陳汪寧  王金剛  張守旗

（山東鋼鐵股份有限公司）

摘要：隨著冶金裝備技術的發展，大中型高爐冶煉強度不斷提高，爐頂料罐襯板的耐磨性、耐高溫性和抗沖擊性能要求日益提高。傳統高鉻鑄鐵襯板存在韌性不足、維護頻繁等問題，嚴重影響高爐運行效率。本文以1#1880m³高爐為研究對象，提出采用高純度氧化鋁（Al₂O₃）基陶瓷復合材料替代傳統鑄鐵襯板，延長襯板使用壽命，對中型高爐的穩定運行提供更大保障。

關鍵詞：高爐料罐；陶瓷襯板；耐磨材料；新材料應用

0  前言

高爐料罐襯板長期承受高溫、高壓、磨損及化學腐蝕等多重工況，傳統高鉻鑄鐵襯板因韌性差、耐熱震性能不足，導致頻繁更換（年均2-3次），嚴重影響高爐生產效率。此外，襯板磨損引發的罐體泄漏問題增加了安全風險。因此，開發新型耐磨、耐高溫、抗沖擊的襯板材料成為高爐高效穩定運行的關鍵。

1  傳統鑄鐵襯板使用概況

傳統鑄鐵襯板在實際應用中暴露出顯著的技術短板：一方面，其維護工作強度大、維護次數頻繁，每次檢修都需要投入大量人力物力；另一方面，由于作業區域位于高爐爐頂煤氣環境，存在煤氣泄漏、中毒、爆炸等多重安全隱患，嚴重威脅檢修人員安全。目前1#1880m³高爐爐頂料罐使用的鑄鐵襯板存在諸多問題，高爐爐頂料罐襯板磨損嚴重（圖1），每次高爐定修均需要維護更換襯板，年均維護2-3次，單次定修時間約15小時，嚴重影響生產效率。另外，由于長期磨損沖擊，外部罐體已進行多次包焊修補，但仍發生磨穿泄漏事故（圖2），如處理不及時，很容易發生因泄漏造成均不上壓高爐減風事故，導致高爐非計劃停機搶修，影響高爐正常運行，且存在較大安全風險。這種狀況迫切需要通過材料革新來根本性解決現有問題。

圖1 爐頂料罐內部概況

圖2 外部罐體包焊

2  材料性能對比與創新設計

2.1傳統高鉻鑄鐵襯板的局限性

高鉻鑄鐵板具有在金屬類襯板中較高的硬度、耐磨性、機械強度，是應用最早的金屬襯板材料，廣泛運用在各類廠礦的儲運系統。但因其斷裂韌性、沖擊韌性在金屬襯板當中最低，并不適用于運輸大塊礦石的沖擊性較強的場所；其耐腐蝕性較差，也不適用于腐蝕性物料輸送；由于焊接性能差，無法采用焊接方法安裝，只能使用螺栓孔位方式安裝^[1]。

在力學性能方面，鑄鐵襯板存在顯著缺陷，主要表現為硬度與韌性的矛盾關系。其典型硬度為HRC60-65，但斷裂韌性僅為KIC≈2.5MPa·m^1/2，這種性能失衡源于高碳含量（2.5-3.5%）導致的晶界碳化物脆性相富集。在實際應用中，夏比沖擊功普遍低于8J（25℃），動態載荷下的臨界沖擊能量閾值≤15J/cm²，抗沖擊性能明顯不足。

在熱物理性能方面，鑄鐵襯板表現出較差的穩定性。其熱膨脹系數高達（10-12）×10^-6/℃，而導熱系數僅40-50W/(m·K)，這種特性導致嚴重的熱應力集中。在750℃工況條件下，熱疲勞循環壽命不足100次，且600℃時抗彎強度下降超過40%。

從耐磨性能角度看，鑄鐵襯板存在復雜的磨損機制，包括顯微切削磨損、脆性剝落和氧化磨損。鑄態組織的各向異性導致20-30%的性能波動，共晶碳化物取向造成的磨損率差異可達35%。實際使用中，襯板失效模式多樣，包括深度＞2mm的表面剝落、擴展速率＞0.5mm/h的貫穿性裂紋以及安裝孔周邊碎裂等問題。

在微觀結構方面，鑄鐵襯板存在枝晶偏析（Cr偏析度＞15%）和碳化物尺寸分布離散（5-50μm）等本征缺陷。環境敏感性方面，在濕H2S環境下腐蝕速率＞0.5mm/a，且易受堿金屬（K/Na）滲透導致晶界脆化。這些缺陷導致維護成本高昂，更換頻率達4-6個月/次，單次維護耗時15-20小時，年均綜合維護成本超過100萬元。

