耐火材料工藝學耐火材料工藝學ProcessesofRefractory2023/2/5材料科學與工程學院2理論課與實踐課教學內容一、課程在本專業的定位與課程目標

“耐火材料工藝學”長期以來一直是本專業本科學生必修的專業主干課程之一。要求學生通過本課程的學習，掌握耐火材料的組成、結構、制備、性能、應用之間關系的基本規律，并接受耐火材料的制備、性能測試和結構分析等基本技能的實踐訓練，對國內外耐火材料科學研究的前沿有一定的認識，為將來在本領域從事科學研究、技術開發、生產運行、工程設計及經營管理等工作打下良好的基礎。

2023/2/5材料科學與工程學院3二、知識模塊順序及對應的學時

“耐火材料工藝學”主要涉及耐火材料的化學礦物組成及生產工藝與性能、顯微結構及其損毀之間的關系。Al2O3-SiO2系耐火材料和堿性耐火材料是耐火材料中兩大主要部分，隨著冶煉技術的進步，這部分耐火材料無論在產品結構上，還是在產品性能上都發生了較大變化。近年，潔凈鋼需求不斷增長，爐外精煉技術大量采用，對耐火材料提出更高要求，耐火材料不但要長壽，還要不能污染鋼水，甚至能凈化鋼水。因此，國內外開展了對非氧化物、純氧化物材料及其復合材料和組織結構等特種耐火材料方面的研究。耐火材料的應用除大量使用在鋼鐵工業外，還有有色冶金工業、輕工、建材、化工、軍工等。因此，本課程教學在內容和課時分配上安排如下：2023/2/5材料科學與工程學院4三、課程的重點、難點及解決辦法

課程的重點主要為定型耐火材料的性能、加工及碳復合耐火材料生產工藝及其相關性能的檢測教學實驗，課程的難點主要為耐火材料組成、結構、性能與應用之間的關系。2023/2/5材料科學與工程學院5

耐火材料是冶金、建材、化工、機械等工業高溫窯爐及物件的重要基礎材料。了解它們的性能及選用合適的耐火材料對于生產控制及降低成本有重要的意義。本課程介紹常用耐火材料的基本性能，應用范圍以及易懂的生產工藝與原料知識。

這門課程是從事耐火材料生產、研究、應用和貿易的人員的必修之課，其重要性不言而喻。

2023/2/5材料科學與工程學院6緒論耐火材料定義耐火材料的原料耐火材料的分類耐火材料的特點寶鋼耐火材料的應用耐火材料的歷史與發展2023/2/5材料科學與工程學院7一、耐火材料的定義1、傳統的定義：耐火度不小于1580℃的無機非金屬材料；2、ISO的定義：耐火度不小于1500℃的無機非金屬材料及制品。

2023/2/5材料科學與工程學院8二、耐火材料所用原料

天然礦石原料：如耐火粘土、硅石、礬土、菱鎂礦、白云石、石墨、鋯英石、藍晶石、紅柱石、硅線石等。

人工合成原料：如工業氧化鋁、碳化硅、氮化硅、莫來石、合成堇青石(M2A2S5)、鎂鋁尖晶石(MA)、ZrO2等。2023/2/5材料科學與工程學院9三、耐火材料的分類1、按化學礦物組成分

此種分類法能夠很直接地表征各種耐火材料的基本組成和特性，在生產、使用、科研上是常見的分類法，具有較強的實際應用意義。2023/2/5材料科學與工程學院10（1）硅質耐火材料

含SiO2在90%以上的材料通常稱為硅質耐火材料，主要包括硅磚及熔融石英制品。硅磚以硅石為主要原料生產，其SiO2含量一般不低于93%，主要礦物組成為磷石英和方石英。2023/2/5材料科學與工程學院11（2）鎂質耐火材料

