夏昌勇，王 奎，費(fèi)圣剛，吳龍水

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司 中冶耐火材料檢測(cè)中心，湖北 武漢 430081；2.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

實(shí)現(xiàn)爐況順行、高產(chǎn)、長(zhǎng)壽是當(dāng)前大高爐追求的目標(biāo)，這也對(duì)高爐爐襯技術(shù)提出了更高的要求，當(dāng)前高爐爐襯主流技術(shù)為強(qiáng)水冷炭質(zhì)薄爐襯復(fù)合陶瓷杯工藝。所謂“陶瓷杯”，即在高爐爐缸、爐底區(qū)域的炭磚內(nèi)部砌筑一層剛玉質(zhì)耐火材料，遇高溫?zé)Y(jié)后陶瓷化，形成的陶瓷襯像一個(gè)巨大的杯子，俗稱“陶瓷杯”。常見的高爐炭磚陶瓷杯爐缸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 炭磚復(fù)合陶瓷杯爐缸結(jié)構(gòu)示意圖

高爐內(nèi)砌筑陶瓷杯后，便于高爐開爐及達(dá)產(chǎn)，有利于爐況順行，大大延長(zhǎng)了高爐壽命。陶瓷杯可以減小高爐冶煉時(shí)鐵水在爐缸內(nèi)的流動(dòng)阻力，并對(duì)其冷面的炭磚實(shí)現(xiàn)保護(hù)，避免陶瓷杯外的炭磚直接受鐵水侵蝕，防止炭磚脆性斷裂，同時(shí)還使得爐襯具有適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力釋放空間。這樣就對(duì)陶瓷杯的性能提出了更高的要求，不僅要具有良好的抗鐵水滲透侵蝕、抗鐵水急速?zèng)_刷磨損的性能，還應(yīng)具有較低的熱導(dǎo)率，能將1 150℃鐵水凝固等溫線以及815℃炭磚斷裂溫度阻止在陶瓷杯內(nèi)部。在這一條件下，如果陶瓷杯磚在某個(gè)部位受損，鐵水滲透進(jìn)入陶瓷杯磚內(nèi)，由于1 150℃鐵水凝固等溫線以及炭磚斷裂溫度815℃控制在陶瓷杯內(nèi)部，不會(huì)侵蝕到杯外炭磚，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上緩解了鐵水及堿金屬對(duì)炭磚的滲透、沖刷破壞；同時(shí)陶瓷杯用的主要原料剛玉質(zhì)材料是低導(dǎo)熱的陶瓷材料，且具有較高的抗?jié)B透性和抗沖刷性，可以很好地保護(hù)炭質(zhì)爐襯[1]。提高陶瓷杯材料的抗熱應(yīng)力近年來受到了行業(yè)內(nèi)專家們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，為了有利于關(guān)閉磚縫，要求所選陶瓷杯材料具有適度的微膨脹性能，同時(shí)又要求其具有較好的抵抗熱膨脹應(yīng)力的能力，這就需要該材料具有較高的抗裂因子R’和適當(dāng)?shù)娜渥冃阅躘2]。劣質(zhì)耐火材料的使用嚴(yán)重縮短了高爐的使用壽命，甚至出現(xiàn)爐溫升高，爐況惡化及爐缸燒穿等惡性后果，為了減少和避免上述事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)高爐的高產(chǎn)長(zhǎng)壽，高爐陶瓷杯的質(zhì)量控制顯得更為重要。

1 生產(chǎn)配方及主要原料的控制

1.1 生產(chǎn)配方

高爐陶瓷杯采用棕剛玉、電熔剛玉、板狀剛玉、莫來石、SiC粉、Si3N4粉和Si粉為主要原料，以α-Al2O3粉、優(yōu)質(zhì)黏土粉、SiO2微粉、紙漿廢液或樹脂等做結(jié)合劑。對(duì)于陶瓷杯制品的理化指標(biāo)要求不同，原料配比就有所不同。常用陶瓷杯磚生產(chǎn)配方的主要原料見表1。

