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三钢4号高炉炉底炉缸的设计特点

陈培荣

(福建三钢闽光股份有限公司)

摘 要：针对三钢高炉原料含铅锌高、炉壳开裂等的特点，4号高炉设计采用了一些新的技术，如：加厚炉壳、铁口使用铜冷却壁、设置排铅槽、陶瓷杯与炭砖之间采用硅溶胶结合浇注料、铁口区整体浇注等。同时，对炉底炉缸的设计与维护提出了建议。

关 键 词：高炉；炉底炉缸；炉壳开裂

三钢4号高炉(1050m³)于2004年5月投产，在2005年开始就发生了多起铁口开裂现象，焊补无效。2006年12月，进行了2个铁口区炉壳板的更换，钢板厚度由36mm增加到50mm，并在风口下方增设了1圈环向加强筋。2008年，铁口下方炉壳又发生了开裂，多次进行了焊补处理，并在铁口下方增设了2道加固圈。由于炉壳频繁开裂，导致砖缝扩大，2011年3月北铁口区冷却壁烧漏，炉底炉缸多点电偶温度跳升，局部炉壳温度最高达到80℃。2011年5月，开始进行风口定点喂线和加钒钛矿的护炉工作。鉴于炉缸状况已严重威胁到安全生产，2012年5月15日被迫停炉进行大修。

1 设计的主要特点

针对上代炉役发生的实际问题，结合我厂的经济效益情况，本次设计除了继续沿用成熟、适用的炭砖加陶瓷杯，水冷炉底，设置排铅槽等经典技术外，本着“经济、实用、创新”的原则，在炉底炉缸的设计上采取了一些独特的创新技术。

1．1 炉壳

三钢高炉原料含铅、锌比较高，福建地区铁矿石含铅会高达0．2％。据统计，2012年11月炼铁原料中铅、锌负荷高达1．5kg／t。比重大的铅沿砖缝向下渗透，并侵入砖衬内部，引起炉衬膨胀，对炉壳形成很大的侧向力，若炉壳没有足够强度的话，极易造成炉壳开裂，直接影响一代高炉的寿命。本次大修设计将炉底到风口区下沿炉壳钢板厚度由36mm增加到50mm，风口区炉壳板采用60mm厚钢板，材质为Q345—B。

1．2 冷却壁

铁口区要经受高温渣铁的冲刷、泥炮的机械撞击，所以铁口是炉缸工作条件最恶劣的部位，上一代炉役炉壳开裂就是首先从铁口这个最薄弱的地方开始的。解决办法除了加厚铁口区炉壳板外，提高铁口区的冷却强度至关重要。因此，在2个铁口的两侧采用了埋铜管的铜冷却壁，其余冷却壁材质仍为铸铁冷却壁，冷却水管接管尺寸为Φ57mm×5mm。

1．3 炉衬结构

4号高炉炉缸炉底结构如图1所示。

(1)耐热基墩为耐热混凝土，圆周设1环碳素捣打料，吸收耐热混凝土的径向膨胀，减小对炉壳的张力。

(2)炭砖。炉底第1～4层用国产微孔炭块；第2层炭砖设置排铅槽；炉底满铺第5层至炉缸第12层采用某厂闲置的价位低廉的进口微孔炭砖。其中，第6、8、9层因原砖型长度不够，采用双环结构，两环之间采用高导热碳素捣打料填充，第13、14层用国产微孔炭块。两环之间采用导热性能优良的碳素捣打料非常关键，其生料导热系数达到16W／(m·K)，烧后导热系数达到23W／(m·K)，超过了SGL 7RD—N炭砖在常温时17W／(m·K)的指标。此双环结构的可靠性至少在理论上比较有把握，该碳素捣打料烧后指标见表1。

(3)陶瓷杯。陶瓷杯采用国产刚玉莫来石砖，其中杯垫设2层，高345mm，采用了防漂浮设计。

理想的炉缸应当是：炭砖通过其高导热特性将炉缸壁的热量及时带走，使1150℃铁水凝固线、870℃的炭砖环裂温度线阻滞在陶瓷杯内。炉缸壁形成稳定的渣铁凝固壳对保护炭砖至关重要，陶瓷杯是绝热材料，太厚的话其热面热量带不走，其热面迟早要被高温渣铁侵蚀掉。为了达到合理的温度分布线，因此它不需要太厚。铁口以上杯壁的渣皮较易形成，设计最薄处为230mm；“象脚”侵蚀区为死铁层底部，渣皮不易形成，可以适当设计厚点。陶瓷杯砖最关键的作用是很小的铁水溶蚀指数(<1％)，远小于炭砖的28％。因此，陶瓷杯对炉底炉缸抵御渣铁侵蚀起第一道防线的作用，延缓了炭砖的侵蚀。

