炼铁热风管道耐火材料选择

热风管系是连接热风炉本体与高炉的热风管道系统，它包括送风主管、支管、围管以及管道接头，承载着向高炉输送热风的功能。高炉及热风炉的一代炉龄多在15年以上，热风管系的使用寿命也希望能够与其同步。武钢5座高炉中有4座高炉容积都不小于3200m3。A高炉一代炉龄近16年，2007年大修过程发现其管系耐火砖内衬大部分完好，三岔口部位损坏很少。B高炉使用11年，2015年中修过程发现主管管衬基本完好，三岔口有3个局部破损需要维修。C高炉2006年中修过程发现，主管砖衬出现压缩性破损开裂，三岔口基本破坏，需要全部更换。D高炉使用15年，2016年中修过程发现主管、支管大部分完好;三岔口部位少量损坏，处理后即可使用;围管存在局部熔损问题。E高炉使用9年，中修过程发现其主管存在少量顶部“抽签”现象，维护后可使用;三岔口部位个别局部损坏，处理后可使用。 

为什么会出现同一规模的高炉其管系使用状况完全不同的结果?为什么三岔口部位有的寿命长短不一?为什么组合砖砌筑的三岔口和拼砖结构的三岔口可以同样长寿命?轻质砖的设计和使用到底存在不存在强度问题?这些问题需要现场调研来得到结论。武钢对管系耐火材料的特别关注自C高炉开始;因为管系砖衬损坏严重，全部更换需要高炉停炉检修，成本高，影响大。因此，武钢组织相关人员对5座高炉的热风管系耐火材料破损状况进行了调研和取样分析。 

以下结合对不同高炉的管系破损情况的分析，对热风管系存在的问题进行了探讨。 

1热风管系的长寿例证分析 

A高炉使用16年后于2007年停炉大修，拆除了热风炉、热风支管、混风室，更换了砖衬。热风主管内砖衬结构基本完好，表面有褐色或黑色黏结物。现场调研结论为，管系砖衬可不拆除，继续使用。对用后的砖衬进行了取样分析:热风主管砖的耐压强度为65.4MPa，体积密度为2.57g·cm-3，显气孔率为17.7%;热风支管砖耐压强度为102MPa，体积密度为2.53g·cm-3，显气孔率为19.0%。这可能与支管离火井位置很近，温度高造成材料的过度烧结有关。 

热风炉主管用砖为莫来石-红柱石砖，其化学组成(w)为:SiO226.00%，CaO0.01%，Al2O370.17%，Fe2O30.59%，MgO0.01%，K2O0.20%，Na2O0.23%，TiO20.47%。

主晶相为莫来石、红柱石。砖衬表面的黑色或褐色附着物的化学组成(w)为:Na2O2%～5%，MgO2%～6%，Al2O311%～14%，SiO230%～35%，K2O2%～5%，CaO8%～15%，TiO20.5%～1.0%，Fe2O316%～19%，ZnO12%～14%。表明热风中含有碱金属与锌的蒸气与粉尘，导致管道砖衬的表面附集。 

B高炉中修过程中调研发现:三岔口部位有3处局部掉砖损坏，需要修补;但也存在完好无损的三岔口结构。主管砖衬顶部有裂纹，局部有掉砖。这样的破损状态可能引起使用过程中顶部的突然垮塌、开裂串火，造成管壳发红，引发事故，因此需要中修更换砖衬。主管砖衬用能谱分析得出其化学组成(w)为:SiO225.37%，Al2O370.14%，TiO24.49%;管衬底部与顶部的成分有少许波动。 

用后莫来石-红柱石砖的显微结构看:主管砖衬裂纹多，基质结合不致密，多孔。部分主管砖的体积密度为2.40g·cm-3，显气孔率为30.2%;混风室衬体砖的体积密度为2.68g·cm-3，显气孔率为18.1%。可见砖衬存在质量问题。三岔口部位为刚玉-莫来石砖，其用后砖的体积密度为2.76g·cm-3，显气孔率为12.3%;结构比较致密，如砌筑适当，在使用中不会形成剥落破坏。而同样使用莫来石-红柱石砖的E高炉主管砖衬较致密，表层仅有剥落起皮现象，局部个别部位出现裂纹和掉砖，三岔口局部损坏，使用灌浆和局部换砖处理即可。 

2热风管系的破坏与异常例证分析 

热风管系在炼铁高炉和热风炉的设计中并没有当做单一的系统来设计和处理。但由于热风炉、高炉本体长寿技术的发展，热风温度提高后，管系砖衬出现的问题就容易影响高炉的正常生产;一旦管系砖衬出现破损，必须停炉大修。高炉热风主管用后衬砖基质孔隙多，烧结不致密，这应该是其容易出现破损的原因。

