

通過標準的制定，可以從組成上規(guī)范熱風管系耐火材料的材質，從性能上控制材料的品質，尤其是蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標，制約了生產者的造假行為，也為煉鐵企業(yè)優(yōu)質優(yōu)價提供了1 個技術上的規(guī)范。1 座高爐熱風管系的更換往往需要數(shù)千萬元，如果僅僅因為幾百萬耐火材料的偽劣引起事故，造成檢修頻繁，應該是行業(yè)技術的倒退。因此熱風管系耐火材料行業(yè)標準的制定，利于高爐管系耐火材料技術水平的提高。由于該標準涉及的熱風管系耐火材料的基礎數(shù)據(jù)既有耐火材料生產企業(yè)的產品技術數(shù)據(jù)，也有來源于武鋼、寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、安陽鋼廠等鋼鐵企業(yè)或設計單位的數(shù)據(jù)，具有廣泛的代表性。國內沒有系統(tǒng)、規(guī)范的熱風管系用耐火材料產品標準，該標準對熱風管系用耐火材料進行了合理的分類，并提出了相應的技術指標，可以為耐火材料生產企業(yè)和煉鐵用戶提供了選材和驗收依據(jù)，對行業(yè)科技進步起到積極的引導作用。

4 結語

1) 高爐及熱風爐用熱風管系耐火材料的技術要求不同，導致煉鐵企業(yè)的耐火材料標準不一致。武鋼有的高爐管系用耐火材料采用日本技術，材質及高溫蠕變等性能要求嚴，使用壽命達到16 年，熱風主管爐襯基本無損壞; 有些高爐熱風管系性能指標控制不當，使用過程容易損壞被迫提前檢修，影響高爐的長壽運行。

2) 熱風管系用耐火材料行業(yè)標準通過成分控制與性能控制來保證磚襯的材質與品質以提高其使用壽命。根據(jù)高爐熱風管系的耐火材料特點及用戶要求，確定Al₂O₃，F(xiàn)e₂O₃等化學組成、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導熱系數(shù)等指標為需控制的物理化學指標。

3) 管系工作層重質磚著重控制蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標; 輕質磚著重控制導熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強度等指標來作為耐火材料生產企業(yè)與用戶的驗收條件，建立熱風管系耐火材料行業(yè)標準利于提高熱風管系的使用壽命，降低生產成本。