注重衬体寿命，运行安全和降低碳排放下的高炉出铁场耐
火材料应用趋势和发展
Trends and Advances in Blast Furnace Casthouse
Technologies with a Focus on Refractory Lining
Performance, Operational Safety and Decarbonisation
Aloísio Simões Ribeiro, 李士强，Bruno Filipe Guimarães, Lucas de Brito Nascimento,
Victor Luiz Cruz Morais and Vitor Guarnier Domiciano
摘要
高炉炼铁因其相较于其它炼铁手段更多的优势如低成本，高产出而被用作主要的钢铁
生产流程。但是，该流程高度耗能，且对大气产生大量的 CO2 及其它污染物的排放。
在此背景下，耐材工业通过实施安全，综合的创新方案在不影响高炉操作表现的情况
下帮助客户实现低碳减排方面发挥了重要作用。本文旨在提出 RHI Magnesita 南美市场
上高炉出铁沟耐材技术维护操作的最新进展，分享使用综合数字化解决方案带来的更
好成果，及其对出铁场寿命表现，安全及流程稳定性的影响。
关键词：CO2 减排，铁沟，耐材，数字化解决方案
Abstract
The blast furnace is the most used route for iron and steel production due to the numerous
advantages it provides, such as low cost and high productivity. However, this process is very
energy intensive, in addition to emitting large amounts of CO2 and other pollutants into the
atmosphere. In this context, the refractory industry plays an important role in the
decarbonisation process through the implementation of safe, integrated, and innovative
solutions that enable customers to reduce their CO2 footprint without compromising
operational performance. This paper aims to present the latest advances in refractory
technologies for blast furnace runner maintenance practices in South America and to share
some of the superior results achieved using digital integrated solutions, as well as their impact
on the performance, safety, and process stability.
Key Words：CO2 footprint, Iron runner, refractory, digital integrated solutions
引言
鉴于其高的生产效率，可长期连续运行等优点，高炉是全球钢铁工业中应用最广
泛的制铁工艺【1】。然而，随着钢产量的高速增长，与之相关的 CO2 排放也随之显著增
加，为之带来了工艺条件转型，富氢冶炼等一系列需求挑战。图 1 示出了钢产量的增
加与相应排放量的关系，高炉-碱性氧气转炉工艺占据首位。结果是，基于 2℃的全球
气候目标，我们需要降低 25%的 CO2 排放以限制气温升高，避免由于全球气候变暖导
致显著或潜在的灾难性变化【2】。
耐火材料工业在这一 CO2 减排过程中通过使用循环回收废旧产品，实施综合安全，
创新的解决方案帮助客户在不影响正常生产情况下的减排实现方面起到了重要作用【3】。
本文详述了 RHI Magnesita 南美高炉出铁场市场在耐材技术，维护手段，现场项目改进
