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1、1 对高炉炉缸长寿问题的认识 北京科技大学冶金学院 王筱留 左海滨 E-mail:wangxiaoliu2009 2 目 录 前言 1. 影响炉缸炉底寿命的因素 1.1 设计上的问题 1.2 鼓风湿度问题 1.3 气隙问题 1.4 检测问题 1.5 操作问题 2. 炉缸炉底维护和异常处理 2.1 钛渣护炉 2.2 灌浆 2.3 挖补 3 前 言 n高炉长寿技术与降低燃料比技术都是高炉炼铁技术进步的主要内容，也是高炉 炼铁技术发展的主要动力。国内外在延长高炉寿命问题进行了大量研究，取得 了很大进步。国外高炉寿命普遍在15年以上，有的超过20年。我国高炉寿命也 提高到10年左右，有的超过15年，新
2、建高炉设计寿命在20-25年。 n高炉长寿的标准：一代寿命15年以上，每m3炉容产铁13000-15000吨。 n高炉寿命的决定性部位：炉腰和炉身下部；炉缸炉底。 n自从在炉腹、炉腰和炉身下部采用铜冷却壁，并镶Si3N4结合的SiC砖或优质铝炭 砖，炉身中上部采用球墨铸铁冷却壁镶以浸磷酸粘土砖，冷却采用软水密闭循 环后，炉腰和炉身寿命基本解决。 n高炉寿命的限制性环节集中到炉缸、炉底部位。近来国内外发生多起炉缸漏铁 、烧穿事故的实例，即使没有烧穿，但水温差急剧上升，告急的高炉也不在少 数。 4 1. 影响炉缸炉底寿命因素 n高炉长寿是一个系统工程，受多方面因素的影响： 设计；耐材冷却器的选择和
3、验收；筑炉和冷却器安装质量；检测 仪表的设置，选择安装以及高炉操作等。 n现将个人对一些问题的认识叙说如下，供大家讨论。 5 1.1设计上的问题 n符合高炉冶炼规律和传热原理的合理炉缸炉底结构是长寿的基础 ，也是关键。不合理的炉缸炉底结构是造成短命和烧穿事故的原 因之一。 n上个世纪采用过的自焙炭砖陶瓷杯炉缸炉底结构是典型的不合 理结构，造成炉缸烧穿，炉底残砖过少，而使炉底温度高达 760820的现象众多。例如，北台2号高炉2000年6月炉底烧穿， 邯钢900m3高炉炉底残余一层，南京钢铁厂350m3高炉炉底残存不 足一层等都是实例。 6 图1 陶瓷杯砌筑结构温度分布 陶瓷杯的作用是利用高铝质
4、耐材的隔热性好，将1150等温线压缩 在陶瓷质耐材内，来保护炭砖，这样自焙炭砖就失去了自焙条件。 投产后，自焙炭砖内的焦油等挥发，即使陶瓷质耐材破损后，自焙 炭砖也不可能再焙烧成整体，且失去强度而被铁水流机械冲走或溶 蚀造成烧穿。 7 1.2 设计时选择的冷却强度不够 n目前在冷却制度的选择上存在着两种设计：大冷却水管 70mm以上，小水流量大温差以节约用水；小水管34mm， 大流量小温差保证冷却强度。不论那种设计都应与所选用炭 砖的导热能力和生产中的实际冶炼强度相匹配，还应充分考 虑低导热率的炭捣层和砖缝，冷却壁与炉壳之间存在气隙的 现象，国内外出事故的高炉上，都存在冷却强度不够的原因 。