高炉用后主管工作衬某些残砖的体积密度2.48g·cm-3，显气孔率为27.3%;而莫来石-红柱石原砖的体积密度2.55g·cm-3，显气孔率17.5%。可见用后砖衬破损部位的性能存在劣化现象。三岔口部位有些用后残砖的体积密度为2.32g·cm-3，显气孔率为23.7%;与原砖比较，显气孔率增大，体积密度减小，抗热破坏性能不理想，容易断裂。 

在武钢多座高炉热风管系的调研中，从主管、支管到围管，都发现砖衬的表面有黑色或褐色的黏结物，出现起皮、局部剥落、掉砖的现象。从组成分析看，都存在碱金属、锌的富集。从现场分析看，碱、锌富集的原因，一个是高炉休风期间的炉内气体回流，另一个可能是热风和煤气中带入。 

D高炉使用15年后，主管的砖衬破损不多，但局部有裂纹，起皮、黏结物较多，有结瘤，也有疏松的剥落层。选择多种黏结物进行了SEM分析，其中一种黏结物的部分显微结构;针状、束状物质的组成(w)为:SiO24.17%，CaO10.75%，Al2O33.78%，Fe2O36.83%，SO346.95%，K2O1.48%，Na2O26.04%，表明有硫酸钠的结晶物;表层断口中块状、颗粒状的组成(w)为:SiO23.55%，CaO0.62%，Al2O352.18%，Fe2O323.37%，MgO7.79%，ZnO12.50%，是一种氧化铝、氧化铁、氧化镁与氧化锌的共晶体;而基质相的组成(w)为:SiO247.58%，CaO11.37%，Al2O332.30%，Fe2O35.74%，TiO21.38%，K2O0.69%，ZnO1.21%，SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO含量高，类似玻璃相固熔体。从不同部位的黏结物组成分析看，成分主要是碱金属、氧化锌的富集和反应造成的，这表明高炉炉内气体中含一定量的碱金属和锌的蒸气;如果休风回流，对炉衬会形成腐蚀和破坏。 

热风管系中容易出现破损的部位是主管和支管的结合部三岔口。这个部位一般采取组合砖预砌，现场再砌筑。即使如此，在5座高炉热风管系的破损调查中发现，近一半数量的三岔口出现程度不同的破损:有些进行局部处理就可以使用，有些则需要重新更换砖衬。由于热风主管无法离线维修，一旦更换砖衬，高炉必须停产，损失大。三岔口的砖衬有刚玉-莫来石质组合砖衬，也有莫来石-红柱石砖砌筑的非组合砖的拼砖吊挂结构，这种拼砖结构经过10多年的使用没有出现破损，值得行业思考。 

3讨论 

3.1管系砖衬的性能质量控制与选材问题 

从热风管系的破损调研发现，热风管系的使用好坏取决于砖衬质量、性能控制、选材、砖型结构及砌筑，也与高炉的操作条件及炉内气体组成有关。如A高炉使用16年，一方面因耐火材料选材正确，另一方面因耐火材料质量控制好。武钢不同高炉热风管系耐火材料的要求随引进技术不同有所不同，有依据日本设计的技术条件，也有按照霍戈文设计的技术条件，注重点有所差别。A高炉管系用耐火材料采用日本标准，材质及性能要求严，技术指标优于C高炉。C高炉由于降低成本，对耐火材料的蠕变性未做要求，莫来石-红柱石砖在荷软温度指标上有所降低。从2012年的检修过程看，主管内衬顶部出现开裂，导致压缩性变形，妨碍管道正常安全运行。 

从不同企业的技术条件看，对热风管系用耐火材料可通过成分、性能控制来保证砖衬的材质与性能以提高其使用寿命。管系工作层衬砖需要着重控制蠕变率、加热永久线变化、抗热震性等性能指标。有些铁厂对管系工作衬的高温蠕变率(1450℃，50h)控制在≤0.4%或≤0.6%，抗热震性指标控制为≥15次，成本价格高;有的铁厂将高温蠕变率控制修改为≤0.2%(1450℃，20～50h))和≤1%(1450℃，50h)，这个技术条件相对低一点。从破损调研看，管衬破损多是顶部砖衬开裂抽签、三岔口两边和顶部结合部垮塌，因此砖衬的抗热震性指标非常重要。 

管系砖衬的质量与材料价格有关，早期的管道用砖价格每吨近万元，采用低价竞标的采购模式后降至每吨几千元。虽然一次管道更换可以节省耐火材料成本几百万元，但对于一个使用寿命可长达15～20年的辅助系统，一旦出现事故后再小修、中修，费用更高，一次更换管道的耐材、人工与材料费用可达上千万元。因此，在管系耐火材料的采购上，采购方和生产供应商在考虑工程成本和价格过程中，必须考虑长寿炉役的综合成本，不以低价竞标的方式采购耐火材料。从实际的破损调查结果看:管系耐火材料的使用好坏与耐火材料质量有关，也与砌筑应用技术有关;如果提供高价高质量的耐火材料却保证不了管系的绝对长寿安全运行，那么在目前的采购管理体制下，采用综合性价比而非最低价中标是比较合适的选择。 