(4)陶瓷杯与炭砖之间。炉缸大块环形炭砖实际上是一个多边形，该多边形与陶瓷杯砖之间在施工上极易形成大的三角缝。以往的设计没有考虑到这个问题，最多只是用碳素胶泥填充。开炉后，碳素胶泥中的有机物挥发完易形成空洞，铁水或铅、锌等极易趁虚而入，使陶瓷杯失去保护炭砖的意义。为了解决这个问题，本次设计在陶瓷杯与炭砖之间设计了1条60mm缝，内部浇注硅溶胶结合的浇注料。硅溶胶结合浇注料具有低水分、无挥发性物质、流动性好、高温性能好、耐渣铁侵蚀等优点。最主要的是它有一个特点：当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子能牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，具有很强的结合力。另外，虽然炉缸温度很高，属于还原气氛，此位置即使陶瓷杯侵蚀掉了，温度最多也就1500℃，而硅的还原温度是1650～1700℃，所以不用担心材料中的硅被还原。综上所述，此部位使用该材料，一方面使炭砖热面能更有效抵御铁水侵蚀；另一方面，方便了施工，从此不用再担心三角缝影响砌筑质量。硅溶胶结合浇注料具体指标见表2。

(5)铁口区整体浇注。铁口在生产时最怕砖缝窜气，引起铁口漏煤气、出铁喷溅现象，不仅给炉前工作增加很大的工作量，而且含铅、锌等有害杂质的高温煤气冲刷会加速铁口区耐材的侵蚀。为了提高铁口区砖衬的密闭性，应当消除砖缝的影响，虽然之前也采用了铁口组合砖错缝设计、提高组合砖尺寸精度、加强施工质量管理减小砖缝等措施，但实际施工中有些问题仍然无法解决。比如传统设计是在铁口框内设计组合砖，但由于二者都是制造件，在制造和安装过程都会造成不好控制的接合缝，有时会达到10mm以上。如此大的缝隙用泥浆或捣打料填充，其致密性无法保证，根本无法阻挡高压高温煤气流的冲刷。为此，本次设计取消了铁口框组合砖，使用硅溶胶结合浇注料将铁口框、铁口孔道做整体浇注，直接将烘炉导管埋在里面。

1．4 温度监控

为了更好地监控炉缸砖衬的侵蚀，监控生产状态下炉缸堆积的程度，本次设计在炉底炉缸共埋设了75根电偶，共158个测点，采用Φ6mm的铠装电偶，1根电偶可实现多个探头的功能。炉缸电偶最长升到炭砖热面，以监测炭砖热面温度，短电偶用于监测炉役后期炉衬厚度。

2 生产效果

4号高炉大修后于2012年8月18日投产，取得了良好的生产实绩。

(1)开炉非常顺利。开炉前3天单铁口出铁，一点喷溅都没有发生，炉前工作量比平时都少。只是在双铁口轮流出铁之后发生了喷溅现象，但也只是偶尔发生，相比我厂其他几座炉开炉工作轻松了很多。

(2)温度分布良好。开炉4个月后，即12月20日观察各层炉底炭砖中心温度呈正常的纵向梯度分布(见表3)，第5层炭砖与陶瓷杯之间的温度亦呈正常的径向梯度分布(见表4)。

(3)开炉4个月来，铁口没有漏煤气，严密性良好。

3 几点体会

(1)炉底炉缸的好坏直接关系到一代炉役的寿命，设计上应根据各厂原燃料的特点情况区别对待。南方高炉原料含铅锌高，采用加厚炉壳、适当采用高档耐侵蚀耐材、设计排铅槽很有意义。

(2)炭砖质量非常关键。国产炭砖在导热性能、抗渣铁侵蚀性能以及加工尺寸精度控制方面还要多做工作，努力缩小与国外产品的差距。

(3)冷却壁与炭砖之间的碳素捣打料远离铁水，往往不引人注意，但其导热指标应当同样得到重视。唯有将碳素捣打料在200℃时的导热系数超过了炭砖，才能有效地将炉缸炭砖的热量传给冷却壁。否则强调炭砖质量或冷却壁的冷却效果都将是片面的。

(4)在铁口等关键部位使用高档耐侵蚀浇注料很有实用价值，重点要关注其高温强度及耐侵蚀性能。另外，注意浇注料的厚度不应太薄，个人认为在100mm以上比较理想。

(5)炮泥质量应当加强，一方面是影响炉前的工作量，另一方面对日常铁口区耐材的维护起到第一道防线的作用。

(6)上一代高炉炉役后期的钒钛矿护炉对炉底炉缸的安全运行起到了保驾护航的作用。实践也多次表明，钒钛矿护炉对砖缝的填充是行之有效的方法。若能在开炉初期进行一次护炉作业，对一代炉役寿命能起到事半功倍的效果。