徐国涛1，向武国2，王希波3，刘黎1，陈晓红4，张洪雷1

( 1． 武汉钢铁( 集团) 公司研究院，湖北武汉430080； 2． 武汉钢铁股份有限公司炼铁厂，湖北武汉430083；3． 山东耐火集团鲁耐窑业有限公司，山东淄博255200； 4． 武汉钢铁股份有限公司制造部，湖北武汉430083)

摘要: 为了提高高炉及热风炉用热风管系的使用寿命，对武钢及国内不同企业热风管系用耐火材料的组成与性能数据进行了收集和分析，对相关的企业标准及技术条件进行了讨论，并介绍了热风管系耐火材料行业标准的内容及其制定的要求。热风管系用耐火材料应该通过成分来控制材质，通过对重质砖的蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等指标的控制来保证砖衬的品质，通过对轻质砖的导热系数、加热永久线变化、耐压强度等指标的控制来保证其隔热和安全使用性能。建立适宜的热风管系耐火材料行业标准，有利于提高热风管系的使用寿命，降低维修成本，提高炼铁的技术水平。

关键词: 高炉；热风炉；耐火材料；标准；热风管系

热风管系是热风从热风炉本体输送到高炉之间的热风管道系统，它包括送风主管、支管、围管以及连通主管和围管、主管和支管的热风出口等部分。由于高炉一代炉龄已提高到15 ～ 20 年，而热风炉本体寿命达到20 ～ 30 年，因此，热风管系作为辅助系统，其使用寿命至少应与高炉同步。随着高炉与热风炉技术的不断进步，热风温度普遍提高，送风温度最高可达1 300 ℃，部分铁厂高炉热风管道出现了管壳表面温度过高、发红，内衬破损、掉砖、塌陷等问题，有的仅使用5 ～ 8 年就进行中修^［1-5］。热风管系耐火砖衬分为轻质隔热层砖和重质工作层砖; 隔热层一般由2 层或多层轻质砖砌筑，靠管壁的外层多采用轻质粘土砖，中间层采用轻质高铝砖或轻质莫来石砖; 在主管、支管、围管等部位的重质工作层可采用红柱石-莫来石、莫来石-红柱石-刚玉等材质的耐火砖; 在热风出口部位，由于热风阀开启过程中的瞬间冲击力很大，可选用含红柱石的刚玉-莫来石砖或性能相当的耐火材料。热风管系耐火材料选择不当，不能满足高风温的需求。武钢自2005 年开始，有针对性地对5 号、6 号、7 号、1 号高炉的热风管系耐火材料破损状况进行了调研，认为热风管系耐火材料事关高炉的稳定运行，建议制定相关的行业标准，对热风管系的定形耐火材料性能指标加以规范。2016 年8 月底，《高炉热风管系用耐火材料》通过了全国耐标委组织的标准审定。

1 武钢热风管系用耐火材料的技术条件及存在问题

武钢高炉及热风炉用热风管系耐火材料的要求随引进技术要求不同有所不同，有依据日本设计的耐火材料技术条件，也有按照霍戈文设计的热风炉提出的耐火材料技术条件，两者注重点有所差别。如5 号高炉管系用耐火材料采用日本标准，材质及性能要求严，技术指标高于7 号高炉，使用寿命达到16 年，热风主管炉衬基本无损坏; 7号高炉由于降低了成本，在蠕变性上没有作要求，HS 红柱石砖在荷软温度指标上有所降低，从2012 年的检修看出，主管内衬顶部出现裂纹、抽签、压缩性变形，隔热层有些指标偏低，在高风温下收缩开裂，影响管道的正常运行，炉衬用后形貌见图1。

日本公司对管系工作衬的高温蠕变率控制一般在1450 ℃ × 50 h不大于0.4 %，而抗热震稳定性指标一般要求不小于15 次。7 号高炉管径比5号高炉小，采用霍戈文的技术指标，砖型比较薄，霍戈文的技术指标中不注重抗热震稳定性指标。采用优质的红柱石-莫来石砖作为管道内衬工作层，质量好，寿命长; 采用高强抗热震轻质砖对提高支管及主管近本体部位的隔热性与结构稳定有利。另外1 个问题是材料价格与炉衬寿命的影响，早期的高炉管道用工作衬采购价格近12 000元/t，而低价中标的厂家达到5 000 ～ 6 000元/t 或更低，如果采用低价竞标，即使可以节省成本数百万元，但使用中出现事故后小修、中修的费用更高，损失可能几千万，因此在控制耐火材料成本的同时，必须保证管系耐火材料的质量，不以低价竞标的方式采购关键部位的长寿耐火材料。

