Выбор огнеупорных материалов для доменной печи в части горна и лещади является ключевым фактором, определяющим срок её службы. Согласно «Нормам проектирования технологии доменной плавки», для горна и лещади следует применять конструкции с полным углеродистым кирпичом или комбинированным углеродистым кирпичом в лещади, используя высококачественный углеродистый кирпич для кладки. Для крупных доменных печей применение углеродистого кирпича в сочетании с карбидокремниевым кирпичом крайне важно для продления срока службы. С широким внедрением медных охлаждающих плит слабым звеном в долговечности доменной печи стала уже не нижняя часть шахты, заплечики и горн, а именно зона горна. Таким образом, продление срока службы горна стало центральной задачей в технологии повышения долговечности доменных печей. В последние годы на ряде отечественных печей были зафиксированы случаи повышения разницы температур воды в горне и даже его прожогов, что требует комплексных технических мер для решения.

При выборе высококачественного углеродистого кирпича и углеродистых блоков, помимо обычных показателей, необходимо уделять ключевое внимание таким параметрам, как коэффициент теплопроводности (λ), газопроницаемость, окислительная стойкость, стойкость к воздействию щелочей и стойкость к эрозии жидким чугуном. Для фурменной зоны предпочтительна конструкция из комбинированного кирпича, обычно используются корунд-муллитовый или корундовый кирпич, также может применяться термопрессованный углеродистый кирпич (например, марок НМА или НМД).

Механизмы эрозии горна сложны и включают механическое воздействие кокса, шлака и чугуна, химическую эрозию, окисление водяным паром, разрушительное воздействие цинка и щелочных металлов, а также термические напряжения. Современная основная технология повышения долговечности заключается в использовании высокотеплопроводного микропористого углеродистого кирпича в сочетании с усиленным охлаждением системы горна, чтобы линия затвердевания чугуна (изотерма 1150 °C) стабильно располагалась внутри кирпича и вдали от охлаждающих плит, формируя эффективный защитный слой.

В настоящее время существует три основных типа конструкций горна и лещади доменных печей в мире: первая — кладка из крупного углеродистого кирпича с керамической подушкой на лещади; вторая — термопрессованный мелкий углеродистый кирпич с керамической подушкой на лещади; третья — кладка из крупного или мелкого углеродистого кирпича с керамическим стаканом на лещади. Все три конструкции имеют успешные примеры длительной эксплуатации. Современные доменные печи повсеместно используют комбинированную структуру из высокотеплопроводного углеродистого кирпича, микропористого углеродистого кирпича и керамической подушки. В условиях высокой степени вдувания пылеугольного топлива необходимо как поддерживать активность центра горна, так и контролировать температуру в центре лещади в разумных пределах, поэтому теплоизолирующая роль керамической подушки и её срок службы привлекают особое внимание, с целью достижения умеренной температуры в центре лещади.

Основываясь на теории формирования затвердевшего слоя за счёт усиленного охлаждения, использование в стенках горна высокотеплопроводных огнеупоров (например, с коэффициентом теплопроводности ≥18,4 Вт/(м·К) при 600 °C и 60–80 Вт/(м·К) при 20 °C) в сочетании с высокоэффективной системой охлаждения позволяет быстро отводить тепло к охлаждающей воде, снижая температурный градиент и формируя стабильный затвердевший защитный слой (так называемую «железную корку») на горячей поверхности кирпича. Этот слой эффективно сопротивляется проникновению чугуна и эрозии по типу «слоновьей стопы». Ключевыми факторами являются теплопроводность материала стенок горна, стойкость к проникновению и предотвращение кольцевых трещин. Поэтому необходимо усилить мониторинг разницы температур воды в охлаждающих плитах горна и температуры кожуха в реальном времени, а также проводить регулярное нагнетание раствора в зоны, склонные к образованию пор.

Комбинированная лещадь с устройством охлаждения считается наиболее рациональной конструкцией. Обычно на охлаждающих трубах создаётся углеродная набивка, поверх которой кладётся 2–3 слоя углеродистого кирпича, причём для разных зон в зависимости от условий эксплуатации выбирается кирпич с различными свойствами: для зон с высокой эрозией, таких как область под летками, рекомендуется использовать микропористый кирпич с высокой стойкостью к проникновению; для самого нижнего слоя лещади рекомендуется применять высокотеплопроводный карбидокремниевый кирпич; для остальных зон может использоваться обычный или микропористый углеродистый кирпич. Для повышения стойкости к эрозии кирпич вокруг летков следует удлинить, а швы между кирпичами следует делать тонкими (менее 0,5 мм).

Что касается комбинированной конструкции лещади с «керамическим стаканом», в академических кругах существуют разные точки зрения. Одна точка зрения подчёркивает защитную роль керамического стакана на начальном этапе эксплуатации и предлагает его усиливать; другая считает, что керамический стакан со временем разрушается, и основную долговременную роль играет углеродистый кирпич, рекомендуя использовать в стенках термопрессованный мелкий углеродистый кирпич с высокой стойкостью к проникновению и высокой теплопроводностью. Обе конструкции имеют свои особенности, обе могут обеспечить длительный срок службы печи, но затраты и стратегии технического обслуживания различаются.

С распространением высококачественного микропористого/сверхмикропористого углеродистого кирпича и термопрессованного мелкого кирпича срок службы доменных печей значительно повысился. На крупных и средних доменных печах традиционные технологии набивки углеродной массы и самоспекающихся блоков повсеместно отвергнуты.

Таким образом, выбор огнеупорных материалов доменной печи является ключевым технологическим решением, от которого зависит общий срок службы печи. Необходимо, основываясь на объёме печи, режиме эксплуатации, эффективности охлаждения и целях по долговечности, научно подбирать свойства углеродистого кирпича, карбидокремниевого кирпича и керамических материалов, создавая футеровку горна, ядром которой являются высокая теплопроводность, микропористость и стойкость к эрозии, и которая действует синергетически с высокоэффективной системой охлаждения. Это заложит прочную основу для длительной, стабильной и бесперебойной работы доменной печи.F