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一种安全长寿高炉炉底炉缸结构技术

赵永安1，校松波1，张晓磊1，李明欢1，樊旭初2

(1．河南五耐集团实业有限公司，巩义，河南451250；2．原江苏鼎鑫高科技股份有限公司，无锡，214023)

摘  要：利用一种导热性能与高炉微孔炭砖相近，而抗铁水熔蚀性和抗氧化性分别比高炉微孔炭砖优20倍和10倍以上的微孔碳复合砖，可以代替炭砖作为高炉炉底炉缸砖衬使用，也可以作为陶瓷杯砖衬使用。这种微孔碳复合砖技术已经从2007年开始在高炉上正式使用。一座高炉生产4年后停炉检查验证了这种微孔碳复合砖优越的使用性能。采用微孔碳复合砖的炉底炉缸结构可有效防止局部漏水造成的炉缸“老鼠洞”式的烧穿，提高了高炉炉缸的操作安全性，同时也延长了高炉的寿命。这种材料和炉底炉缸结构具有很好的推广价值和应用前景。

关键词：高炉；微孔碳复合砖；安全长寿

近十年来，炉缸采用炭砖或者采用炭砖加陶瓷杯结构的高炉，炉缸烧穿的现象时有发生，炉缸安全受到严重威胁，引起了业界的普遍关注。影响高炉炉缸的安全长寿的因素很多，比如：冷却强度和冷却设备的可靠性；耐材的导热性、抗铁水熔蚀性、抗氧化性、抗碱性；炉缸结构的合理性；砌筑质量；烘炉有效性；达产快速性，等等。本文比较了传统陶瓷杯和炭砖及微孔碳复合砖的性能，介绍了以微孔碳复合砖为主的炉底炉缸结构在高炉上的使用情况。

1  传统陶瓷杯材料性能

目前采用的传统陶瓷杯材料有刚玉莫来石、复合棕刚玉、棕刚玉浇注块、微孔刚玉等，除微孔刚玉外，其它的虽有诸多优点，但也存在较大不足：1)这些材料微孔性能不够，因而抗渗透能力不太好；2)纯刚玉的材料热膨胀大，不利于结构稳定；3)导热系数比炭砖低得多，不能象炭砖那样发挥界面的“冷却”作用，熔融铁水对其破坏作用大。由于这些原因，传统陶瓷杯的使用寿命有限，一般3年左右将完全受损而不复存在，甚至有的高炉采用的复合棕刚玉砖使用寿命仅半年。因此，高炉炉底炉缸的使用寿命主要依赖于炭砖的性能。有陶瓷杯结构的炉缸，理论上炉缸寿命应该比全炭砖炉缸结构要长，但目前的使用情况表明，这种陶瓷杯材料并未发挥出我们所期望的作用。

从以上指标我们可以看出，除微孔刚玉砖外其它传统陶瓷杯的刚玉莫来石和复合棕刚玉砖的微孔化指标非常差，浇注块因为是不烧制品，一些有机添加物在高温使用过程中会被烧掉形成气孔，因此也不是真正的微气孔砖。微孔化指标的欠缺将导致制品的抗渗透性的下降，使制品在长期使用过程中在热端形成较厚的过渡带，这层过渡带将加速制品的损毁。同时传统陶瓷杯抗碱后的体积膨胀较大，这种膨胀将对内衬结构造成破坏。武钢张寿荣院士和宋木森高工在《武钢高炉长寿技术》一书中指出：“复合棕刚玉砖和刚玉莫来砖砖的抗碱性、抗渣性很差，不是微气孔砖。实际上它们都不适合作为陶瓷杯用砖。很多采用复合棕刚玉砖的高炉出现风口上翘、炉壳开裂、甚至将炉壳抬高悬空，与复合棕刚玉砖抗碱性差，碱侵蚀后产生异常膨胀有很大关系，复合棕刚玉砖应尽快淘汰，以免危害高炉寿命和影响高炉正常生产[2]。”

2  炭砖材料性能

近十年来我国高炉采用的炭砖多为以下几种材料，其理化性能如表2[3]。

从以上指标可以看出，炭砖除了有较好的抗碱外，主要的优点就是有较好的导热性能，但其致命的弱点在于抗铁水溶蚀性不足、抗氧化性差和耐压强度低。当炉缸局部漏水时容易引起氧化，甚至造成炉缸局部“老鼠洞”式的烧穿。因此，炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和耐压强度非常差才是烧穿事故的真正原因，要远离烧穿事故实现安全生产，就要彻底解决炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和耐压强度非常差的问题，在冷却系统出现问题时为抢修赢得时间，而不至于在短时间内烧穿。

