陈汪宁  王金刚  张守旗

（山东钢铁股份有限公司）

摘要：随着冶金装备技术的发展，大中型高炉冶炼强度不断提高，炉顶料罐衬板的耐磨性、耐高温性和抗冲击性能要求日益提高。传统高铬铸铁衬板存在韧性不足、维护频繁等问题，严重影响高炉运行效率。本文以1#1880m³高炉为研究对象，提出采用高纯度氧化铝（Al₂O₃）基陶瓷复合材料替代传统铸铁衬板，延长衬板使用寿命，对中型高炉的稳定运行提供更大保障。

关键词：高炉料罐；陶瓷衬板；耐磨材料；新材料应用

0  前言

高炉料罐衬板长期承受高温、高压、磨损及化学腐蚀等多重工况，传统高铬铸铁衬板因韧性差、耐热震性能不足，导致频繁更换（年均2-3次），严重影响高炉生产效率。此外，衬板磨损引发的罐体泄漏问题增加了安全风险。因此，开发新型耐磨、耐高温、抗冲击的衬板材料成为高炉高效稳定运行的关键。

1  传统铸铁衬板使用概况

传统铸铁衬板在实际应用中暴露出显著的技术短板：一方面，其维护工作强度大、维护次数频繁，每次检修都需要投入大量人力物力；另一方面，由于作业区域位于高炉炉顶煤气环境，存在煤气泄漏、中毒、爆炸等多重安全隐患，严重威胁检修人员安全。目前1#1880m³高炉炉顶料罐使用的铸铁衬板存在诸多问题，高炉炉顶料罐衬板磨损严重（图1），每次高炉定修均需要维护更换衬板，年均维护2-3次，单次定修时间约15小时，严重影响生产效率。另外，由于长期磨损冲击，外部罐体已进行多次包焊修补，但仍发生磨穿泄漏事故（图2），如处理不及时，很容易发生因泄漏造成均不上压高炉减风事故，导致高炉非计划停机抢修，影响高炉正常运行，且存在较大安全风险。这种状况迫切需要通过材料革新来根本性解决现有问题。

图1 炉顶料罐内部概况

图2 外部罐体包焊

2  材料性能对比与创新设计

2.1传统高铬铸铁衬板的局限性

高铬铸铁板具有在金属类衬板中较高的硬度、耐磨性、机械强度，是应用最早的金属衬板材料，广泛运用在各类厂矿的储运系统。但因其断裂韧性、冲击韧性在金属衬板当中最低，并不适用于运输大块矿石的冲击性较强的场所；其耐腐蚀性较差，也不适用于腐蚀性物料输送；由于焊接性能差，无法采用焊接方法安装，只能使用螺栓孔位方式安装^[1]。

在力学性能方面，铸铁衬板存在显著缺陷，主要表现为硬度与韧性的矛盾关系。其典型硬度为HRC60-65，但断裂韧性仅为KIC≈2.5MPa·m^1/2，这种性能失衡源于高碳含量（2.5-3.5%）导致的晶界碳化物脆性相富集。在实际应用中，夏比冲击功普遍低于8J（25℃），动态载荷下的临界冲击能量阈值≤15J/cm²，抗冲击性能明显不足。

在热物理性能方面，铸铁衬板表现出较差的稳定性。其热膨胀系数高达（10-12）×10^-6/℃，而导热系数仅40-50W/(m·K)，这种特性导致严重的热应力集中。在750℃工况条件下，热疲劳循环寿命不足100次，且600℃时抗弯强度下降超过40%。

从耐磨性能角度看，铸铁衬板存在复杂的磨损机制，包括显微切削磨损、脆性剥落和氧化磨损。铸态组织的各向异性导致20-30%的性能波动，共晶碳化物取向造成的磨损率差异可达35%。实际使用中，衬板失效模式多样，包括深度＞2mm的表面剥落、扩展速率＞0.5mm/h的贯穿性裂纹以及安装孔周边碎裂等问题。

在微观结构方面，铸铁衬板存在枝晶偏析（Cr偏析度＞15%）和碳化物尺寸分布离散（5-50μm）等本征缺陷。环境敏感性方面，在湿H2S环境下腐蚀速率＞0.5mm/a，且易受碱金属（K/Na）渗透导致晶界脆化。这些缺陷导致维护成本高昂，更换频率达4-6个月/次，单次维护耗时15-20小时，年均综合维护成本超过100万元。

