炼铁炼钢耐火材料技术详解
系统解析钢铁冶金全流程耐火材料——高炉炉缸炭砖与陶瓷杯、转炉镁碳砖与溅渣护炉、电炉炉衬、钢包内衬、连铸功能耐材、损毁机理、不定形耐火材料与低碳化技术
耐火材料在钢铁冶金中的地位
耐火材料是钢铁工业的重要基础材料，是高温工业的“基石材料”，能够在≥1580°C高温环境下保持物理化学稳定性，并承受热应力、机械应力及化学侵蚀[reference:0]。钢铁行业是耐火材料的最大下游应用领域，消耗了全球不定形耐火材料总量的62%[reference:1]。2025年中国耐火材料制品产量为2117.37万吨，其中致密定型制品1083.51万吨、不定形制品953.30万吨[reference:2]。耐火材料的性能直接决定冶炼炉窑的寿命、生产效率、能耗水平和钢材质量。
保障冶炼安全
耐火材料是高温炉窑的“铠甲”，直接决定设备寿命与生产安全，任何失效都可能导致重大事故。
降低生产成本
耐火材料消耗是钢铁生产的重要成本项，通过长寿化技术可显著降低吨钢耐材消耗。
决定钢材质量
功能耐火材料直接参与钢液流动控制，其性能影响钢液纯净度和最终产品质量。
支撑低碳转型
低碳耐火材料是钢铁行业实现“双碳”目标的关键支撑材料，聚焦节能、环保、长寿、轻量化方向。
2025年耐材制品产量
2117
万吨
不定形占比
45%
953.30万吨
中国占全球份额
37%
引领全球生产与消费
钢铁消耗占比
62%
最大下游应用领域
耐火材料分类与核心性能
耐火材料种类繁多，按化学性质可分为酸性、碱性和中性三大类；按供货形态可分为定型制品和不定形材料；按使用温度可分为普通（1580~1770°C）、高级（1770~2000°C）和特级（>2000°C）耐火材料[reference:3]。
按化学性质分类
酸性耐火材料
以SiO₂为主要成分，如硅砖、粘土砖。抗酸性渣侵蚀能力强，但抗碱性渣能力弱。硅砖荷重软化温度高，用于焦炉和玻璃窑。
碱性耐火材料
以MgO、CaO为主要成分，如镁砖、镁碳砖、镁铬砖、镁钙砖。抗碱性渣侵蚀能力强，是炼钢炉衬的主力材料。
中性耐火材料
以Al₂O₃、Cr₂O₃、C为主要成分，如刚玉砖、高铝砖、碳砖。对酸性和碱性渣均有较好抵抗能力。
核心性能指标
| 性能指标 | 定义与意义 |
|---|---|
| 耐火度 | 材料在高温下抵抗熔化的能力，刚玉耐火度＞1850°C |
| 荷重软化温度 | 在0.2MPa压力下发生变形的温度，标志材料耐高温抵抗能力 |
| 抗热震性 | 抵抗温度急剧变化的能力，碳化硅砖优异，可经受50~100次水冷循环 |
| 抗渣性 | 抵抗熔融金属、炉渣侵蚀的性能，镁铬砖抗钢渣能力强 |
| 体积稳定性 | 高温下体积变化的比率，硅砖膨胀率需严格控制 |
| 显气孔率 | 影响抗侵蚀性和强度，低气孔率有利于抗渣渗透 |
主要耐火材料性能对比
炼铁系统耐火材料
高炉是炼铁的核心设备，炉缸炉底是高炉长寿的核心环节。炉缸内盛装铁水和熔渣温度一般在1450~1500℃，除温度侵蚀外，还受到煤气、热应力、碱金属等的危害[reference:4]。高炉炉缸炉底内衬设计主要有“导热法”（高导热炭砖+强化冷却）和“耐火材料法”（陶瓷杯）两大技术体系，两者结合已成为现代高炉长寿技术的主流方向。
高炉炉底炉缸内衬结构
现代高炉炉底炉缸通常采用炭砖+陶瓷杯组合结构。首钢1号高炉将“导热法”和“耐火材料法”设计体系合理组合，开创了新的高炉长寿技术体系[reference:5]。太钢5号高炉采用石墨环+大块炭砖+陶瓷杯组合结构[reference:6]。
