COREX熔融气化炉耐火材料选型策略与损毁机理分析

作为一种新型非高炉炼铁技术，熔融还原法以其独特的工艺优势备受关注。然而，其工业化推广之路并非一帆风顺，其中一个核心的技术瓶颈，便是熔融气化炉（COREX炉）内衬耐火材料的寿命问题。由于炉内工况极端复杂，耐火材料的快速损毁直接制约了设备的稳定运行和生产效益。因此，深入理解其损毁机理，并为不同区域量身定制耐火材料配置方案，是推动该技术发展的关键。

熔融气化炉耐火材料面临的共性挑战

熔融还原工艺产生的高FeO炉渣，对耐火材料具有极强的侵蚀性。炉衬的损毁是一个多重因素叠加作用的结果，主要包括：

• 化学侵蚀：高温熔渣、铁水以及碱金属蒸气的化学侵蚀，是导致材料变质和结构破坏的主要原因。
• 物理熔损：超高温工作区导致耐火材料发生热熔损失。
• 热剥落：工艺过程中的温度波动，尤其在启停炉期间，会引发材料内部巨大的热应力，导致热震开裂与剥落。
• 机械损伤：炉料的撞击磨损和高速含尘气流的冲刷，对炉衬造成持续的物理破坏。

这一系列复杂的损毁机制共同作用，使得炉衬寿命大打折扣。那么，针对熔融气化炉内部结构的分区特点，如何进行差异化的耐材选择？

图1 熔融气化炉各区域侵蚀情况

各区域耐火材料的精细化配置策略

熔融气化炉通常可划分为干燥区、流化燃烧区、风口区和炉缸四个主要功能区，每个区域的工作环境和对耐火材料的性能要求都截然不同。

1. 干燥区：聚焦耐磨与抗冲刷

在温度介于1000~1200°C的干燥区，主要进行煤的分解与挥发分脱除。此区域的炉衬面临两大挑战：炉料下落带来的剧烈机械撞击，以及含尘气体的持续冲刷与化学腐蚀。因此，耐磨性成为炉衬选材的首要指标。工程实践表明，选用Al₂O₃含量在55%至65%之间的高铝砖即可有效应对。与还原竖窑窑衬的选材逻辑相似，为了延长使用寿命，应严格控制砖中Fe₂O₃的含量，以避免因其在还原性气氛下发生反应而导致的炉衬脆化或粉化现象。

2. 流化燃烧区：抗热震与耐冲刷的平衡

流化燃烧区的温度骤升至1600~1700°C，煤在此处燃烧，炉料处于流化状态，对炉衬的冲刷磨损极为严重。同时，送风与休风操作带来的剧烈温度波动，使炉衬承受巨大的热负荷和热震风险，极易发生剥落。南非ISCOR公司的实践案例表明，在此部位使用镁炭砖，由于频繁的开停炉操作，剥落问题相当突出。基于此，该区域的理想选择应是兼具优异抗热震性、热稳定性和耐冲刷能力的材料，例如Si₃N₄结合的SiC砖。

准确评估材料在模拟工况下的抗热震性和耐磨蚀性，对于优化选材至关重要。这通常需要借助专业的实验手段进行性能表征与失效分析。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料性能检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

3. 风口区：应对极端高温与氧化腐蚀

风口区是整个熔融气化炉工况最苛刻的区域。采用纯氧操作，使得风口砖承受极高的热负荷和强氧化气氛，对含碳耐火材料的氧化作用尤为显著。熔渣和铁水在此区域初步形成，对风口砖产生强烈的化学腐蚀。

对此，选材策略趋于多元化：

• 基础选型：SiC砖是风口区域的基础选择。而对于风口上部至检修孔一带，若使用镁炭砖，需警惕其水化问题，采用Si₃N₄结合的SiC砖作为内衬是更稳妥的方案。
• 优化方案：风口组合套砖采用β-SiC结合的SiC砖已证明具有良好效果。
• 高性能备选：侵蚀试验研究发现，Al₂O₃-Cr₂O₃砖（铬刚玉砖）表现出卓越的抗侵蚀性和抗剥落性，是风口及以上区域的有力竞争者。同样，Sialon结合刚玉砖也因其出色的综合性能，被认为是非常理想的选择。

4. 炉底与炉缸区：长周期稳定性的保障

炉底、炉缸和铁口等部位长期与高温铁水、熔渣直接接触，化学侵蚀是导致损毁的根本原因。该区域的耐材配置与传统高炉相似，核心思路是构建一个稳定、抗侵蚀的“陶瓷杯”结构。通常，内衬主体采用微孔或超微孔炭砖，外砌陶瓷杯。出铁口部位则多采用性能均衡的Al₂O₃-SiC-C质材料。

实践案例：宝钢CEREX3000耐材配置

下表详细列出了宝钢COREX 3000熔融气化炉在各个部位的耐火材料配置情况，为实际工程应用提供了极具价值的参考。

表1 宝钢CEREX3000耐火材料使用情况

综上所述，COREX熔融气化炉耐火材料的选择是一项系统工程，必须基于对各区域工作环境和损毁机理的深刻理解，通过精细化、差异化的材料配置，才能实现设备的长周期稳定运行，从而充分发挥熔融还原炼铁技术的潜力。