高爐鐵溝是引導(dǎo)高溫鐵水和溶渣的通道，其耐火材料內(nèi)襯受到鐵水和渣液的高溫、機械和化學(xué)侵蝕。首先是鐵和渣流動時對耐火材料表層的沖刷作用;其次由于出鐵時冷熱的頻繁交替或高溫的長時間作用下，耐火材料產(chǎn)生微裂紋。這類微裂紋促進了鐵水和渣液的滲透和結(jié)構(gòu)破壞。因此，要求鐵溝內(nèi)襯材料耐鐵水和熔渣的沖刷能力強;熱展穩(wěn)定性好;重燒體積變化小;抗氧化能力強;施工方便，不粘結(jié)渣鐵，便于修理和拆除，具有均勻、高致密的結(jié)構(gòu)，強度高;不沾渣鐵，不產(chǎn)生有害氣體，有利于環(huán)境保護。
高爐大型化后，出鐵溝的使用條件也發(fā)生了變化，鐵水對溝壁的沖刷、磨損加劇，提高一代溝齡，降低成本，減輕爐后工人的工作壓力，是爐后工作的主要目標。對于主溝、不同的部位，侵蝕條件不同，在材料的選擇上應(yīng)該有所分別，以到達綜合平衡的經(jīng)濟壽命;而對于鐵溝，應(yīng)該致力于提高材料的抗?jié)B透性能。而就施工工藝與維護過程看，一些操作方法也與材料的使用壽命密切相關(guān)。
A.高爐鐵溝耐火材料的損毀機理
高爐鐵溝用耐火材料的損毀主要是高溫鐵水和熔渣的熱沖擊引起的裂紋及化學(xué)侵蝕、滲透以及沖刷蝕損。
首先是高溫鐵水的作用，由于高爐有一定的壓力，從高爐內(nèi)噴涌而出的高達1500℃的鐵水直接沖擊鐵溝工作面，導(dǎo)致溝襯材料沖刷損毀，尤其在沖擊區(qū)范圍內(nèi)。該處形成的渦流不但加劇了鐵水和熔渣對溝襯的熱沖擊作用，同時也加劇了溝襯的沖刷蝕損，對溝襯材料的損毀最嚴重，因此，該處的損毀決定了出鐵溝的使用壽命。
其次，在冶金工業(yè)中，熔渣對耐火材料的損毀是最嚴重的。由于熔渣中含有比較復(fù)雜的化學(xué)成分，因此易與耐火材料中的成分發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點物質(zhì)，造成耐火材料結(jié)構(gòu)的破壞，使耐火材料抗侵蝕、抗沖刷等性能降低。高爐出鐵時，進入出鐵溝內(nèi)除了高溫鐵水，還有高溫熔渣，培渣不僅加劇了溝襯的蝕損，而且易于粘附在溝壁上，它是損毀溝襯材料的主要因素。另外熔漁對溝襯材料的損毀依據(jù)出鐵溝結(jié)構(gòu)的不同也有一定差異。對于容鐵式出鐵溝，熔渣的損害主要是沖刷和侵蝕，而對于非容鐵式出鐵溝，除了上述作用外，溝壁上粘附的熔渣越來越多的沉積，阻礙了出鐵溝的正常使用，因此，爐前須進行扒渣作業(yè)，實施扒渣的同時，溝壁耐火材料會隨著粘結(jié)的熔渣一起被清除掉，這是對非容鐵式出鐵溝襯最大的損毀。
第三，雖然高爐是連續(xù)作業(yè)的高溫設(shè)備，但出鐵卻是間歇式作業(yè)，致使溝襯耐火材料要經(jīng)受溫度的急劇變化(在這一點上，容鐵式出鐵溝同樣比非容鐵式出鐵溝有優(yōu)勢)，因此溫度的急劇變化使溝襯耐火材料熱震穩(wěn)定性降低。
除以上的損毀情況外，鐵水對溝襯材料的滲透作用也是破壞材料組織結(jié)構(gòu)的因素之一，它使材料熔蝕，剝落，從而降低抗沖刷性。
B.氮化硅鐵應(yīng)用于Al2O3-SiC-C質(zhì)高爐鐵溝澆注料
60年代以前，中小高爐鐵溝都是以焦炭、粘土熟料和粘土為主，以焦油或糖漿攪拌的人工搗打料，并為各鐵廠自行制造。這種鐵溝襯的使用壽命短，通鐵量小于1萬噸。在長期生產(chǎn)實踐中，人們逐漸認識到，添加碳化硅和石墨可以明顯提高出鐵溝的使用壽命。在耐火骨料方面，試驗了剛玉料、高鋁釩土、鎂鋁尖晶石料等。在結(jié)合劑方面，試驗了樹脂結(jié)合、水泥結(jié)合、粘土結(jié)合的各種鐵溝料。經(jīng)過不斷的嘗試，己逐漸形成適合于大、中、小高爐的各類鐵溝料。對于高溫、高壓操作，其出鐵量大、流速快、溫度高(1500℃)法、出鐵次數(shù)頻繁、時間長、渣量大，出鐵溝內(nèi)襯材料使用條件惡劣。為此，開發(fā)了以Al2O3-SiC-C質(zhì)為主的新一代鐵溝料，基本上滿足了生產(chǎn)的要求，通鐵量在幾萬噸至10萬噸。高爐鐵溝澆注料的發(fā)展歷程如圖1所示。
圖1高爐出鐵溝用耐火材料的發(fā)展歷程
Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料具有良好的抗渣侵蝕性和抗沖刷性能，在高爐出鐵溝的主溝、撇渣器和支溝等部位得到了廣泛應(yīng)用。但由于冶煉技術(shù)的發(fā)展，高爐利用系數(shù)的不斷提高和高爐長壽化的要求，Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝澆注料壽命的進一步提高也刻不容緩。而現(xiàn)階段的Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝澆注料在周期性熔渣、熔鐵的化學(xué)侵蝕、熱沖擊和渣、鐵的沖刷作用下容易出現(xiàn)脫落;同時鐵溝澆注料中碳化硅和碳質(zhì)材料在高溫下的氧化也會造成材料的結(jié)構(gòu)破壞，這些均會導(dǎo)致鐵溝澆注料的損毀。
近年來，氮化硅鐵用在Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝澆注料的研究不斷增多。氮化硅鐵中的Si3N4具有不與渣和鐵完全潤濕的優(yōu)點，可以改善鐵溝澆注料的抗侵蝕性;Si3N4的氧化產(chǎn)物會在試樣表面形成SiO2保護膜，阻礙了材料的進一步氧化，增強其抗氧化性能;金屬相Fe具有助燒結(jié)作用，可以改善澆注料的力學(xué)性能。高溫氧化氣氛下，表面氮化硅鐵中的Si3N4首先氧化生成SiO2，構(gòu)成氧化層的主體;隨著鐵相材料的氧化，形成的氧化鐵(FeO)降低了氧化層的熔點及熔體的黏度，促進了熔體在澆注料表面上的潤濕性和流動性，形成了覆蓋于澆注料表面的氧化層而阻止了炭素材料的氧化，使其具有比純Si3N4更好的抗氧化性能舊澆注料內(nèi)部的Fe并不是以氧化鐵(FeO)的形式存在，對高溫性能不會有害。同時，氮化硅鐵中的Si3N4在高溫下氧化生成的N2和炭素材料氧化生成的CO會堵塞材料的內(nèi)部氣孔，從而有效地防止了進一步氧化。