炭砖侵蚀四大机理
炭砖破损是热、力、化学侵蚀的协同作用结果。
首钢1号高炉
热压炭砖+陶瓷杯组合炉缸内衬技术，解决了2500m³大型高炉炉缸炉底短寿难题，属国内外首创，达到国际先进水平[reference:11]。
武钢5号高炉
采用炉缸整体浇注技术修复，硅溶胶结合刚玉-SiC浇注料高温原位生成莫来石，形成互锁网络结构，开炉后快速达产[reference:12]。
马钢A高炉
第一代炉役寿命14年零7个月，炉缸7~9层环形炭砖侵蚀最为严重，第8层最薄处剩余厚度仅180mm，铁口区域呈烧杯状侵蚀[reference:13][reference:14]。
高炉炉缸长寿技术要点
- 结构设计：炭砖+陶瓷杯组合结构，兼具导热法和耐火材料法优势
- 材料选型：导热系数>15W/(m·K)的炭砖抗碱金属侵蚀能力更强
- 冷却控制：维持合理热流强度，将1150℃侵蚀线推离炭砖热面
- 智能监测：预埋传感器构建“感知-反馈-调控”闭环，实时监控炉衬状态
炼钢系统耐火材料
炼钢系统包括转炉、电炉、精炼炉和钢包等设备，耐火材料需承受1600℃以上钢液和强碱性炉渣的侵蚀。镁碳砖具有抗渣性能强、导热性好的优点，是转炉炉衬的主力材料[reference:15]。转炉炉衬由工作层、填充层和永久层耐火材料组成，工作层直接与高温钢水、氧化性炉渣和炉气接触[reference:16]。
转炉耐火材料
炉衬普遍采用镁碳砖，炉衬损坏原因包括机械冲击和磨损、耐火材料高温溶解、高温溶液渗透、高温下气相挥发四类[reference:17]。
关键指标：镁碳砖MgO含量≥80%，碳含量10%~18%，体积密度约2.90g/cm³，耐压强度>40MPa[reference:18]
电炉耐火材料
超高功率电炉炉壁热点部位主要使用镁碳砖，已成为UHP电炉炉壁的首选耐火材料[reference:19]。直流电弧炉炉底采用导电镁炭砖（碳含量≥20%），满足长寿命要求[reference:20]。
典型寿命：电弧炉热点部位镁碳砖寿命可达100~200炉次，高功率电弧炉达300多炉次[reference:21]
钢包耐火材料
钢包是炉外精炼和盛装钢水的反应容器，工作层采用镁钙质、镁铬质或镁碳质定型制品，包底冲击区多选用高铝-尖晶石质浇注料[reference:22][reference:23]。
创新方向：300t钢包采用高强度轻质保温砖加高铝浇注料，实现隔热保温与抗钢水穿透[reference:24]
转炉溅渣护炉技术
溅渣护炉是通过喷吹高压氮气将高镁含量的转炉熔渣吹溅至炉衬表面形成保护性熔渣层，以提高炉衬使用寿命[reference:25]。熔渣碱度控制在3.0左右时溅渣效果最佳，碱度过高或过低均不利于挂渣[reference:26]。液态熔渣沿镁碳砖表面气孔和裂纹扩散，渣中铁氧化物与MgO反应生成高熔点相渗透层，起到保护炉衬的作用[reference:27]。
安阳钢铁
100吨转炉炉龄创下24145炉历史最好水平，安全平稳运行692天，产钢243万吨[reference:28]。
邢钢
50吨转炉炉龄攻关前稳定在8000炉，攻关后进一步提升，行业先进炉龄水平已突破10000炉[reference:29]。
朝阳钢铁
1号转炉实现7043炉全炉役底吹，打破炉役后期强制关闭底吹系统的局限[reference:30]。
炼钢用主要耐火材料性能对比
连铸功能耐火材料
