瑞爾論文
高爐爐缸“陶瓷襯”結(jié)構(gòu)要素的研究
高爐 爐缸 陶瓷杯 長壽吳勝利（北京科技大學(xué)）
何汝生 曹永國（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘要 采用特異型耐火制品、緩沖密閉材料構(gòu)成的爐缸“整體陶瓷杯”，具有鑲嵌咬合的砌體結(jié)構(gòu)，能有效釋放熱應(yīng)力，給炭磚提供有效的保護(hù)，延長高爐壽命。時間表明，效果明顯。
Study on Key Element of“Ceramic lining”Structure for BF Hearth
WU Sheng-li
HE Ru-sheng CAO Yong-guo
(University Of Science and Technology Beijing) (Real Nonmetallic Materials Co.,Ltd)
Abstract The“integral ceramic cup”lining made of special shape refractory material and buffering & sealing material is characterized by insertion structure design and effective thermal stress release，the actual production practice shows it can properly protect the carbon brick and elongate the blast furnace campaign.
Key words blast furnace furnace hearth ceramic cup long campaign
高爐爐缸是一個充滿著熔融鐵水、爐渣、煤氣等冶煉產(chǎn)物的高溫、高壓空間。為了抵御高溫等物理、化學(xué)侵蝕，爐缸設(shè)置了冷卻壁設(shè)備、炭磚等。由于熔融鐵水等冶煉產(chǎn)物的滲透、漂浮、機械磨損、熱應(yīng)力等作用，以及碳含量不飽和的熔融鐵水對炭磚的溶蝕，堿金屬侵蝕等，導(dǎo)致僅僅由炭磚構(gòu)筑的爐缸內(nèi)襯往往不能滿足具有高生產(chǎn)效率的現(xiàn)代化大型高爐的壽命要求。
為了保護(hù)炭磚，在炭磚的熱面設(shè)置“陶瓷襯”是一種有效的技術(shù)措施。要獲得預(yù)期的保護(hù)作用，“陶瓷襯”需要具備的功能主要在于兩個方面。其一，構(gòu)成“陶瓷襯”的耐火制品需要具有適宜爐缸工作環(huán)境和保護(hù)功能的技術(shù)性能，如：抗鐵水、堿金屬侵蝕，較高的強度等。其二，這些耐火材料制品構(gòu)成的“陶瓷襯”應(yīng)該具有持續(xù)穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)、需要具有避免冶煉產(chǎn)物穿過到達(dá)炭磚的密封性能、能夠適應(yīng)使用環(huán)境的高溫作用和熱應(yīng)力。“陶瓷襯”的功能雖然是通過構(gòu)成它們的耐火制品技術(shù)性能和“陶瓷襯”的結(jié)構(gòu)特性的同時體現(xiàn)，二者不可或缺的。但是，耐火制品的技術(shù)性能僅能在“陶瓷襯”的結(jié)構(gòu)特性能夠滿足環(huán)境需求的前提下才能得以體現(xiàn)，也就是說結(jié)構(gòu)特性是“陶瓷襯”功能的基礎(chǔ)和前提。
爐缸環(huán)境中，熔融鐵水等冶煉產(chǎn)物對“陶瓷襯”的結(jié)構(gòu)性損害主要由三個方面。①穿過“陶瓷襯”耐火制品的砌筑磚縫，破壞“陶瓷襯”砌體結(jié)構(gòu)并到達(dá)炭磚；②熔融鐵水的浮力使得“陶瓷襯”結(jié)構(gòu)松動，嚴(yán)重時導(dǎo)致耐火磚漂浮；③高溫和應(yīng)力破壞“陶瓷襯”結(jié)構(gòu)，使耐火磚以及耐火砌體出現(xiàn)應(yīng)力破損。
可見，研究“陶瓷襯”砌體結(jié)構(gòu)，使得炭磚熱面的“陶瓷襯”具有穩(wěn)定、密閉的功能，并能夠釋放砌體受熱出現(xiàn)的應(yīng)力是“陶瓷襯”結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵。
