[发明专利]用于高炉内衬的复合耐火材料

说明书

技术领域

本发明涉及特别是用于高炉内衬的耐火材料，还涉及包含包括这种耐火材料的内衬的高炉以及这种耐火材料在高炉内衬中的用途。

背景技术

耐火材料的特征在于其在高温，例如在高于1000℃的温度下保留高强度。为此，将耐火材料用于其中要求高耐热性的多种应用中，例如用于炉、窑炉、焚烧炉和反应器的内衬，作为用于熔体用坩埚的材料等。

用于高炉内衬的耐火材料特别地必须满足多种要求，例如高耐火性、关于高炉设计的足够的导热性、包括在高达2000℃温度下的高抗压强度的高机械强度，优异的耐磨性和高抗氧化性，因为在其寿命期间高炉经常经受热、化学和机械磨损。最终，高炉的寿命由其耐火材料关于热、化学和机械磨损的抵抗性而决定。并且，对于高炉内衬的耐火材料期望对于在液态热金属和炉渣中溶解的高抵抗性。上述性能对于用于高炉炉床壁的耐火材料尤其重要，因为在其操作期间，其暴露于来自温度因素、化学侵蚀和热金属流现象的最高应力。

因为碳和石墨在高达2000℃的温度下的高耐火性和令人满意的抗压强度，用于高炉内衬的最新耐火材料基于碳和石墨材料。这些耐火材料主要通过由包含碳质材料的原料形成生坯块，并在高于1000℃的温度下热处理所述生坯块而制备。然而，标准的碳材料具有以下缺点：仅提供低耐磨性，特别是低耐碱性、低抗氧化性、对碳材料在液态热金属和炉渣中的溶解的抵抗性不足，其不能用碳饱和，以及液态热金属进入其孔中的相对高的渗透性。为至少部分地弥补或改进碳和石墨的上述不利特性，通常在碳和石墨材料中加入特定添加剂。例如，通常在这些材料中加入微粉状的硅，因为其通过热处理期间转换成碳化硅而造成耐火材料中的孔径减少至这种较小的值，从而使得减少或甚至完全避免液态热金属渗入耐火材料中。另一方面，添加氧化铝增加材料对碳在液态热金属和炉渣中的溶解的抵抗性。

为进一步改进所需性能，特别是碳基耐火材料的耐磨性，已经提出在碳材料的一个或多个层上布置陶瓷杯作为保护层。尽管陶瓷杯主要具有赋予耐火材料必要的耐磨性的功能，但是碳材料影响所需的导热性。例如，EP 0 040 440B1公开了一种高炉用底衬，其从下往上包含石墨薄层、常规碳层、石墨层、半石墨中间层和具有高含量氧化铝的耐火砖层。然而，包含陶瓷杯的内衬具有以下缺点：陶瓷杯的安装是昂贵并且劳动密集型的，并由此进一步增加安装和替换内衬期间高炉的停工时间。

另外，包含具有不同导热性和具有不同耐磨性的两个或更多个胶合层的耐火砖块是已知的。例如US 2005/0254543 A1描述了用于生产铝的碳热还原炉的内衬，其具有石墨底层和金刚砂胶合在其上的陶瓷涂层。上陶瓷层赋予耐火材料必要的耐磨性，而下石墨底层赋予耐火材料所需的导热性。然而，这些耐火材料也是昂贵的。更重要地，由于胶合层之间相对弱的结合强度，特别是这些耐火材料仅提供对于高温的有限的抵抗性。考虑该相对弱的结合强度并由于单个层之间不同的热膨胀系数，特别是当其经历高温时，很容易在耐火砖块中形成裂纹。因此，一般来说通过胶合或机械紧固元件安装在高炉中的耐火材料组件具有相对短的寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种耐火材料，其克服上述缺点，即，其是成本有效的，易于安装，具有长寿命并且其具有特别是用作高炉内衬所需的优异的机械和热性能。这些性能应该包括足够的导热性、高机械强度、优异的抗氧化性、优异的耐磨性，所述优异的耐磨性包括对于在熔融热金属和炉渣中溶解的良好抵抗性以及特别是对于高温的优异抵抗性。

根据本发明，该目的通过特别用于高炉内衬的耐火材料而实现，其中所述耐火材料是包含保护层和导热性的层状复合材料，其中单个层之间的层间结合强度大于6MPa。

该解决方法基于以下令人惊讶的发现：甚至在高炉操作期间存在的强条件下，为包含保护层和导热层的层状复合材料形式的耐火材料也具有优异的机械稳定性和热稳定性，以及特别是对于高温的优异抵抗性，所述保护层和导热层以大于通过两层的胶合和/或机械紧固可获得的结合强度的高结合强度，即以层间结合强度大于6MPa而结合在一起。如下文更详细地阐述，这种相邻层之间的强结合可通过用包括振动模制、块压、单轴压或等静压或挤出步骤的方法制备复合材料而实现。本发明耐火材料对于高温的优异抵抗性是由于以下事实：与由两个或更多个胶合和/或机械紧固的层制备的相应组件相反，因为单个的复合层之间的牢固结合，在高炉操作期间，甚至在耐火材料经历高温或快速温度变化或至少相对快速的温度变化时，例如在高炉的启动期间，也可靠地避免耐火材料的剥离。

考虑到这一点，本发明的耐火材料具有非常长的寿命。