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1、2009年第1期炼铁技术通讯27 高导热长寿炉衬材料在高炉的应用 唐 兴 智 (鞍钢建设总公司) 摘 要:鞍钢10号高炉引进美国UCAR热模压炭砖、 胶泥、 填料等高热导率长寿炉衬材料。紧靠冷却壁砌 筑,增强整体导热性,这与我国传统的高炉砌筑定位方法截然不同,高炉炉衬材料、 砌筑方式与施工实践值得 借鉴。 关键词:高导热 热模压 长寿炉衬材料 砌筑方式 定位 1 引言 近年,世界各国把高炉综合炉底的理念扩展 到炉缸侧壁炉墙砌体,把炉墙设计成多种耐材的 复合炉衬,周边靠冷却壁砌高导热炭砖,炉缸炭砖 内侧砌一定厚度的低热导率、 高荷重软化温度、 耐 冲刷、 抗侵蚀的陶瓷耐火材料。高炉生产时熔融 炉
2、渣和铁水直接接触陶瓷炉衬,由于陶瓷炉衬的 隔热保温作用,既减少了通过炉衬的热损耗,又保 护了炭砖炉衬,使1150 铁水凝固等温线处于陶 瓷炉衬内。其目的是为了消除炭砖的“环形断 裂“ ,抵抗熔融金属和炉渣的“异常侵蚀“ ,尤其是 炉缸炉底交界处的异常侵蚀区。企图减缓炉缸、 炉底炭砖侵蚀进程,从而达到延长炉衬寿命的目 的。 与此同时,从资料获悉,美国UCAR公司开 发生产的高导热热模压小块炭砖、 胶泥及填料在 高炉炉缸、 炉腹、 炉腰及炉身下部显示了无比的优 越性,防止了炉衬的破裂,并长期为北美洲炼铁厂 所选用,而且在欧洲、 非洲和亚洲高炉上采用,也 证实了它们的特殊性能。 首钢根据陶瓷杯结构与
3、NMD热模压,高导 热小炭砖的特点,将这两种技术溶为一体,在1号 高炉实施。首钢、 本钢、 包钢先后采用,相继引进 了美国UCAR高导热热模压小炭砖、 胶泥和填料 炉衬材料。 2 问题的提出 随着高炉炼铁技术的发展,进一步强化冶炼、 降低焦比,广泛采用精料、 大风量、 高风温、 大喷吹 量的操作方法,炉衬工作条件日趋恶劣,炉衬的不 适应性与日俱增,这就促进炼铁工作者去探索原 因,寻找对策,寻求一个炉衬结构合理,采用优质 耐火材料,构筑成坚实、 致密、 近似无缝的整体炉 衬。以期达到高产、 长寿、 优质、 低耗的目的。 但是,当时炉衬寿命短,炉底、 炉缸尤甚,近年 炉身下部至炉腰,炉腹亦成为高炉
4、的薄弱环节。 传统的炉衬结构,通常投产后工作24年,在炉 底炉缸交界处即出现严重侵蚀,从而影响到高炉 的正常运行。因此,炉底炉缸、 炉身下部就成为高 炉最易损坏部位。如鞍钢7号高炉(2580m 3 ) , 从 1977年7、8号高炉合并建成开炉投产,至1992 年近15年中,共进行3次中修, 2次大中修,平均 寿命不到3年。炉衬寿命短成为炼铁之难题。 炉衬拆除时,明显看到环形炭砖的破损均沿 高炉中心呈环形裂缝,即环状断裂。有的稍有间 断,裂缝宽度不等。裂缝宽度大者100250mm, 小者仅2030mm,有的炭砖环状断裂成两段。 断裂的炭砖两端完整,并能看到炭砖加工时的刀 痕,有的被渣铁侵蚀与冲
5、刷,残存的炭砖组织疏 松,强度较低,残存长度仅200300mm,个别处 尚残存500700mm,普遍被侵蚀掉的长度约300 800mm。 分析炉衬炭砖环形损坏的原因,从宏观上看, 首先是由于熔融金属和炉渣的冲刷,铁水沿砖缝 渗透的机械作用以及炉渣和铁水的化学侵蚀作 用。其次是热应力作用,炭砖在加热过程中产生 的热应力引起砖层开裂,砌体在高温高压下烧结 后收缩产生裂缝,不仅使砌体遭受破坏,而且还加 快了机械作用和化学侵蚀作用的速度,并贯穿于 炉役的全过程。由于沿深度方向和半径方向的温 度差异,砖层表面和中心受热膨胀而互相压紧。 一旦炉衬裂缝渗入渣铁后,随着液固两相的转变 及石墨析出、 体积变化而
