車玉滿，李忠武，孟超惠，謝明輝，郭天永，李仲

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山 114021；3.鞍鋼股份有限公司制造管理部，遼寧 鞍山 114021）

伴隨著我國高爐技術(shù)的快速發(fā)展，高爐炭磚生產(chǎn)工藝及理化指標(biāo)也得到了快速發(fā)展和改進(jìn)。20世紀(jì)50年代到70年代，我國高爐用炭磚幾乎都是從前蘇聯(lián)引進(jìn)的普通炭磚，其理化指標(biāo)非常差，高爐壽命也非常短。從20世紀(jì)80年代開始，伴隨著我國鋼鐵產(chǎn)量進(jìn)入大幅度增長通道，高爐開始向大型化發(fā)展，高爐冶煉強(qiáng)度越來越高，普通炭磚的質(zhì)量已經(jīng)無法滿足高爐長壽的要求。自此，我國開始重視炭磚的研發(fā)，先后開發(fā)了自焙炭磚、半石墨炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚以及高導(dǎo)熱石墨炭磚，高爐用炭磚技術(shù)和質(zhì)量取得了巨大進(jìn)步。同時，我國一些企業(yè)的大型高爐也開始大量引進(jìn)國外優(yōu)質(zhì)炭磚，我國高爐用炭磚整體上已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但是，除少數(shù)幾家企業(yè)外，大多數(shù)企業(yè)高爐長壽水平依然沒有達(dá)到一代爐役壽命15年、單位爐容產(chǎn)量15 000 t/m的目標(biāo)，除與施工質(zhì)量、日常管理等因素有關(guān)外，也與不恰當(dāng)炭磚選材、過分追求單一的理化指標(biāo)以及爐缸結(jié)構(gòu)不合理有關(guān)。

1 我國高爐用炭磚發(fā)展歷程

1.1 普通炭磚

20世紀(jì)50年代到70年代，我國高爐用炭磚幾乎都是從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)和工藝生產(chǎn)的普通炭磚，具體性能指標(biāo)見表1。普通炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)最高只能達(dá)到5.0 W/（m·K），透氣度基本在150 mDa以上，鐵水熔蝕指數(shù)基本在30%以上，抗堿侵蝕指標(biāo)較差。由于當(dāng)時的高爐冶煉強(qiáng)度普遍不高，普通炭磚基本滿足了高爐一代爐役壽命8～10年的要求。

表1 普通炭磚性能指標(biāo)Table 1 Performance Indexes of Common Carbon Bricks

1.2 自焙炭磚

20世紀(jì)80年代，我國自主研發(fā)了一種簡單的炭磚——自焙炭磚生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)低氣孔率自焙炭磚、半石墨自焙炭磚等產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量較鋁磚、黏土磚明顯提高，在一段時間內(nèi)得到了推廣應(yīng)用。應(yīng)用后，一些高爐取得了明顯效果，高爐一代爐役壽命得到有效延長，例如鞍鋼10號高爐第5代爐齡達(dá)到了13年8個月，單位爐容產(chǎn)量10 117 t/m；但大部分高爐實(shí)際效果并不好，主要是高爐開爐后一段時間內(nèi)自焙炭磚熱面溫度沒有達(dá)到焙燒溫度，炭磚性能指標(biāo)沒有得到改善，導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)只能達(dá)到5.0～7.0 W/（m·K），透氣度基本在35 mDa以上，<1 μm孔容積比和耐壓強(qiáng)度指標(biāo)非常低，耐鐵水滲透侵蝕能力差。某高爐大修停爐后自焙炭磚性能指標(biāo)見表2。

表2 自焙炭磚性能指標(biāo)Table 2 Performance Indexes of Self-baking Carbon Bricks

1.3 半石墨炭磚

20世紀(jì)80年代中期到90年代初期，我國自主研發(fā)了半石墨炭磚，一些企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到或接近同時期日本BC-5S質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，半石墨炭磚性能指標(biāo)見表3。產(chǎn)品主要有普通半石墨炭磚和半石墨SiC磚。優(yōu)質(zhì)半石墨炭磚是以電煅無煙煤為原料，完全不用冶金焦，與普通炭磚及自焙炭磚相比，導(dǎo)熱系數(shù)、耐壓強(qiáng)度、透氣度等指標(biāo)均得到提升，但<1 μm孔容積比和氧化率指標(biāo)依然偏低。同時，由于半石墨炭磚生產(chǎn)工藝相對簡單，一些企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，使用冶金焦作為原料，造成了半石墨炭磚質(zhì)量良莠不齊。