功能耐火材料包括透气元件、长水口、浸入式水口、塞棒及滑板等，是支撑钢铁精炼、连铸高效运行的关键材料，起到均匀钢液成分和温度、控制流量及分布、促进夹杂物上浮、防止钢液氧化等重要作用[reference:31]。与作为炉衬主体的常规耐火材料不同，功能耐火材料更像是一种精密仪器，直接决定着钢液的流动、纯净度乃至最终产品的质量[reference:32]。
连铸功能耐材关键元件
核心性能要求与材料体系
三大共性性能要求
- 卓越的抗热震性与抗剥落性：抵御温度剧变的第一道防线
- 出色的抗侵蚀能力：在钢液和熔渣中保持结构完整的根本
- 功能稳定且不污染钢液：满足洁净钢冶炼要求
材料体系
其中含炭耐火材料由于优异的综合性能，占据主导地位[reference:38]。
国家技术发明奖：梯度多层复合功能耐材技术
中钢洛耐院主持的“冶金功能耐火材料关键服役性能协同提升技术及在精炼连铸中的应用”获2016年度国家技术发明奖二等奖[reference:39]。该技术突破传统设计思路，提出功能分区和关键部位增强的创新学术思想，通过梯度设计、多层复合等技术解决材料关键服役性能协同提升的国际难题[reference:40]。
30%
寿命提高幅度
22件
授权发明专利
10.4亿
近三年新增收入（元）
耐火材料损毁机理
耐火材料的失效往往不是单一因素导致，而是热、力、化学侵蚀的协同作用。热震开裂、化学侵蚀和机械磨损是三种典型的失效模式，其共同点在于与材料的微观结构密切相关，孔隙率、晶粒尺寸、相分布等因素直接决定了耐火材料的抗侵蚀与抗热震能力[reference:41]。
热震开裂
快速升降温过程中，材料内部因热膨胀系数差异产生应力集中，导致裂纹萌生。以镁铬砖为例，在铜冶炼转炉中因频繁热震易出现剥落，暴露新鲜表面加速化学侵蚀[reference:42]。
改善方向：引入ZrO₂或TiO₂作为增韧相提高断裂韧性；优化颗粒级配降低热膨胀系数差异。
化学侵蚀
熔渣与耐火材料间的界面反应是主要失效驱动力。低碱度熔渣对镁碳砖的侵蚀主要是与镁砂的直接反应及渗透、分割与熔解的循环过程[reference:43]。
关键发现：镁碳砖中渣中铁氧化物与MgO反应生成含高熔点相的黄色渗透层，可起到保护炉衬的作用[reference:44]。
机械磨损
高温下耐火材料表面因物料冲刷或气流剪切而磨损，在动态环境中磨损速率显著。转炉炉衬损坏原因中机械冲击和磨损是首要因素[reference:45]。
改善方向：提高材料致密度、降低显气孔率、优化骨料级配增强抗冲刷能力。
镁碳质耐火材料损毁机制研究进展
镁碳质耐火材料具有良好的抗热震性和抗高温熔渣侵蚀性能，广泛应用于转炉、电炉、精炼炉及钢包。随着生产节奏加快和节能降耗要求提高，低碳镁碳砖成为发展方向，核心挑战在于低碳化后抗热震性、抗氧化性和抗渣侵蚀性的协同提升[reference:46]。
- 传统MgO-C系耐材因含碳量较高，在与钢水接触过程中易引起钢水增碳
- 低碳化后，抗热震性下降是首要难题，需通过纳米碳源和陶瓷相增强解决
- 超低碳MgO基耐材添加Al₃BC₃可将总碳含量降低至1.8wt%，实现显微结构自修复
- 含h-BN的超低碳MgO基耐材可调控熔渣物相并提升熔渣粘度，形成物理屏障
不定形耐火材料
不定形耐火材料是指不经预制成型、需在使用现场浇筑或捣打成型的耐火材料，包括耐火浇注料、可塑料、捣打料、喷涂料等类型，相比传统定形耐火制品更适宜对复杂构型的衬体进行施工和修补[reference:47]。2025年中国不定形耐火材料产量达到1250万吨，占耐火材料总产量的比重首次超过42%，显示出向绿色化、长寿化方向的结构性转变[reference:48]。
