炉缸长寿的希望在于炭砖质量的突破-吴启常.doc

炉缸长寿的希望在于炭砖质量的突破1. 对于炉缸破损机理的认识在教科书和文献资料中都可以查阅到有关引起炉缸破损的原因分析，但这些原因中，那一个是罪魁祸首？很少给出明确的答案。考察国内外高炉砖衬的损坏情况发现，它们都具有如下特征（见图1）：1）炉缸部位的损坏都存在“象脚型”侵蚀区；2）“象脚型”侵蚀区在圆周方向上，侵蚀状况严重不均，越靠近铁口，侵蚀越严重；3）炉缸烧穿的部位差不多都在铁口附近下方1.52.0m处。 A B C 图1 炉缸烧穿高炉的砖衬状况这一事实表明，现代造成炉缸烧穿的罪魁祸首是液态渣铁流动的机械冲刷。为了减少铁水环流对于炉缸侧壁的机械冲刷，加深死铁层的深度是必要的。但它只能缓解这一矛盾，不能根本消除它的影响。基于这样的认识，我们认为为了延长高炉炉缸寿命，远离炉缸烧穿，在合理的炉缸结构的前提下，应该研究以下三个主要因素：炉缸冷却；铁口的出铁强度；耐火材料质量。炭砖与冷却之间的关系可以拿唇齿相依来比喻。任何人不能在炉缸完全失去砖衬的情况下维持高炉操作。在炉缸没有炭砖的情况下，冷却壁直接与炉缸内活跃铁水流接触，所承受的热流强度是极高的。目前，高炉所使用的任何形式冷却壁都经不起这样高的热流强度袭击。另一方面，如果没有良好的冷却，即使使用顶级炭砖，也不可能维持高炉炉缸长期稳定的工作。加强炉缸冷却，不仅是为了保护冷却设备不被烧坏，主要是为了将1150等温线尽可能推往炉内，以保证炭砖热面形成渣铁凝固层。2. 关于炉缸冷却的问题高炉炉缸冷却的目的是为了将炭砖内的1150等温线尽可能推向炉内，以保证炭砖热面形成渣铁凝固层。冷却对于保护炉缸所起的作用在整个炉役期内是不一样的。炭砖的残余厚度越小，冷却所起的作用就越大。在高炉设计中,必须保证炉缸具有良好的冷却，这是没有异议的。但何谓良好的冷却？业内人士的看法是不太一致的。这些看法上的差异，大体归纳如下：2.1冷却系统20年来，我国高炉推广应用了软水密闭循环冷却系统。大型高炉炉缸冷却方式有两大类：l 单一冷却系统炉缸采用冷却壁冷却，冷却设备以从下而上串联方式连接形成单一的冷却系统。其特点是冷却壁的水管粗，管距大，通过炉缸冷却壁的水量大；l 分段冷却系统炉缸采用冷却壁冷却，冷却设备以横向串联的方式连接，炉缸以单独供水方式自成分段冷却系统。其特点是冷却壁的水管细，管距小，通过炉缸冷却壁的水量相应较小。分歧的焦点在于分段冷却系统通过炉缸冷却壁的水量小，因此认为它的冷却强度不足，甚至把某些高炉的炉缸烧穿的原因归罪于冷却不足。作者认为，这一意见是值得商榷的。 为了便以比较，我们可以规定：两块面积相等的冷却壁所处的边界条件是相同的，这样，炉缸冷却的传热过程便可以用传热热阻来衡量，如果传热热阻小时，便可以认为对于传热过程的进行是有利的。平均的传热热阻可以写作如下:式中: R0系统传热热阻； 炉内气流对冷却壁的对流传热系数； 冷却通道内水对管壁的对流传热系数； 各层材料的导热系数； 各层材料的厚度。在这里应该指出： 高炉整个炉役期内，系统的传热热阻是随着炭砖的厚度减薄而减小的，直至炉役末期，最小；冷却通道内水对管壁的对流传热热阻在中所占的比例也是在变化的，直至炉役末期，所占比例最大。