鎂質耐火材料是指以鎂砂為主要原料，以方鎂石為主晶相，MgO含量大于80%的堿性耐火材料。

鎂質制品：MgO含量≥87%，主要礦物為方鎂石；

鎂鋁質制品：含MgO>75%，Al2O3含量一般為7-8%，主要礦物成分為方鎂石和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）；

鎂鉻質制品：含MgO>60%，Cr2O3含量一般在20%以下，主要礦物成分為方鎂石和鉻尖晶石;

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鎂橄欖石質及鎂硅質制品：此種鎂質材料中除含有主成分MgO外，第二化學成分為SiO2。鎂橄欖石磚比鎂硅磚含有更多的SiO2，前者的主要礦物成分為鎂橄欖石，其次為方鎂石；后者的主要礦物為方鎂石，其次鎂橄欖石；鎂鈣質制品：此種鎂質材料中含有一定量的CaO,主要礦物成分除方鎂石外還含有一定量的硅酸二鈣（2CaO?SiO2）。2023/2/5材料科學與工程學院13（3）白云石質耐火材料

以天然白云石為主要原料生產的堿性耐火材料稱為白云石質耐火材料。主要化學成分為：30-42%的MgO和40-60%的CaO，二者之和一般應大于90%。其主要礦物成分為方鎂石和方鈣石（氧化鈣）。2023/2/5材料科學與工程學院14（4）碳復合耐火材料碳復合耐火材料是指以不同形態的碳素材料與相應的耐火氧化物復合生產的耐火材料。

（5）含鋯耐火材料含鋯耐火材料是指以氧化鋯（ZrO2）、鋯英石等含鋯材料為原料生產的耐火材料。含鋯耐火材料制品通常包括鋯英石制品、鋯莫來石制品、鋯剛玉制品等。2023/2/5材料科學與工程學院15（6）特種耐火材料特種耐火材料又可分為如下品種：碳質制品：包括碳磚和石墨制品；純氧化物制品：包括氧化鋁制品、氧化鋯制品、氧化鈣制品等；非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化鋯、硼化鈦、塞倫(Sialon）、阿倫(Alon)

制品等。2023/2/5材料科學與工程學院16

分類

類別主要化學成分主要礦物成分硅質制品硅磚石英玻璃SiO2SiO2磷石英、方石英石英玻璃硅酸鋁質制品半硅磚粘土磚高鋁磚SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3莫來石、方石英莫來石、方石英莫來石、剛玉鎂質制品鎂磚（方鎂石磚）鎂鋁磚鎂鉻磚鎂橄欖石磚鎂硅磚鎂鈣磚鎂白云石磚鎂碳磚MgOMgO、Al2O3MgO、Cr2O3MgO、SiO2MgO、SiO2MgO、CaOMgO、CaOMgO、C方鎂石方鎂石、鎂鋁尖晶石方鎂石、鎂鉻尖晶石鎂橄欖石、方鎂石方鎂石、鎂橄欖石方鎂石、硅酸二鈣方鎂石、氧化鈣方鎂石、無定形碳（或石墨）2023/2/5材料科學與工程學院17

分類

類別主要化學成分主要礦物成分白云石質制品白云石磚CaO、MgO氧化鈣、方鎂石鉻質制品鉻磚鉻鎂磚Cr2O3、Fe2O3Cr2O3、MgO鉻鐵礦鎂鉻尖晶石、方鎂石碳質制品碳磚石墨制品碳化硅制品CCSiC無定形碳（或石墨）石墨碳化硅鋯質制品鋯英石磚ZrO2、SiO2鋯英石特殊制品純氧化物制品Al2O3、ZrO2、MgO、CaO剛玉、高溫型ZrO2、方鎂石、氧化鈣碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、金屬陶瓷等2023/2/5材料科學與工程學院18