表3 半石墨炭磚性能指標(biāo)Table 3 Performance Indexes of Half-graphite Carbon Bricks

1.4 微孔炭磚

為了提高炭磚抗鐵水滲透侵蝕能力，從20世紀(jì)90年代初期開始，國內(nèi)開發(fā)了微孔炭磚生產(chǎn)工藝，該工藝以電煅無煙煤為主原料，添加少量SiO、AlO細(xì)粉作為添加劑，產(chǎn)品的性能指標(biāo)見表4。由表4可見，微孔炭磚平均孔徑達(dá)到了0.24 μm，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)≤0.5 μm 水平；<1 μm 孔容積比達(dá)到了73.69%，超出標(biāo)準(zhǔn)要求；導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了 10 W/(m·K）（300 ℃）以上，而且隨著溫度上升，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定上升，增強(qiáng)了防止鐵水滲透侵蝕、堿金屬（KO、NaO）及鋅化學(xué)侵蝕的能力。上述指標(biāo)大幅提升的同時，耐壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)也大幅提升，國產(chǎn)微孔炭磚的質(zhì)量水平已進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。

表4 國產(chǎn)微孔炭磚性能指標(biāo)Table 4 Performance Indexes of Domestic Micro-pore Carbon Bricks

1.5 超微孔炭磚

超微孔炭磚是以石墨化無煙煤和電煅無煙煤作為原料，添加包括SiO、AlO、金屬Al和金屬Si細(xì)粉作為添加劑的生產(chǎn)工藝，添加多種添加劑的主要作用是大幅度提高＜1 μm孔容積比指標(biāo)，超微孔炭磚的＜1 μm孔容積比指標(biāo)基本達(dá)到了80%以上，同時透氣度性能也得到大幅度降低。采用提高石墨化度的生產(chǎn)工藝的超微孔炭磚導(dǎo)熱系數(shù)一般能夠達(dá)到 18 W/(m·K）（300℃）以上，而且隨著溫度上升，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定上升，除抗壓強(qiáng)度指標(biāo)偏低外,其他指標(biāo)基本接近國外同類型炭磚的性能指標(biāo)，具體見表5。

表5 國產(chǎn)超微孔炭磚性能指標(biāo)Table 5 Performance Indexes of Domestic Supper Micro-pore Carbon Bricks

2 國外優(yōu)質(zhì)炭磚在國產(chǎn)高爐的應(yīng)用

隨著我國高爐現(xiàn)代化、大型化快速發(fā)展，一些大型高爐引進(jìn)國外優(yōu)質(zhì)炭磚，主要有美國UCAR公司模壓小塊炭磚NMA、NMD，法國大塊炭磚AM102，日本 NDK 大塊炭磚 BC-7S、BC-8SR、BC-12SR，德國SGL大塊炭磚SGL-7RD和SGL-9RDN等。

2.1 美國UCAR公司模壓小塊炭磚NMD和NMA

美國UCAR公司模壓小塊炭磚NMD和NMA在國內(nèi)很多高爐上應(yīng)用,取得過較好效果。NMD主要以電極石墨為原料，添加SiO細(xì)粉作為添加劑；NMA主要是以電煅無煙煤和電極石墨為原料，添加SiO細(xì)粉作為添加劑。具體性能指標(biāo)見表6。

表6 美國UCAR公司NMD和NMA炭磚性能指標(biāo)Table 6 Performance Indexes of NMD & NMA Carbon Bricks Made by UCAR Company in USA

（1）NMD 炭磚

NMD炭磚室溫下導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到100 W/(m·K)，但隨著溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)顯著下降，明顯屬于石墨磚特性。NMD炭磚致密度很高，體密高達(dá)1.90 g/cm，顯氣孔率很低，屬超高密度炭素制品，抗氧化、抗鐵水熔蝕性很好，遠(yuǎn)優(yōu)于微孔炭磚。但NMD平均孔 徑 約 為 1.0 μm，＜1 μm 孔容積比 僅 能 達(dá) 到52%，抗鐵水滲透侵蝕性能較差。

