高爐爐體的冷卻技術，是設計操作的一個重要的方面，隨著高爐綜合技術的提高，冷卻技術有了長足的發展，而冷卻壁(板)所配置的耐火材料一直沒有引起應有的重視，一些高爐仍沿用粘土磚或現場配制的普通耐火材料，達不到使用要求，不能有效地保護冷卻壁，本專題根據冷卻壁(板)的使用條件，參照國內外冷卻系統用耐火材料，研究了新型的碳化硅搗打料。
高爐在冶煉過程中，耐火材料的使用條件是很苛刻的，要承受爐內溫度變化造成的熱沖擊，爐料和高溫氣流沖刷引起的內襯磨損，氣體(CO2、O2和H2O)的氧化作用，鐵水、堿金屬、貴金屬(Zn和Pb)和渣的侵蝕等，各種損毀作用見圖1。
圖1 高鋁內襯侵蝕作用面
二、冷卻設備形式及耐火原材料的選擇
冷卻設備有冷卻板、冷卻壁(包括球磨鑄鐵、鑄鋼及軋鋼銅等材質)以及板壁結合三種形式，這幾種形式都有長壽的實踐經驗。
最早我國大多數高爐使用冷卻板，冷卻板的優點是熱流密度大，便于更換，對爐體耐火材料有制成保護的作用。但是，其侵占爐熔，冷卻面積相對較小。現在國內多數爐子采用冷卻壁或板壁結合，但仍有大高爐使用冷卻板達到長壽的佳績。
三、耐火材料的組成
(一)基本原材料
碳化硅和石墨都是優良的高爐用耐火材料，它們除了具有一般耐火原料必須的性能外，碳化硅還耐高溫(熔點在2200℃以上)，耐侵蝕，高強耐磨，熱膨脹系數低，抗熱震好，導熱系數高；碳的熔點高達3500℃，導熱系數高，耐急冷急熱，并對鐵水及爐渣的浸潤角相當大，難以侵蝕，與Al2O3、SiO2、SiC等無共熔關系，低膨脹率;搗打料中選用F、C>94%的鱗片石墨，較其它類型的碳素材料顯示了最佳的抗氧化性能，但是碳化硅和碳又共同具有易氧化的弱點。根據研究，SiC防止氧化可用以下的化學反應式表達：
2C(s)+O2(g)→2CO(g)
SiC(a)+CO(g)→SiO(g)+2C(s)
SiO(g)+CO(g)→SiO2(s)+2C(a)
SiC(s)+2CO(g)→SiO2(s)+3C(s)
由上式可見，在SiC于C(s)共存的耐火材料中反應可在表面形成CO(g)氣氛，與SiC顆粒反應生成SiO(g)，同時析出C，可為填充空位，SiO(g)繼續與CO(g)反應生成SiO2(s)保護層，在材料的表面形成SiO2(s)保護層有效地防止了抗氧化性。這樣，在SiC-C兩種共存的耐火材料中，由于上述反應有效地提高材料抗氧化性，使兩種材料的優異性能得以充分發揮。
以不同顆粒配比的碳化硅作為骨料，以石墨為部分基質制成的碳化硅搗打料達到了冷卻壁材料的使用要求。
(二)防氧化劑
為進一步提高材料的抗氧化性，在其中配入適量的防氧化劑以保證材料的使用性能。有多種材料可作防氧化劑，如Si、Al、Mg、B4C、BN、SiN4等，或選用兩種以上材料合金做為復合防氧化劑，防氧化劑的機理：它具有更好的親氧性，能比石墨等更易與氧反應，其生成的氧化物能在材料表面形成液相保護層，充填氣孔或空隙，起到阻止或推遲進一步氧化的作用。選用多種防氧化劑配入搗打料，測其在1200℃燒后得到失重率分別為8.1%，10.5%，11.1%，11.5%等。觀察脫C層與失重率結果相近，綜合考慮試驗結果及成本，選用了適宜的防氧化劑。
(三)結合劑的選擇
碳化硅搗打料不定形耐火材料有幾種可供選擇的結合劑，如磷酸鹽、樹脂等。經過比較采用樹脂類結合劑的搗打料性能更為優越。
酚類和醛類的縮聚產物通稱為酚醛樹脂，一般常指由醛類(苯酚、加酚、二甲酚等)和醛類(甲醛、乙醛、糠醛等)或酸或堿的催化劑存在合成的縮聚物。
