顶燃式热风炉用耐火材料合理配置方案
随着现代高炉生产中对热风炉高风温的迫切需求，高风温及长寿命也随之成为现代热风炉发展的必然趋势。热风炉的工作条件复杂，再加上周期性送风和燃烧时温度的剧烈变化，因此热风炉耐火材料经受着高温、交变的热负荷以及机械负荷的多重作用，这对耐火材料的荷重软化点、耐热冲击性、气孔率、热容童等提出了更高的要求。为保证高风温热风炉的稳定工作和使用寿命，需要对热风炉的结构合理性、耐火材料的质量以及合理化配罝做深入地研究。
20世纪60年代以前，热风炉的送风温度为900℃左右，主要使用黏土砖。20世纪60年代早期，热风炉平均送风温度达到1000℃，,开始使用高铝砖。20世纪60年代后期，热风炉送风温度上升到1100℃，开始使用特种高铝砖。20世纪70年代，热风炉送风温度进一步上升到1200℃,高铝砖的特性已经不能满足使用需求，发生了格子砖下沉、变形，墙砖开裂、下沉的现象，于是对耐火材料制品提出了高温蠕变的需求。具有优异高温稳定性能的硅砖开始用于拱顶和上部高温区的蓄热室等高温区的部位。
2.1热风管道系统
随着送风温度的不断提高，对于在高压、高温且存在温度交变的条件下工作的耐火砖的要求提出高温蠕变、热震稳定性的要求。因此目前热风炉管道大多采用低蠕变高铝砖或红柱石砖作为工作衬，以提高其高温蠕变性能和抗热震性能。
然而热风管道烧红，漏风甚至崩裂仍然是我国一些热风炉进一步提高风温的障碍，而管道的发红现象往往集中在三岔口区域。造成这些问题的主要原因之一是热风管道结构设计不合理。另外一个方面是由于三岔口区域受送风时盲板力的作用和换炉时拉紧装置的反向作用，造成管道及砌体做往复运动，对此处组合砖造成破坏性影响。因此要想解决管道三岔口发红现象除了改进管道受力的结构问题外,还需对三岔口处组合砖做更深层次研究。
图1 热风管道三岔口浇注示意
目前，组合砖通常由设计单位给出整体结构设计方案，耐火材料生产厂家根据外形尺寸分解成异型单砖，然后根据这些异型单砖砖塑制作出母砖，由母砖经切、磨加工成具体型号的单砖再组合。与用标准砖现场加工砌筑三岔口相比，组合砖的出现使三岔口的稳定性大大提高，但是热风管道三岔口部位的恶劣，作条件对于组合砖的材质、分块以及砌筑施工的要求仍然非常苛刻。随着浇注料技术的进步与成熟，材质或材料性能方面也能满足现代热风炉工艺环境的要求。釆用浇注施工的复杂接口部位，可望取消复杂的组合砖生产与砌筑磨砖工艺，施工也将变得简单易行，而且结构整体性好，无接缝。
济钢4号大高炉热风管道系统设计中采用了对三岔口均用陶瓷耐磨浇注料的方法(见图1),由于三岔口区域没有采用隔热层，工作介质与管壳之间直接由耐磨浇注料加喷涂料组成，因此投产时管道三岔口区域温度比管道其他部位温度高100℃左右。投产两年来热风主支管三岔口区域温度一直很稳定，维持在200℃左右，倒流休风与热风主管三岔口区域温度维持在170℃左右，联络管与主管三岔口温度维持在130℃左右。与采用组合砖的管道系统相比，投产初期温度稍微高一些，但是投产一段时间之后比组合砖有更加稳定的表现。另外，组合砖与浇注料共同配合使用也不失为一种可行性方案。
在送风弯管与围管相交部位，采用耐磨浇注料捣制代替组合砖砌筑的已经越来越多，捣制方式既能提高接口的整体稳定性，又能降低施工难度，加快施工进度。图2为湖北大冶特钢和天津钢铁设计方案采用的耐磨浇注料结构。
图2 送风支管浇注示意
在热风管道砌筑时，预留合理的膨胀缝来吸收耐火砖受热膨胀是十分必要的。如果膨胀缝预留过大，高温高压的热风会通过缝隙对管道隔热层轻质砖冲刷，损坏隔热层。
同时对热风管道中使用的纤维毡应该有更严格的要求,避免出现在高温状态下溶蚀、粉化现象发生。
2.2热风炉本体系统
顶燃式热风炉大致可分为下部蓄热室中低温区、上部蓄热室高温区和锥段燃烧室及燃烧器区域三部分，如图3所示。
一、蓄热室
顶燃式热风炉的炉体结构主要可分为蓄热室、燃烧室及燃烧器区域两大部分，如图3所示。燃烧室及燃烧器区域的耐火材料选择及施工问题，我们在之前的文中已经分享给大家，以下主要是热风炉蓄热室的工作原理及耐火材料配置。
图3 热风炉示意图
蓄热室分为低温区域、中温区域、高温区域三部分。因运行过程中，工作环境的不同，所采用的耐火材料配置也不同。
1、低温区
蓄热室的下部低温区域运行温度<900℃,其作用主要是承受上部砌体的重力荷载及送风初期的强对流热交换过程。该区域对耐火材料的要求并不是太高，要求具有良好抗热震性的产品。推荐使用普通粘土砖。
2、中温区
在蓄热室中部区域温度往往在800-1100℃波动，该区域被称为高温区域与低温区域的过渡区，其耐火砖的应用需要具有良好的高温蠕变性。推荐使用低蠕变高铝砖或低蠕变粘土砖。
