高爐陶瓷杯制作工藝及監(jiān)制程序和方法分析

夏昌勇，王 奎，費圣剛，吳龍水

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司 中冶耐火材料檢測中心，湖北 武漢 430081；2.山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

實現(xiàn)爐況順行、高產(chǎn)、長壽是當前大高爐追求的目標，這也對高爐爐襯技術提出了更高的要求，當前高爐爐襯主流技術為強水冷炭質薄爐襯復合陶瓷杯工藝。所謂“陶瓷杯”，即在高爐爐缸、爐底區(qū)域的炭磚內部砌筑一層剛玉質耐火材料，遇高溫燒結后陶瓷化，形成的陶瓷襯像一個巨大的杯子，俗稱“陶瓷杯”。常見的高爐炭磚陶瓷杯爐缸結構如圖1所示。

圖1 炭磚復合陶瓷杯爐缸結構示意圖

高爐內砌筑陶瓷杯后，便于高爐開爐及達產(chǎn)，有利于爐況順行，大大延長了高爐壽命。陶瓷杯可以減小高爐冶煉時鐵水在爐缸內的流動阻力，并對其冷面的炭磚實現(xiàn)保護，避免陶瓷杯外的炭磚直接受鐵水侵蝕，防止炭磚脆性斷裂，同時還使得爐襯具有適當?shù)臒釕︶尫趴臻g。這樣就對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、抗鐵水急速沖刷磨損的性能，還應具有較低的熱導率，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部。在這一條件下，如果陶瓷杯磚在某個部位受損，鐵水滲透進入陶瓷杯磚內，由于1 150℃鐵水凝固等溫線以及炭磚斷裂溫度815℃控制在陶瓷杯內部，不會侵蝕到杯外炭磚，從結構設計上緩解了鐵水及堿金屬對炭磚的滲透、沖刷破壞；同時陶瓷杯用的主要原料剛玉質材料是低導熱的陶瓷材料，且具有較高的抗?jié)B透性和抗沖刷性，可以很好地保護炭質爐襯[1]。提高陶瓷杯材料的抗熱應力近年來受到了行業(yè)內專家們越來越多的關注，為了有利于關閉磚縫，要求所選陶瓷杯材料具有適度的微膨脹性能，同時又要求其具有較好的抵抗熱膨脹應力的能力，這就需要該材料具有較高的抗裂因子R’和適當?shù)娜渥冃阅躘2]。劣質耐火材料的使用嚴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，實現(xiàn)高爐的高產(chǎn)長壽，高爐陶瓷杯的質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)質黏土粉、SiO2微粉、紙漿廢液或樹脂等做結合劑。對于陶瓷杯制品的理化指標要求不同，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介

（1）棕剛玉以優(yōu)質鋁礬土為原料，以炭（主要為焦炭）為還原劑，同時加入鐵屑為沉降劑，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)自磨機粉碎整形，磁選去鐵，篩分后按粒度分級。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)質棕剛玉為棕褐色，硬度高、強度大、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、荷重軟化點高、高溫蠕變率小、硬度大、抗化學腐蝕性強等特點。與燒結莫來石相比（莫來石結晶為5～10 μm），電熔高純莫來石（結晶達1 000～2 000 μm）高溫力學性能和抗侵蝕性能要好得多，且雜質含量低。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規(guī)則GB/T 17617-2018和普通磨料取樣方法GB/T 4676-2003及相關原料產(chǎn)品標準YB/T 104-2005、JC/T2134-2012、GB/T 2881-2008等進行。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 主要原料性能指標要求

主要原料檢測指標參照GB/T 2478-2008、GB/T 2479-2008、YB/T 104-2005、GB/T 2480-2008、GB/T 2481-2008、JC/T 2134-2012進行（見表3）。

表3 主要原料性能指標 （w%）

制品的使用條件、技術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。質量控制人員應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)時對進廠原料分類分批進行檢查并抽樣，檢驗合格方可進行下一步工序。

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預制塊生產(chǎn)工藝

SAVOIE預制塊生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 陶瓷杯磚生產(chǎn)工藝簡圖

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)工藝簡圖

圖3 SAVOIE預制塊生產(chǎn)工藝簡圖

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及做抗爆裂試驗，除鐵和雜質為防止在高溫燒成時形成斑點及熔洞，影響外觀質量；做抗爆裂試驗防止在高溫燒成時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合劑，當加熱至高溫時（大于700℃）酚醛樹脂開始分解進行碳化反應，最終形成C-C網(wǎng)絡結構，而成為永久性結合相，并具有極高的結合強度[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，混練時間是主要控制參數(shù)，混練時若粒度分布不均，則造成制品密度不均，焙燒時膨脹收縮不均易形成裂紋；粘結劑分布不均則會造成局部粘結不牢，局部形成孔洞或裂紋[6]?；旌蟮呐髁蠎鶕?jù)其體積來決定成型壓力機的噸位及打壓次數(shù)，一般成型壓力應不低于100 MPa，打壓次數(shù)不低于10次。

（2）塑性相復合剛玉磚及剛玉莫來石磚

塑性相復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%，在使用前也要進行除鐵和雜質及做抗爆裂試驗。電熔莫來石以細粉的方式加入，更有利于形成莫來石相，促進莫來石晶體的生長，使制品莫來石化，以提高抗高溫蠕變性能。SiC化學性能穩(wěn)定，硬度大、耐磨性好、高溫時體積膨脹填塞氣孔，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構材料，具有潤滑性，適量加入可以大大提高脫模質量及成品率；同時與SiC結合生成Si3N4-SiC結構陶瓷材料，結構致密、質地均勻，耐侵蝕、抗沖擊性強[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中，經(jīng)混合均勻后加水混，磨制成均勻泥漿結合劑，然后再將制得的均勻泥漿結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至壓力機成型。結合劑采用這種方式加入可大大提高混料均勻度，有利于成型時降低磚坯氣孔率，提高磚坯強度，提高成品率。成型時根據(jù)磚坯體積來決定成型壓力機的噸位及打壓次數(shù)，一般壓力機噸位應不低于630 t，打壓次數(shù)不低于12次。