方面满足于客户提高能效，降低 CO2 排放，增加安全等要求的最新进展。
OHF
EAF
BOF
Total Emissions
3000
需要在2030年前额外减少
25% 或7亿吨 CO2排放
2000
1000
0
【2】
图 1. 全球钢铁工业 CO2 排放及 2DS 减排目标：BOF，OHF 及 EAF 粗钢产量与碳排放模型
一、材料与方法
为了阐述高炉出铁场耐火材料新近技术进展及发展趋势，我们通过实验室方法表
征了开发的不同耐火材料的技术指标（如物理指标的机械性能指标及热机械特性指标，
化学指标等），并将之进行了现场试验验证。
我们首先对比研究了主铁沟用超低水泥浇注料（CARSIT）的传统施工和整体衬预
制块施工（CARSITAL K31C-19-BR）方法对材料性能表现的影响。两种施工方法采用
相同配方，在行星搅拌机中采用不同加水量湿混 5 min，然后制成 160×40×40 mm
的样条。将制得的试样在常温 24h 养护脱模后，再经 110℃下干燥 24 h，然后在 350℃
下烘烤 12 h，最后在 1400℃下 5 h 烧成。对经不同温度处理下的试样进行了性能测试。
同时我们对一种用于同类小修或事故维护捣打料（CARSIT RAM B14C-8-BR）和
溶胶结合喷补料（CARSIT SOL M10G-5-BR）进行了性能和使用表现对比。捣打料在
试验室制成 160×40×40 mm 的样条，经 110℃下干燥 24 h 后，再经 1400℃下 5 h
烧成，然后进行性能表征。喷补料试样取自施工现场喷补面，切成 160×40×40 mm
的样条，经同上干燥及烧成处理过程后进行性能测试。
二、试验室及现场试验结果及分析
1．耐材现场浇注施工和预成型施工的对比
CARSIT 及 CARSITAL K31C-19-BR 试样的主要物理及机械性能测试结果如表 1 所
示。需要强调的是，尽管两者配方相同，但由于施工过程应用要求不同，两者的加水
量不同。水的加入通过润湿无机材料颗粒表面，在大骨料和细粉微粒之间产生毛细张
力（如管壁效应）在材料的施工成型过程中作为结合剂的关键组份起到重要作用【4】。
然而，高加水量带来的气孔率的增加不但影响材料的抗侵蚀性能，还会降低材料的机
械性能。本研究验证了，低加水量预制成型产品相较常规加水量的正常现场施工的产
品由于具有较低的气孔率，较高的体积密度，进而产生了较高的机械强度。这是由于
尽管很大一部分水和水泥反应生成水合相，但剩余未反应水在促进浇注料的施工的同
时也会在烧后演变成气孔【5】，降低材料的热态断裂强度。
表 1. CARSIT 和 CARSITAL K31C-19-BR 的主要物理指标
CARSITAL
主要性能
CARSIT
K31C-19-BR
棕刚玉，SiC，C
主要原料
棕刚玉，SiC，C
成型预制块
(ULCC)
4.50
加水量 [%]
5.50
BD [g/cm³]
2.85
2.86
AP [%]
13.07
10.53
CCS [MPa]
20.30
37.55
110 °C
MoR [MPa]
3.60
3.40
PLC [%]
-0.16
-0.06
BD [g/cm³]
2.83
2.84
AP [%]
15.01
13.23
350 °C
CCS [MPa]
25.70
40.91
MoR [MPa]
3.10
3.20
BD [g/cm³]
2.81
2.83
AP [%]
16.33
14.20
CCS [MPa]
40.24
60.21
1400 °C
MoR [MPa]
3.20
5.40
PLC [%]
-0.09
-0.04
HMoR (MPa)
0.70
1.10
1485 °C/3 hours
在实际应用中，高炉铁沟衬体需承受炼铁工艺固有的高温（1490-1530℃）条件下
的复合冲击。比如，当和高温铁水和熔渣直接接触时，沟衬就需要经受化学侵蚀和热
震的综合损毁【6】。为了评估材料的抗侵蚀性能，我们使用了感应炉（用于金属/熔渣界
面的损毁评估方法）和回转抗渣试验（广泛用于熔渣对沟衬材料的侵蚀和冲刷损毁评
估）两种测试方法。图 2 显示的结果表面，两者在感应炉试验中具有相近的损毁程度，
但在回转抗渣试验中，CARSIT 表现出更高的损毁程度。这一结果和上述材料经 1400℃
