（冶金工程专业论文）高炉炉缸、炉底结构设计与选材对高炉寿命的影响.pdf

鞍山科技大学工程硕士论文摘要 高炉炉缸、炉底结构设计与选材对高炉寿命的影响 摘要 本文介绍了高炉炉缸炉底结构形式发展过程，碳砖侵蚀机理，结构形式选取 原则。在此基础上，介绍了鞍钢1 1 号高炉上一代炉缸炉底结构形式、耐火材料， 以及侵蚀调查分析。本文重点介绍了鞍钢1 0 号高炉炉缸炉底结构特点，例如炉缸 采用法国陶瓷杯，侧壁采用大块碳砖，炉底采用4 层国产自焙碳砖，在其上面砌 筑一层陶瓷垫高炉炉缸炉底结构形式。实例分析了鞍钢1 0 号高炉采用该种结构形 式的成功经验。本文还介绍了鞍钢新1 号高炉、1 1 号高炉采用的不同微孔碳砖与 陶瓷杯结构形式及其炉衬温度变化规律，以及建立以高炉长寿为目的炉温日常管 理制度。 关键词：炉缸炉底结构碳砖陶瓷杯侵蚀机理管理制度 鞍山科技大学工程硕士论文 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ea n dm a t e r i a l si nb o t t o ma n d h e a r t ho nt h el i f e s p a no fb l a s tf u r n a c e a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h eb o t t o ma n dh e a r t hs t r u c t u r e ，t h e c a r b o nb r i c ke r o s i o np r i n c i p l eo nb l a s tf u r n a c ea n dt h er e g u l a t i o nt oc h o o s et h es t r u c t u r e o ft h eb o t t o ma n dh e a r t h b e s i d e s ，t h eb o t t o ma n dh e a r t hs t r u c t u r e ，r e f r a c t o r ya n d e r o d e ds t a t eo fb l a s tf u r n a c en o 11 ，a n g a n gt h a tw o r k e di nt h el a s tc a m p a i g np e r i o d w e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h eb o t t o ma n dh e a r t h s t r u c t u r ef o rb l a s tf u r n a c en o 10 ，a n g a n ga l ee m p h a s i z e di nt h ep a p e r , s u c ha su s i n g f r e n c hc e r a m i cc u pa n dc a r b o nb r i c kw i t hl a r g es i z ei nt h es t r u c t u r eo f t h eh e a r t h ，u s i n g f o u rl a y e r so fs e l f - b a k i n gc a r b o nb l o c k so nt h eb o t t o m ，a n dc e r a m i ct o pl a y e ru p o nt h e s e l f - b a k i n gc a r b o nb l o c k s a n dt h e nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fa d o p t i n ga b o v e b o t t o ma n dh e a r t hs t r u c t u r ei nb l a s tf u r n a c en o 1 0i sa n a l y z e d a l s o ，d i f f e r e n tk i n d so f b o t t o ma n dh e a r t hs t r u c t u r e so fc a r b o nb l o c k sw i t hm i c r o - c a v i t ya n dc e r a m i cc u p sa s w e l la st h et e m p e r a t u r et e n d e n c i e si nt h el i n el a y e r st h a tu s e di nb l a s tf u r n a c en e wn o 1 a n di nb l a s tf u r n a c en o 11 w e r ed i s c u s s e d a tt h ee n d ，s o m em a n a g e m e n tr e g u l a t i o n so f f u r n a c et e m p e r a t u r e st oe n l a r g et h eb l a s tf u r n a c ec a m p a i g nl i f ew e r en a r r a t e d k e yw o r d s ：b o t t o ma n dh e a r t hs t r u c t u r e ，c a r b o nb l o c k ，c e r a m i cc u p ， e r o s i o np r i n c i p l e ，m a n a g e m e n tr e g u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：主塞! 