2.2陶瓷襯板的創新優勢

在力學性能方面，陶瓷襯板完美解決了傳統材料硬度與韌性的矛盾問題。通過95%高純度Al₂O₃+ZrO₂復合體系設計，在保持HRA85-95超高硬度的同時，斷裂韌性提升至≥4.8MPa·m^1/2，沖擊功達到15J以上，完全克服了鑄鐵襯板脆性斷裂的問題。這種獨特的"剛柔并濟"特性使陶瓷襯板在承受高速物料沖擊時表現出色，動態載荷承受能力較傳統材料提高3-5倍。

在耐高溫性能方面，陶瓷襯板熱膨脹系數（7.2×10^-6/℃）較鑄鐵降低30%，導熱系數優化至25-30W/(m·K)，有效避免了熱應力集中問題。在750℃高溫工況下，抗彎強度保持率超過85%，熱震循環壽命達500次以上，徹底解決了鑄鐵襯板熱疲勞壽命不足的痛點。

在耐磨性能方面，氧化鋁陶瓷優異的耐磨性主要源于其很強的硬度。粒子沖蝕角為0°時，屬純滑動磨損，磨損形式為低應力磨粒磨損，在這種工況條件下，氧化鋁陶瓷的磨性相當于錳鋼襯板的266倍，高鉻鑄鐵的171倍。在某些特定的工業工況下用，甚至可延長設備使用壽命十倍以上^[2]。

從使用維護角度看，陶瓷襯板具有8年的超長使用壽命，是傳統襯板的24倍，模塊化設計使安裝效率提升50%，實現真正的免維護運行。在惡劣工況下，其耐酸堿腐蝕性能提升10倍，抗高溫氧化溫度達900℃，年均綜合維護成本降低92%。這些優勢使陶瓷襯板成為高爐高效穩定運行的理想選擇。

綜合分析來看，氧化鋁陶瓷襯板在硬度、耐磨等方面是所有襯板材料中最優的，適用于物料硬度高、沖擊性不大、粘結性適中、高溫性的物料，尤其是對于連續生產、缺少停機維護時間的企業，其使用周期長、免維護的優勢^[1]。

3  應用效果分析

耐磨新型陶瓷襯板與傳統高鉻襯板對比分析，以1880m³高爐為例：

在經濟效益方面，傳統鑄鐵襯板每年需進行3次維護，其中兩次局部更換，剩余一次完成1套料罐襯板整體更換，年均綜合成本高達100.3萬元（含備件90.3萬元和維護費用10萬元）；而陶瓷襯板使用壽命長達8年，整體更換62.86萬元，年均成本僅7.86萬元，年節約成本達92.44萬元，投資回收期不足1年。這種革命性的成本優勢主要來源于材料壽命的大幅提升（延長24倍）和維護需求的根本性降低。

從生產穩定性角度看，陶瓷襯板實現了質的飛躍。其優異的抗沖擊性能（KIC≥4.8 MPa·m¹/²）徹底解決了襯板斷裂問題，將年非計劃停機維護次數從3次降至0次。模塊化設計使更換效率提升50%，單次維護時間從15小時大幅縮短，為高爐連續穩定運行提供了堅實保障。

2024年1月16日利用1#1880m³高爐大修機會，爐頂料罐施工作業15天，完成新型耐磨陶瓷襯板改造使用以來，經過一年多的運行，系統始終保持穩定狀態，未發生襯板脫落、外部罐體磨損情況（圖3）。這一技術革新不僅大幅降低了高爐料罐的停機維護頻率，還顯著減少了人工維護成本，為高爐長周期經濟穩定運行提供了堅實保障。
 

圖3 爐頂料罐襯板采用新型陶瓷材料

在可持續發展維度，陶瓷襯板具有三重戰略價值：其一，減少維護頻次直接降低碳排放，完美契合《2030年前碳達峰行動方案》要求；其二，作為國家《新材料產業發展指南》重點支持的陶瓷基復合材料（CMC），其推廣應用符合產業升級方向；其三，8年免更換的特性顯著減少固廢產生量，每套襯板全生命周期可減少約15噸廢棄物，環境效益顯著。這些優勢使其成為同時滿足《鋼鐵行業高質量發展指導意見》中效率提升和綠色發展要求的典范案例。結語：陶瓷襯板在高爐料罐中的應用可顯著提升耐磨性、延長壽命，并降低維護成本。其輕量化、模塊化設計進一步優化了高爐運行效率，為鋼鐵行業綠色轉型提供了新材料解決方案。未來可推廣至其他高溫、高磨損工況設備。

4  結語

陶瓷襯板在高爐料罐中的應用可顯著提升耐磨性、延長壽命，并降低維護成本。其輕量化、模塊化設計進一步優化了高爐運行效率，為鋼鐵行業綠色轉型提供了新材料解決方案。未來可推廣至其他高溫、高磨損工況設備。

參考文獻

[1]  劉金華,張志輝,郝建偉,等.耐磨襯板材料應用研究[J].設備管理與維修,2023(3):18-24.

[2]  康樂.金屬—陶瓷復合抗磨襯板的研究與應用[D].貴州:貴州大學,2010.