3  新型高炉炉缸材料的开发应用

为了解决炭砖的抗铁水溶蚀性不足、抗氧化性差和耐压强度低的问题，巩义五耐与河南科技大学联合，进行了在微孔刚玉砖中引入炭组分的复合试验，开发了一种微孔化的微孔碳复合砖，这种微孔碳复合砖集炭砖和传统陶瓷杯材料的优点于一身，既有炭砖的高导热性，又有传统陶瓷杯的诸如高耐压强度、耐磨性、优良的抗铁水熔蚀性等优良性能，同时又解决了炭砖的氧化问题和克服传统陶瓷杯韧性差、热膨胀大等不足，这种材料将能够同时发挥炭砖和陶瓷杯的双重作用，为高炉的安全生产提供有力的保障。微孔碳复合砖的理化性能见表3。可以看出：微孔碳复合砖的透气度比传统陶瓷杯材料好100倍以上、比微孔炭砖好4倍以上；抗铁水熔蚀性比炭砖好20倍以上；抗氧化性比炭砖好10倍以上；抗碱后耐压强度比炭砖高50％以上；抗碱后体积膨胀与炭砖相当、是传统陶瓷杯材料的15％左右。

4  在高炉上的使用情况

2007年在山西通才和建帮的2座410m3高炉设计中采用了这种微孔碳复合砖。炉底采用了4层微孔模压炭砖和两层微孔碳复合砖，炉缸全部采用微孔碳复合砖，风口和铁口也采用了微孔碳复合砖。具体设计如图1所示。

通才2号高炉于2007年投产，生产4年后对炉身上部进行喷补维修。对炉缸也做了较全面的检查，发现在炉缸内热面形成了稳定的渣铁保护层，厚度约150mm，仅在铁口部位有轻微侵蚀，风口及以下部位均未出现明显侵蚀，风口也没有出现上翘的现象，炉缸内也没有出现象脚状蚀损的现象，显示出了较为理想的使用效果。炉缸检查情况见图2、图3。

5  安全长寿炉底炉缸结构设计方案

综合以上讨论，传统的全炭炉底炉缸结构由于炭砖的抗铁溶蚀性差、抗氧化性差和强度低不耐冲刷而存在较大安全隐患；而炭砖加传统陶瓷杯的结构又由于传统陶瓷杯的绝热性能而使炭砖层的温度过低导致冷却系统不能充分发挥作用，冷却水基本处于作“无用功”的状态，这种结构是以陶瓷杯的损耗为长寿的代价[4]，而在陶瓷杯侵蚀殆尽之后其又回到全炭炉底炉缸的问题上来。因此，传统的全炭炉底炉缸结构和炭砖加陶瓷杯的结构都是不可取的。

结合碳复合砖的性能分析和实际使用效果，表明已彻底解决了陶瓷杯和炭砖所存在的问题，无论是采用碳复合砖作为散热型炉底炉缸或用碳复合砖散热炉底炉缸加陶瓷杯的结构形式，均可以显著提高高炉的操作安全性，同时满足长寿高炉的需要。因此，我们提出了安全型炉底炉缸结构的设想，以2000m3高炉为例对碳复合砖散热型炉底炉缸进行分析：

在这两种方案中，方案一(图4)由于碳复合砖具有炭砖的导热性，因此相当于全炭炉底炉缸结构；方案二(图5)相当于炭砖加陶瓷杯的结构。通过对温度场分布的模拟分析，1150℃等温线均比传统陶瓷杯往炉内推移，800℃等温线完全在碳复合砖层内，炉内温度从高温到低温基本是一个较为均匀的分布，有利于充分发挥冷却系统的作用，通才高炉的使用效果也验证了方案一的设计思路。

1150℃等温线和800℃等温线往炉内的推移，有利于在炉内形成“渣铁壳”保护层，并有利于降低渣铁及重金属对内衬的侵蚀和渗透，稳定冶炼操作，实现高炉的安全长寿。

6  结论

(1)微孔碳复合砖，既融合了炭砖和陶瓷杯材料各自的优点，又解决了它们所存在的不足。其优异的抗铁水溶蚀性、抗氧化性和较高的强度，弥补了炭砖在使用中的弱点，成为能够同时代替陶瓷杯和炭砖的一种新型高炉炉底炉缸安全长寿的材料。

(2)根据朱天清、程树森老师等，增大陶瓷垫的导热系数侵蚀线上移较快的研究成果[5]，以上两种结构可以有效地把1150℃等温线往炉内推移，同时碳复合砖的导热系数从低温到高温是一个降低的趋势，也符合程树森老师等提出的“扬冷避热型梯度布砖法的理论”[6]，在炉内可以形成合理的温度分布，有效地在炉内形成“渣铁壳”保护层，实现安全长寿的设想。

(3)微孔碳复合砖优越的抗铁水溶蚀性和抗氧化性能，可以避免炉缸局部漏水造成炭砖局部氧化而形成的“老鼠洞”式的烧穿；同时可以直接进行炉缸扩容，增加产量。因此，炉缸炉底采用微孔碳复合砖的导热型结构能够实现高炉的安全操作和长寿高效，具有良好的推广应用前景。

参考文献

[1]张寿荣，于仲洁等，武钢高炉长寿技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009：84．

[2]张寿荣，于仲洁等，武钢高炉长寿技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009：70．

[3]张寿荣，于仲洁等，武钢高炉长寿技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009：83．

[4]程树森、赵宏博等，中国金属学会炼铁分会高炉设备设计学术委员会2010研讨会论文集，2010，108．

[5]朱清天，程树森等，中国金属学会炼铁分会高炉设备设计学术委员会2010研讨会论文集，2010，85．

[6]程树森、赵宏博等，中国金属学会炼铁分会高炉设备设计学术委员会2010研讨会论文集，2010，114．