6、破损加剧。另外环形炭 砖结构不合理,也促使炭砖破损。综合炉底环形 炭砖和高铝砖材质不同,膨胀不一致,而破坏了砌 体的整体性,助长和加剧了砌体的破坏。加之炭 砖单体尺寸大,单块炭砖冷热面温差大,随之温差 唐兴智: (1939)高级工程师, 1962年毕业于西安冶金学院钢铁冶金专业。现就职于鞍钢集团建设总公司从事冶金热能工程、 炉窑热工 及筑炉技术研究工作,参与高炉炉衬长寿技术攻关。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28炼铁技术通讯2009年第1期 应力大,炭砖亦易
7、产生断裂。高炉冷却设备漏水 也造成了炭砖的严重侵蚀。 炉腹、 炉腰及炉身下部炭砖损坏的原因,主要 是受高温下的渣蚀,急剧上升气流的冲刷及碱金 属的作用,使炉衬侵蚀加剧。鼓风中氧和煤气中 CO2的氧化作用,也促使表层脱落。炭砖长度方 向温差大而温差应力亦大,致使炭砖产生环形断 裂,加剧炭砖的破损。 由此可见,高炉炉衬的破损侵蚀机理可以概 括为:铁水和熔渣对炉衬的侵蚀与冲刷;碱金属对 砖的化学侵蚀;氧化作用对砖衬的破坏;热应力的 破坏作用 1 。 为解决炉衬剧烈破损,炭砖的“环形断裂“ 与“异常侵蚀“对高炉长寿的威胁,炉衬寿命短是 一大问题。为此,鞍钢成立高炉长寿炉衬技术攻 关组,组织科技人员到国
8、外考察、 技术交流,全力 组织攻关。经多方论证,并决定引进美国UCAR 高导热热模压小炭砖炉衬技术,应用在10号高炉 与采用国产陶瓷杯炉衬相匹配的炉缸风口区、 炉 腹、 炉腰及炉身下部。从高炉标高11936mm至标 高22317mm,砌筑高度10381mm,其中包括30个 风口组合砖。 3 炉衬材料特性 美国UCAR公司(以下简称美联炭)为了延 长高炉寿命,针对高炉各部位破损机理和不同部 位的冶炼状态,研制不同的炭砖,胶泥及填料(或 称糊料 ) , 品种多,规格全。 3. 1 高导热热模压小块炭砖 美联炭研制的热模压小块炭砖有NMA、 NMD、NMS、NMG。这次引进的NMD热模压小块 砖,系
9、采用电煅烧无烟煤为主要原料,并加入一定 量的人造石墨碎块和少量的二氧化硅及石英。采 用通电加热,热模压成型的BP工艺,即把配好的 料经过加热混炼,定量的糊料放在模具内进行模 压。此时通电加热到8001400焙烧,使粘结 剂炭化,脱模以后就完成了砖的焙烧。因此,这种 炭砖具有以下特性:低渗透性,气孔小且封闭,导 热性好,高温性能、 抗碱侵蚀性、 抗热震性和抗热 冲击性能良好。由于NMD小块炭砖热压法要求 的特殊制造工艺,砖型尺寸小,温差应力小。所 以,NMD砖更适合于砌筑高炉炉腹、 炉腰和炉身 下部,而NMA砖则适合于砌筑高炉炉底、 炉缸。 NMD、NMA砖的理化性能见表1。 表1 NMD、NM
10、A砖理化性能 项目NMDNMA 体积密度, g/cm31. 81. 62 耐压强度,MPa30. 930. 3 断裂模量,MPa10. 18. 1 渗透性,毫克西89 灰分, %9. 510 导热系数,w / (m k) 60045. 218. 4 80038. 118. 8 100032. 219. 3 120028. 519. 1 表中灰分约含9% - 9. 5%二氧化硅和石英,为抗碱侵蚀而加入。 3. 2 胶泥 热模压炭砖粘结剂是砌筑NMD炭砖的胶 泥,胶泥(或称泥浆)是可以用大铲或类似工具施 工,用于砌砖、 灌缝,使炭砖或炭块彼此粘结的不 定形耐火材料。它在耐火砌体中的作用是:调整 炭
11、砖的外形尺寸公差,砌砖误差,使砌体均匀地承 受负荷;作为粘结剂使砖彼此粘结,不仅在常温 下,而且在高温工作都能使砌体成为整体;是耐火 砌体的一部分,承受同样的高温侵蚀。除此之外, 还能缓和砌体的膨胀应力,缓解热应力的作用,减 少炭砖砌体的崩裂破坏。为使胶泥与炭砖匹配, 胶泥有C - 46、C - 49两种。C - 46胶泥系单组 分炭质粘结剂; C - 49胶泥是二组分炭质粘结剂, 它包括两种成分:一种黑色粉末和一种有机树脂 液体,按规定配合比调制而成。两种胶泥都是炭 质和石墨结构之间的粘结剂,固化时在粘结的炭 砖之间形成坚固的炭质粘合体。因此广泛应用于 高炉砌筑炭砖。两种胶泥的理化性能见表2