处理后的气孔率和高温抗折强度对应，浇注施工的 CARSIT 具有更高的气孔率
（16.33%），会增加熔渣的渗透，而预制成型块 CARSITAL K31C-19-BR 具有更高的
高温抗折强度，会降低材料的冲刷损毁。
CARSIT
CARSITAL
48,01
RF wear (%)
28,69
50,31
IF wear (%)
52,61
0
25
50
75
100
图 2. CARSIT 和 CARSITAL K31C-19-BR 的感应炉抗渣和回转炉抗渣损毁对比
通过不同热循环次数后材料的弹性模量值衡量（热循环条件是 1400℃×3h）对比
分析了两种材料的热震稳定性。图 3 结果显示，预制成型块试样的弹性模量经热震循
环后衰减比率较小，说明了其具有较好的热震稳定性能。
100
CARSIT
E (%)
75
50
25
0
0
1
2
3
4
Nº cycles (1400°C/30min)
5
图 3. CARSIT（浇注成型）和 CARSITAL K31C-19-BR 的热震稳定性对比
除了材料性能上的增益，使用预制块沟衬的计划维护时间也显著缩短。下面在某
南美客户现场的案例可以说明这一点。该客户现场使用浇注施工工作衬，由于支沟边
框不规整且无可靠锚固点，在施工前需要 36 h 的模具组装时间，造成时间消耗。浇注
完成后需要 10 h 的养护才能脱模，以确保水泥水化充分，促进坯体强度的发展。而预
制块施工不需要现场预组装模具，装砌后只需要 2 h 即可移去安装辅助组件。另外，
由于预制块在生产时已经经过养护和 350℃×12h 烘烤，现场装砌后就不再需要额外
的养护和长时间低温烘烤阶段。但是，两种施工方法的工作衬在投入使用前都需要一
定的升温程序升温到能够接触铁水和熔渣的最低要求温度以上，以缓和衬体自身的热
震及保证液态渣铁的流动性。表 2 总结了两种施工方法每一过程需要的总体时间对比。
表 2. CARSIT （浇注）和 CARSITAL K31C-19-BR （预制块）施工时间对比
阶段
浇注施工所需时间/h
预制块施工所需时间/h
模具组装
36
-
耐材施工
2
8
养护脱模
10
2
烘烤
24
12
总计
72
22
现场寿命表现方面，单独使用预制块技术可使支沟的寿命在仅有一次小修的情况
下达到 12 个月。另外，支沟使用该技术还可使维修材料量相对浇注施工工作衬降低
20%。鉴于其优秀的性能，铁沟的维护时间大为缩短，可用性明显增强。
2. 捣打料和溶胶结合喷补料对比
捣打料 CARSIT RAM B14C-8-BR 和溶胶结合喷补料 CARSIT SOL M10G-5-BR 的
性能指标如表 3 所示。这两种材料用于相似情况下支沟热修（两次大修之间）的相同
部位，两种维修周期都是间隔 7 天，但喷补施工时间约比捣打施工节约 50%。另外，
喷补施工由于不再需要工人入沟而增加了安全性。
表 3. 捣打料 CARSIT RAM B14C-8-BR 和喷补料 CARSIT SOL M10G-5-BR 的主要物理性能指标
主要性能
主要原料
BD [g/cm³]
110°C
AP [%]
CCS [MPa]
MoR [MPa]
BD [g/cm³]
1400°C
AP [%]
CCS [MPa]
MoR [MPa]
HMoR (MPa) 1485°C/3h
CARSIT RAM
B14C-8-BR
矾土，SiC，C
2.82
17.97
10.16
1.30
2.79
19.01
32.00
3.50
0.48
CARSIT SOL
M10G-5-BR
矾土，SiC，C
2.45
18.01
55.00
4.80
2.40
20.00
17.10
4.40
0.70
图 4. 支沟热修前后工作衬厚度对比
溶胶结合喷补料有利于紧急停炉沟衬的维护或沟役寿命延长。比如，当主沟需要
排净时，在不影响正常高炉运行的情况下，喷补维护可使铁沟的服役出铁量超过
30,000 吨。另外，该材料对烘烤干燥条件要求低，可用于极端温度下的铁沟热修补维
护。
三、出铁场数字化解决方案：使用 3D 激光扫描和光学高温计带来的增益
尽管高炉作为最有效的炼铁手段用于炼铁生产逾 200 年，一些局限条件还是会影
响高炉的顺行和效率，铁沟工作衬就是其中之一。在已经实施的数字化解决方案中，
3D 激光扫描技术已经证明其为铁沟沟役期间测量衬体厚度的最有效手段之一，可以短