坦日期：翌塑! 厶竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：量室f 鲤 导师签名：日期：? 盟f 。多 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 随着世界各国经济不断对钢铁的需求，特别是我国进入经济与社会大发展时 期，预计未来1 0 年全世界钢铁生产还会有较大增长，而高炉炼铁工艺成熟、产量 大，相对能耗低，故在钢铁生产中占举足轻重的地位。但随着钢铁工业产业化发 展，高炉生产也面临更加严重的挑战，产量、质量、效益、技术与管理等方面的 竞争也会越来越激烈。依目前情况看，鞍钢原料正在按“高、稳、均、净”四字 方针逐步得到改善，鞍钢高炉优质耐火材料也逐渐得到应用，满足高炉长寿的要 求。 延长高炉寿命不仅可以节约大修费用，而且还可以减少由于大修引起的停产 损失，为了实现这一目标，长期以来在冷却技术、耐火材料以及操作手段等方面 都作了重大的改进，至今为止，同本千叶6 高炉创造的高炉长寿记录( 一代炉役 寿命2 0 年9 个月，单位炉容产铁已达到1 5 6 0 0 t m 3 ) 。2 0 世纪9 0 年代以后，国内 外高炉在热流强度高的部位推广应用了铜冷却壁，把高炉一代炉役的寿命提高到 1 5 2 0 年以上提供了可能，由于炉缸、炉底的特殊性，因此高炉寿命取决于高炉 炉底炉缸的寿命，而高炉炉缸、炉底的寿命又取决于该部位的结构与选材。 高炉炉底、炉缸合理的结构与选材对于获得良好的技术经济指标和延长高炉 寿命都具有重要意义。 因此，在进行高炉结构与选材时应特别注意以下几方面： 必须保证一定的死铁层厚度，以尽可能减少铁水环流对炉缸侧墙的冲刷，避免 形成“象脚”型侵蚀。 保持一定的炉缸高度。我国高炉与国外相比，由于炉缸高度偏低，造成出铁次 数频繁，不利于高炉操作和延长炉缸寿命。 炉底炉缸结构必须坚持优质耐火材料与良好的冷却方式相结合的原则。 2 0 世纪5 0 年代，国外高炉炉底炉缸部位开始采用碳砖，炉底的冷却最早采用风 冷，2 0 世纪6 0 年代以后开始采用水冷，侧壁采用光面冷却壁。由于早期碳砖质量 较差，导热率( = 3 5 4 6 w ( m k ) ) 和抗渗透能力都较低，因此炉底结构普遍存 在炉缸碳砖出现严重的环裂和炉底出现异常侵蚀。2 0 世纪8 0 年代以后高炉炉底炉 缸结构形式变得复杂化。 但总体上都采用以下3 种结构方式： 炉缸上部采用具有高导热率的大块碳砖，炉底采用微孔或超微孔大块碳砖砌 筑。 炉缸采用热压小块碳砖，如u c a r 碳砖。 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 陶瓷杯结构，即在碳砖结构的基础上再在炉缸内部砌筑一层高质量的陶瓷质材 料。 自从上世纪8 0 年代以后，我国高炉开始采用各种各样的炉缸炉底结构形式， 于是各企业、各科研单位对炉缸炉底的侵蚀机理、陶瓷杯作用各种类型碳砖侵蚀 机理进行一系列研究，陶瓷杯的工作机理是利用陶瓷质材料的低导热性能将l1 5 0 铁水凝固线及8 0 0 8 7 0 化学侵蚀线尽可能压往炉内，以防止碳砖的环裂，同 时由于陶瓷质材料热阻大，有利于降低铁水的热损失。目前基本认为炉底炉缸部 位碳砖的损坏有如下特征： “象脚”状侵蚀。 一般发生在炉缸与炉底的交界处，产生“象脚”状侵蚀的主要原因是炉缸内 铁水环流冲刷、碳砖密实度低以及抗侵蚀性差等原因。 炉缸碳砖环裂。 主要原因是碳砖内外温差大，产生的温度应力过大，引起环裂以及碱金属蒸 气侵入与碳反应，使其变脆、强度降低，加剧了碳砖的环裂。 铁水对碳砖的侵蚀。 由于死铁层部位的碳砖没有渣皮覆盖，而此处铁水静压力大，铁水沿碳砖气 孔或裂纹处向内部渗入，对碳砖产生物理破坏和化学溶解。 高温氧化熔蚀。 炉缸内碳与氧化性气体，如c 0 2 、h 2 0 以及炉渣中的f e o 反应造成熔蚀。 鞍钢高炉的炉缸炉底结构与材质的选择也经历上述的发展过程。鞍钢1 0 高炉及 上一代1 1 高炉炉缸采用的是陶瓷杯，侧壁采用大块碳砖；炉底采用4 层国产自焙 碳砖，在其上面砌筑一层陶瓷垫。1 1 高炉炉缸采用陶瓷杯，侧壁是日本小块碳砖； 炉底采用4 层微孔国产碳砖，在其上部砌筑2 层陶瓷垫。新1 高炉炉缸采用陶瓷 杯，侧壁采用日本微孔碳砖；炉底采用5 层碳砖，第1 层是r 本微孔碳砖，第2 、 3 层是国产微孔碳砖，第4 、5 层是国产石墨碳砖，在碳砖最上层砌筑2 层陶瓷垫。 