NMD炭磚的原料以電極石墨為主，經(jīng)熱壓成型，完全不用電煅無煙煤，焙燒溫度較低，添加SiO細(xì)粉未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也沒有轉(zhuǎn)換成βSiO相，因而微氣孔性能差，結(jié)構(gòu)疏松多孔，抗鐵水滲透侵蝕性能較差。

（2）NMA 炭磚

NMA炭磚顯氣孔率為15%左右，體積密度為1.65 g/cm左右，導(dǎo)熱系數(shù)較好，在 14～20 W/（m·K）之間，抗鐵水熔蝕指數(shù)>30%，＜1 μm孔容積比僅能達(dá)到40%，微氣孔性能差，添加SiO細(xì)粉未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)換成βSiO相，其綜合性能指標(biāo)不如一般微孔炭磚。

2.2 法國大塊炭磚AM102

我國除武鋼5高爐第一代爐役引進(jìn)法國AM102炭磚外，尚無其他企業(yè)報導(dǎo)。按照我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，法國AM102屬于微孔炭磚，原料全部以電煅無煙煤為主，具體性能指標(biāo)見表7。由表7可見，AM102 炭磚平均孔徑為 0.11 μm，＜1 μm 孔容積比達(dá)到了79%，鐵水熔蝕指數(shù)達(dá)到了13.5%；導(dǎo)熱系數(shù) 300 ℃時為 8.25 W/（m·K），低于標(biāo)準(zhǔn)要求，而且隨著溫度上升，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定上升，600℃時達(dá)到了14 W/（m·K），遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求；抗鐵水滲透侵蝕、堿金屬（KO、NaO）及鋅化學(xué)侵蝕的能力較好，但耐壓強(qiáng)度指標(biāo)較低，在高爐內(nèi)容易出現(xiàn)粉化、剝離侵蝕。

表7 法國AM102炭磚性能指標(biāo)Table 7 Performance Indexes of French AM102 Carbon Bricks

2.3 日本NDK大塊炭磚BC-7S和BC-8SR

日本NDK大塊炭磚BC-7S、BC-8SR在國內(nèi)很多高爐上應(yīng)用后取得過較好效果，其主要以電煅無煙煤為原料，添加SiO細(xì)粉，按照我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BC-7S屬于微孔炭磚，BC-8SR屬于超微孔炭磚,具體性能指標(biāo)見表8。

表8 BC-7S、BC-8SR炭磚性能指標(biāo)Table 8 Performance Indexes of BC-7S & BC-8SR Carbon Bricks

（1）BC-7S大塊炭磚

BC-7S采用電鍛無煙煤作為主要原料，添加SiO細(xì)粉,無人造石墨添加劑，穩(wěn)定性非常好,最大不足是<1 μm孔容積比指標(biāo)低,未達(dá)到70%以上，但是平均孔徑達(dá)到了<1 μm的要求。顯微結(jié)構(gòu)可見，加入的 Si粉未與 C 發(fā)生反應(yīng)生成 SiC，其抗鐵水熔蝕性好，鐵水熔蝕率<20%，優(yōu)于國產(chǎn)炭磚，導(dǎo)熱系數(shù)平均 12 W/（m·K）（300 ℃），達(dá)到了我國微孔炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)的要求水平,而且導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化發(fā)生較大波動,說明質(zhì)量穩(wěn)定性非常好。BC-7S存在的最大問題是耐壓強(qiáng)度和<1 μm孔容積比指標(biāo)低，容易出現(xiàn)粉化和疏松。

（2）BC-8SR大塊炭磚

BC-8SR大塊炭磚是以電煅無煙煤為主要原料，加入少量電極石墨，其耐壓強(qiáng)度指標(biāo)大幅度上升，平均孔徑指標(biāo)基本能夠達(dá)到0.1 μm左右，<1 μm孔容積比達(dá)到80%以上，超過微孔炭磚標(biāo)準(zhǔn)要求水平，抗鐵水熔蝕性好，鐵水熔蝕率<30%，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá) 18 W/（m·K）（300 ℃）以上，但導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度上升出現(xiàn)明顯下降，具有石墨屬性。