5、8 n中国3200m3高炉设计炉缸冷却循环水量仅1248m3/h，造成冷却强 度低，不能将热量及时传递出去，冷却壁水温差在1.5左右，对 应的热流强度高达24000w/m2，而按我国操作的经验，该部位的 热流强度应控制在10000w/m2以下，当热流强度达到12000w/m2时 就要发出红色警报，而当这一个热流强度超过21000w/m2，就会 造成炉缸烧穿。 n美国Gary 14号高炉炉缸采用夹克式水槽冷却设施，而砖衬为石墨 炭砖，炉缸传过来的热固冷却能力不够，发生了炉缸烧穿事故， 烧穿前检测到的热流强度21880w/m2。 9 1.3 死铁层深度问题 炉缸烧穿或炉衬厚薄造成隐患的位置是铁口周
6、围：铁口正下方距铁口中心线 2.0m左右；铁口左右两侧（第二个风口与第一风口之间），离铁口中心线1.5- 2.0m处。这是由出铁过程中铁水流运动机械冲刷及铁水溶蚀炭质炉衬造成的。 这引起对铁水环流的研究，这种环流对炉缸壁的损坏作用，就引发如何选定死 铁层深度的问题。 图2（a）出铁过程中速度分布图 图2（b）炉底铁液流线图 10 通过对炉缸炉底铁水流动模拟研究得出： 死铁层越深，炉缸壁面附近铁水流速度越小； 死料柱焦炭浮起越高，炉缸壁面附近铁水流速度越小； 出铁口通道直径越小，炉缸壁面附近铁水流速度越小。 11 图3（b）死铁层深度对铁水流动的影响 h1.1m h=1.6m 12 生产实践表明
7、，炉缸侧壁温度与炉底温度成反比，即炉底温度高 时，侧壁温度降低，有利于炉缸侧壁安全工作， 图4 炉缸侧壁温度与炉底温度成关系 13 研究和生产实践使广大高炉炼铁工作者得到共识，要适当 加深设计高炉的死铁层深度。在加深死铁层的程度上，也还有 不同观点： n 以武钢宋木森等为代表主张死铁层不宜过深，应在炉缸直径的 20%以内，在（0.150.18）d缸。其理由为： 过深的死铁层不利于炉缸下部和炉底形成渣壁保护层； 加深的死铁层加剧铁水渗透侵蚀炭砖； 加深死铁层使炉缸侧墙被铁水浸泡面积增大，加大被铁水侵蚀 的面积； 加深死铁层不利于铁口保护，增加泥包的新生和保护难度。 14 n以重庆赛迪工程公司（重
8、庆设计院）项中庸大师等为代表主张较深 的死铁层0.25 d缸左右，以增加铁水对死料柱焦柱的浮力，使部分铁 水从死料柱下流向铁口，减轻铁水环流，同时使炉底温度升高而降 低炉缸侧壁温度。 n我们认为死铁层稍深一点有利于长寿，为（0.220.02）d缸较为合适 ，但是在增加死铁层深度时要注意铁水对炉缸侧壁的压力增大，特 别是炉缸炉底交界处，因此随着炉缸和死铁层向下延伸，侧壁砖衬 厚度要逐步加厚直到炉底满铺炭砖处。 15 1 图5 炉缸炉底结构 16 1.2 耐材和冷却壁的选择问题 n根据不同理念，在现代高炉的炉缸炉底结构上分为全炭和陶瓷杯，但不论是 哪种结构，炭砖是主要耐材 n全炭结构采用小块微孔或
9、超微孔炭砖、半石墨化炭砖和石墨化炭砖，这以美 联炭的NMD和NMA为代表，德国，日本，法国，中国也有相类似的产品。 n陶瓷杯结构也有用小块微孔炭砖、半石墨化炭砖的，也有用大块炭砖的，大 块炭砖是以德国西格里（SGL）、日本恩第克（NDK）为代表。 n近年来，国内外对炭砖制作和性能改进做了很多工作。中国以武钢为代表与 兰炭合作研制开发了一些新型高炉用炭砖，其性能和质量进入国际先进行列 。 1.2.1耐材选择 17 指标 武钢研制超 微孔炭砖 德国7RDN 超微孔 日本BC-8SR 超微孔 武钢研制 微孔炭砖 日本BC-7S 微孔 法国AM102 微孔炭砖 体积密度，g/cm31.681.661.