7 高炉炉缸采用陶瓷杯，侧壁是国产微孔碳砖；炉底采用5 层碳砖，第1 、2 层是 国产微孔碳砖，第3 、4 、5 层是国产石墨碳砖，在碳砖的上部砌筑2 层陶瓷垫。 由于高炉炉缸炉底结构与材质的不同对高炉寿命甚至炉况理所当言地产生不同影 响。 目前，对炉缸采用自焙碳砖+ 陶瓷杯结构存在一些争议，可是鞍钢1 0 高炉采用这 种结构，目前生产超过1 0 年，炉缸炉底没有发现任何缺陷，甚至任何异常征兆都 没有发生，可能与其在开炉1 5 个月后炉缸达到自焙温度，并且持续1 个月的时间， 之后逐渐下降，2 1 个月后保持平稳等现象有关。因此，采用自焙碳砖+ 陶瓷杯结构 的炉缸炉底与其早期能够达到自焙温度与温度持续时间有关。例如对鞍钢2 高炉 蚀损调查表明，脆化疏松的炭砖在环裂缝外侧，外观呈多孔状，孔隙度比原炭砖 增加了近一倍，显微镜下观察到作为炭砖骨料的无烟煤轮廊分明，孔洞主要出现 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 在粘结剂炭化后的基质部分，这与自焙碳砖没有及时到自焙温度有关。碱金属原 子若嵌到碳晶格层面中，生成嵌入化合物，引起碳层间距增大，体积膨胀强度降 低研究表明当碱金属吸收量 2 ，炭砖将会膨胀开裂。鞍钢原料中碱金属含量低， 考虑到碱金属的循环积累，滞留在环裂缝的炉渣中碱金属含量也不高，因此鞍钢 高炉也没有必要对碳砖提出特别苛刻的要求。 本课题主要是针对鞍钢高炉不同炉缸炉底结构与材质的形式侵蚀行为、以及 对高炉炉况所带来的影响进行研究。确定经济上最合理又长寿的炉缸、炉底结构 形式。促进鞍钢高炉的长寿技术在短期内接近或达到发达国家的水平，课题不仅 从理论上对炉缸炉底结构与材质形式进行探讨，更要在实践中对其加以研究。为 以后鞍钢高炉大修改建设计提供更加科学、合理的结构与选材奠定了基础。 1 2 文献综述 1 9 9 9 年l o 月，中国金属学会组织并召开了1 9 9 9 中国钢铁年会，会上部分 国内外专家学者探讨了下一世纪高炉炼铁技术的发展趋势，会议期间冶金科技 发展指南( 2 0 0 0 2 0 0 5 年) ( 中国金属学会编写) 、欧洲钢铁工业技术发展指南 ( 欧洲钢铁工业联盟编写) 和钢铁工业技术开发指南( 美国钢铁学会编写) 等 资料出版发行。这些资料中均有相当篇幅涉及高炉炼铁技术下一世纪的发展趋势。 目前，世界上主要的炼铁工艺有3 种，即高炉、直接还原和熔融还原，从生产规 模和效率成本以及同大型钢厂流程的匹配来看，迄今为止没有任何一种非高炉流 程能达到或接近大型高炉目前已达到的生产水平。可以认为，在新世纪相当长的 一段时间内，无论是我国还是工业发达国家，高炉流程都将占绝对优势：我国炼 铁系统将从主要依靠新建高炉、扩大生铁产量为主的增长方式，转变为挖潜改造， 以质量、效益为中心的增长方式。炼铁系统的科技发展要在铁水质量满足后续工 序和钢材品种质量要求的前提下，以高炉长寿低耗为中心，追求炼铁系统的整体 优化。通过采取以上措施，使我国部分高炉的技术经济指标达到国际先进水平。 根据不同原燃料和装备条件把高炉分为两个层次，其主要技术经济指标分别稳定 地达到以下水平，见表1 1 。 表1 - 1 主要技术经济指标目标值 北京科技大学刘述临教授等在对长寿高炉及其冷却系统的认识中论述 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 高炉中下部( 炉腹，炉腰和炉身下部) 在没有耐火砖的条件下只要冷却系统在工作就 自然会生成凝固的渣壳，在高炉冶炼过程中，渣壳可能被熔化，但又会再生成， 循环不息，永无止境，自我保护。实际上我国在冶炼锰铁的高炉上存在过无衬高 炉，东北大学在学术会议上多次要求建造“无衬”高炉，所以高炉生产主要矛盾 集中在炉身冷却器水质及炉缸炉底耐火材料材质及结构方式。 会觉生 4 1 等人提出陶瓷杯+ 碳砖的炉缸结构，其炉缸温度管理标准完全不同于 全碳砖结构，同常维护管理对策也要作相应的改进，才能更好地维护炉缸，延长 其寿命。宝钢1 高炉第2 代炉缸陶瓷杯结构是陶瓷垫厚1 0 0 0 m m ，陶瓷壁厚4 0 0 m m ( 铁口区域为8 0 0 m m ) 一直砌到风口下沿。陶瓷垫下是4 层高导热碳砖厚2 2 0 0 m m ， 碳砖下通水冷却，侧壁外部打水冷却。陶瓷耐火材料的导热系数较碳砖的小得多， 有利于炉缸铁水保温，容易实现低燃料比、低f s i 冶炼，同时它具有较好的抗氧化 性、良好的抗热震性和很高的机械强度，有利于延长炉缸寿命。陶瓷耐火材料确 有许多优点，但是，只有在正确使用和严格管理之下，才能真正充分发挥它的长 处。平时用炉缸电偶温度的高低来判别炉缸侵蚀状况。 张皖菊、张影、杜钢【2 】等人认为碳块出现环形裂缝的主要因素： 热应力是促使碳块出现环形裂缝的主要因素，因为炉缸碳砖上面的砌筑使它受 到机械的约束，炉缸环墙内外存在极大的温差，因此炉缸侧墙具备了产生热应力 的条件。热面温度高，膨胀量大，冷面温度低，膨胀量小，因而热面受到冷面的 约束而产生压应力，冷面受到热面膨胀的影响而产生拉应力，压力作用的结果， 在某一点产生了一个危险面上产生剪应力，当剪庆力大于碳砖的抗折强度时，会 出现平行于炉壳的裂纹，随着裂纹的不断发展，导致碳砖的断裂。