BC-8SR炭磚各項性能指標(biāo)比BC-7S有所上升，但導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性不如BC-7S，不宜過多用在與鐵水接觸熱面使用，否則會影響使用效果。近年來，日本NDK公司相繼開發(fā)出BC-10SR、BC-12SR、BC-15SR系列產(chǎn)品，導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)甚至提高至30 W/（m·K）以上，達(dá)到我國石墨炭磚的標(biāo)準(zhǔn)，但其使用效果還有待評估。

2.4 德國SGL大塊炭磚SGL-7RD和SGL-9RDN

近年來德國SGL大塊炭磚SGL-7RD和SGL-9RDN在國內(nèi)很多大型高爐上得到應(yīng)用,取得過較好效果，其主要是以電煅無煙煤為原料，添加SiO細(xì)粉，按我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)屬于超微孔炭磚，具體指標(biāo)見表9。

表9 SGL-7RD和SGL-9RDN炭磚性能指標(biāo)Table 9 Performance Indexes of SGL-7RD & SGL-9RDN Carbon Bricks

（1）SGL-7RD

SGL-7RD是德國SGL公司20世紀(jì)90年代產(chǎn)品，在我國許多大型高爐得到應(yīng)用。SGL-7RD炭磚是采用電鍛無煙煤1 600℃以上高溫焙燒，其抗壓強(qiáng)度指標(biāo)超過50 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)雖然不高，但穩(wěn)定性非常好，該特征表明SGL-7RD中無人造石墨添加劑。

（2）SGL-9RDN

SGL-9RDN是德國SGL公司21世紀(jì)之后開發(fā)的產(chǎn)品，近年來在我國大型高爐上得到應(yīng)用，發(fā)展較為迅猛。SGL-9RD炭磚采用電鍛無煙煤高溫焙燒，與SGL-7RD相比導(dǎo)熱系數(shù)大幅度提升，但是導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)隨著溫度發(fā)生波動，而且呈現(xiàn)高溫度區(qū)間導(dǎo)熱系數(shù)下降的趨勢，導(dǎo)熱系數(shù)這一特征表明，應(yīng)該添加一些石墨質(zhì)添加劑。

3 高爐用炭磚綜合評述

根據(jù)多座使用不同炭磚品種的高爐破損調(diào)查結(jié)果，炭磚被侵蝕的主要原因依次是：

（1）鐵水滲透侵蝕。主要發(fā)生在爐缸底部位置，與炭磚所承受鐵水靜壓力有關(guān)，當(dāng)鐵水靜壓力大于0.6 MPa后，鐵水容易滲入>1 μm炭磚空隙內(nèi)部，破壞炭磚組織結(jié)構(gòu)。該種侵蝕主要與炭磚<1 μm孔容積比、透氣度等指標(biāo)有關(guān)。因此，爐缸鐵口以下部位炭磚應(yīng)該選擇<1 μm孔容積比大于80%、透氣度小于5 mDa的真正超微孔炭磚。

（2）炭磚熱面出現(xiàn)疏松和粉化。當(dāng)炭磚所承受的熱應(yīng)力和剪切力之和超過耐壓強(qiáng)度時，炭磚容易出現(xiàn)環(huán)裂，爐內(nèi)含堿金屬、鋅和水蒸氣煤氣滲入裂縫，與炭磚發(fā)生化學(xué)侵蝕反應(yīng)，造成炭磚晶格膨脹后出現(xiàn)疏松和粉化。該種侵蝕主要與炭磚導(dǎo)熱系數(shù)、耐壓強(qiáng)度、氧化率和抗堿性指標(biāo)有關(guān)。當(dāng)炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)提高到16 W/（m·K）以上、耐壓強(qiáng)度大于50 MPa以上，以及氧化率指標(biāo)<16%和耐堿性侵蝕達(dá)到良或優(yōu)時，可以有效地降低炭磚出現(xiàn)疏松和粉化侵蝕程度。