1 “陶瓷襯”的結(jié)構(gòu)設(shè)計
目前的高爐“陶瓷襯”中，有小磚陶瓷墊+大塊制品側(cè)壁的陶瓷杯、標(biāo)普型小磚砌筑的陶瓷砌體、特異型大塊制品構(gòu)筑的整體式陶瓷杯等三種類型。
小磚陶瓷墊+大塊制品側(cè)壁的陶瓷杯結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。它的主要結(jié)構(gòu)特點是：爐底由兩層有斜面的小塊耐火磚砌筑為陶瓷墊，均采用斜面壓迫同心圓砌筑結(jié)構(gòu)；爐缸陶瓷杯側(cè)壁由單環(huán)的大塊制品構(gòu)筑；陶瓷杯內(nèi)襯中設(shè)置了具有釋放熱應(yīng)力和提高結(jié)構(gòu)整體性的膨脹墊、緩沖縫和鎖磚等。
標(biāo)普型小磚的陶瓷砌體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。它的主要結(jié)構(gòu)特點是：爐底一般采用人字形方式砌筑兩層標(biāo)普型小塊耐火磚；爐缸側(cè)壁的中下部為標(biāo)普型小塊耐火磚的多環(huán)墻體，爐缸上部為標(biāo)普型小塊耐火磚的單環(huán)墻體。
從圖2中可以看到，無論是采用直型還是楔型的標(biāo)普型耐火磚砌筑的陶瓷砌體，在結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、防漂浮、防滲透何應(yīng)力釋放等方面均存在難于滿足爐缸環(huán)境的結(jié)構(gòu)缺陷。這也是近年來經(jīng)常出現(xiàn)在爐缸采用陶瓷砌體結(jié)構(gòu)的新建高爐開爐不久就出現(xiàn)爐底，特別是陶瓷墊下沿溫度急劇飆升的原因所在。即使是已經(jīng)取得了不錯使用效果的如圖1所示的陶瓷杯，在陶瓷墊和杯壁的密閉性、穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)要素方面仍存在需要進(jìn)一步完善之處，才能滿足現(xiàn)代高爐在高冶煉強度下不斷提升的壽命需求[1]。
本研究提出了采用特異型耐火制品、緩沖密閉材料構(gòu)成的爐缸“整體陶瓷杯”結(jié)構(gòu)[2、3、4]。爐底陶瓷墊由具有雙向錯臺形狀的特異型大塊制品，采用同心圓環(huán)壓迫方式砌筑；爐缸側(cè)壁的陶瓷杯壁由具有凹凸匹配帶的特異型制品，采用鑲嵌咬合的砌體結(jié)構(gòu)；陶瓷杯壁與炭磚之間為特種材料復(fù)合的緩沖密閉層。圖3是某廠3200m3高爐采用這種“整體式陶瓷杯”的實例，其主要結(jié)構(gòu)特征：
（1）雙向錯臺何凹凸鑲嵌的制品接合方式構(gòu)成了“迷宮”型密封帶，消除了圖1、2所示結(jié)構(gòu)中存在的貫通冷熱面的連續(xù)直線磚縫，熔融鐵水難于鉆入到砌體內(nèi)部。即使有鐵水滲入磚縫，也會在錯臺密封帶和1150℃等溫凝結(jié)效應(yīng)下停滯在淺表部位。
（2）帶有“迷宮”型密封帶的單層陶瓷墊消除了圖1、2的雙層陶瓷墊結(jié)構(gòu)中，貫穿于整個爐底平面上下層陶瓷墊之間，熔融鐵水容易駐留的，并對上層陶瓷墊上頂浮力的水平通縫的技術(shù)缺陷，同時既提高了爐底密封性，又增加了陶瓷墊的功能性厚度。
（3）炭磚與陶瓷杯壁之間的緩沖密閉層消除了熱應(yīng)力的負(fù)面作用，使得陶瓷杯壁成為一個近于無縫的整體。
2 “整體式陶瓷杯”的應(yīng)用
“整體式陶瓷杯”已經(jīng)在中國宣鋼、唐鋼、鞍鋼、沙鋼、安鋼以及巴西ACOMINAS等公司的大型高爐何有效容積超過4000m3的超大型高爐得到實際應(yīng)用，取得了預(yù)期的技術(shù)效果。
上述某廠3200m3高爐于2007年9月8日點火投產(chǎn)，一直在較高利用系數(shù)下操作生產(chǎn)。2009年1月-2010年12月，平均利用系數(shù)達(dá)到2.485，爐頂壓力約235kPa。高爐建設(shè)時，設(shè)置了爐缸、爐底內(nèi)襯溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集了高爐投產(chǎn)后的內(nèi)襯實時溫度。圖4、5為該高爐2007年10月-2010年6月爐底中心和爐缸根部內(nèi)襯中的實際溫度分布。