表1 常用陶瓷杯磚生產(chǎn)配方主要原料

1.2 主要原料制備及性能簡(jiǎn)介

（1）棕剛玉以優(yōu)質(zhì)鋁礬土為原料，以炭（主要為焦炭）為還原劑，同時(shí)加入鐵屑為沉降劑，以形成硅鐵沉于爐底。在電弧爐中經(jīng)2 000℃以上高溫熔煉制成，經(jīng)自磨機(jī)粉碎整形，磁選去鐵，篩分后按粒度分級(jí)。棕剛玉的顏色在很大程度上依賴于殘存于制品中的氧化鈦，優(yōu)質(zhì)棕剛玉為棕褐色，硬度高、強(qiáng)度大、耐酸堿，在高溫下具有良好的耐磨性、抗侵蝕性及體積穩(wěn)定性。

（2）莫來石是一系列由鋁硅酸鹽組成的礦物的統(tǒng)稱。目前使用的主要為合成莫來石，具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變率小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。與燒結(jié)莫來石相比（莫來石結(jié)晶為5～10 μm），電熔高純莫來石（結(jié)晶達(dá)1 000～2 000 μm）高溫力學(xué)性能和抗侵蝕性能要好得多，且雜質(zhì)含量低。高爐陶瓷杯磚通常使用的為高純電熔莫來石[3]。

1.3 主要原料取樣方法及取樣量

主要原料的取樣參照耐火原料抽樣檢驗(yàn)規(guī)則GB/T 17617-2018和普通磨料取樣方法GB/T 4676-2003及相關(guān)原料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)YB/T 104-2005、JC/T2134-2012、GB/T 2881-2008等進(jìn)行。具體取樣方法及取樣量見表2。

表2 主要原料取樣方法及取樣量

1.4 主要原料性能指標(biāo)要求

主要原料檢測(cè)指標(biāo)參照GB/T 2478-2008、GB/T 2479-2008、YB/T 104-2005、GB/T 2480-2008、GB/T 2481-2008、JC/T 2134-2012進(jìn)行（見表3）。

表3 主要原料性能指標(biāo) （w%）

制品的使用條件、技術(shù)要求和原料的特性是選擇原料和配方的重要依據(jù)，在配方中必須根據(jù)原料的不同特性和制品性能的要求來選擇原料。質(zhì)量控制人員應(yīng)了解各種陶瓷杯磚的主要配方，熟悉各種原料的性能，在組織生產(chǎn)時(shí)對(duì)進(jìn)廠原料分類分批進(jìn)行檢查并抽樣，檢驗(yàn)合格方可進(jìn)行下一步工序。

2 生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程監(jiān)督的控制

2.1 陶瓷杯磚生產(chǎn)工藝

陶瓷杯磚工藝如圖2所示。

2.2 SAVOIE預(yù)制塊生產(chǎn)工藝

SAVOIE預(yù)制塊生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 陶瓷杯磚生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

2.3 整體澆筑陶瓷杯生產(chǎn)工藝

整體澆筑陶瓷杯生產(chǎn)工藝如圖4所示。

圖4 整體澆筑陶瓷杯生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

圖3 SAVOIE預(yù)制塊生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

2.4 生產(chǎn)工藝控制

2.4.1 原料混練及成型要求

（1）微孔剛玉磚

棕剛玉顆粒在使用前要去除鐵和雜質(zhì)及做抗爆裂試驗(yàn)，除鐵和雜質(zhì)為防止在高溫?zé)蓵r(shí)形成斑點(diǎn)及熔洞，影響外觀質(zhì)量；做抗爆裂試驗(yàn)防止在高溫?zé)蓵r(shí)棕剛玉顆粒爆裂形成熔洞及層裂。為了提高磚體的抗侵蝕性和抗氧化性，降低氣孔率和孔徑，提高磚體的微孔率，一般會(huì)加入更易氧化的Si粉和非氧化物SiC粉。其作用是在高溫下形成新物相，體積膨脹，堵塞氣孔，使磚體致密，從而減少了外界的氧化性氣氛進(jìn)入磚體而產(chǎn)生氧化破壞；磚體的孔徑越小其孔的表面張力越大，磚體就越不容易被爐氣、爐渣、鐵水等滲透侵入造成破壞[4]。