（3）鐵水熔蝕。如果炭磚與鐵水直接接觸，炭磚中灰分（含添加劑）過高以及鐵水熔蝕指數(shù)偏低時，炭磚容易出現(xiàn)鐵水熔蝕侵蝕。該種侵蝕主要與炭磚導(dǎo)熱系數(shù)、鐵水熔蝕指數(shù)指標(biāo)有關(guān)。當(dāng)炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)提高到16 W/（m·K）以上時，在有效冷卻制度配合下，炭磚熱面容易形成渣鐵殼，阻隔炭磚與鐵水直接接觸。當(dāng)鐵水熔蝕指數(shù)<30%，最好鐵水熔蝕指數(shù)<25%，可以有效地減緩炭磚出現(xiàn)熔蝕速度。因此，選擇炭磚評價指標(biāo)應(yīng)該改變以往過于看重導(dǎo)熱系數(shù)單一指標(biāo)的習(xí)慣。筆者認(rèn)為，評價炭磚指標(biāo)的次序應(yīng)該是<1 μm孔容積比、導(dǎo)熱系數(shù)、耐壓強(qiáng)度、透氣度、抗鐵水熔蝕指數(shù)、氧化率、抗堿性，需要嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對炭磚質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，不應(yīng)該過于偏重某單一指標(biāo)。

當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒有對炭磚灰分提出具體標(biāo)準(zhǔn)，但企業(yè)在選擇炭磚質(zhì)量時，需要重點(diǎn)監(jiān)測炭磚灰分含量，對于全部以電煅無煙煤為原料生產(chǎn)的炭磚，其灰分含量一般<10%。如果炭磚灰分檢測值>10%，往往是原料中添加一些添加劑，因此，需要監(jiān)測炭磚結(jié)構(gòu)，檢測SiO、金屬Si細(xì)粉是否生成SiC和β相，檢測AlO和金屬Al是否生成β相，以及炭磚空隙中填充物是否出現(xiàn)絮狀。

目前，炭磚的發(fā)展方向是盡可能地提高導(dǎo)熱系數(shù)和<1 μm孔容積比指標(biāo)，在原料中往往配加多種添加劑，用于提高抗鐵水熔蝕性和微氣孔指標(biāo)，但在生產(chǎn)過程中，需要充分保證焙燒溫度和焙燒時間，保證SiO、金屬Si細(xì)粉全部轉(zhuǎn)化為SiC和βSiO相，保證AlO和金屬Al完全轉(zhuǎn)化為β相，并且均勻地填充于炭磚空隙中。

按照目前的生產(chǎn)工藝，完全采用電煅無煙煤作為原料以及采用提高石墨化度的方法生產(chǎn)炭磚,炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)最大只能做到16～18 W/（m·K）。有些炭磚生產(chǎn)企業(yè)采用大量添加人造石墨的方法來提高導(dǎo)熱系數(shù)，由于石墨耐鐵水熔蝕性能極差，因此，該類炭磚即使導(dǎo)熱系數(shù)再高，也不能用于與鐵水直接接觸的爐缸部位。因此，高爐不必要追求炭磚過高的導(dǎo)熱系數(shù)，而是需要重點(diǎn)關(guān)注炭磚導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度變化的穩(wěn)定性。

按照爐缸的結(jié)構(gòu)形式，在冷卻壁與炭磚之間基本保留60～80 mm空隙，用碳素散料搗實(shí)。由于碳素?fù)v料在其正常工作溫度環(huán)境下，導(dǎo)熱系數(shù)最高只能達(dá)到 18 W/（m·K）。因此，炭磚不必選擇導(dǎo)熱系數(shù)過高，否則碳素?fù)v料會成為熱阻，影響爐缸整體的傳熱效果。

4 結(jié)語

近30年，我國高爐用炭磚的品種和質(zhì)量都得到快速發(fā)展，主要品種有國產(chǎn)半石墨磚、國產(chǎn)微孔炭磚和國產(chǎn)超微孔炭磚，進(jìn)口炭磚主要有美國UCAR公司模壓小塊NMA和NMD炭磚、日本NDK微孔BC-7S和超微孔BC-8SR大塊炭磚、德國SGL超微孔 SGL-7RD和SGL-9RDN大塊炭磚，為我國高爐長壽技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，一些企業(yè)高爐長壽指標(biāo)得到顯著改善，但也有企業(yè)的高爐依然還存在一些問題，一代爐役壽命過低，平均不足12年，這與高爐對炭磚質(zhì)量的選擇有一定關(guān)系。高爐選擇炭磚時不應(yīng)該過于看重導(dǎo)熱系數(shù)單一指標(biāo)，應(yīng)該綜合考慮<1 μm孔容積比、導(dǎo)熱系數(shù)、耐壓強(qiáng)度、透氣度、抗鐵水熔蝕指數(shù)、氧化率、抗堿性等指標(biāo)，嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對炭磚質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。