这种裂缝的形 成既阻碍了热量向冷却系统传递，也使碳块热面温度升高，无法形成稳定的保护 性渣皮，使碳块的热面温度高于化学侵蚀的临界反应温度，加速了铁水向碳块孔 隙渗透以及碱金属等化合物的侵蚀，进而加剧了碳块的破坏。急冷急热引起的热 应力是炉衬损坏的主要因素，引起炉壳很大应力是由于炉衬热膨胀造成的，而且 最大应力的位置随着时间的延长向炉衬的内部转移。同时，针对由于炉衬本身温 度梯度太大，引起炉衬断裂即所谓热剥裂的现象，用应力分析的观点讨论了大热 流条件下耐火砖的机械性能。 熔铁的侵入后产生脆化层，熔铁侵入碳砖气孔，熔铁侵入和溶解同时进行，侵 入熔铁首先在基质部分进行溶解并互相促进，熔铁凝固与熔融反复进行，使碳砖 产生微细龟裂，强度降低； 铁水流动冲刷是铁口以下碳砖侵蚀的又一重要原因，碳砖被铁水冲刷损失与单 位砖面上的铁水通过量成f 比，铁水通量越大，碳砖侵蚀越严重，单位容积利用 系数相同，容积大的高炉铁水通量大于小高炉，因为产量随容积成比例增大，而 高炉的横向尺寸的增大却落后于容积的增大。例如高炉容积由1 0 0 0 m 3 增至 2 0 0 0 m 3 ，容积增大了1 倍，而炉缸面积仅由4 4 m 2 增至7 6 m 2 ，增加了7 3 。横向 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 尺寸增加幅度小，导致单位面积的铁水通量增大，致使炉底碳砖冲刷侵蚀加剧。 死铁层深度问题。因为铁口以下的死铁层，其中始终蓄存着一定的铁水，因而 越往深处炉缸壁和侵蚀后的炉底周边碳砖承受的压力越大。 旋月循、王德民、王文忠1 3 1 等人认为脆化层在环裂缝外侧，外观呈多孑l 状，空隙 大造成炭砖渗铁，恶化炭砖抗渣铁熔体的冲刷能力。 许美兰、赵忠仁等人介绍武钢高炉炉缸结构中有如下描述：武钢4 号高炉( 1 9 7 0 年9 月建炉) 采用全炭砖水冷炉底取得成功经验后，武钢炼铁厂其他几座高炉相 继全部改为炭质炉底与炉缸。根据武钢高炉破损调查发现：高炉炉缸在铁口中心线 上、下部的炭砖侵蚀特征和侵蚀原因明显不同。铁口以上的炭砖至大修停炉前， 砖衬厚度侵蚀仍然很小，甚至保持原厚度。侵蚀的征状：炭砖距冷却壁4 0 0 m m 左右 部位有“环形侵蚀带”，宽度不等，一般在2 0 0 5 0 0 m m 。侵蚀带呈疏松状，有“空 洞裂缝”，有的嵌入渣铁块。铁口中心线以下的炉底、炉缸侵蚀主要表现为典型的 “蒜头状”异常侵蚀。 其主要原因如下。 炭砖理化性能差武钢高炉使用的炭砖先后由吉林、兰州、贵阳炭素厂供货，这 些国产高炉炭砖与国外优质炭砖比较，品种单一，理化性能差，微气孔率低、导 热率低、抗碱、抗铁水渗透性差及抗压强度不足等。国外炭砖优越性体现在气孔 向微气孔发展，孔径由4 0pm 降低到5 1 tm 以下，气孔由开孔转向密闭，因而透 气性低，抗碱及抗渗铁性能强，致密度高，导热性能好，炉底、炉缸炭砖使用寿 命一般达到1 2 1 8 年。 炭砖尺寸较长，内外温差大，因而产生剪应力，这是炭砖环裂的主要原因。 炭砖的氧化熔蚀炉缸环砌炭砖处于高温环境中，炭砖中的炭素极易被氧化，炉 缸炭砖氧化是形成环缝侵蚀的原因之一。高炉风口、渣口、冷却设备，使用一般 工业水冷却，因冷却水质差，冷却强度不足，频繁破损，渗水和漏水，对炭砖的 氧化反应提供了水的主要来源。 渗铁加剧炭砖环裂我国高炉炭砖抗渗透性能差，当炉缸炭砖产生裂缝并渗入大 量渣铁时，就会导致炭砖膨胀率增大，渗铁越多，膨胀率就越大。 碱金属对炭砖的危害，武钢1 号高炉属于高碱负荷高炉，炭质炉底、炉缸砖衬 中往往富集了较高的碱金属，其氧化物在一定温度下与炭砖中的炭素起氧化反应， 因此碱金属侵蚀炭砖，是炉底、炉缸破损的主要原因之一。 铁水环流的机械磨损与冲刷炉缸中部有一个浸在铁水中的焦炭柱，在焦炭 柱和炉缸侧壁之问有问隙，出铁时，铁水沿炉缸侧壁呈环状流动。当死铁层高度 不够时，焦炭柱直接座落在炉底上，加速环状流动，使铁口下部呈“蒜头状”侵 蚀。 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与胸瓷杯结构 第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 2 1 鞍钢高炉开始采用自焙碳砖与陶瓷杯结构形式 自2 0 世纪8 0 年代开始，鞍钢高炉开始采用自焙碳砖与陶瓷杯结构形式，例 如2 号高炉、4 号高炉、上一代7 号高炉、上一代1 1 号高炉和l o 号高炉。 图2 - 1 鞍钢自焙碳砖与陶瓷杯炉缸炉底结构形式 表2 - 1 自焙碳砖与陶瓷杯结构中几种碳砖理化指标 却壁 鞍山科技大学工程硕士论文第z - 章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 鞍钢自焙碳砖与陶瓷杯结构炉缸炉底材质与结构示意图如图2 - 1 。炉底有6 层 碳砖，第1 、2 层是焙碳砖；第3 、4 层为自焙碳；第5 、6 层为半石墨碳砖，每层 碳砖厚度4 0 0 m m ，最上层是陶瓷杯垫，厚度7 5 0 m m 。炉缸炉缸采用了自焙碳砖加 陶瓷砌体复合砌筑，铁口以下相临冷却壁砌铸一层赛龙结合的碳化硅砖。各种材 质指标见表2 1 。 