通常是指其中含有相當數量二氧化硅的耐火材料。

硅質耐火材料中游離二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最強的耐火材料；

粘土質耐火材料中游離二氧化硅含量較少，是弱酸性的；

半硅質耐火材料居于期間。也有將鋯英石質耐火材料和碳化硅質耐火材料歸入酸性耐火材料的，因為此類材料中含有較高的SiO2或在高溫狀態下能形成SiO2。2、按化學特性分（1）酸性耐火材料

2023/2/5材料科學與工程學院19（2）中性耐火材料

中性耐火材料按嚴格意義講是指碳質耐火材料。但通常也將以三價氧化物為主體的高鋁質、剛玉質、鋯剛玉質、鉻質耐火材料歸入中性耐火材料（兩性氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。此類耐火材料在高溫狀況下對酸、堿性介質的化學侵蝕都具有一定的穩定性，尤其對弱酸、弱堿的侵蝕具有較好的抵抗能力。2023/2/5材料科學與工程學院20（3）堿性耐火材料

一般是指以MgO、CaO或以MgO·CaO為主要成分的耐火材料（鎂質、石灰質、鎂鉻質、鎂硅質、白云石質耐火制品及其不定形材料）。這類耐火材料的耐火度都比較高，對堿性介質的化學侵蝕具有較強的抵抗能力。

2023/2/5材料科學與工程學院213、根據耐火度的高低

普通耐火材料：1580～1770℃

高級耐火材料：1770～2000℃

特級耐火材料：>2000℃4、依據形狀及尺寸的不同

標普型：230mm×113mm×65mm；不多于4個量尺，（尺寸比）Max:Min<4:1；

異型：不多于2個凹角，（尺寸比）

Max:Min<6:1；或有一個50～70°的銳角；

特異型：（尺寸比）Max:Min<8:1；或不多于4

個凹角；或有一個30～50°的銳角。2023/2/5材料科學與工程學院225、按成型與否分

定性耐火材料，具有一定的形狀。

不定性耐火材料，也稱散狀耐火材料，在現場按照具體要求施工成一定形狀的耐火材料。2023/2/5材料科學與工程學院23

燒成磚：經過高溫燒成。

不燒磚：不經過高溫燒成，僅經過干燥或熱處理得到的定性耐火制品。

熔鑄磚：將配好的原料通過高溫熔融，然后澆鑄、退火得到的定性耐火制品。6、按燒制方法分2023/2/5材料科學與工程學院24特致密制品，顯氣孔率低于3%；高致密制品，顯氣孔率為3%～10%；致密制品，顯氣孔率為10%～16%；燒結制品，顯氣孔率為16%～20%；普通制品，顯氣孔率為20%～30%；輕質制品，顯氣孔率為45%～85%；超級輕質制品，顯氣孔率高于85%。

7、按氣孔率分（7類）2023/2/5材料科學與工程學院25四、耐火材料的特點1．耐火原料品種多；2．耐火材料的產品多；表現在配方多。3．耐火材料的壽命與使用條件關系密切。一個配方在鋼鐵工業和水泥工業或化學工業使用不同；另外還表現在同一種耐火材料在一個廠家使用與在另一個廠家使用的效果也不一樣。2023/2/5材料科學與工程學院26五、耐火材料的歷史與發展

郭沫若曾說過“自從舊石器時代以來陶瓷出現5000年歷史，中國文明史即為陶瓷發展史”。陶瓷的燒制離不開耐火材料，如裝瓷器用的匣缽和砌筑窯體材料。耐火材料自從19世紀開始隨著鋼鐵工業、有色金屬工業、水泥與石灰工業、玻璃工業及化工工業的發展而發展。

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據《世界金屬導報》2001年11月27日報道：全世界約有2000多家耐火材料公司，年生產能力約4000萬噸，全球耐火材料市場為2200～2500萬噸，總價值約為1000億美元。具體應用范圍：鋼鐵工業占70%，水泥與石灰工業占7%，陶瓷工業占6%，玻璃工業占3～4%，石化工業占4%，有色金屬工業占2～3%，其他6%。

