高爐爐體的冷卻技術(shù)，是設(shè)計(jì)操作的一個(gè)重要的方面，隨著高爐綜合技術(shù)的提高，冷卻技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，而冷卻壁(板)所配置的耐火材料一直沒有引起應(yīng)有的重視，一些高爐仍沿用粘土磚或現(xiàn)場(chǎng)配制的普通耐火材料，達(dá)不到使用要求，不能有效地保護(hù)冷卻壁，本專題根據(jù)冷卻壁(板)的使用條件，參照國(guó)內(nèi)外冷卻系統(tǒng)用耐火材料，研究了新型的碳化硅搗打料。
高爐在冶煉過程中，耐火材料的使用條件是很苛刻的，要承受爐內(nèi)溫度變化造成的熱沖擊，爐料和高溫氣流沖刷引起的內(nèi)襯磨損，氣體(CO2、O2和H2O)的氧化作用，鐵水、堿金屬、貴金屬(Zn和Pb)和渣的侵蝕等，各種損毀作用見圖1。
圖1 高鋁內(nèi)襯侵蝕作用面
二、冷卻設(shè)備形式及耐火原材料的選擇
冷卻設(shè)備有冷卻板、冷卻壁(包括球磨鑄鐵、鑄鋼及軋鋼銅等材質(zhì))以及板壁結(jié)合三種形式，這幾種形式都有長(zhǎng)壽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
最早我國(guó)大多數(shù)高爐使用冷卻板，冷卻板的優(yōu)點(diǎn)是熱流密度大，便于更換，對(duì)爐體耐火材料有制成保護(hù)的作用。但是，其侵占爐熔，冷卻面積相對(duì)較小。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多數(shù)爐子采用冷卻壁或板壁結(jié)合，但仍有大高爐使用冷卻板達(dá)到長(zhǎng)壽的佳績(jī)。
三、耐火材料的組成
(一)基本原材料
碳化硅和石墨都是優(yōu)良的高爐用耐火材料，它們除了具有一般耐火原料必須的性能外，碳化硅還耐高溫(熔點(diǎn)在2200℃以上)，耐侵蝕，高強(qiáng)耐磨，熱膨脹系數(shù)低，抗熱震好，導(dǎo)熱系數(shù)高；碳的熔點(diǎn)高達(dá)3500℃，導(dǎo)熱系數(shù)高，耐急冷急熱，并對(duì)鐵水及爐渣的浸潤(rùn)角相當(dāng)大，難以侵蝕，與Al2O3、SiO2、SiC等無共熔關(guān)系，低膨脹率;搗打料中選用F、C>94%的鱗片石墨，較其它類型的碳素材料顯示了最佳的抗氧化性能，但是碳化硅和碳又共同具有易氧化的弱點(diǎn)。根據(jù)研究，SiC防止氧化可用以下的化學(xué)反應(yīng)式表達(dá)：
2C(s)+O2(g)→2CO(g)
SiC(a)+CO(g)→SiO(g)+2C(s)
SiO(g)+CO(g)→SiO2(s)+2C(a)
SiC(s)+2CO(g)→SiO2(s)+3C(s)
由上式可見，在SiC于C(s)共存的耐火材料中反應(yīng)可在表面形成CO(g)氣氛，與SiC顆粒反應(yīng)生成SiO(g)，同時(shí)析出C，可為填充空位，SiO(g)繼續(xù)與CO(g)反應(yīng)生成SiO2(s)保護(hù)層，在材料的表面形成SiO2(s)保護(hù)層有效地防止了抗氧化性。這樣，在SiC-C兩種共存的耐火材料中，由于上述反應(yīng)有效地提高材料抗氧化性，使兩種材料的優(yōu)異性能得以充分發(fā)揮。
以不同顆粒配比的碳化硅作為骨料，以石墨為部分基質(zhì)制成的碳化硅搗打料達(dá)到了冷卻壁材料的使用要求。
(二)防氧化劑
為進(jìn)一步提高材料的抗氧化性，在其中配入適量的防氧化劑以保證材料的使用性能。有多種材料可作防氧化劑，如Si、Al、Mg、B4C、BN、SiN4等，或選用兩種以上材料合金做為復(fù)合防氧化劑，防氧化劑的機(jī)理：它具有更好的親氧性，能比石墨等更易與氧反應(yīng)，其生成的氧化物能在材料表面形成液相保護(hù)層，充填氣孔或空隙，起到阻止或推遲進(jìn)一步氧化的作用。選用多種防氧化劑配入搗打料，測(cè)其在1200℃燒后得到失重率分別為8.1%，10.5%，11.1%，11.5%等。觀察脫C層與失重率結(jié)果相近，綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果及成本，選用了適宜的防氧化劑。
(三)結(jié)合劑的選擇
碳化硅搗打料不定形耐火材料有幾種可供選擇的結(jié)合劑，如磷酸鹽、樹脂等。經(jīng)過比較采用樹脂類結(jié)合劑的搗打料性能更為優(yōu)越。
酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物通稱為酚醛樹脂，一般常指由醛類(苯酚、加酚、二甲酚等)和醛類(甲醛、乙醛、糠醛等)或酸或堿的催化劑存在合成的縮聚物。