2 2 鞍钢1 1 号高炉上一代炉炉缸炉底调查分析 1 1 号高炉( 容积2 5 8 0 m 3 ) 是1 9 9 5 年1 0 月大修开炉，到2 0 0 1 年8 月停炉大 修，一代炉龄5 年1 0 个月，单位炉容产铁量4 0 0 0 t m 3 ，远远低于先进企业水平。 1 1 号高炉各项技术指标见表2 2 。 图2 21 1 号高炉炉缸炉底侵蚀示意图 1 1 高炉炉底保留了6 层满铺碳砖，炉缸采用了自焙碳砖加陶瓷砌体复合砌筑， 它是鞍钢继4 号高炉之后，又一座在借鉴国外陶瓷杯技术的基础上，利用国产耐 火材料而设计的一种新型结构形式。通过对炉底炉缸调查分析，证明炉缸炉底破 损形式与普通焙烧碳砖加高铝砖的综合炉缸炉底确有较大不同，炉缸环碳的断裂 鞍山科技大学工程硕士论文 第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 与夹杂明显减轻，“蒜头状”侵蚀现象虽然也存在，但只有局部表现的比较严重。 破损的主要特征是碳砖与陶瓷砌体之间形成全方位的渣铁夹杂和碳砖本身的脆化 变质及砖缝渗铁( 见图2 2 ) 。 表2 - 2 鞍钢1 1 号高炉主要技术经济指标0 9 9 s 年1 0 月2 0 0 1 年8 月) 2 2 1 莫来石刚玉砌体( 陶瓷杯) 炉缸侧壁的莫来石刚玉砌体( 陶瓷杯杯壁) 在铁口中心线以上部位大部分还存 在，其中东北、东南和西南方向砖块比较完整，但砖体热端已被渣铁熔蚀掉2 0 4 0 m m ，并已粘结成一体( 见图2 - 3 及图2 4 ) 。其余大部分残缺不全，砖体熔化或粉 化，并与渣、铁、焦炭等形成一层2 0 0 9 0 0 m m 厚的粘结层( 见图2 - 5 ) 。 图2 3 炉缸上部东北侧陶瓷杯图2 - 4 炉缸中部西南侧陶瓷杯 在铁口中心线以下部位的侧壁只有少部分砖体还存在( 见图2 6 ) ，而炉底已没 有一点莫来石刚玉砖的痕迹。莫来石刚玉砌体与环碳之间的填料大部分还存在， 但在填料与环碳之间己严重渗入渣铁，并且沿圆周方向已连通，形成一圈厚度为 1 0 4 0 m m 的渣铁板。个别部位渣铁已侵入碳砖，厚度达到l o o m m ( 见图2 - 7 ) 。从 总体上看，陶瓷杯已没有了杯底，只剩下部分杯壁，而且相当于在原有的杯壁外 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 侧又增加了一层新的渣铁混合物杯壁。 图2 5 炉缸1 7 层东北侧渗铁图2 - 6 炉缸中部东北侧陶瓷杯 图2 7 炉缸1 2 层西北侧碱金属侵蚀图2 8 炉缸1 2 层西北侧渗铁 图2 - 9 东铁口北侧上部图2 1 0 炉缸上部西南侧 2 2 2 缸环碳砖 一 炉缸的1 4 层环碳中，上面的7 层( 第1 3 1 9 层1 半石墨质自焙碳砖均被渣铁熔 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与廊瓷杯结构 蚀得比较严重，靠近填料层的冷端外型基本保持完好，但靠近热端的部分强度严 重降低，大部分已疏松和粉化，局部还有渗铁出现( 见图2 8 及2 9 ) ，残余碳砖长 度在3 0 0 6 5 0 m m 之间。总体上看，东南、东北两侧状况较好，西北侧和铁口附 近状况较差。下面的7 层( 第6 1 2 层1 低气孔率自焙碳砖大部分外型保持完好，由 于位于铁口中心线之下，热端熔蚀更为严重，但热端的强度有所提高，变质层和 裂纹出现在中间部位( 见图2 - 1 0 ) 。东、西铁口附近的碳砖裂缝已经严重渗铁，引起 碳砖错位( 见图2 - 1 1 ) 。从第9 层开始出现类似于“蒜头状”侵蚀的上拐点，到第7 层和第6 层之间达到极限，即类似于“蒜头状”侵蚀的下拐点( 见图2 1 2 及2 1 3 ) 。 在西北侧沿圆周方向大约4 0 0 0 m m 长度范围内，碳砖已全部被侵蚀掉，“蒜头状” 侵蚀己到达捣料层，局部到达了半石墨碳碳化硅砖的表面( 这与生产中该处冷却壁 水温差显著升高恰相吻合) 。但东南和东北侧状况较好，残余碳砖长度3 0 0 9 0 0 m m ，东北侧局部达到1 0 5 0 m m ( 见图2 - 1 4 ) 。炉缸冷却壁与碳砖之间的半石墨碳 一碳化硅砖完整无损。 图2 1 l 炉缸7 层西北侧碳砖侵蚀拐点图2 - 1 2 炉缸6 、7 层西北侧碳砖侵蚀拐点 图2 1 3 第3 层西南侧碳砖裂缝图2 - 1 4 第4 层西南侧碳砖裂缝 鞍山科技大学工程硕士论文g z _ 章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 量n 中c 矗一 i t 置 图2 1 5 炉缸第1 4 层碳砖侵蚀示意图图2 1 6 炉缸第7 层碳砖侵蚀示意图 2 2 3 焙烧与自焙碳砖 第4 层半石墨化自焙碳砖也已经部分被侵蚀，剩余厚度在1 2 0 3 8 0 m m 之间， 砖体有裂缝，砖缝宽度大多为2 l o m m ，个别部位达到1 5 m m ，但砖体强度较好， 大部分砖缝之间有渗铁。第1 3 层满铺焙烧碳砖中，第3 层有裂纹和渗铁出现， 渗铁贯穿整块砖，形成一个薄铁片，厚度为1 2 m m ；第1 2 层碳砖基本保持完 好。 