2000年全世界范圍年銷售額在1億美元以上的耐火材料公司20強中，排名第一的是奧地利的RHI公司，年銷售額達16億美元。2023/2/5材料科學與工程學院28

在發達國家：耐火材料的生產產量下降，平均價格在上升，如表1：

美國

日本

產量（萬噸）

平均價格（元/噸）產量（萬噸）平均價格（萬日元/噸）1980年480370270102000年35065013315下降27%上漲75.7%下降51%上漲50%表1美國與日本耐火材料的生產情況2023/2/5材料科學與工程學院29我國耐火材料的發展狀況

在我國，解放前耐火材料的年產量僅為7.4萬噸，產品單一，只能生產粘土磚和硅磚，生產簡陋，多為手工作坊式。

新中國成立后，特別大煉鋼鐵時代，耐火材料有了一次飛躍，各大鋼廠都建立了配套的耐火廠。1957年開始第一個五年計劃，投資近億元改造了一批磚瓦廠是之成為耐火廠，改造擴建鞍鋼、唐鋼、大石橋等一批耐火廠，此時年產量達到101.4萬噸。“二五”期間，投資近4億元，“三五”“四五”又投資了3.6億元建立了一批新的耐火廠；到1980年“五五”結束，年產量達到414.7萬噸。國內耐火企業的發展歷程2023/2/5材料科學與工程學院30

“六五”以來，以寶鋼、金川有色冶金和大型合成氮化肥、大型水泥回轉窯等國家重點引進工程的建設與投產，國家以耐火材料國產化為契機，投資近10億元改造了一批耐火廠如：青島耐火材料廠1個多億的“連鑄三大件—塞棒、長水口、侵入式水口”；上海第二耐火材料廠1.5億左右的滑板生產線。引進國外的先進技術和設備，使我國耐火材料工業取得了前所未有的長足發展。2023/2/5材料科學與工程學院311）計劃經濟時代－中國耐火材料由33家重點企業扶持；

2）改革開放以后，隨著鋼鐵工業的迅速發展，耐火材料行業快速發展起來；

2004年統計，全國有1136家耐火材料生產企業

2005年統計，全國有1359家耐火材料生產企業

2006年統計，全國有1505家耐火材料生產企業中國耐火材料工業的現狀與發展

2023/2/5材料科學與工程學院32中國耐火材料產量如下表所示年份19801985199019952000200220042006產量，百萬噸3.825.466.7517.559.811.0018.732.4

連鑄比的提高和冶煉技術的進步導致噸鋼耐火材料消耗下降；另一方面，鋼產量增加；使得2002年以后中國耐火材料產量呈上升趨勢。

2002年、2004年和2006年，中國粗鋼產量分別為：1.8、2.8和4.1億噸；2023/2/5材料科學與工程學院33存在的問題和今后的發展

鋼鐵工業的競爭日趨激烈，耐火材料生產廠家面臨更大的成本壓力；中國耐火材料企業的研發力量有待加強。不能僅僅作為一個加工基地；

應注意可持續發展戰略。如：礦山的管理、耐火材料的回收利用、環境友好耐火材料的使用；潔凈鋼的生產對耐火材料提出了更高的要求，除了要求長壽以外，還要求對鋼水無污染；2023/2/5材料科學與工程學院34出口情況：

耐火原料：我國已成為世界耐火原料市場的主要供應國。在出口的原料中，礬土熟料占60%；鱗片石墨占56.7%；砂占30%；

2001年1～9月：出口原料（10種）280.66萬噸，同比增加5.72%，創匯2.85億美元，平均價格：99.51美元/噸。

出口耐火制品：39.432萬噸，同比增加7.19%，創匯1.44億美元，平均價格：365.70美元/噸。

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當今耐火材料的發展，一極是不定形化，而另一極則是定形耐火材料的高級化，概括起來就是朝著高純化、精密化、致密化和大型化。著重開發氧化物和非氧化物復合的耐火材料。