10、731.561.581.56 显气孔率，%16.9516.8210.02171817 抗压强度，MPa43.5955.7531.9544.9946.5829.44 透气度，mDa0.460.550.002.425.980.27 氧化率，%5.9710.143.008.892.498.09 铁水溶蚀指数，%29.4726.9631.1727.5515.7913.46 平均气孔，m0.0990.1570.0830.240.2340.111 1m孔容积率，%82.4175.8188.2073.6976.0079.00 热导率， W/mK 室温19.3118.6513.916.557.558.25 3
11、0020.8920.0517.7011.5911.3011.80 60022.9721.5918.1513.3812.4014.00 抗碱性优（U）优（U）优（U）优（U）优（U）优（U） 表1 微孔炭砖、超微孔炭砖性能 18 序号性能单位 武钢研制 半石墨炭砖 日本BC-5 半石墨碳砖 武钢研制模 压微孔炭砖 美国NMA模 压碳砖 1耐压强度MPa44.4135.0032.1329.93 2体积密度g/cm31.501.541.711.62 3显气孔率%14.6215.6012.6218.85 4氧化率%32.645.234.1218.06 5透气度mDa21.66138.231.374.4
12、4 6铁水溶蚀指数%29.2028.2619.4628.18 7平均孔径m2.436.2720.131.083 81m孔容积率%26.4810.9679.6453.4 9热导率， 室温 W/mK7.347.4218.324.96 300 11.7711.1020.0311.30 600 12.3612.5721.4316.10 10抗碱性优（U）良（C）优（U）优（U） 表2 半石墨化炭砖，模压炭砖性能 19 炭砖名称石墨砖 方大高 导热炭砖 美国NMD 美国 NMA 某厂微孔 炭砖 方大超微 孔碳砖 方大微孔炭 砖 铁水溶蚀指数， % 32.71-4037.229.0-32.028.0-32
13、.028.9726.7727.55 氧化率，%8.52-19.010.639.9318.0615.145.978.89 平均气孔，m3.14-0.691.450.7250.1040.232 1m孔容积率 ，% 38.32-53.5143.0750.5782.1673.69 热导 率， W/m K 室温111.9226.5253.6116.194.6519.136.55 30090.7928.1128.1118.025.4820.8911.55 60082.7630.4630.4620.116.9522.9713.38 抗碱性优或差优或差优优差优优 透气度36.876.320.970.6914.
14、800.462.42 炭砖原料石墨焦电极石墨电极石墨 石墨+电 煅煤 普煅煤+冶 金焦 石墨化煤 +电煅煤 电煅煤 表3 不同炭砖性能比较 20 在陶瓷杯结构中除了炭砖以外，还有陶瓷垫，陶瓷杯壁用的以刚玉为主制成 的砖，其主要种类和性能列于表4。 性能 复合棕 刚玉砖 浇注 大块 刚玉莫 来石砖 塑性相 结合刚玉砖 武钢7号高炉微 孔刚玉砖 炉渣侵蚀率（%）1001001005.944.89 抗碱性差（粉化）优差（粉化）优优 平均气孔 （m） 6.261.4013.005.050.116 1m孔容积率 （%） 3.4732.614.660.0087.17 透气度 （mDa） 84.276.08
15、65.5729.380.94 表4 几种陶瓷杯砖的性能对比 21 1.2.2炭砖使用上的问题 n炭砖质量和选择不当，会造成炉缸事故。 n将半石墨化炭砖和石墨化炭砖用于炉缸壁是不科学的。因为：炉缸内铁水与半 石墨化或石墨化炭砖接触，就会被未饱和含C的铁水溶蚀；这两种炭砖与渣铁 的亲和力差，不易在炉缸壁或炉底砖上结渣皮和铁壳来保护。因此在全炭结构 上或陶瓷杯结构的陶瓷砖局部损坏而与铁水直接接触就会很快被损坏。近年来 事故高炉的实际就证实了这个机理。例如美国Gary厂14号高炉采用石墨化炭砖 在冷却强度不足的情况下，就被铁水破损而烧穿。半石墨化砖、石墨化砖应用 于炉底最下层炉底冷却水管处。在强调炭砖
16、的保护下，使炭砖工作表面结成保 护层来保护炉缸炉底，形成片面追求炭砖的高导热率，就目前炭砖生产技术来 说，用电煅无烟煤生产的微孔和半石墨化炭砖的导热系数。只 22 能达到600 12w/mk左右，而用石墨化无烟煤生产的超微孔炭砖的导热系数也只 能达到20w/mk。生产厂为满足高导热率的要求，国内外普遍采用加电极石墨生产 半石墨化和石墨化炭砖（例如美国UCAR的NMD砖、日本TYK砖等），而通过石 墨化焙烧的电极石墨的结构是疏松多孔结构，用它生产的炭砖导热率是提高了，但 抗铁水渗透，溶铁性较差，抗K、Na、Zn等渗透侵蚀能力也差。这类砖用在高炉上 的效果差，给高炉发生事故造成隐患。正确的生产工序应该是用电煅烧无烟煤使之 石墨化，然后用来生产炭砖，即用电煅烧无烟煤+冶金焦生产普通炭砖，用1500 2500电煅无烟煤生产半石墨化炭砖和微孔炭砖，用石墨化无烟煤+电煅无烟煤生 产超微孔炭砖，是通过提高无烟煤石墨化程度来提高炭砖的导热系数，这类砖既有 较高的导热系数，也有较优的抗K、Na侵蚀能力，以及抗铁水渗透溶蚀性能