酚醛樹脂分為熱固性和熱塑性兩類，本材料中采用的是熱塑性酚醛樹脂樹脂比重1:1.22，粘度為5Pa·s，使用中加硬化劑。
酚醛樹脂和瀝青在使用中隨著溫度升高逐漸排出氣體面碳化、作為碳保留在耐火材料中，同時又起著結合作用，其兩者碳化的機理和碳化后的結構形式是不一樣的，研究表明，酚醛樹脂作為固化、焦化和結構調整三個階段，為固相碳化。瀝青碳化為液相碳化，經過熔化、分解、聚合、焦化幾個階段，樹脂轉化的碳呈玻璃狀結構，加熱中有一定的結晶傾向，但幾乎不可能轉化為石墨，為“非石墨化碳”瀝青所得到的談結構有序，2000℃以上發生石墨化，可轉化為石墨，為“易石墨化碳”。然而，在作為耐火材料結合劑使用的過程中，是不會達到石墨化所要求的溫度的。
由于樹脂和煤焦油瀝青各有其不同的特點，將兩者混合起來，可使性能得到綜合的改善。研究表明，如果搭配選擇合適時，可形成整體均一的微細鑲嵌結構，并可明顯地提高碳化率。實驗證明，采用混合結合劑可獲得較高的強度(圖2)。
圖2 強度隨結合劑中樹脂加入量變化的曲線
結合劑作為樹脂和煤焦油瀝青的混合液。由圖2可見，隨著樹脂比例的增加，抗折強度顯示了上升的趨勢。然而也并不是越多越好，達到一定比例后，再增加摻入量強度反而下降。其原因，瀝青單獨使用液相碳化時，在結合碳素內即產生裂紋，使碳結合的破壞韌性降低。顯示材料的強度降低。若單獨使用樹脂結合劑時，碳化形成玻璃狀結構，結合碳素不易形成裂紋，但抵抗裂紋擴展的能力差。兩種結合劑搭配使用可形成微細鑲嵌結構，可使碳結合的破壞韌性及抵抗裂紋擴展的能力都提高，材料的強度、抗熱震性和抗渣性也都得到提高。通過實驗，確定了樹脂和焦油的最佳配合比例，兩者的混用在經濟上也更為合理。
四、搗打料的配制及施工
(一)配制
通過多次試驗比較，選擇適宜的顆粒配比，以及結合劑的外加劑的加入量，依照一定的加料順序，用輪碾式混合機混料，保證足夠的混煉時間，達到柔軟、濕潤、手感良好，用雙層編織袋包裝，每袋25kg。
(二)性能
按照標準成型試塊，測得性能見表2。
冷卻壁搗打料性能 表2
(三)施工
該料采用現場搗打，在每塊冷卻壁上支上模板，螺栓孔內塞好木樁，將表面型砂、銹斑清理干凈并涂油，最后一層打好，表面清理平整。
該料搗打后要進行烘烤，避免明火，常溫升到200℃，嚴格控制升溫速度，1h不超過20℃，200℃保溫8h以上，升溫過快會造成鼓脹和開裂。保溫后自然冷卻，冷卻壁搬運安裝時防止磕碰。搗打料在冷卻壁上的使用情況見圖3。每塊冷卻壁有8~9個槽，槽內填搗打料，圖中用小方格表示槽。
圖3 搗打料在冷卻壁上的使用
該搗打料在國內多座高爐上成功使用，施工性能良好，廠方反映：未使用搗打料前，爐腹冷卻壁表面難以形成渣皮，導致冷卻壁燒損嚴重，爐殼嚴重變形，影響高爐的正常使用。采用搗打料后，高爐投產時各種數據測試表明，搗打料保護冷卻壁，保證正常的冷卻效果，延長高爐壽命起到顯著作用。
五 結語
1. 碳化硅搗打料有著其它材料所不具備的特性。施工簡便，工藝要求較鑲入耐火磚的簡單。價格低廉，僅為莫來石-螢青石磚的幾分之一，有著廣泛的推廣前景。
2. 復合結合劑能綜合樹脂和煤焦油瀝青各自的長處形成微細鑲嵌結構，碳化率高，強度、抗渣性等性能得到改善。
3. 碳化硅-碳共存的形式，在CO氣氛下，可在材料表面造成SiO2玻璃體保護層，起到防止養護的作用，使兩種原材料的優良性能得以充分發揮。