爐缸是盛裝鐵水和熔渣的地方，并燃燒焦炭產(chǎn)生大量煤氣，為高爐還原制造初始條件。爐缸部位特別是風(fēng)口區(qū)是高爐內(nèi)溫度最高的區(qū)域，其溫度在1700~2000 ℃以上，爐底溫度一般在1450~1500℃范圍內(nèi)，爐缸內(nèi)襯除受高溫作用外，還主要受到渣鐵的化學(xué)侵蝕與沖刷，爐底主要以鐵水的滲人侵蝕為主。所以，爐缸爐底的侵蝕大多為“蒜頭狀”或平鍋底狀侵蝕。兩種典型的爐缸侵蝕圖形。

基于上述原因，在選擇爐缸'爐底用耐火材料時(shí)，應(yīng)采用抗渣鐵侵蝕件強(qiáng)、抗堿性能強(qiáng)、抗鐵水滲透性好的優(yōu)質(zhì)耐火材料。特別是爐缸、爐底的碳質(zhì)材料必須具有很離的抗?jié)B透性、導(dǎo)熱性、杭化學(xué)侵蝕性等，借助冷卻壁的冷卻作用，將1150℃等溫線(鐵水凝固線)盡量推向中心，在碳磚熱面能夠形成一層保護(hù)性的“渣皮”或“鐵殼”，使碳磚免受滲化學(xué)、沖刷、熱應(yīng)力的破壞，以延長(zhǎng)其使用壽命。所以最為關(guān)鍵的就是要求碳磚具有優(yōu)異的抗?jié)B透性和高導(dǎo)熱性。

綜合爐底自20世紀(jì)5O年代盛行以來直至今日仍有強(qiáng)大的生命力，據(jù)俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)1513m3高爐爐底無冷卻時(shí)侵蝕深度為1950mm左右，有冷卻時(shí)約為700mm。美國(guó)、日本、 中國(guó)先后采用粘土磚(或高鋁磚)-碳磚砌筑綜合爐底，并進(jìn)行了不同構(gòu)造形式的試驗(yàn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明：高導(dǎo)熱性碳磚砌筑在爐缸壁、爐底下層和周邊處，硅酸鋁質(zhì)耐火磚砌筑在爐底上層中部，并加強(qiáng)冷卻設(shè)施，使用效果較好，得到了普遍應(yīng)用。雖然高爐向大型化發(fā)展， 爐底用材質(zhì)和構(gòu)造形式有所不同，但采用綜合爐底仍較多，特別是美國(guó)、日本、俄羅斯和中過等國(guó)家更為普遍。因?yàn)?，硅酸鋁質(zhì)酎火磚的成本僅為碳磚的三分之一，也能滿足生產(chǎn)的要求，還可節(jié)約建設(shè)投資。如日本福山廠5號(hào)高爐爐缸直徑為14. 4m，爐底從上至下由2層粘土磚、3層平砌和1層立砌的碳磚所構(gòu)成，爐底厚度為4. 8m。

美國(guó)高爐一般是采用全碳磚爐底(如美國(guó)3680 m3高爐風(fēng)冷爐底，風(fēng)管間搗制炭素材料，找平后鋪4層碳磚，爐底總厚度為3500mm，爐缸壁采用碳磚砌筑，厚為991mm，風(fēng)口區(qū)為914mm。該爐于1978年月點(diǎn)火，最高日產(chǎn)量為8741t，投產(chǎn)14個(gè)月，產(chǎn)鐵近400萬t，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

西歐大中型高爐一般采用全碳磚薄爐底，為加強(qiáng)爐底傳熱效果，其最底部普遍采用石墨質(zhì)磚作冷卻層。圖9-27為英國(guó)蘭韋恩廠3號(hào)高爐爐底構(gòu)造形式及其溫度分布。該爐用的碳磚熱導(dǎo)率約為1980kJ/m·h·C，爐底總厚度為2. 4m。另外靠近爐底風(fēng)冷處砌筑1層石墨磚墊層。該爐投產(chǎn)后3個(gè)月，爐鹿襯里達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，鐵水凝固線保持相對(duì)的穩(wěn)定，即侵蝕已經(jīng)基本停止，使用效果較好。