12、。 表2 C - 46、C - 49胶泥理化性能 项目 数值 C - 46C - 49 体积密度, g/cm31. 41. 6 粘结强度,MPa9. 810. 29 导热系数,w / (m K) 202. 5 2005. 0 3. 3 填料 炭质填料亦称粗炭糊或糊料,与热压小块炭砖 相匹配。按其所在部位工作条件要求填料功能不同 分为:RP - 4冷捣打料和RP - 20“S MARTRA“填料。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 唐兴智高导热长寿炉衬材料在高炉的应
13、用29 前者是一种单组分,可浇注的炭素浆状物,用于充 填成型物,或炭结构壁与冷却壁之间的缝隙,它的 作用是把热传导给冷却壁及炉壳,作为炭壁内热 膨胀的缓冲;而后者是一种特殊处理的片状石墨 捣料,有优良的导热性,易于安装和具有独特的膨 胀性质,以便于当炭砖移动时能“自我修整“。填 料温度超过200,这种经过特殊处理的石墨就 会因膨胀而增加体积,由于这种膨胀材料是石墨, 施工时捣不实的空间就被石墨充填了。这就是 RP - 20填料的“自我修整“特性。RP - 4冷捣料 的理化性能见表3。 表3 RP - 4冷捣料的理化性能 项 目数 值 体积密度(捣实) , g/cm31. 6 松散密度, g/c
14、m30. 8 体积变化(受热至200) , %2. 4 导热系数,W / (m k) 1007. 6 2008. 0 4009. 2 4 炭砖砌筑特点 4. 1砌砖紧靠冷却壁、 先砌外环后砌内环 为增强炉衬整体导热性、 炭砖紧靠冷却壁砌 筑,先砌靠冷壁的外环砖。即以高炉中心线为准, 按外环砖设计内半径,采用弦长1500mm的弧度 样板画圆周弧线,作为外环砖砌砖的定位线。砖 紧靠冷却壁,每块砖两肩顶紧,接头缝越小越好, 标准砖缝1. 6mm.其余自然缝中胶泥必须饱满。 砖与冷却壁接头缝如遇冷却壁接头处错台、 不圆 或其铸造误差大,内径小,则应加工砖,缩小缝隙; 如果冷却壁内径大、 在长约400m
15、m的范围内缝隙 为26. 35mm,可用RP - 4冷捣料与C - 46胶泥 混合塞严。缝隙大于6. 35mm则可加工炭砖片, 用C - 46胶泥砌紧塞严。砌砖紧靠冷却壁,允许 手加工外环砖,保证与冷却壁接头缝隙小,目的是 充分发挥炭砖高导热性。砌砖则是先砌外环,中 环紧靠外环,内环紧靠中环。这与我国高炉砌筑 先砌内环、 中环,后砌外环,传统砌砖定位方法截 然不同。在优先保证炭砖与冷却壁间接头缝符合 规定的前提下,兼顾内径,避免大量加工砖。 4. 2专用胶泥,粘结力大,刮浆、 揉浆、 挤浆相结合 炭砖砌筑采用两种胶泥, C - 49胶泥和C - 46胶泥。使用前均应预热到21,但不得过热。 由
16、于C - 49胶泥时效性强,必须在使用前现场搅 拌。首先按配合比将黑色粉末缓慢倒入有机树脂 液体中,进行搅拌,直至粉末完全溶解,无结块,成 糊状即合格。胶泥外观粘稠而不流淌。胶泥粉料 中含有3%的固化剂,如要求加速固化,增加粘结 强度,在冬季低温条件下施工,不能在规定时间内 完全固化时,可再加入5%的固化剂, 1小时内即 达到固化。C - 49胶泥应在规定时间30分钟内 用完。用于冷却壁镶砌炭砖和风口组合砖。 C - 46胶泥为单组分粘结剂,从容器中取出 即可使用。.使用前应充分搅拌。如胶泥放置一段 时间,在使用之前应重新搅拌15分钟,以保证胶 泥有合适的稠度。C - 46胶泥用于炉缸、 炉腹、 炉 腰及炉身下部炭砖和与之镶砌的国产SiC砖。 炭砖砌筑:先干排、 验缝、 检查平整度,均合格 后用齿形刮板或大铲将C - 46胶泥抹在砌体的 表面,使砌砖的两面刮抹胶泥。类似我国的打灰 浆(条)砌法。砖面上均匀抹一层胶泥,砖面中央 稍增厚一点,使该处胶泥突起。以便砌筑时挤压 砖块,使胶泥挤向砌缝边缘,达到
