高炉炉缸用耐火材料重要的技术指标-热导率

热导率是炉缸用耐火材料的最重要性能之一，即使耐火材料具备较高的抗侵蚀性，也只能减缓侵蚀速率，如目前应用较广的陶瓷杯结构，也会在炉役后期完全被侵蚀。因此，在耐火材料表面形成保护层是延长炉缸寿命的正确理念。

炭砖和刚玉质砖的导热分别由石墨晶格振动和Al2O3晶格振动决定，而碳复合砖的导热由石墨晶格振动与A12O3晶格振动共同决定。从表1可以看出：

(1)炭砖的热导率与刚玉质砖的热导率相差比较大。这是因为碳晶格振动的导热能力强于A12O3晶格的导热能力。

(2)炭砖和刚玉质砖的热导率大致随温度增加而增加。因为对单一材料或振动频率相同的复合材料，随温度升高，声子运动加强，所以热导系数增大。

(3)碳复合砖的热导率随温度增加而减小，这是由于碳与A12O3声子振动频率不同，声子间的相互作用或碰撞加强，对平衡位置的偏移加强，引起的散射加剧，从而使导热载体声子的平均自由程减小，从而导致热导率随温度升高而下降。

表1 国内外典型高炉耐火材料热导率

若炉缸内部形成保护层，就需要将1150℃铁水凝固线推至砖衬热面以外，根据传热学知识，可以计算形成保护层砖衬所需的最小热导率。计算的初始数据如下：冷却水流速v取1.5m/s，水的密度取1000kg/m3，冷却壁水管内径厚度取65mm，冷却水比热容取4186J/(kg·℃)，水温差Δt取0.3℃，每块冷却壁面积取1.91m2，每块冷却壁上有4条冷却管道。通过式(1)可以计算热流强度，计算得到热流强度为13.1kW/m2

q=4×cmΔt/A=4×cpπd2/4vΔt=cpπd2vΔt/A(1)

式中：c为冷却水的比热容，J/(kg·℃);m为每秒每根水管流过的冷却水质量，kg/s;Δt为冷却水冷却前后温差，℃;ρ为冷却水的密度，kg/m3;d为冷却水管道直径，m;A为每块冷却壁的面积，m2;v为冷却水流速，m/s。

根据热流强度与总热阻的关系，可以计算出总热阻R为0.086(m2·K)/W，铁水温度Tw取1423K(1150℃)，冷却水温度Tm为303K(30℃)。计算公式为

q=TW-TM/R(2)

式中：Tw为铁水温度，K;Tm为冷却水温度，K;R为近似总热阻，(m2·K)/W。

炉缸部位传热由铁水对流换热、砖衬导热、捣打料导热、冷却壁导热、冷却水对流换热5部分组成，由于捣打料和冷却壁的热导率较大，因此考虑炉缸传热热阻时，总热阻可近似由铁水对流换热、砖衬导热和冷却水对流换热3部分组成。铁水与耐火材料的对流传热系数取75W/(m2·K)，水与管壁间对流传热系数取7016W/(m2·K)，砖衬厚度L取1m，总热阻可写为

R=1/α1+L/λ+1/α2(3)

式中：α1为铁水对砖衬的对流换热系数，W/(m2·K);L为砖衬厚度，m;λ为砖衬的热导率，W/(m·K);α2为冷却水对壁管的对流换热系数，W/(m2·K)。

通过式(3)可以求出砖衬的热导率λ为13.865W/(m·K)。因此，只要炉缸耐火材料的热导率近似或大于13.865W/(m·K)，就可以将1150℃铁水凝固线推至砖衬热面外部。美国NMA炭砖和碳复合砖均符合这一要求。