高純化：減少了硅石、粘土、葉臘石等天然原料用量,轉向燒結、電熔氧化鎂、碳化硅等人工合成原料。

精密化：研制復雜和高精度形狀的加工技術。致密化：采用高壓成型、高溫燒成的設備和技術，使高純原料制成的制品（尤其大型制品）致密度得以保證。發展趨勢：2023/2/5材料科學與工程學院36六、寶鋼—耐火材料的應用

寶鋼一、二期國家概算投資301.2億元，三期為623.4億元。一期1978.12.23～1985.9；二期1991.6投產；三期1993年開始建設，（包括一座4350m3高爐，與之配套的450m２的燒結機和4座50孔焦爐；2臺250t頂底復吹轉爐及2臺1450mm板坯連鑄機，1580mm熱連軋機，1420mm冷連軋機，1550mm冷連軋機，一座150t超高功率雙爐底直流電弧爐及一座相應鋼包精煉爐和一臺六流管坯連鑄機。）1998年初投入熱負荷試車，當年年產鋼能力超過1000萬噸；達產后年產粗鋼1100萬噸，產品板材931.6萬噸。

1、寶鋼的有關情況2023/2/5材料科學與工程學院372、煉鋼工藝流程降碳、去硫磷、調硅錳2023/2/5材料科學與工程學院382023/2/5材料科學與工程學院392023/2/5材料科學與工程學院402023/2/5材料科學與工程學院413、鋼鐵工業使用耐火材料的情況

耐火材料和鋼鐵工業密不可分，從人類開始從事煉鐵技術以來，人們就開始使用耐火材料。耐火材料主要應用在冶金行業，～70％；其次是用在建筑行業，～20％；其它行業～10％。2023/2/5材料科學與工程學院42１、簡介焦爐是獲得焦炭及煉焦化學副產品的熱工設備。主要部分為碳化室。一、焦爐用耐火材料（Refractoriesforcokeoven）2023/2/5材料科學與工程學院432023/2/5材料科學與工程學院442023/2/5材料科學與工程學院45碳化室是由爐墻、爐底、爐頂和爐門組成。碳化室工作室工作是周期性的，裝煤時爐墻表面溫度降至500～600℃，結焦末期爐墻表面溫度又升至1000～1100℃。溫度的大幅波動，使砌體產生熱應力，導致砌體出現裂紋、組織松散、強度降低，還受到煤料成焦時的膨脹壓力，致使墻面鼓脹和凹陷等。裝煤和推焦時，爐墻和爐底經常受到強烈的機械磨損和撞擊，另外，爐墻還承受化學侵蝕和碳素沉積的作用。因此，碳化室墻、底用硅磚砌筑。

２、碳化室用耐火材料2023/2/5材料科學與工程學院46

焦爐，尤其現代化大型焦爐對硅磚的要求時及其嚴格的。首先是外觀上光潔度與平整度要求很高。磚的棱角齊整、尺寸公差小。另外，硅磚為鱗石英、方石英并與殘余石英及玻璃相共存的復合體，其中只有鱗石英形成結晶網絡而構成堅固的骨架，使磚具有良好的高溫結構強度，為此必須使石英達到充分轉化，促使磚中大量鱗石英的形成。

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工業發達國家所生產的硅磚真密度一般為：2.31~2.32g/cm3，控制硅磚中殘存石英含量使殘余膨脹幾乎為零?，F代大型焦爐碳化室墻面采用致密硅磚砌筑，顯氣孔率控制在16％～17％，以提高爐墻導熱性，增加生產能力。2023/2/5材料科學與工程學院48