目前在微孔剛玉磚生產(chǎn)中多采用酚醛樹脂作結(jié)合劑，當(dāng)加熱至高溫時(shí)（大于700℃）酚醛樹脂開始分解進(jìn)行碳化反應(yīng)，最終形成C-C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而成為永久性結(jié)合相，并具有極高的結(jié)合強(qiáng)度[5]。配料中樹脂加入量根據(jù)成型方法、坯料粒度及原料致密性來確定，通常加入量不超過5%（w）。坯料宜在加熱條件下混練，混練時(shí)間是主要控制參數(shù)，混練時(shí)若粒度分布不均，則造成制品密度不均，焙燒時(shí)膨脹收縮不均易形成裂紋；粘結(jié)劑分布不均則會(huì)造成局部粘結(jié)不牢，局部形成孔洞或裂紋[6]?；旌蟮呐髁蠎?yīng)根據(jù)其體積來決定成型壓力機(jī)的噸位及打壓次數(shù)，一般成型壓力應(yīng)不低于100 MPa，打壓次數(shù)不低于10次。

（2）塑性相復(fù)合剛玉磚及剛玉莫來石磚

塑性相復(fù)合剛玉磚是含有一定塑性相的、以剛玉和非氧化物為主要成分的復(fù)合耐火制品。主要原料為棕剛玉顆粒，通常加入量不低于60%，在使用前也要進(jìn)行除鐵和雜質(zhì)及做抗爆裂試驗(yàn)。電熔莫來石以細(xì)粉的方式加入，更有利于形成莫來石相，促進(jìn)莫來石晶體的生長(zhǎng)，使制品莫來石化，以提高抗高溫蠕變性能。SiC化學(xué)性能穩(wěn)定，硬度大、耐磨性好、高溫時(shí)體積膨脹填塞氣孔，可以大大提高磚體的抗渣性及抗鐵水熔蝕指數(shù)。Si3N4是一種超硬的陶瓷結(jié)構(gòu)材料，具有潤(rùn)滑性，適量加入可以大大提高脫模質(zhì)量及成品率；同時(shí)與SiC結(jié)合生成Si3N4-SiC結(jié)構(gòu)陶瓷材料，結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)地均勻，耐侵蝕、抗沖擊性強(qiáng)[7]。Si粉、SiO2微分、α-Al2O3粉、黏土粉以及紙漿廢液等按比例加入水磨機(jī)中，經(jīng)混合均勻后加水混，磨制成均勻泥漿結(jié)合劑，然后再將制得的均勻泥漿結(jié)合劑加入待混碾基料的顆粒料中，使泥漿完全包裹在顆粒料表面，混碾完成后的坯料不需困料可直接運(yùn)至壓力機(jī)成型。結(jié)合劑采用這種方式加入可大大提高混料均勻度，有利于成型時(shí)降低磚坯氣孔率，提高磚坯強(qiáng)度，提高成品率。成型時(shí)根據(jù)磚坯體積來決定成型壓力機(jī)的噸位及打壓次數(shù)，一般壓力機(jī)噸位應(yīng)不低于630 t，打壓次數(shù)不低于12次。

（3）SAVOIE預(yù)制塊

SAVOIE預(yù)制塊是從法國(guó)引進(jìn)的陶瓷杯技術(shù)，為大型預(yù)制塊結(jié)構(gòu)。以棕剛玉顆粒為骨料，加入剛玉粉、莫來石粉等為主要原料，以SiC粉、Si粉、Si3N4粉及鋁酸鹽水泥等作結(jié)合劑。混合均勻后加水?dāng)嚢?，制成澆注料，再注入模具澆注成型，制成超低水泥澆注料預(yù)制塊?；炷霑r(shí)間、加水量及振動(dòng)質(zhì)量是控制要點(diǎn)，混碾不均易造成局部結(jié)團(tuán)；加水量過少泥漿不能完全包裹骨料顆粒，造成預(yù)制塊內(nèi)部疏松、分層等；加水量過多，造成氣孔率過大，影響強(qiáng)度；振搗不均勻，易造成局部疏松、孔洞或夾雜等缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）整體澆筑陶瓷杯