德國(guó)克虜伯鋼鐵公司萊茵豪森廣2號(hào)高爐爐缸工作容積2355m3、該爐爐底下部砌筑1層厚50mm的石墨磚，然后再砌4層碳磚，爐缸到風(fēng)口水平面的爐壁也砌碳磚，厚度為1000mm，其余爐壁用Al2O3含量為42%和35%的粘土磚砌筑。經(jīng)驗(yàn)證，這種構(gòu)造形式使用一個(gè)爐役是安全可靠的。日本大中型高爐一般采用綜合爐底，并且吸收西歐等國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在爐底鋼板上搗制1層石墨質(zhì)搗打料墊層，并砌1層碳化硅石墨磚，然后再滿鋪碳磚，接著用Al2O3含量約為40%的粘土磚砌筑工作層。

我國(guó)于1970年在高爐上釆用全碳磚爐底，隨后發(fā)展成為碳磚或高鋁磚滿鋪爐底，周圍采用大塊碳磚砌筑的形式，基本上達(dá)到了預(yù)期效果。但是隨著高爐冶煉的強(qiáng)化，我國(guó)大多數(shù)高爐爐缸爐底受到侵蝕，直接威脅著高爐的一代壽命。究其原因，爐缸碳磚的理化性能指標(biāo)欠佳，從而導(dǎo)致爐缸碳磚的環(huán)裂和斷裂加劇，為滲渣滲鐵創(chuàng)造了有利條件。

我國(guó)爐缸爐底所用的碳磚大部分是國(guó)產(chǎn)碳磚，其品種單一，微氣孔率、熱導(dǎo)率低，抗渣鐵侵蝕、抗?jié)B透性差，強(qiáng)度不足。而國(guó)外碳磚性能的優(yōu)越性有：氣孔向微氣孔發(fā)展，孔徑由40um降低到5um以下，氣孔形成由開孔轉(zhuǎn)向密閉氣孔，因而體現(xiàn)出透氣性低，抗堿及抗?jié)B鐵性能強(qiáng)，致密度高，高熱性能好，國(guó)外碳磚的熱導(dǎo)率常溫時(shí)為IOW/ (m·K)，高溫時(shí)達(dá)20W/ (m·K)，而國(guó)產(chǎn)碳磚均低于IOW/ (m • K)。另外，國(guó)產(chǎn)碳磚骨料是以無煙煤和人造石墨為主，無煙煤的石墨化程度差，表面裂紋較多，骨料顆粒大小懸殊分布不均 勻，無煙煤顆粒與粘結(jié)劑結(jié)合不緊密，常有裂隙，結(jié)構(gòu)顯得松散;而國(guó)外碳磚是以無煙煤為主要骨料，無煙煤的石墨化程度高，表面致密，裂隙少，骨料顆粒分布均勻，結(jié)構(gòu)緊密，所以，爐缸、爐底碳磚使用壽命大大延長(zhǎng)，一般達(dá)12~15年;而我國(guó)較長(zhǎng)壽的高爐為8~ 10年，短壽的只有3年左右。

針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)有的高爐在爐缸砌了美國(guó)熱壓小塊碳磚，這樣效畢較顯著，美國(guó)VCAR公司開發(fā)的熱壓碳磚系列產(chǎn)品，其抗?jié)B透性、導(dǎo)熱率、抗堿性、機(jī)械強(qiáng)度等性能均能滿足要求，目前全世界已有300多座髙爐成功使用。