2 2 4 破损原因分析 与鞍钢其它高炉的情况相比，1 1 号高炉炉缸炉底的破损程度确实比较严重， 尤其是炉底部位已侵蚀掉3 种不同材质的砌砖达4 层，这在以往的各种形式炉底 中是很少见的。造成如此破损的原因比较多且十分复杂，但与下列因素有关： ( 1 ) 设计不合理，死铁层过浅 炉缸内侧的莫来石刚玉砖直接接触高温渣铁，因此它的破损原因主要是渣铁 冲刷和熔蚀。尤其是铁口周围及其以下部位，要长期承受铁水的静压力和环流冲 刷，侵蚀速度更快。国际上大高炉的死铁层设计深度一般为炉缸直径的2 0 左右， 而炉缸直径为1 1 0 5 m 的鞍钢1 1 号高炉死铁层深度仅为1 6 m ，显然是过浅。这是 造成炉底严重侵蚀的直接原因。当局部莫来石刚玉砖被侵蚀掉以后，铁水就会向 自焙环碳与莫来石刚玉砌体之间的缝隙大量充填( 缝隙的形成可能与捣料的收缩和 环碳的焙烧收缩有关) 。此外，由于莫来石刚玉砌体开炉初期保持完整，自焙碳砖 得不到有效的焙烧，导热能力低，由此造成莫来石刚玉砖温度升高，侵蚀加剧。 ( 2 ) 火材料选择不匹配 自焙碳砖是我国独创的一种新型碳质耐火材料，而且在国内许多中小型高炉 上取得了良好的应用效果，但在大型高炉上的应用效果还有待于进一步考察。普 通焙烧碳砖砌筑的炉缸普遍存在环裂现象，国内外也都做了许多研究，大多认为 蟹 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 热应力是造成这种情况的直接原因。而自焙碳砖要在高炉烘炉和生产中经历焙烧， 它以砖体热面为起点，以温度为转移，沿砖体厚度逐渐缓慢地出现由“硬”变为 “准可塑”再变为“硬”的特殊过程，因此它能够有效地缓解热应力，避免由热 应力引起的砖体断裂。这一点在本次调查中虽然得到了一些验证，但砖体断裂现 象并未完全避免。由此可见，自焙碳砖缓解热应力的作用也是有一定限度的。虽 然自焙碳砖的环裂现象明显减弱，但自焙碳砖在炉内焙烧过程中出现的“准可塑” 现象，又带来了新的问题，即“中温脆化”。 表2 31 l 号高炉炉缸炉底砖衬化学分析结果， 在开炉初期，由于刚玉莫来石砌体保持完整，自焙碳砖达不到焙烧温度，挥 发分分解以后得不到及时的焙烧，长期处于高气孔率、低强度的状态，一旦有渣、 铁、碱金属和水等渗入时，就会被侵蚀，造成疏松和粉化；当刚玉莫来石砌体侵 蚀到一定程度，达到焙烧温度时，疏松变质的自焙碳砖也达不到原有的焙烧效果； 当刚玉莫来石砌体全部侵蚀掉以后，已经疏松和粉化的自焙碳砖已失去了抵抗能 力，侵蚀速度就会明显加快。从取样化验结果( 见表2 3 及表2 4 ) 可以看出，自焙 碳砖中的挥发分已经大部分分解，热端的固定碳都有所降低，铁口以下部位铁含 量明显增加，表明铁水已渗入砖体内部。尤为严重的是碳砖中的碱金属含量急剧 升高。其中2 f 自焙碳砖试样燃烧后粘结硬化，无法继续进一步检验。如此高的碱 金属含量一定与停炉时打水和冷却壁漏水有关，但与生产中的富集和碳砖原始含 量是否有关也应加以研究。 炉底满铺碳砖的砖缝与裂缝中均发现了大范围的渗铁，这表明砖缝与裂缝在 生产中就已经存在了，而非扒炉施工所致。导致砖体出现断裂的主要原因是热应 力，而导致砖缝出现的原因则是自焙碳砖的焙烧收缩，它是自焙碳砖在大型高炉 应用中发现的一个致命弱点，目前己在数座高炉中出现。此外，碳砖的外型尺寸 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 和施工质量也是影响因素之一。半石墨碳一碳化硅砖由于导热性好，又紧靠冷却壁 所以没有受到侵蚀。 表2 - 41 1 号高炉炉缸炉底砖衬物理性能检测结果 2 2 5 自焙碳砖及陶瓷杯脆化原因分析 当熔铁对碳砖的传热可与碳砖背面的冷却作用相平衡，使熔铁侵入停滞，侵 入与未侵入熔铁部分存在物性差及碳砖工作面的温度变化引起剪应力发生。熔铁 侵入使热膨胀增大，熔铁侵入部被剪断并由此使其后端粉化，锌、碱金属的析出 进一步助长粉化，加速碳砖的损坏。相对于熔铁对碳砖的侵入，碳砖熔于铁水的 过程是：在碳砖的粗颗粒隙间及基质部的气孔内侵入铁水，粘合剂焦化形成碳素溶 解等使基质部先行溶解，由此致使粗颗粒呈游离状态被铁水夺去。新日铁根据解 体调查结果，提出熔铁对碳砖的侵入直至1 “m 大小的孔为止。随熔铁侵入量增加， 碳砖热强度变差，熔铁侵入至脆化层为止；碳砖在熔铁中的溶解始于其基质部分， 熔铁所侵入的碳砖，1 m 大小的气孔内熔铁即可侵入。 表3 - 5 脆化层中炭砖孔隙度 化学侵蚀也是造成铁口中心线以上侵蚀带的主要原因，由原料带入炉内碱、 锌等物质除少部分通过炉顶煤气和炉渣排出炉外，其余大部分都在炉内反复循环 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 富集，渗入砖衬中的碱及碱的凝聚物发生碱蚀反应，加之渗入砖缝及孔隙中的c o 、 c 0 2 与耐材基质发生反应，产生碳的沉积，造成衬砖的体积膨胀，导致其侵蚀层孔 隙率增高，最终致使砖衬结构疏松，强度下降，同时又反过来加速有害元素的侵 入。用吸水法测得脆化层碳砖进行孔隙度检测分析( 见表2 5 ) ，孔洞主要出现在粘 结剂炭化后的基质部分，可见炭砖的脆化疏松与基质受损密切相关。