考虑到热风管系的特点，制定了高炉热风管系用耐火材料的行业标准(报批稿)，着重于砖衬材料的成分与性能控制。通过Al2O3、Fe2O3、TiO2、K2O+Na2O等化学成分以及体积密度、常温耐压强度、加热永久线变化、蠕变率、抗热震性等性能指标的控制，从材质上有保证，从性能上有保障，也为炼铁企业优质优价提供了一个技术上的依据。近年来有的企业热风管系使用不到10年，有的甚至5～6年就更换管系砖衬，停炉检修。这是行业技术的倒退，也浪费了大量的耐火材料资源，增加了成本。 

3.2热风管系的轻质砖问题 

在热风管道的结构设计中，工作层使用重质砖，隔热层使用轻质黏土砖和轻质高铝砖。由于考虑管道衬砖的质量不大，不是承重结构，因此对轻质隔热层衬砖的强度要求不高:在技术标准中，对体积密度0.8g·cm-3的轻质黏土砖，要求耐压强度≥2.5MPa;对体积密度分别为0.8、1.0g·cm-3的轻质高铝砖，要求耐压强度分别≥4和≥8MPa。对于离热风炉本体比较近的热风主管，由于热风阀开启过程中的盲板力影响，管系砖衬存在瞬间的气体冲击压力;如果主管和支管之间没有稳定的固定拉杆控制，主管内衬还存在可能的震动。因此，轻质砖的设计强度过低也存在一定的问题。轻质黏土砖的荷重软化温度1150℃，轻质高铝砖的荷重软化温度约1380℃。如果高炉的热风温度为1200～1250℃，主管的风温按高100℃估算，主管内衬温度则为1300～1350℃。如果发生类重质砖开裂，热风直接渗透接触隔热层轻质砖，轻质砖就会出现收缩变形，开裂，严重时造成管壳发红，甚至引发爆管事故。 

热风主管内有多层轻质砖，轻质高铝砖在内层，轻质黏土砖在外层。工作层开裂后，轻质砖会出现收缩和烧结现象。例如:武钢C高炉管系用后轻质黏土砖的耐压强度和体积密度分别为19.4MPa和0.88g·cm-3，用后轻质高铝砖的耐压强度和体积密度分别为48.2MPa和0.99g·cm-3，均比使用前大幅增加，原因就在于热风下的高温烧结致密。这也会导致收缩、管道的沉降以及顶部楔形砖的开裂。武钢B高炉使用10余年，管道内衬破损少。其 

用后轻质黏土砖耐压强度为1.9MPa，体积密度0.88g·cm-3，用后轻质高铝砖耐压强度4.0MPa，体积密度0.95g·cm-3，与使用前的新砖强度接近。黏土砖强度不高，也能够维持长时间的使用，与工作衬的使用状态相关。在破损调查中发现，风管沿水平方向布置的，风管内衬顶部衬砖出现开裂的多;而在混风室、靠近围管的垂直布置的管道中，衬砖出现大的直裂缝较少;这从侧面也可证明轻质砖处于承重结构的底部，在高温下容易变形，造成沉降，会影响工作衬砖的锁紧，如果管径大，楔形砖的楔度小，沉降大时就会引发顶部砖的开裂和抽签式掉砖。 

4结论 

(1)武钢5座高炉热风管系耐火材料的破损调研结果表明:管系的使用寿命长短与工作衬砖的质量、砌筑结构有关，也与使用环境、炉内气体组成等因素相关。工作衬结构致密，性能好，其破损就少。对于红柱石-莫来石砖、三岔口刚玉-莫来石砖，如用后残砖气孔率高，强度低，则其容易剥落破坏。在调查的热风管道中，破损多的部位是三岔口，除材质影响外，结构和砖型是影响使用效果的主要原因。 

(2)热风管系的长寿设计与其结构和保温层设计相关，合适的轻质隔热砖的性能与种类，配合不同厚度的隔热层设计，可避免轻质砖收缩变形造成的压缩性垮塌。轻质黏土砖及轻质高铝砖如果荷软温度及耐压强度低，在工作衬开裂、热风渗透进隔热层后会造成高温烧结，强度提高，收缩变形，影响管系的正常安全运行。 

(3)热风管道内衬表面的黏结物含一定量的碱金属氧化物、氧化锌与硫酸盐，会引起炉衬的腐蚀、脆化及局部破损;需要关注热风管系运行过程中高炉内碱金属与锌蒸气的回流、沉积、反应和对炉衬的破坏问题。 

(4)热风管系用耐火材料需要通过成分与性能控制来保证砖衬的材质与品质，以提高其使用寿命;通过行业标准的建立与推广应用，建立适宜的非低价中标的耐火材料采购与应用模式，以提高炼铁行业耐火材料的应用水平。