NMA磚由于它的優(yōu)良配方和特殊的成型工藝及構(gòu)型，使其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、極低的滲透性和優(yōu)良的耐堿性。與傳統(tǒng)的大型碳?jí)K相比，滲透率僅為后者的1/50~1/100%，熱導(dǎo)率高2~3倍。另外，NMA磚形狀較小，加上熱固性C-34膠泥能提供膨脹補(bǔ)償，從而能防止熱應(yīng)力斷裂和收縮剝落^。NMA磚的熱導(dǎo)率高，可促使?fàn)t缸壁熱面形成保護(hù)性“渣皮或“鐵殼”，防止了氣體、熔融渣鐵、堿金屬對(duì)碳磚的滲透侵蝕和渣鐵的沖刷磨損。我國(guó)本鋼 5號(hào)高爐于1990年首次采用美國(guó)熱壓小塊碳磚，效果較明顯。繼之首鋼4座髙爐都選擇了熱壓碳磚，將NMA磚砌筑在爐底爐缸交界處“蒜頭狀”侵蝕區(qū)。

2號(hào)高爐采用了碳磚-高鋁磚綜合爐底，如圖9-28所式。 綜合爐底以上至鐵口平面以下(即死鐵層區(qū)域)全部 采用NMA磚，前面砌一層高鋁質(zhì)保護(hù)磚，形成“簡(jiǎn)易陶瓷杯”結(jié)構(gòu)，以避開開爐初期對(duì)NMA磚的各種破壞，高爐未使用NMA磚時(shí)，一般開爐9個(gè)月左右就要加人含鈦料護(hù)爐，而2號(hào)高爐采用NMA磚之后，開爐18個(gè)月 (1992年10月24日)才開始投人含鈦爐料護(hù)爐，到1993 年9月第二段冷卻壁進(jìn)出水溫差平均0.3℃，75%冷卻壁的熱流強(qiáng)度為6970W/m2，爐底熱電偶溫度一直穩(wěn)定在100~200℃之間，這說明NMA磚的作用已經(jīng)顯示出來。

20世紀(jì)80年代初，法國(guó)Savoie耐火材料公司在德國(guó)蒂森鋼公司高爐上開發(fā)并安裝了一種新型復(fù)合式爐襯，即稱之為“陶瓷杯”。隨后這一新技術(shù)在世界各國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。陶瓷杯的主要特點(diǎn)是用低導(dǎo)熱的陶瓷材料，將11500℃等溫線阻滯在陶瓷層中，使碳磚避開800~1000℃的脆性斷裂區(qū)，由于陶瓷杯的存在使鐵水不直接與碳磚接觸，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上緩解了鐵水及堿金屬對(duì)碳磚的滲透、沖刷破壞;同時(shí)所用的莫來石、棕剛玉等都是低導(dǎo)熱的陶瓷材料，具有較高的抗?jié)B透性和抗沖刷性。陶瓷杯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：(1) 防止鐵水滲透;(2) 減輕鐵水環(huán)流沖刷 (與合理的死鐵層深度配合);(3) 提髙鐵水溫度(18~25℃)和爐缸抗熱震性。由于陶瓷杯具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)外許多新建或大修高爐采用了這種新型結(jié)構(gòu)。

爐底下端為循環(huán)水(或油)冷卻系統(tǒng)，冷卻管埋人炭搗層內(nèi)。當(dāng)冷卻管安裝在爐底封板上面時(shí)，為了防止管路車故，水泄漏后損壞碳磚，可以采用油為爐底冷卻介質(zhì)。而當(dāng)冷卻管安裝在爐底封板下面時(shí)，一般采用循環(huán)水冷卻，也可采用風(fēng)冷爐底。爐底砌體的下部為垂直或水平砌筑的碳磚，碳磚上部為莫來石磚。熱力學(xué)計(jì)算表明：高導(dǎo)熱性材料與低導(dǎo)熱性材料的最佳厚度比為2~2.5。力了維持這種比例關(guān)系，莫來石磚層數(shù)為1~2 層。爐缸壁是由通過一厚層灰縫(約60mm)分隔的兩個(gè)獨(dú)立的圓環(huán)所 組成，外環(huán)為碳磚(一般為碳磚或微孔碳磚)，內(nèi)環(huán)是剛玉質(zhì)瑣制塊。鐵口區(qū)域徑向磚厚度被加大。鐵口中心線至爐底磚上表面的距離，即通常所說的死鐵層深度，一般取為爐缸直徑的20%。