酚醛樹脂分為熱固性和熱塑性兩類，本材料中采用的是熱塑性酚醛樹脂樹脂比重1:1.22，粘度為5Pa·s，使用中加硬化劑。
酚醛樹脂和瀝青在使用中隨著溫度升高逐漸排出氣體面碳化、作為碳保留在耐火材料中，同時(shí)又起著結(jié)合作用，其兩者碳化的機(jī)理和碳化后的結(jié)構(gòu)形式是不一樣的，研究表明，酚醛樹脂作為固化、焦化和結(jié)構(gòu)調(diào)整三個(gè)階段，為固相碳化。瀝青碳化為液相碳化，經(jīng)過熔化、分解、聚合、焦化幾個(gè)階段，樹脂轉(zhuǎn)化的碳呈玻璃狀結(jié)構(gòu)，加熱中有一定的結(jié)晶傾向，但幾乎不可能轉(zhuǎn)化為石墨，為“非石墨化碳”瀝青所得到的談結(jié)構(gòu)有序，2000℃以上發(fā)生石墨化，可轉(zhuǎn)化為石墨，為“易石墨化碳”。然而，在作為耐火材料結(jié)合劑使用的過程中，是不會(huì)達(dá)到石墨化所要求的溫度的。
由于樹脂和煤焦油瀝青各有其不同的特點(diǎn)，將兩者混合起來，可使性能得到綜合的改善。研究表明，如果搭配選擇合適時(shí)，可形成整體均一的微細(xì)鑲嵌結(jié)構(gòu)，并可明顯地提高碳化率。實(shí)驗(yàn)證明，采用混合結(jié)合劑可獲得較高的強(qiáng)度(圖2)。
圖2 強(qiáng)度隨結(jié)合劑中樹脂加入量變化的曲線
結(jié)合劑作為樹脂和煤焦油瀝青的混合液。由圖2可見，隨著樹脂比例的增加，抗折強(qiáng)度顯示了上升的趨勢(shì)。然而也并不是越多越好，達(dá)到一定比例后，再增加摻入量強(qiáng)度反而下降。其原因，瀝青單獨(dú)使用液相碳化時(shí)，在結(jié)合碳素內(nèi)即產(chǎn)生裂紋，使碳結(jié)合的破壞韌性降低。顯示材料的強(qiáng)度降低。若單獨(dú)使用樹脂結(jié)合劑時(shí)，碳化形成玻璃狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合碳素不易形成裂紋，但抵抗裂紋擴(kuò)展的能力差。兩種結(jié)合劑搭配使用可形成微細(xì)鑲嵌結(jié)構(gòu)，可使碳結(jié)合的破壞韌性及抵抗裂紋擴(kuò)展的能力都提高，材料的強(qiáng)度、抗熱震性和抗渣性也都得到提高。通過實(shí)驗(yàn)，確定了樹脂和焦油的最佳配合比例，兩者的混用在經(jīng)濟(jì)上也更為合理。
四、搗打料的配制及施工
(一)配制
通過多次試驗(yàn)比較，選擇適宜的顆粒配比，以及結(jié)合劑的外加劑的加入量，依照一定的加料順序，用輪碾式混合機(jī)混料，保證足夠的混煉時(shí)間，達(dá)到柔軟、濕潤(rùn)、手感良好，用雙層編織袋包裝，每袋25kg。
(二)性能
按照標(biāo)準(zhǔn)成型試塊，測(cè)得性能見表2。
冷卻壁搗打料性能 表2
(三)施工
該料采用現(xiàn)場(chǎng)搗打，在每塊冷卻壁上支上模板，螺栓孔內(nèi)塞好木樁，將表面型砂、銹斑清理干凈并涂油，最后一層打好，表面清理平整。
該料搗打后要進(jìn)行烘烤，避免明火，常溫升到200℃，嚴(yán)格控制升溫速度，1h不超過20℃，200℃保溫8h以上，升溫過快會(huì)造成鼓脹和開裂。保溫后自然冷卻，冷卻壁搬運(yùn)安裝時(shí)防止磕碰。搗打料在冷卻壁上的使用情況見圖3。每塊冷卻壁有8~9個(gè)槽，槽內(nèi)填搗打料，圖中用小方格表示槽。
圖3 搗打料在冷卻壁上的使用
該搗打料在國(guó)內(nèi)多座高爐上成功使用，施工性能良好，廠方反映：未使用搗打料前，爐腹冷卻壁表面難以形成渣皮，導(dǎo)致冷卻壁燒損嚴(yán)重，爐殼嚴(yán)重變形，影響高爐的正常使用。采用搗打料后，高爐投產(chǎn)時(shí)各種數(shù)據(jù)測(cè)試表明，搗打料保護(hù)冷卻壁，保證正常的冷卻效果，延長(zhǎng)高爐壽命起到顯著作用。
五 結(jié)語
1. 碳化硅搗打料有著其它材料所不具備的特性。施工簡(jiǎn)便，工藝要求較鑲?cè)肽突鸫u的簡(jiǎn)單。價(jià)格低廉，僅為莫來石-螢青石磚的幾分之一，有著廣泛的推廣前景。
2. 復(fù)合結(jié)合劑能綜合樹脂和煤焦油瀝青各自的長(zhǎng)處形成微細(xì)鑲嵌結(jié)構(gòu)，碳化率高，強(qiáng)度、抗渣性等性能得到改善。
3. 碳化硅-碳共存的形式，在CO氣氛下，可在材料表面造成SiO2玻璃體保護(hù)層，起到防止養(yǎng)護(hù)的作用，使兩種原材料的優(yōu)良性能得以充分發(fā)揮。