按照武钢热风管系耐火材料的企业标准，工作层衬砖1500 ℃ × 4 h 重烧线变化率控制在± 0.2 %，热震稳定性1100 ℃，水冷循环控制在20 次以上，0.2 MPa 下的荷重软化温度控制在1470 ℃ 以上，1450 ℃ 或1500 ℃ 的蠕变率( 0.2 MPa^，× 50 h) 不大于1 %，( 0.2 MPa^，20 ～50 h) 不大于0.2 %。这个技术指标如果严格控制，武钢某些高炉，如5 号、6 号高炉的热风主管用后炉衬结构损坏较少，寿命较长，但要达到与高炉大修寿命同步，仍存在一定的困难。

隔热层衬砖包括轻质粘土砖和轻质高铝砖，轻质粘土砖耐压强度不小于2.5 MPa，2 种轻质高铝砖耐压强度分别不小于4 MPa和8 MPa，轻质粘土砖0.02 MPa的荷重软化温度控制在1 150 ℃以上，轻质高铝砖控制在1 380 ℃以上，从热风管系的破损调研结果看，需考虑隔热层衬砖工作层的开裂问题，如果送风温度在1200 ～ 1300 ℃，热风主管温度可能在1 300 ～ 1 350 ℃，一旦工作层出现开裂，轻质砖会出现高温收缩变形，造成管系的压缩塌陷。

2 国内热风管系用耐火材料的技术条件及存在问题

国内高炉的容积从几百立方米到5500 m³ 不等，其热风管系的耐火材料选择标准相差较大，由于以往多注重高炉与热风炉的长寿技术，管系存在的问题多被疏忽，出现问题通过小修或中修来弥补，但随着高炉大型化的技术发展，高炉与热风炉本体长寿，管系出现事故，造成整个系统的不协调。对于管系耐火材料，其化学成分的要求在于控制原材料的质量和性能，没有好的原材料，工作衬的性能很难达到要求。而常规的抗压强度、体积密度、气孔率与炉衬耐火材料配方、生产、价格密切相关。

表1 为_w( Al₂O₃) 在55 % ～ 58 %的红柱石莫来石砖的部分性能。在加热永久线变化上，要求不一，有些为± 0.2 % ( 1 500 ℃ × 4 h) ，有些为0 % ～ 0.2 % ( 1 450 ℃ ×4 h) ，前者试验温度高50 ℃，后者要求数值范围更窄。蠕变率分为2 种试验条件，1个为固定时间，如1 400 ℃ × 50 h不大于0.8 %；1 个为时间范围，如1 450 ℃ × ( 20 ～50) h 不大于0.2 %。

表2、表3 为_w( Al₂O₃) 在60 % ～ 75 % 的红柱石莫来石砖的部分性能。与表1 比较，_w( Fe₂O₃) 要求提高，体积密度增加，耐压强度、蠕变率、抗热破坏性能要求提高。

表4 为_w( Al₂O₃) 在75 % ～ 80 %的刚玉莫来石砖的部分性能。体积密度高，耐压强度、蠕变率要求较高。

从表1 至表4 看，用于管系工作衬耐火材料的指标控制比较复杂，要求各不相同; 如果指标控制较少，对耐火材料生产企业有利，但是对于管系长寿运行、炼铁生产稳定运行不利。

3 热风管系用耐火材料的行业标准制定

考虑到热风管系用耐火材料的特点，以往的企业标准都是以红柱石砖、刚玉莫来石砖等具体材料的形式来确定组成与性能范围，由于其材质的不确定性，不同企业选择差别大，规范性差，使用效果差别大，不理想。行业标准制定主要把握2 个方面: 成分控制与性能控制。根据高炉热风管系耐火材料的特点及用户要求，确定Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂、( K₂O + Na₂O) 、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、加热永久线变化、蠕变率、抗热震性、导热系数等物理化学指标，见表5，表6。

3．1 化学分析指标的确定

化学组成决定耐火材料制品的基本特性，化学成分的设定主要考虑2 个因素: 一是与相关产品标准的继承性和兼容性; 二是热风管系的使用安全性。设置了Al₂O₃，Fe₂O₃，TiO₂，K₂O + Na₂O₄ 个化学指标，Al₂O₃为其主要成分，Fe₂O₃，K₂O +Na₂O 为杂质，影响耐火砖的高温使用性能，TiO₂规范原料的品质，因此需要加以限定。小型高炉因为成本的考虑，未对TiO₂，K₂O + Na₂O 含量提出要求。