釆用陶瓷杯來保護(hù)炭塊的熱面，其意圖是使熔融鐵水與炭塊隔開。其次陶瓷材質(zhì)可使?fàn)t壁絕熱，因而降低熱損失。

基于上述原因，在爐缸內(nèi)襯采用陶瓷杯材質(zhì)技術(shù)不僅是可能的，而且是可行的。這為人多數(shù)高爐的實(shí)踐所證明。因此，對(duì)陶瓷杯用的耐火材料要求具有如下性能：良好的抗鐵水熔蝕性能，杯壁上部良好的抗渣侵蝕性能;良好的抗鐵水、渣液沖刷性能;在高溫狀態(tài)下，殘存線變?yōu)榱慊蛏哉?良好的抗CO侵蝕能力;良好的抗堿侵蝕能力;良好的在受壓狀態(tài)下由熱膨脹引起的應(yīng)力的適應(yīng)能力;良好的抗熱震能力。

表9-15為陶瓷杯用的耐火材料的特性。莫來石磚具有良好的抗鐵水侵蝕能力和稍正的膨脹特性，可以避免磚之間開縫;在1500℃、0.2MPa荷重下，24h變形率僅為0.3%~0.4%，使其能夠適應(yīng)由膨脹所引起的應(yīng)力狀態(tài)，因而特別適用于陶瓷杯的底部。但它的抗揸蝕性能較差，不得用于陶瓷杯的上部。

最近開發(fā)并研制出的低粘結(jié)劑含量的剛玉預(yù)制塊，由于具有較小的氣孔，而且氣孔分布變化非常小，因而具有較強(qiáng)的抗熱震能力。與莫來石磚比較，剛玉預(yù)制塊具有更好的抗渣蝕能力，所以，它適合用在陶瓷杯壁的上下部區(qū)域。

除此之外，能夠充分滿足前述特性的要求、已被應(yīng)用或可能被應(yīng)用于陶瓷杯的耐火材料還有合成莫來石結(jié)合的白剛玉磚和 Sialon結(jié)合的黑剛玉磚。前者已長(zhǎng)期應(yīng)用在許多高爐的各個(gè)部位，后者由于其綜合性能的改進(jìn)，待別適用于爐腹、爐腰及爐身下部，同時(shí)，也成為陶瓷杯的首要原料。

我國(guó)首鋼的設(shè)計(jì)、科研、生產(chǎn)、制造等部門共同和法國(guó)專家進(jìn)行了多次技術(shù)交流，經(jīng)過論證，最后決定在首鋼1號(hào)高爐大修改造中應(yīng)用陶瓷杯技術(shù)。圖9-30是首鋼1號(hào)高爐陶瓷杯砌筑結(jié)構(gòu).

另外，為使我國(guó)高爐在強(qiáng)化冶煉條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽，武漢碳質(zhì)爐襯新材料研究推廣中心在總結(jié)中、小高爐應(yīng)用自焙碳?jí)K的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，吸取了國(guó)外高爐長(zhǎng)壽經(jīng)驗(yàn)，研究、開發(fā)了技術(shù)性能全面超過國(guó)產(chǎn)傳統(tǒng)焙燒碳?jí)K的第五代至第七代自焙碳?jí)K產(chǎn)品以及適用于強(qiáng)化冶煉大型高爐的“半石墨化自焙碳?jí)K-陶瓷砌體復(fù)合爐襯技術(shù)”。詼項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于鞍鋼7號(hào) (2580m3)、4號(hào)(1002m3)、太鋼3號(hào)(1200m3)。和天鐵4號(hào)(550m3)高爐。

我國(guó)在160多座的中、小高爐上采用自焙碳?jí)K爐襯歷時(shí)20年的實(shí)踐證明：自焙碳?jí)K爐襯技術(shù)是中、小高爐經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的長(zhǎng)壽爐襯技術(shù)。特別是“自焙碳?jí)K-陶瓷砌體復(fù)合爐襯”技術(shù)以及“半石墨化自焙碳?jí)K-陶瓷砌體復(fù)合爐襯”技術(shù)分別在高爐上應(yīng)用，將為我國(guó)大型高爐實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)壽、高產(chǎn)、節(jié)能提供了一條新途徑。