浇注料
应用最广泛的不定形材料，通过振动浇注成型。钢包永久层使用高铝浇注料，包底冲击区选用高铝-尖晶石质浇注料[reference:49]。
喷涂料
通过喷涂设备施工，适用于复杂构型衬体修复。湿法喷涂及促凝技术是近年施工技术的重要进展[reference:50]。
捣打料
通过捣打施工，用于炉底和炉缸等关键部位。太钢5号高炉大修炉缸采用了捣打料技术[reference:51]。
可塑料
具有良好塑性，可在常温下施工。低温施工及喷涂技术是可塑料施工技术的研究方向[reference:52]。
不定形耐火材料优势与趋势
- 施工灵活，适合复杂构型衬体，可实现整体浇注减少砖缝
- 便于快速修补，大幅缩短停炉检修时间
- 钢铁行业消耗全球不定形耐火材料总量的62%，电弧炉炼钢比例提升直接推动需求增长[reference:53]
- 不定形占比首次超过42%，显示出向绿色化、长寿化方向的结构性转变[reference:54]
低碳耐火材料技术
在“碳达峰、碳中和”战略背景下，低碳耐火材料成为行业发展的重要方向。低碳耐火材料聚焦节能、环保、长寿、轻量化等方向，是服务和保障高温工业安全运行的重要基础材料[reference:55]。2026年4月，全球首个数智耐火材料工程中心在武汉科技大学成立，会议主题聚焦绿色低碳耐火材料等议题[reference:56]。
超低碳MgO基耐材
采用h-BN或Al₃BC₃与树脂碳复合制备超低碳MgO基耐火材料。添加Al₃BC₃可将总碳含量降低至1.8wt%，利用其二维层状特性构筑梯度致密渗透层，抑制Fe³⁺扩散[reference:57]。
自修复机理：高温氧化环境下原位生成MgAl₂O₄和Mg₃B₂O₆，填充氧化或热震产生的微裂纹与孔洞[reference:58]
无铬化技术
传统含铬耐火材料存在六价铬环境风险。中钢洛耐开发了无碳的、金属相原位增强的新一代长寿命无铬砖，在宝山基地高牌号硅钢RH真空槽进行工业试验应用，验证性能更优、绿色低碳[reference:59]。
应用方向：RH真空槽、精炼炉等对耐材纯净度要求高的部位
无碳干式料
基于无机盐复合结合剂的中间包无碳干式料，完全无碳、强度优异、烘烤效率高。北京利尔、瑞泰科技等企业已开发多种无碳干式耐火材料[reference:60]。
应用场景：洁净钢冶炼中间包工作层，避免钢水增碳
低碳耐火材料发展方向
- 低碳化与高性能化协同：解决含碳耐火材料低碳化后抗热震性与抗侵蚀性下降的关键瓶颈[reference:61]
- 多层石墨烯增强：通过三辊研磨剥离与催化原位转化制备MLGs-SiCp/SiCw复合增强体[reference:62]
- 绿色不定形料：用于特种钢精炼炉内衬的绿色不定形料，白刚玉+烧结镁砂+复合纤维体系[reference:63]
- 数字智能化：数智耐火材料工程中心成立，融合数字技术与耐火材料研发[reference:64]
常见问题及处理
| 问题现象 | 主要原因 | 处理对策 | 预防措施 |
|---|---|---|---|
| 高炉炉缸炭砖异常侵蚀 |
|
|
|
| 转炉炉衬侵蚀过快 |
|
|
|
| 连铸水口堵塞/侵蚀 |
|
|
|
| 钢包透气砖失效 |
|
|
|
| 不定形浇注料开裂剥落 |
|
|
|