整體澆筑陶瓷杯是以美國(guó)美固美特為首推出的一項(xiàng)重造陶瓷杯的新技術(shù)。首先對(duì)舊爐缸清理并對(duì)清理后的表面用氧氣吹掃，去除浮塵；再用高導(dǎo)熱材料對(duì)炭磚損壞區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)；支模后，采用陶瓷澆注料進(jìn)行整體澆筑，養(yǎng)護(hù)后拆模，按照特定升溫曲線進(jìn)行烘爐。整體澆筑的陶瓷杯其特點(diǎn)在于緊貼炭磚直接進(jìn)行支模澆筑，澆筑的陶瓷杯與炭磚無縫結(jié)合，使?fàn)t缸結(jié)構(gòu)更加緊密；消除了傳統(tǒng)陶瓷杯砌筑時(shí)的磚縫及陶瓷杯與炭磚間的填充層，避免了磚縫導(dǎo)致的薄弱環(huán)節(jié)，減少了熱阻層，使?jié)仓蟮臓t缸整體傳熱率得到保證，達(dá)到傳熱平衡，保護(hù)爐襯安全，避免隱患的發(fā)生。

（5）干燥及焙燒制度

微孔剛玉磚的生產(chǎn)過程與炭磚大致相似，必須防止磚坯在高溫下氧化，所以制品的焙燒必須在還原氣氛下進(jìn)行。成型后的磚坯養(yǎng)護(hù)24 h后，可進(jìn)入干燥窯干燥，干燥完成后一般在倒焰窯或梭式窯中燒成。微孔剛玉磚的焙燒是通過間接加熱進(jìn)行，焙燒時(shí)通常用＜4 mm的焦炭顆粒作填料填充于微孔剛玉磚的四周，以形成還原性氣氛。由于傳熱條件差，所以焙燒時(shí)間較長(zhǎng)。微孔剛玉磚的焙燒過程大致可分為預(yù)熱及揮發(fā)物排除階段、高溫階段和冷卻階段。微孔剛玉磚的焙燒必須嚴(yán)格控制升溫和降溫速率，以減少制品裂紋的出現(xiàn)，提高成品率。普通微孔剛玉磚焙燒制度見表4。

表4 普通微孔剛玉磚焙燒制度[8]

塑性相復(fù)合剛玉磚及剛玉莫來石磚干燥完成后直接裝入隧道窯中，在氧化氣氛下燒成。由于剛玉的固有特性，抗熱震性較差，因此升溫及降溫速率不應(yīng)過快。為了提高產(chǎn)品的高溫性能，最低燒成溫度不應(yīng)低于1 480℃，保溫時(shí)間不得低于10 h。

SAVOIE預(yù)制塊由于其體積較大，干燥必須充分，干燥溫度及時(shí)間是控制要點(diǎn)。產(chǎn)品的干燥及焙燒必須按照相應(yīng)的升溫曲線進(jìn)行。升溫過快易造成脫水過快，形成裂紋。通常養(yǎng)護(hù)72 h后脫模送入150℃紅外干燥窯進(jìn)行脫水干燥；干燥完成后升溫至600℃保溫12 h進(jìn)行低溫?zé)?，出窯后的預(yù)制塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工打磨，再組裝預(yù)砌。

2.5 成型后磚坯質(zhì)量初步控制

成型后的磚坯分批次隨機(jī)取樣進(jìn)行體積密度、顯氣孔率、水分、尺寸及外觀等檢驗(yàn)。初步尺寸檢驗(yàn)包括但不限于長(zhǎng)、寬、高、扭曲、相對(duì)邊差等，初步外觀檢驗(yàn)包括但不限于缺棱掉角、疏松、裂紋、孔洞、夾雜及層裂等。對(duì)于超標(biāo)磚，數(shù)量少時(shí)要及時(shí)挑出，以免混入合格磚坯進(jìn)入干燥窯，造成能源浪費(fèi)；數(shù)量多時(shí)要及時(shí)查找原因，以免造成更大的人力、物力浪費(fèi)及損失，做到及早發(fā)現(xiàn)及早處理。

