高炉炉底炭砖技术

　　炭砖作为高炉炉底耐火材料已经使用了半个多世纪，炭砖必须具备良好的耐蚀性以及易形成冷却保护层的高导热性。本文主要介绍新日铁公司炭砖开发的经历。

　　从目前的调查情况看，高炉炉底炭砖损毁的主要原因有：①铁水渗透到炭砖的气孔中；②工作面一侧产生脆化组织（冷却能力消失）；③铁水的冲刷使炭砖熔蚀（加碳溶解）。为了提高炭砖耐蚀性，进行了新炭砖的开发。为防止铁水渗透，必须使炭砖致密化，即实现炭砖微孔化，其方法是通过气孔内生长的Si－O－N晶须减小气孔径。为了减少炭砖表面裸露的碳成分的面积，开发了添加高温强度高、抗机械性磨损优良的氧化铝，防止碳溶解导致的炭砖熔蚀。为提高冷却能力、强化炉底保护，还开发了导热率高的炭砖，进一步提高耐蚀性。

　　最近，对使用后的微孔炭砖进行了调查，与传统炭砖相比，其脆化组织明显减少，证实了对高炉长寿的作用以及炭砖开发指导方针的正确。

　　1新炭砖开发历程

　　以前普遍使用的是1965年开发的炭砖BC－5，用焦油作粘结剂，挤压成形，既有焙烧无烟煤的良好抗铁水渗透性，又具有人造石墨的高导热率。为提高抗铁水冲刷性，1975年开发的炭砖CBD－1添加了耐酸性渣好的氧化铝，进一步提高了抗侵蚀性。1981年开发的炭砖CBD－2，添加了金属硅，烧成时在气孔内形成Si－O－N晶须，是微孔炭砖，此砖用于室兰2号高炉。1985年开发的炭砖CBD－2RG由挤压成形法改为冲压成形，同时将焦油粘结剂改为树脂，以实现致密化。1994年开发的炭砖CBD－3RG，在使用抗铁水渗透性良好的焙烧无烟煤的同时，还添加了人造石墨和氧化铝微粉强化抗铁水侵蚀性，是具有高热传导率的炭砖。在接触铁水的表面形成保护层的新思路下，开发了高耐蚀性炭砖CBD－GT1，为形成粘结性高的保护层，炭砖中添加了对铁水有增粘效果的Ti原料。                         

　　2对使用后炭砖的调查

　　对以微孔为目的而开发的炭砖CBD－2进行了调查，与以前使用的炭砖BC－5进行比较，对开发炭砖的效果进行了评价。对广畑4号高炉炉缸部位采用的炭砖BC－5的芯样外观观察，发现有约300mm的脆化组织，无铁水渗透现象，炭砖工作面一侧发生粉化。认为粉化原因是渗透到炭砖气孔内的外来成分的膨胀率不同，时间一长，逐渐对基质造成破坏所致。室兰2号高炉（第二代炉役）大修时，进行了炉底炭砖CBD－2取样，取芯样部位是炉缸第5段和第7段，共在3处取了炭砖芯样。我们重点介绍第7段的炭砖芯样。

　　试样外观

　　同早期开发的炭砖BC－5的外观进行了比较，发现炭砖CBD－2的脆化层厚度减少。使用BC－5的广畑4号高炉脆化层厚度约有300mm，但室兰2号高炉取的芯样脆化层厚度只有约100mm。

　　（2）分析研究

　　微孔炭砖CBD－2与BC－5相比，大大抑制了碱金属的侵入。确认了来自工作面的侵入量减少。分析调查了炭砖CBD－2中的铁成分和SiC成分在试样内的分布，工作面一侧发现有铁分渗透，SiC较少，在离开工作面的位置，随着SiC成分的增加，铁分减少。这是由于添加硅的微孔化效果抑制了铁成分的渗透。从EPMA分析图可知，铁分渗透到距工作面60mm处。

　　（3）分析结果

　　通过对微孔致密化的炭砖CBD－2使用后的调查可知，实现了预定的开发目标，可以抑制外来成分的侵入，确信目前开发方向是正确的。

　　3开发高导热性炭砖CBD－3RG

　　传统炭砖是以无烟煤为基础，并使用土状石墨和人造石墨。对这些碳素原料进行分析调查，结果发现无烟煤和土状石墨灰分中含有3%～10%的氧化铝和硅，特别是无烟煤中氧化铝和硅均匀分布，抗铁水渗透性良好。基于这一调查结果，在人造石墨中添加氧化铝粉和金属硅，用树脂粘结剂混合后冲压成形制成炭砖。这样，可以大幅度提高导热率，同时抗侵蚀性比传统炭砖CBD－2RG提高50%。

　　4开发高抗侵蚀性炭砖CBD－GT1

　　为了进一步提高抗侵蚀性，以前通过砖的致密化使抗损毁性提高的手段已到了极限，要通过添加表面自改质的材料来实现提高抗侵蚀性。在高炉炉役末期，从风口喷吹TiO2，使铁水粘稠,起到防止炉缸耐火材料损毁的作用。对炉底TiN附着物观察可知，要进一步提高抗铁水侵蚀性，须将降低铁水流动性的Ti添加到熔融铁中以提高粘性，因此将有提高粘度效果的元素预先添加到炭砖中。Mo、Nb、Ta、Ti和V均有添加效果，但应注意选择不会引起反应导致体积变化（发生微小龟裂）的添加材料，故决定添加碳化物。通过采取这一措施极大地提高了TiC的效果，炭砖抗侵蚀性良好。因此将TiC定为添加材料。

　　从断面EPMA结果可知，炭砖表面和铁水之间存在100～200μm的高Ti层，推测从炭砖溶出的物质存于该层中，粘度比铁水高，成为不动层后起到保护层功能，使抗侵蚀性提高。

　　5结语

　　为提高高炉寿命进行了炉底炭砖的开发，得出如下结论：(1)添加抗铁水侵蚀性良好的氧化铝；(2)为防止外来成分和铁水的侵入，将炭砖微孔化；(3)为降低表面温度、提高抗侵蚀性的高导热率；(4)添加提高抗侵蚀性的TiC，增加界面的铁水粘度，减缓铁水流动，防止损毁。对高炉使用过的新开发微孔炭砖的评价结果证实了目前开发方向是正确的。