3．2 体积密度、显气孔率及常温耐压强度指标的确定

高炉热风管系用耐火材料主要用于热风管系工作层和隔热层的砌筑，为确保产品使用性能，延长热风管系使用寿命，设置了体积密度和显气孔率的检测项目，保证耐火砖的材质、致密度，利于提高其使用性能。设置了常温耐压强度指标，耐压强度主要反映材料的力学性能和烧结情况，影响着炉衬的结构稳定性能。常温耐压强度高，气孔率低，表明制品组织结构致密均匀，烧结良好，从而确保炉衬具有良好的结构强度和抗冲刷、磨损的能力。

3．3 加热永久线变化指标的确定

加热永久线变化反应了材料的高温体积稳定性，对耐火衬的膨胀结构或膨胀缝设计具有重要参考，是一般耐火材料严控的性能指标。在标准中限定炉衬高温条件下的变形量，保证了炉衬的整体稳定性，不至于收缩或膨胀导致开裂、坍塌。

3．4 蠕变率指标的确定

蠕变率表示在规定的温度和时间内，受恒定载荷产生的变形量。蠕变率是表征耐火材料高温性能的重要指标，影响着耐火材料在高温使用过程中的体积稳定性和使用性能。大型高炉因为要求比较严格，高温下的蠕变率要求较高; 中型高炉更注重使用过程的稳定性，所以以20 ～ 50 h内的蠕变率为控制指标。

3．5 抗热震性

抗热震性指耐火制品抵抗温度急剧变化的能力。由于高炉热风管系的工作特点，温度急冷急热、反复循环，故砖衬应具有良好的抗热震性。

3．6 导热系数

导热系数表示在单位时间内通过单位面积传递的热量，与材料的组成、结构、密度、温度等因素有关。对于管道保温材料来讲，要求导热系数低，同时要满足其使用性能。

高炉及热风炉热风管系用耐火材料行业标准中，定型耐火材料制品分为隔热层轻质砖和工作层重质砖。重质砖分为ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140 共7个牌号; 轻质砖分为QGW-0.8，QGW-1. 0，QGJ-0.8，QGJ-1. 0共4 个牌号。热风管系用耐火材料行业标准制定的产品理化指标应符合表5 和表6的规定。

通过标准的制定，可以从组成上规范热风管系耐火材料的材质，从性能上控制材料的品质，尤其是蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等指标，制约了生产者的造假行为，也为炼铁企业优质优价提供了1 个技术上的规范。1 座高炉热风管系的更换往往需要数千万元，如果仅仅因为几百万耐火材料的伪劣引起事故，造成检修频繁，应该是行业技术的倒退。因此热风管系耐火材料行业标准的制定，利于高炉管系耐火材料技术水平的提高。由于该标准涉及的热风管系耐火材料的基础数据既有耐火材料生产企业的产品技术数据，也有来源于武钢、宝钢、首钢、鞍钢、太钢、安阳钢厂等钢铁企业或设计单位的数据，具有广泛的代表性。国内没有系统、规范的热风管系用耐火材料产品标准，该标准对热风管系用耐火材料进行了合理的分类，并提出了相应的技术指标，可以为耐火材料生产企业和炼铁用户提供了选材和验收依据，对行业科技进步起到积极的引导作用。

4 结语

1) 高炉及热风炉用热风管系耐火材料的技术要求不同，导致炼铁企业的耐火材料标准不一致。武钢有的高炉管系用耐火材料采用日本技术，材质及高温蠕变等性能要求严，使用寿命达到16 年，热风主管炉衬基本无损坏; 有些高炉热风管系性能指标控制不当，使用过程容易损坏被迫提前检修，影响高炉的长寿运行。

2) 热风管系用耐火材料行业标准通过成分控制与性能控制来保证砖衬的材质与品质以提高其使用寿命。根据高炉热风管系的耐火材料特点及用户要求，确定Al₂O₃，Fe₂O₃等化学组成、显气孔率、体积密度、常温耐压强度、加热永久线变化、蠕变率、抗热震性、导热系数等指标为需控制的物理化学指标。

3) 管系工作层重质砖着重控制蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等指标; 轻质砖着重控制导热系数、加热永久线变化、耐压强度等指标来作为耐火材料生产企业与用户的验收条件，建立热风管系耐火材料行业标准利于提高热风管系的使用寿命，降低生产成本。