2.2陶瓷衬板的创新优势

在力学性能方面，陶瓷衬板完美解决了传统材料硬度与韧性的矛盾问题。通过95%高纯度Al₂O₃+ZrO₂复合体系设计，在保持HRA85-95超高硬度的同时，断裂韧性提升至≥4.8MPa·m^1/2，冲击功达到15J以上，完全克服了铸铁衬板脆性断裂的问题。这种独特的"刚柔并济"特性使陶瓷衬板在承受高速物料冲击时表现出色，动态载荷承受能力较传统材料提高3-5倍。

在耐高温性能方面，陶瓷衬板热膨胀系数（7.2×10^-6/℃）较铸铁降低30%，导热系数优化至25-30W/(m·K)，有效避免了热应力集中问题。在750℃高温工况下，抗弯强度保持率超过85%，热震循环寿命达500次以上，彻底解决了铸铁衬板热疲劳寿命不足的痛点。

在耐磨性能方面，氧化铝陶瓷优异的耐磨性主要源于其很强的硬度。粒子冲蚀角为0°时，属纯滑动磨损，磨损形式为低应力磨粒磨损，在这种工况条件下，氧化铝陶瓷的磨性相当于锰钢衬板的266倍，高铬铸铁的171倍。在某些特定的工业工况下用，甚至可延长设备使用寿命十倍以上^[2]。

从使用维护角度看，陶瓷衬板具有8年的超长使用寿命，是传统衬板的24倍，模块化设计使安装效率提升50%，实现真正的免维护运行。在恶劣工况下，其耐酸碱腐蚀性能提升10倍，抗高温氧化温度达900℃，年均综合维护成本降低92%。这些优势使陶瓷衬板成为高炉高效稳定运行的理想选择。

综合分析来看，氧化铝陶瓷衬板在硬度、耐磨等方面是所有衬板材料中最优的，适用于物料硬度高、冲击性不大、粘结性适中、高温性的物料，尤其是对于连续生产、缺少停机维护时间的企业，其使用周期长、免维护的优势^[1]。

3  应用效果分析

耐磨新型陶瓷衬板与传统高铬衬板对比分析，以1880m³高炉为例：

在经济效益方面，传统铸铁衬板每年需进行3次维护，其中两次局部更换，剩余一次完成1套料罐衬板整体更换，年均综合成本高达100.3万元（含备件90.3万元和维护费用10万元）；而陶瓷衬板使用寿命长达8年，整体更换62.86万元，年均成本仅7.86万元，年节约成本达92.44万元，投资回收期不足1年。这种革命性的成本优势主要来源于材料寿命的大幅提升（延长24倍）和维护需求的根本性降低。

从生产稳定性角度看，陶瓷衬板实现了质的飞跃。其优异的抗冲击性能（KIC≥4.8 MPa·m¹/²）彻底解决了衬板断裂问题，将年非计划停机维护次数从3次降至0次。模块化设计使更换效率提升50%，单次维护时间从15小时大幅缩短，为高炉连续稳定运行提供了坚实保障。

2024年1月16日利用1#1880m³高炉大修机会，炉顶料罐施工作业15天，完成新型耐磨陶瓷衬板改造使用以来，经过一年多的运行，系统始终保持稳定状态，未发生衬板脱落、外部罐体磨损情况（图3）。这一技术革新不仅大幅降低了高炉料罐的停机维护频率，还显著减少了人工维护成本，为高炉长周期经济稳定运行提供了坚实保障。
 

图3 炉顶料罐衬板采用新型陶瓷材料

在可持续发展维度，陶瓷衬板具有三重战略价值：其一，减少维护频次直接降低碳排放，完美契合《2030年前碳达峰行动方案》要求；其二，作为国家《新材料产业发展指南》重点支持的陶瓷基复合材料（CMC），其推广应用符合产业升级方向；其三，8年免更换的特性显著减少固废产生量，每套衬板全生命周期可减少约15吨废弃物，环境效益显著。这些优势使其成为同时满足《钢铁行业高质量发展指导意见》中效率提升和绿色发展要求的典范案例。结语：陶瓷衬板在高炉料罐中的应用可显著提升耐磨性、延长寿命，并降低维护成本。其轻量化、模块化设计进一步优化了高炉运行效率，为钢铁行业绿色转型提供了新材料解决方案。未来可推广至其他高温、高磨损工况设备。

4  结语

陶瓷衬板在高炉料罐中的应用可显著提升耐磨性、延长寿命，并降低维护成本。其轻量化、模块化设计进一步优化了高炉运行效率，为钢铁行业绿色转型提供了新材料解决方案。未来可推广至其他高温、高磨损工况设备。

参考文献

[1]  刘金华,张志辉,郝建伟,等.耐磨衬板材料应用研究[J].设备管理与维修,2023(3):18-24.

[2]  康乐.金属—陶瓷复合抗磨衬板的研究与应用[D].贵州:贵州大学,2010.