爐門由于經常開啟，溫度波動較大，朝向碳化室一側一般采用粘土磚砌筑，也可用堇青石磚和不定形耐火材料，耐火材料與外殼之間充填隔熱材料。碳化室靠爐門的墻，也稱爐頭，處于溫度波動大的區域，因此多用粘土磚、高鋁磚、硅線石磚和紅柱石磚砌筑。爐頭和爐門損壞時一般用磚補砌，或用耐火可塑料及澆注料修補，較好的修補方法為火焰噴補法。2023/2/5材料科學與工程學院49３、燃燒室用耐火材料燃燒室由爐墻、爐底和爐頂組成。爐墻與碳化室共用，需砌筑嚴密，不得有氣體串通，該側面主要受高溫、煤中所含鹽類和燃氣的作用。爐底與斜道上的空氣和煤氣道相通。燃燒室工作層用硅磚砌筑，其技術要求與碳化室用磚相同。2023/2/5材料科學與工程學院50４、焦爐硅磚簡介以鱗石英為主晶相的硅質制品?，F代焦爐是由成千種磚形，上萬噸耐火材料砌筑的龐大熱工設備。硅磚是其砌體的主要材料，構成了焦爐的基本部分：蓄熱室、斜道、燃燒室、碳化室、爐頂等，占耐火磚總量的60～70％。焦爐的一個爐役約20～30年，有的高達45年。焦爐硅磚的質量好壞直接影響到爐役的長短。2023/2/5材料科學與工程學院51

焦爐硅磚使用性能要求

1、荷重軟化溫度高焦爐硅磚在高溫下能承受爐頂上裝煤車的動負荷，并可在長期使用中不變形。2、熱導率高焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃燒室的熱傳導加熱而煉成的，所以，砌筑燃燒室的硅磚應該有較高的熱導率。2023/2/5材料科學與工程學院523、高溫時有良好的熱震穩定性能由于焦爐周期性的裝煤、出焦，引起燃燒室墻兩側硅磚的溫度急劇變化。正常操作的溫度波動范圍內不會引起硅磚的嚴重裂紋和剝落，因為在600℃以上，焦爐硅磚具有良好的抗熱震性能。4、體積穩定性晶型轉化良好的硅磚中，殘存石英不大于1％，加熱時的膨脹集中在600℃以前，之后膨脹顯著趨緩。在焦爐正常操作時，溫度不會降至600℃以下，砌體的變化也不會大，可長期保持砌體的穩定和嚴密性。2023/2/5材料科學與工程學院53某焦爐硅磚的理化性能項目指標備注SiO2，％≥94耐火度，℃≥1690荷重軟化溫度，℃≥1620重燒線變化,1450℃,%≤0.2顯氣孔率，％22～25依使用部位而定常溫耐壓強度，MPa≥20碳化室墻和爐底≥30MPa熱導率，W/(m?K)≥1.7參考指標2023/2/5材料科學與工程學院54焦爐硅磚的礦物組成：真密度為2.35g/cm3的硅磚，其礦物組成為：鱗石英60～70％，方石英15～25％，殘存石英3～5％，玻璃相及其它～10％。焦爐硅磚殘存石英少，鱗石英多，可以減輕烘爐時的膨脹和在使用過程中由于殘存石英的轉化而產生的膨脹。

注：

新砌焦爐烘爐的溫度－時間升溫曲線應合理制定，尤其是在600℃前膨脹較激烈的階段應嚴格控制。2023/2/5材料科學與工程學院55

是將精鐵礦、粘結劑和溶劑等混合料球在爐內1300℃左右的高溫氧化焙燒，將料球燒結為球團礦的設備。爐體絕熱層用硅藻土磚和粘土質隔熱磚，工作層用粘土磚，焙燒帶以下用高鋁磚。

二、燒結爐用耐火材料

(RefractoriesforSintering

furnace）

2023/2/5材料科學與工程學院56（一）熔劑性球團有有利于節能減排假如，我國煉鐵爐料結構全部增加20%的熔劑性球團礦代替燒結礦，球團礦生產比燒結礦生產能耗每年可直接節約煤炭將近500萬噸，相當于河北省鋼鐵企業燒結能耗的總量。（二）保護環境