（3）SAVOIE預制塊

SAVOIE預制塊是從法國引進的陶瓷杯技術，為大型預制塊結構。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合劑?；旌暇鶆蚝蠹铀當嚢瑁瞥蓾沧⒘?，再注入模具澆注成型，制成超低水泥澆注料預制塊?；炷霑r間、加水量及振動質量是控制要點，混碾不均易造成局部結團；加水量過少泥漿不能完全包裹骨料顆粒，造成預制塊內部疏松、分層等；加水量過多，造成氣孔率過大，影響強度；振搗不均勻，易造成局部疏松、孔洞或夾雜等缺陷，影響產(chǎn)品質量。

（4）整體澆筑陶瓷杯

整體澆筑陶瓷杯是以美國美固美特為首推出的一項重造陶瓷杯的新技術。首先對舊爐缸清理并對清理后的表面用氧氣吹掃，去除浮塵；再用高導熱材料對炭磚損壞區(qū)域進行修補；支模后，采用陶瓷澆注料進行整體澆筑，養(yǎng)護后拆模，按照特定升溫曲線進行烘爐。整體澆筑的陶瓷杯其特點在于緊貼炭磚直接進行支模澆筑，澆筑的陶瓷杯與炭磚無縫結合，使爐缸結構更加緊密；消除了傳統(tǒng)陶瓷杯砌筑時的磚縫及陶瓷杯與炭磚間的填充層，避免了磚縫導致的薄弱環(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，達到傳熱平衡，保護爐襯安全，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行。成型后的磚坯養(yǎng)護24 h后，可進入干燥窯干燥，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行，焙燒時通常用＜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，所以焙燒時間較長。微孔剛玉磚的焙燒過程大致可分為預熱及揮發(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過快。為了提高產(chǎn)品的高溫性能，最低燒成溫度不應低于1 480℃，保溫時間不得低于10 h。

SAVOIE預制塊由于其體積較大，干燥必須充分，干燥溫度及時間是控制要點。產(chǎn)品的干燥及焙燒必須按照相應的升溫曲線進行。升溫過快易造成脫水過快，形成裂紋。通常養(yǎng)護72 h后脫模送入150℃紅外干燥窯進行脫水干燥；干燥完成后升溫至600℃保溫12 h進行低溫燒成，出窯后的預制塊根據(jù)設計要求進行加工打磨，再組裝預砌。

2.5 成型后磚坯質量初步控制

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

3 產(chǎn)品質量檢驗及預組裝驗收

3.1 出窯產(chǎn)品質量控制

對出窯產(chǎn)品分類分批取樣進行理化指標檢驗，檢驗合格后方可進入下一步加工工序。陶瓷杯制品的抽樣檢驗及尺寸、外觀合格判定規(guī)則嚴格按照GB/T 10325-2012執(zhí)行。陶瓷杯磚的抽樣批次應按照合同簽訂的技術協(xié)議要求執(zhí)行，技術協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國家標準執(zhí)行，塑性相復合剛玉磚參照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)品必須在具有國家級資質的專業(yè)檢測機構進行理化檢測。需要注意的是對產(chǎn)品取樣檢測時，不應只在出窯的產(chǎn)品中抽取，還應在加工預砌時，在預砌平臺上隨機抽取試樣，也可在加工磚時，在切除部分隨機抽取，以督使生產(chǎn)部門在加工預砌時認真仔細，避免把不同材質的陶瓷杯磚混入。

3.2 加工后產(chǎn)品質量檢驗控制

加工后產(chǎn)品質量檢驗控制主要包括尺寸偏差控制、外觀質量控制和斷面質量檢查控制等?，F(xiàn)場檢驗時應按照合同簽訂的技術協(xié)議要求執(zhí)行，技術協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國家標準執(zhí)行。塑性相復合剛玉磚參照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)品尺寸和外觀等質量判斷的詳細檢驗方法可參照GB/T 10325-2012執(zhí)行。

3.3 對預組裝陶瓷杯進行驗收

對預組裝陶瓷杯進行驗收的主要內容有標高控制、直徑控制、表面平整度、垂直縫、放射縫、環(huán)縫、重縫和錯臺等。驗收合格的預組裝陶瓷杯應用顏色鮮明的防水顏料進行逐塊編號，作出明確標記。對于預組裝陶瓷杯的驗收應按照合同簽訂的技術協(xié)議要求執(zhí)行，技術協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照國家標準執(zhí)行。具體的陶瓷杯預組裝及檢驗方法可參考YB/T 4134-2005執(zhí)行。

4 結論

（1）通過對高爐陶瓷杯制作工藝的解析，使大家對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收的質量控制要點有了一個全方位的了解和認識，對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砌筑方便、快捷，砌筑后質量優(yōu)良；在高爐使用中效果良好，高爐爐況順行、高產(chǎn)、長壽，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（3）本著節(jié)能、長壽、高效利用的原則和從實際使用情況出發(fā)，本監(jiān)制程序和方法科學、合理、嚴謹，對設計、研發(fā)及使用人員等在實際工作中具有一定的指導意義，值得相關行業(yè)借鑒并推廣。