從圖中大量溫度數(shù)據(jù)可以看到，在3200m3高爐投產(chǎn)后之一處于較高冶煉強度生產(chǎn)的情況下，“整體式陶瓷杯”很好的發(fā)揮了對炭磚的保護(hù)作用，陶瓷墊下表面溫度一直保持在650℃以下，“蒜頭”狀部位插入炭磚襯體內(nèi)的熱電偶檢測溫度一直保持150℃以下（可知炭磚的熱面溫度一直保持在500℃以下）。可見，3200m3高爐的“整體式陶瓷杯”在投產(chǎn)的3年多時間里，未曾發(fā)生異常的過度侵蝕，也沒有出現(xiàn)鐵水滲透等異常情況。
眾所周知，爐缸內(nèi)襯的侵蝕是由以熔融鐵水為主，其他冶煉產(chǎn)物共同作用下的多種形式的聯(lián)合侵蝕，其最終結(jié)果直接反映在內(nèi)襯材料的厚度變化上。內(nèi)襯材料厚度的變化會直接導(dǎo)致爐襯熱負(fù)荷，也就是內(nèi)襯材料溫度的變化。因此，在冷卻強度和高爐冶煉強度等相對穩(wěn)定的條件下，當(dāng)比較準(zhǔn)確的獲得了內(nèi)襯的溫度分布時，即可利用傳熱理論推測存留內(nèi)襯的平均厚度與侵蝕速率。據(jù)此，根據(jù)上述實測溫度數(shù)據(jù)推測高爐投產(chǎn)之后爐底陶瓷墊中心和“蒜頭”狀部位陶瓷杯壁的材料厚度變化情況，如圖6、7所示。從圖中可見，開爐生產(chǎn)近3年來，高爐中心位置陶瓷墊的綜合平均侵蝕速率約為3.27mm/月，“蒜頭”狀部位陶瓷杯壁約為3.43mm/月。若考慮侵蝕平衡和有效厚度等因素時，預(yù)計“整體式陶瓷杯”對炭磚給予有效保護(hù)的時間可達(dá)到15年以上。
3 結(jié)語
（1）炭磚熱面設(shè)置“陶瓷襯”是現(xiàn)代高爐的長壽技術(shù)之一，它的砌體結(jié)構(gòu)式制約使用效果的關(guān)鍵因素。“陶瓷襯”的整體穩(wěn)定性、密閉性和應(yīng)對溫度應(yīng)力的能力是“陶瓷襯”設(shè)計中需要得到充分重視的結(jié)構(gòu)要素，不容忽視。
（2）在現(xiàn)代高冶煉強度生產(chǎn)的大型高爐情況下，標(biāo)普型小塊耐火磚砌筑的雙層陶瓷襯和爐缸側(cè)壁陶瓷襯中，直線連通冷熱面的砌筑磚縫不利于充分發(fā)揮“隔絕”作用，整體穩(wěn)定性較差，有提高持續(xù)密閉性和整體穩(wěn)定性的技術(shù)必要。
（3）“整體式陶瓷杯”采用了雙向錯臺、單層陶瓷墊和鑲嵌式側(cè)壁以及應(yīng)力釋放、隔離等細(xì)部結(jié)構(gòu)技術(shù)，提高了陶瓷杯的持續(xù)穩(wěn)定性和密閉能力，有效消除了爐襯中溫度應(yīng)力的負(fù)面影響，能明顯延長現(xiàn)代大型高爐的爐役壽命。
（4）某廠3200m3高爐采用的“整體式陶瓷杯”爐缸內(nèi)襯，在較高冶煉強度的生產(chǎn)條件下，大量的實際溫度數(shù)據(jù)證明了該高爐爐底、爐缸內(nèi)襯的溫度分布良好，陶瓷杯很好的發(fā)揮了對炭磚的保護(hù)作用，推測陶瓷杯的綜合平均侵蝕速率不到3.5mm/月，預(yù)計該高爐陶瓷杯可為炭磚提供15年以上的保護(hù)。
4 參考文獻(xiàn)
[1] 李貴陽，何汝生.宣鋼9號高爐陶瓷杯的結(jié)構(gòu)特性與使用效果[C]∥河北冶金學(xué)會.2008年河北省冶金學(xué)會煉鐵技術(shù)暨學(xué)術(shù)年會論文集.2008:33-38.
[2] 北京瑞爾非金屬材料有限公司.防滲透、抗漂浮的高爐陶瓷墊.中國，CN200320101372.0[P].2005.
[3] 北京瑞爾非金屬材料有限公司.可釋放熱應(yīng)力的整體式爐缸內(nèi)襯.中國，CN03249014.3[P].2003.
[4] 北京瑞爾非金屬材料有限公司.一種新型煉鐵高爐爐底陶瓷墊結(jié)構(gòu).中國，CN03265928[P].2003.
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