由于球團礦料層透氣性好，強度高，粉末少，故煙氣含塵量少，相對燒結礦可減少排入大氣的灰塵量，有利于改善環境。此外，燒結過程的煙氣中SO2、NOX含量都較球團過程中的煙氣含量高，主要原因是因為燒結使用固體燃料較多，固體燃料中的硫和氮是生成SO2、NOX

的來源之一。而球團礦生產是同高爐配套的，其燃料來源主要是高爐煤氣。2023/2/5材料科學與工程學院57三、高爐用耐火材料（Refractoriesforblastfurnace）

１、高爐簡介高爐是利用鼓入的熱風使焦炭燃燒及還原熔煉鐵礦石的豎式爐，是在高溫和還原氣氛下連續進行煉鐵的熱工設備。

2023/2/5材料科學與工程學院58高爐示意圖高爐示意簡圖

2023/2/5材料科學與工程學院59高爐爐體由爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸5部分組成。爐體附設有風口、出渣口、出鐵口、冷卻系統及加料裝置等設施。高爐爐襯按其使用損毀特點可分為上、中、下三段；上段包括爐喉、爐身上部和中部；中段包括爐身下部、爐腰和爐腹；下段為爐缸和爐底。2023/2/5材料科學與工程學院60高爐用耐火材料損毀的原因主要是爐料機械磨損、碳素沉積、渣鐵侵蝕、堿金屬侵蝕和鉛鋅滲透、熱應力和高溫荷重等綜合因素，其中溫度是決定性的因素。因此，高爐爐體易損部位均設有冷卻系統，以提高爐襯的使用壽命。2023/2/5材料科學與工程學院61（1）爐喉、爐身上部及爐身中部（上段）爐喉（爐喉起保護爐襯、合理布料和限制煤氣被風卷起。）承受爐料下降時的直接沖擊和摩擦，極易磨損，多采用高強度的粘土磚和高密度的高鋁磚砌筑，并采用鑄鋼板保護。爐身上部和中部（起預熱、加熱、還原和造渣的作用）溫度不超過700℃，無爐渣形成和爐渣侵蝕，除承受爐料滑行與沖擊以及熱煙氣所攜粉塵的摩擦而導致機械磨損外，主要是鉛、鋅侵入沉積，使襯磚組織變的脆弱，甚至鼓脹，還有碳素沉積及粘結物的作用，使爐襯開裂和結構松散。整個爐體中該部位損毀較輕，一般采用氧化鐵含量較低的致密粘土磚或高鋁磚砌筑。２、高爐爐體用耐火材料2023/2/5材料科學與工程學院62（2）爐身下部、爐腰和爐腹（中段）

爐身下部承受爐料下降時的摩擦與爐氣上升時粉塵的沖刷作用，該部位溫度較高并有大量爐渣形成，堿金屬蒸汽的侵蝕作用較重，因此爐襯損毀速度較快。爐腰處溫度高，爐渣大量形成，渣蝕嚴重，堿侵蝕及高溫含塵煙氣的沖刷均較爐身嚴重。爐腹部位的溫度較爐腰高，其下部爐料溫度約為1600～1650℃，氣流的溫度更高，低粘度的熔渣大量形成，不但渣蝕嚴重，同時仍然承受焦炭的摩擦以及由上而下的熔體及炙熱氣流的沖刷，該部位爐襯的損毀最為嚴重。2023/2/5材料科學與工程學院63工業先進國家的經驗以及中國高爐的實踐表明：碳化硅耐火制品具有硬度高、高溫強度大，熱膨脹率低、導熱性能、抗堿侵蝕性與抗熱震性優良等特點，是高爐中段較為合適的爐襯材料。其中以氮化硅結合的碳化硅制品最佳。因為氮化硅細致的纖維狀結晶作為結合相，將碳化硅細粉包裹形成牢固的機械結合，因而具有較高的高溫強度與較好的抗堿蝕性能，其用量已占全世界高爐用碳化硅材料的60％以上。最新開發的塞?。⊿ialon）結合碳化硅制品，與氮化硅結合的制品相比，結晶較大，氣孔率較低，抗氧化性能好，經抗堿試驗后，高溫抗折強度較佳，是高爐爐襯材料的優選。