时间内提供充足的离散数据点。为完成该测量，扫描设备需安装在铁沟旁边，并测量
原始衬体作为在线衬体测量数据的标准参照。一旦铁沟出铁量达到计划出铁量的一半，
就需要在线测厚一次以评估残衬厚度，并以此修正高炉生产目标。另外，铁沟工作衬
的寿命是由渣线决定的，测量时不需要排净铁沟残铁。测量报告可在 20 min 内远程自
动生成，操作者可以在我们的炉衬扫描评估数据平台（LES）上得到所有数据，以助
于高炉操作快速决策【8】。图 5 示出了铁次之间残衬测量的案例。
图 5. 整体铁沟衬体 3D 激光扫描测厚【7】
在实际案例中，通过使用测厚仪对主沟渣线在线热检测，成功延长了沟衬的寿命。
我们在某客户现场管理两条铁沟，日产铁量 4200 吨的高炉出铁场通过使用该技术，在
不排净残铁的情况下，成功使沟役增加了 5 天，在参考在线监测的可信数据情况下，
成功控制残衬厚度从 150mm 降到 80mm。同时，3D 激光测厚仪的使用使铁沟的一次
通铁量从 9 万吨增加到 10.87 万吨（比原计划增加了 20%），耐材消耗降低了 10%。
基于以上更好的维护操作，高炉年产量成功得到增加【7】。
另外需要重点指出的是，降低排净残铁检测的操作次数，可以降低高炉正常生产
的 CO2 排放。据文献介绍，每生产 1 吨生铁，会释放 2 吨 CO2【8】，这意味着一台配
置 4 条沟，一次沟役寿命 28 天的高炉（成对运行），取消排净残铁检测厚度的操作意
味着减少了 3120 吨 CO2 年排放（按铁沟年检测放残铁 26 次，每次残铁 60 吨计算）。
RHI Magnesita 南美高炉市场上应用的另一数字化解决方案是利用综合在线连续测
温设备（光学高温计检测方法）替代传统的热电偶检测操作（人工操作将热电偶插入
铁水），来改进保温控制。新的光学高温计检测方法使连续温度检测成为现实，改进
了数据的可靠性，消除了人工测量的安全隐患，更有利于控制高炉顺行【8】。图 6 示出
了光学高温计在高温出铁过程中应用于温度检测。
图 6. 光学高温计在出铁场进行温度检测：（a）出铁过程温度监测，（b）定位于连续温度检测，
（c）温度记录
通过以上数字化技术的实施，成功增加了高炉生产效率及出铁场运行稳定性。而
且，在线铁水温度监测过程与铁沟衬体耐火材料损毁情况的精确控制相关联是一个关
键举措，这将使可靠性预测模型的构建成为可能，最终生成一个完全一体化的高炉铁
沟沟役系统分析工具。
四、结果和讨论
本文以耐材衬体寿命表现，现场操作安全及环境考量为侧重点，着重介绍了 RHI
Magnesita 高炉出铁场应用的最新趋势和技术进展。在铁沟工作衬的设计中使用预制块
技术取代现场浇注施工，使用溶胶结合喷补料取代捣打料，并联合使用数字化解决方
案（3D 激光扫描测厚和光学高温计连续测温），成功实现了铁沟衬体高寿命及高炉高
产出，安全性也大为优化。另外，耐材的单耗降低了 10%，排净残铁检测残衬的操作
次数也得到优化，这会帮助降低炼铁生产的 CO2 排放。综合以上方面，使用 RHI
Magnesita 的综合解决方案使高炉出铁场的操作稳定性和生产效率都得到了有效提高。
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Authors
Aloísio Simões Ribeiro, RHI Magnesita, Belo Horizonte, Brazil.
李士强，RHI Magnesita, 上海, 中国。
Bruno Filipe Guimarães, RHI Magnesita, Belo Horizonte, Brazil.
Lucas de Brito Nascimento, RHI Magnesita, Belo Horizonte, Brazil.
Victor Luiz Cruz Morais, RHI Magnesita, Belo Horizonte, Brazil.
Vitor Guarnier Domiciano, RHI Magnesita, Belo Horizonte, Brazil.
Corresponding author: 李士强, 奥镁亚太区市场技术专家，上海市黄浦区淮海中路力宝广场 222 号
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