但由于鞍钢 原料中碱金属含量低，即使部分碱金属在炉内反复循环富集，渗入砖衬中的碱及 碱的凝聚物发生碱蚀反应，不可能是碳砖脆化的主要原因。铁水在炉缸静压力风 压、渣铁静压力的作用下将会渗到炭砖内部，改变其物性，引起膨胀甚至开裂， 对不同砖层沿炉缸径向取样，分析全铁量，在热面处最高含铁1 2 3 8 ，往外含铁 量迅速递减，脆化层内渗铁仅约1 ，6 。自焙炭砖因粘结剂尚未炭化强度略低，热 端面处虽然渗铁较多，但其抗折强度还略优于新炭砖，因此可以认为炭砖渗铁不 会引起环裂、不会引起脆化变质。碱金属侵蚀碱金属原子若嵌到碳晶格层面中， 生成嵌入化合物，引起碳层间距增大，体积膨胀强度降低，当碱金属吸收量 2 ， 炭砖将会膨胀开裂，鞍钢原料中碱金属含量低，考虑到碱金属的循环积累，滞留 在环裂缝的炉渣中碱金属含量也不高f 见表2 - 6 ) ，可见普通高炉料中碱金属对脆化 层的形成是可以忽略的。 表2 - 6 环裂缝中炉渣成分， 4 鞍山科技大学工程硕士论文第二章鞍钢高炉炉缸炉底采用自焙碳砖与陶瓷杯结构 氧化作用为了解炭砖是否氧化受损，对铁口上下的第9 、1 0 层炭砖取样测定 其灰分，部分测定其含铁量，结果表明见表2 7 ，扣除渗铁量后炭砖各部分灰分基 本一致，脆化层中灰分未明显升高，似乎氧化的炭量有限，但由于炭砖灰分主要 集中在作为粘结剂的沥青炭化后形成的炭框架，灰分 2 2 6 ，a 1 2 0 3 7 4 ，f e 2 0 3 7 0 ，s i 3 n 4 2 0 ，a 1 2 0 3 0 6 ，f e 2 0 3 0 7 。 3 1 2 技术特点 ( 1 ) 增加死铁层深度 死铁层深度由1 8 m 增加到2 0 m 。保证铁口以下有足够的死铁层，接近炉底陶瓷垫 的铁水保持熔融状态，既不形成凝固壳，也不自由流动，中心焦炭柱面积适当处 于半漂浮，炉底炉缸处于半绝热状态，稳定炉缸工作状态，降低出现“蒜头”型 的炉底侵蚀部面的可能性；如果死铁层过浅，铁水排放一段时间后，死焦柱下沉 至底平面，阻塞铁水排放的自由通道，将铁水排挤至炉缸周边，加速铁水环流冲 刷，也会造成“蒜头形”侵蚀。 ( 2 ) 生产早期炉缸炉底升温速度 控制最高温度出现范围在以高炉炉底为中心，半径越为2 m 范围以内，检测点 温度分布趋势是：中心温度大于中间温度，中间温度大于边缘温度，温度形状呈 锅底形状。到目前位置炉缸炉底砖衬温度没有发生超标现象。生产早期炉缸炉底 升温速度如图3 2 图3 5 所示。 时间 图4 2 鞍钢1 l 高炉陶瓷杯底垫温度变化趋势 8 月 鞍山科技大学工程硕士论文第三章鞍钢高炉炉缸炉底微孔碳砖与陶瓷杯结构 图3 - 3炉缸4 层碳砖温度变化趋势 图3 - 4 炉缸5 层碳砖温度变化趋势 鞍山科技大学工程硕士论文 第三章鞍钢高炉炉缸炉底微孔碳砖与陶瓷杯结构 图3 5 铁口碳砖温度变化趋势 ( 3 ) 合适冷却制度 炉缸冷却系统水量保持2 5 0 0 m 3 ，冷却水压力保持在1 0 0 0 l l o o k p a ，水温差 保持在1 1 - - 2 o 。c ，根据水温差变化调节冷却水流量。 3 2 鞍钢新1 高炉炉缸炉底结构 3 2 1 结构形式 鞍钢新1 号高炉( 容积3 2 0 0 m 3 ) 2 0 0 3 年4 月8 日开炉，新1 号高炉炉缸采用 陶瓷杯( 见图3 6 ) ，侧壁采用日本微孑l 碳砖；炉底采用5 层碳砖，第5 层是同本 微孔碳砖，第3 、4 层是国产微孔碳砖，第1 、2 层是国产石墨碳砖，规格1 2 0 0 m m 半石墨炭砖，边缘环砌4 0 0 r n m 4 0 0 n u n 的半石墨炭砖，该砖具有气孔率低、致密 度高、导热性能好等特点，以解决“蒜头状”侵蚀；在碳砖最上层砌筑2 层陶瓷 垫，有效减缓炉底、炉缸的侵蚀速度。炉底碳砖每层厚度4 0 0 m m ，陶瓷杯垫厚度 8 0 0 m m ；炉缸内侧陶瓷杯厚度4 0 0 m m ，j i - n 使用同本碳砖及光面冷却壁，在每个 部位埋设一定数量热电偶，电偶布置与1 1 号高炉相同。各种材质碳砖理化指标见 表3 4 。 适当增大炉缸容积，近年来随着高炉强化冶炼的技术发展，国内外大型高炉 炉缸容积有增大的趋势。新1 高炉炉缸高度4 9 m ，炉缸直径由1 2 5 m ，炉缸容积 5 9 2 m 3 ，炉缸容积适当增加能缓和渣铁的冲刷力，有利于炉缸寿命的维护，能活跃 炉缸、稳定炉况，保证高炉稳定顺行。 塑生翌垫查兰三堡堡主堡奎 笙三主塑塑童竺生皇生塞垡i ! 