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爐身非工作層采用粘土質隔熱磚砌筑，也可以用高鋁水泥隔熱耐火澆注料澆注和噴涂施工。在生產過程中，爐身下部、爐腰和爐腹工作層損毀到一定程度時（爐殼發紅），可采用壓入料和噴涂料進行熱修補。在高鋁質的噴補料中加入一定比例的SiC材料進一步提高材料的耐磨性和耐侵蝕性。從上世紀60年代開始，對爐腰、爐腹、爐底進行壓入修補，在襯磚和爐殼之間形成保護層，在高鋁料的基礎上，加入樹脂為結合劑的SiC及碳素，以提高其耐侵蝕性和熱導率，可延長使用壽命3～6個月，有的可長達一年。2023/2/5材料科學與工程學院653、爐缸及爐底（下段）

爐缸是盛裝鐵水和熔渣的部位，其側壁上設有出渣口、出鐵口和風口。該部位長期承受高溫、熱荷載、鐵水和熔渣的侵蝕，以及熱應力等作用。爐缸上部風口區溫度最高，可達1700～2000℃以上。開爐初期爐底和爐缸的耐火材料主要承受高溫鐵水和熔渣的機械沖刷和攪動磨蝕、鐵水與渣滲入磚的氣孔與磚縫中，加快對爐襯侵蝕，導致砌體變形開裂，甚至爐底磚漂浮。

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目前，國內外大中型高爐普遍采用致密度高、導熱性和抗侵蝕性好的石墨碳磚和微孔碳磚。使碳磚損毀的因素①滲入有金屬鐵外，還生成氧化鐵和碳化鐵，導致組織破壞。此外，②碳磚遇有水蒸氣等物質時發生氧化，也是損毀的原因。2023/2/5材料科學與工程學院67對于粘土磚或高鋁磚爐缸及爐底來說，鐵水中的碳能將磚中的二氧化硅還原成硅，并為鐵水所吸收形成硅鐵，使磚的表面呈半熔融狀態。當侵蝕達到一定深度，即達到鐵水凝固線時，鐵水與熔渣的滲入即中止。因此，現代高爐的爐缸及爐底均設有冷卻設施。2023/2/5材料科學與工程學院68在大型高爐上廣泛采用砌筑陶瓷杯來保護爐底及爐缸壁。爐底采用莫來石磚或優質粘土磚，上升部分用鉻剛玉磚，也有采用超低水泥結合的棕剛玉澆注件，以形成“陶瓷杯”。

新開發的微孔碳磚、半石墨磚及石墨磚與傳統的加入氧化物的碳磚相比，抗滲透性、抗鐵、堿及爐渣侵蝕性以及導熱性能等均有明顯的改進，高爐自采用全碳磚爐底和綜合爐底以來，壽命可長達15～20年。已不成為影響高爐爐齡的關鍵環節。2023/2/5材料科學與工程學院69馬鋼：陶瓷杯采用的是“隔熱、保溫”技術,選用低導熱、高荷軟、抗渣鐵侵蝕性能好的剛玉質預制塊砌筑于炭塊內側,使℃等溫線高度集中在低導熱的陶瓷層內,使炭塊免受高溫渣鐵侵蝕。2023/2/5材料科學與工程學院70高爐用碳磚及石墨磚的性能性能傳統碳磚微孔碳磚加外加劑碳磚半石

墨磚石墨磚加入外加劑半石墨磚耐壓強度,MPa405060251548熱導率

W·(m·K)-181111195122添加劑SiSiAl2O3SiAl2O3抗堿性,%5.11.61.65.23.50.3鐵中溶解度

%3.04.20.5