3、高温区
在蓄热室上部，由于温度高且交替变化,要求选用的耐火材料具有良好的热稳定性。高铝砖因其本身的蠕变性能和膨胀特点限制了在此区域的使用。
图4 硅砖和高铝砖热膨胀性能
红柱石砖在性能方面是该区域最佳的配置选择，其具有耐火度高、荷重软化温度高，高温稳定性好、抗热震性能好的优势，但是红柱石砖的价格相对也高。
在实际的应用中，该区域用选用硅砖的案例越来越多，硅砖具有热膨胀性好、荷重软化点高等优点，但是相对于红柱石砖，其抗剥落性能差，蓄热能力也稍微低一些。热风炉上部高温区工作层使用了硅砖，则选用与工作层的材质相适应的轻质硅砖做隔热层。
二、燃烧室及燃烧器
热风炉是高炉炼铁中重要的热力设备，根据其蓄热室和燃烧室结构的不同，可分为内燃式、外燃式和顶燃式三种，其中顶燃式热风炉因其性价比高、结构对称、占地少、工程量小等优势，成为目前热风炉重点发展、推广的对象。
顶燃式热风炉与其他两种热风炉最大的区别，在于其燃烧室/燃烧器的结构设计。其燃烧室和燃烧器的耐火材料配置设计可参考以下方案：
1、拱顶耐火材料配置
顶燃式热风炉的送风温度和拱顶温度相差较大，一般在80〜200℃之间，当送风温度为1200℃时，拱顶的温度最高可达到1400℃左右，因此，拱顶部位采用的耐火材料长期受到非常大的温度变化带来的的热应力作用。
在拱顶部位，其耐火材料主要采用硅砖，硅砖根据化学性质隶属于酸性，在≤1670℃的高温区域内，可做到不收缩变形，保持其强度高、体积稳定、高荷软、抗蠕变等各项高温性能，满足拱顶耐材的需求。
2、热风出口、喉口耐火材料配置
燃烧室热风出口及喉口部位，其温度变化巨大。传统的耐火材料配置主要以高铝砖为主，但是普通的高铝砖抗热震性能较差，在使用过程中容易发生膨胀、收缩，剥落、掉砖等现象。因此，该部位应选择具有高荷软、抗热震具有高温稳定性的耐火材料。推荐使用红柱石高铝砖。
3、燃烧器
燃烧器工作温度在1000℃以上，其耐火材料内衬主要受煤气、空气高速冲刷以及高温热辐射，因此在空、煤气环形通道可采用优质的低蠕变高铝砖。
图5 NOχ形成与拱顶温度的关系
燃烧器内衬及空、煤气喷口因长期受到燃烧、送风的周期变化，温度急冷急热，因此该部位要采用具有稳定性好、低膨胀、抗热震、抗剥落等特点的堇青石-莫来石砖。下部采用抗剥落、蠕变率低、抗化学侵蚀和抗热震的莫来石砖。
4、拱顶炉壳
热风炉风温提高以后，拱顶炉壳容易受酸性气体侵蚀而造成裂纹或开裂。因此需要在拱顶炉壳内表面上喷涂耐酸涂料，另外在炉壳上刷腐蚀漆，以防止酸液的侵蚀。
选择优质的耐火材料配置，是热风炉燃烧室和燃烧器长期安全运行的关键。上述的材料配置方案已经在国内多家大型顶燃式热风炉应用，并取得了良好的使用效果。
三、重点部位用泥浆
耐火泥浆用料应高于或至少不低于同材质制品。然而目前不定形耐材质量方面存在一定的问题,熟料块矿杂质含量高，细粉不够细，全用硬质黏土生料，且颗粒偏粗，用量偏大。使用上表现为加水量过多、保水性差、和易性差、铺展性不好。在热风管道砌筑中通常使用同材质的磷酸盐高铝质泥浆或者红柱石泥浆。在管道砌筑完之后，砖与砖之间的粘结性都是通过泥浆的水合或化合等结合剂起作用，而未进行真正的烧结过程。热风炉本体砌筑完成后经过缓慢的烘炉过程之后，砖、泥浆、砖之间牢牢的烧结成一个整体。而热风管道，通过热风炉送出的热风对管道进行预热，往往导致泥浆中的有机结合剂在高温条件下被烧掉，而烧结过程尚未发生。容易导致管道内衬留下通缝,对日后的生产不利。
同样不能进行烧结的问题还存在于蓄热室中低温区，由于温度达不到泥浆烧结温度，因此泥浆的强度主要还是来自于结合剂的作用。由于在中低温区域硅酸盐水泥和铝酸盐水泥均会有强度倒退现象，但是比较铝酸盐水泥而言，硅酸盐水泥在热风炉条件下，废气中的水蒸气可与未水化的水泥继续水化，CO2也会与没有完全与SiO2结合的少量Ca(OH)2发生碳化反应，以此来抵消部分强度的倒退。铝酸盐水泥几乎不产生Ca(OH)2，故而没有碳化现象。因此在炉箅子以下温度低于500℃区域，可掺加硅酸盐水泥，或用水玻璃作结合剂。
顶燃式热风炉已成功应用于各种规格的炼铁高炉，热风炉内耐材的配置问题是不容忽视的问题。顶燃式热风炉较低的拱顶温度与送风温度差，再加上晶间应力腐蚀漆及耐酸喷涂料的应用，使得高风温带来的炉壳晶间腐蚀问题得到了解决。实践证明，热风管道三岔口采用浇注料捣打的施工工艺既能保证三岔口区域的结构稳定性，又能降低施工难度、加快施工进度，具有推广前景。
为适应高风温的需求，需要结合固内耐材的实际生产状况，合理配置热风炉用耐火材料，制定满足高风温热风炉需要的耐火材料理化性能指标。