3 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及預(yù)組裝驗(yàn)收

3.1 出窯產(chǎn)品質(zhì)量控制

對(duì)出窯產(chǎn)品分類分批取樣進(jìn)行理化指標(biāo)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)入下一步加工工序。陶瓷杯制品的抽樣檢驗(yàn)及尺寸、外觀合格判定規(guī)則嚴(yán)格按照GB/T 10325-2012執(zhí)行。陶瓷杯磚的抽樣批次應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行，技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，塑性相復(fù)合剛玉磚參照YB/T 4129-2005執(zhí)行，微孔剛玉磚參照YB/T 4134-2005執(zhí)行。所有產(chǎn)品必須在具有國(guó)家級(jí)資質(zhì)的專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行理化檢測(cè)。需要注意的是對(duì)產(chǎn)品取樣檢測(cè)時(shí)，不應(yīng)只在出窯的產(chǎn)品中抽取，還應(yīng)在加工預(yù)砌時(shí)，在預(yù)砌平臺(tái)上隨機(jī)抽取試樣，也可在加工磚時(shí)，在切除部分隨機(jī)抽取，以督使生產(chǎn)部門在加工預(yù)砌時(shí)認(rèn)真仔細(xì)，避免把不同材質(zhì)的陶瓷杯磚混入。

3.2 加工后產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)控制

加工后產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)控制主要包括尺寸偏差控制、外觀質(zhì)量控制和斷面質(zhì)量檢查控制等?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行，技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。塑性相復(fù)合剛玉磚參照YB/T 4129-2005執(zhí)行，微孔剛玉磚參照YB/T 4134-2005執(zhí)行。加工后產(chǎn)品尺寸和外觀等質(zhì)量判斷的詳細(xì)檢驗(yàn)方法可參照GB/T 10325-2012執(zhí)行。

3.3 對(duì)預(yù)組裝陶瓷杯進(jìn)行驗(yàn)收

對(duì)預(yù)組裝陶瓷杯進(jìn)行驗(yàn)收的主要內(nèi)容有標(biāo)高控制、直徑控制、表面平整度、垂直縫、放射縫、環(huán)縫、重縫和錯(cuò)臺(tái)等。驗(yàn)收合格的預(yù)組裝陶瓷杯應(yīng)用顏色鮮明的防水顏料進(jìn)行逐塊編號(hào)，作出明確標(biāo)記。對(duì)于預(yù)組裝陶瓷杯的驗(yàn)收應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行，技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。具體的陶瓷杯預(yù)組裝及檢驗(yàn)方法可參考YB/T 4134-2005執(zhí)行。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)高爐陶瓷杯制作工藝的解析，使大家對(duì)高爐陶瓷杯的主要原料和性能、成型方法和要求、干燥和燒成工藝以及檢選和驗(yàn)收的質(zhì)量控制要點(diǎn)有了一個(gè)全方位的了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)從事該工作的人員起到了參考作用。

（2）通過后期跟蹤走訪發(fā)現(xiàn)，采用該監(jiān)制程序及方法生產(chǎn)的高爐陶瓷杯在施工時(shí)砌筑方便、快捷，砌筑后質(zhì)量?jī)?yōu)良；在高爐使用中效果良好，高爐爐況順行、高產(chǎn)、長(zhǎng)壽，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）本著節(jié)能、長(zhǎng)壽、高效利用的原則和從實(shí)際使用情況出發(fā)，本監(jiān)制程序和方法科學(xué)、合理、嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)設(shè)計(jì)、研發(fā)及使用人員等在實(shí)際工作中具有一定的指導(dǎo)意義，值得相關(guān)行業(yè)借鑒并推廣。