鲨壁兰堕童堑苎塑 图3 - 6 鞍钢新1 高炉微孔陶瓷杯炉缸炉底结构形式 表3 4 新1 号高炉碳砖理化指标 炉底碳砖 炉缸 1 0 号、1 1 号高炉炉底微孔碳砖理化指标 新1 号高炉炉底日本b c 碳砖 微孔碳砖 半石墨石墨 b c 8 s rb c 7 s 指标 单位 数据 体积密度 g c i n 1 5 5 1 5 51 7 31 5 8 显气孔率 1 82 5 1 0 0 21 & 8 9 真密度g c m 1 9 2 1 常温耐压强度 m p a3 52 5 3 1 9 53 8 0 1 铁水熔蚀指数 3 25 0 3 1 1 74 0 1 平均孔径 l u m 882 7 8 4 5 氧化率 34 2 7 透气度 m p a3 01 0 0 02 6 2 导热系数6 0 0 度w ( m k ) 1 06 0 1 8 1 51 2 9 8 灰份 71 2 4 7 92 0 4 闻定碳 7 89 8 7 3 7 77 7 7 2 真气孔率 2 02 9 0 0 8 3 ( _ 子l 径)o 1 2 5 ( 孔径) 常温抗压强度 m p a 96 2 6 鞍山科技大学工程硕士论文g _ - - 章鞍钢高炉炉缸炉底微孔碳砖与陶瓷杯结构 加深死铁层，防止铁水环流对炉缸砖衬的冲刷磨损，使炉缸中心的焦炭柱呈 上浮状态，确保铁水在炉底中心的流动，目前死铁层的深度国内外均有加深的趋 势，宝钢1 高炉、3 高炉死铁层深度由1 8 0 0 m m 加深到2 9 8 5 m m 。 提高冷却强度，对炉底冷却水水量、水压、进出水温度均进行检测，并利用 这些参数计算炉底冷却水带走的总热量。 提高炉缸冷却水压力，达到1 3 0 0 k p a ，炉底、炉缸的冷却水量可以根据炉衬温 度变化及时调节。 3 2 2 技术特点 ( 1 ) 低导热陶瓷材料与高导热优质碳砖搭配 死铁层深度2 4 m ，目的是保证铁口以下有足够的死铁层，接近炉底陶瓷垫的铁 水保持熔融状态，但由于新l 高炉是鞍钢首个3 2 0 0 m 3 高炉，从长寿观点出发在炉 缸炉底耐火材料选择过于追求优质材料，选择较低陶瓷材料，强调炉缸保温性能； 同时选择导热性能非常优质碳砖，强调导热性能。所以在开炉初期炉底温度快速 上升，出现炉缸热流密度小于炉底热流强度不合理现象( 参见图3 7 ) ，造成经济 e 浪费甥。 图3 7 鞍钢新1 号高炉炉底炉缸热流密度 ( 2 ) 生产早期炉底控制升温速度 最高温度范围超过在2 m ，检测点温度分布趋势是：中心温度与中间温度相差 不大，中间温度大于边缘温度，陶瓷垫下面碳砖温度快速接近上限，炉缸工作活 鞍山科技大学工程硕士论文 第三章鞍钢高炉炉缸炉底微孔碳砖与陶瓷杯结构 跃。生产早期炉底控制升温速度如图3 8 所示。 p 蜊 赠 日期 图3 8 鞍钢新1 号高炉陶瓷杯底垫温度变化趋势 鞍山科技大学工程硕士论文第四章炉缸炉底温度管理 第四章炉缸炉底温度管理 建立温度管理标准的目的就是用于监护炉缸炉底侵蚀状况，由于鞍钢高炉炉 缸侧壁、炉底电偶布置是成对布置的，根据2 支电偶温度关系，按照平板传热理 论进行计算，并判断耐火材料的侵蚀情况，一个电偶安装孔中埋入一对电偶，深 度分别为l x l ，m i l l ；l 。2 ，r e a l 。由平板传热公式q = l 。( t 2 一t 1 ) 可知，一对电偶 间温度关系取决于热流强度q ( k w m 2 ) ， l 。是定值( 为碳砖导热系数， w ( m k ) ，l x 为电偶插入深度，m m ) ，所以，这两根电偶( t l 、t 2 ) 之间温度必然 存在着线性关系，对投产后的炉缸侧壁、炉底温度数据进行回归，可得到线性关 系表达式。 ( 1 ) 炉底中心区域 q _ c = 九( t e 4 4 2 6 一t e 4 4 3 9 ) ( 5 8 9 5 5 0 9 ) t _ c = qc x7 5 0 + t e 4 4 2 6 式中： qc ：热流密度，k w m 2 ； ：耐火材料导热系数，w ( m k ) ； t e 4 4 2 6 、t e 4 4 3 9 ：2 层碳砖温度，； tc ：陶瓷杯热面温度，。 ( 2 ) 炉底中间区域 q _ w n = 入( t e 4 4 2 1 一t e 4 4 3 3 ) ( 5 8 9 5 5 0 9 ) l y r e = q _ w n x7 5 0 + t e 4 4 2 1 式中： qw n ：热流密度，k w m 2 ； ：耐火材料导热系数，w ( m k ) ； t e 4 4 2 1 、t e 4 4 3 3 ：2 层碳砖温度，； tw n ：陶瓷杯热面温度，。 ( 3 ) 炉底边缘区域 q _ e s = x ( t e 4 4 2 4 - t e 4 4 3 6 ) ( 5 8 9 5 5 0 9 ) l e s = q _ e s x7 5 0 + t e 4 4 2 4 式中： oe s ：热流密度，k w m 2 ： ：耐火材料导热系数，w ( m k ) ； t e 4 4 2 4 、t e 4 4 3 6 ：2 层碳砖温度，； te s ：陶瓷杯热面温度，。 鞍山科技大学工程硕士论文第四章炉缸炉底温度管理 ( 4 ) 炉缸侧壁 q 2 = x ( t e 4 4 4 4 - t e 4 4 4 0 ) ( 6 9 0 5 4 0 ) t 2 = t e 4 4 4 4 + q 2 x5 4 0 式中： q 2 ：热流密度，k w m 2 ； ：耐火材料导热系数，w ( m ) ： t e 4 4 4 4 、t e 4 4 4 0同层碳砖不同插入点电偶温度，； t 2 ：陶瓷杯热面温度，。 综合分析炉缸炉底结构特点，根据上述计算公式，确定高炉热流密度工作 标准( 见表4 一1 ) 和各部位工作温度标准( 见表5 2 ) 。 表5 - 1 区域热流强度控制值单位：k w m 2 表5 - 2 高炉炉缸、炉底温度温度标准 第1 层碳砖第2 层碳砖第3 层碳砖第5 层碳砖 新1 高炉