当两块面积相等的冷却壁的外部传热热阻相等时，只要比较两块冷却壁冷却通道内水对管壁的对流传热热阻便可知道它们的传热能力的大小。现将评估过程叙述如下：水管内的平均对流换热系数或平均Nu准数：式中：Nu努塞尔数对流换热系数W/m2C K水的传热系数W/mCd对圆形通道为直径mRe雷诺数Pr普朗特数因此，强制对流平均对流换热系数等于： 式中：Vm水的平均速度 m/s 水的动力粘度m2/s设水管内强制对流换热系数：分段冷却系统下为，单一冷却系统下为，则一根水管内的平均强制对流换热系数为：分段冷却系统单一冷却系统一根水管的平均热阻：分段冷却系统单一冷却系统两种冷却系统条件下，高炉实际采用的冷却壁参数列于表1。 实际采用的冷却壁参数 表1名称水管内径，mm水管间距，mm冷却壁宽度mm冷却壁水管数分段冷却系统47.71849205单一冷却系统622309204由于一块冷却壁内二者的水管数目是不一样的，分段冷却系统为5，单一冷却系统为4，因此，一块冷却壁的平均热阻:分段冷却系统单一冷却系统两种模式下水的平均温度相同时，K、Pr及是一致的，则：如果水管内冷却水的流速相同，并将数值带入式中, 得：这就是说，在相同水速和面积相等的条件下，分段冷却系统冷却壁水管内对流换热的平均热阻要比单一冷却系统小。显然，热阻越小应该越有利于传热过程的进行。因此，只以冷却水量的大小来说明分段冷却系统的冷却强度差的论据不足。尽管如此，作者并不推荐采用分段冷却系统。主要理由有二：一是由于冷却壁水管内对流换热的热阻占炉缸冷却的总热阻比例不大，无论传热计算还是生产实践都表明，采用单一冷却系统足于适应炉缸冷却的需要；另一是它的能耗比单一冷却系统高得多。2.2冷却设备过去，人们认为炉缸、炉底部位的最大热流强度只有，对于这一部位采用喷水、夹克式冷却器或铸铁冷却壁冷却没有过多的疑义。自从1999年德国Bremen2高炉第一个在炉缸及铁口区采用铜冷却壁之后，人们一直在讨论有没有必要在这一部位加强冷却而采用铜冷却壁。持否定意见的人认为:炉缸部位的热流强度值很小，在采用不同冷却方式时，对于炉缸炭砖的温度场影响极小。持肯定意见的人认为:在炉缸炭砖完整时，冷却方式对于温度场的影响确实不大，但是随着炭砖被侵蚀，它的残余厚度不断减薄 图2炭砖厚度和冷却设备对凝固层影响并小一定厚度时，它们的影响便逐步显示出来了（见图2）1。这对于炉龄末期的操作安全来说，无疑会带来好处。但持否定意见的人认为，既然采用铸铁冷却壁或铜冷却壁都可以形成渣铁凝固层，无非是厚薄一些的问题，因此，仍然坚持炉底炉缸部位采用铸铁冷却壁即可；另一部分人则认为，在大型高炉的“象脚形侵蚀部位”和铁口区应该坚持采用铜冷却壁，以保证它与炉身寿命同步。作者认为，炉缸是否采用铜冷却壁确实是值得研究的，因为不管是压延铜板焊接铜冷却壁还是铸铜冷却壁，在加工过程中都不能完全避免水管与壁体不熔合缺陷的出现。建议采用压延钢板钻孔焊接钢冷却壁。这种冷却壁的冷却能力由于铸铁冷却壁，而加工焊接质量容易，完全可以避免水管与壁体不熔合缺陷的出现。综上所述，我国高炉当前出现炉缸烧穿的主要矛盾既不在于炉缸冷却系统，也不在于冷却设备。3. 铁口的出铁强度高炉冶炼的强化程度对于炉缸寿命的影响是不容忽视的。因为炉缸内的铁水都是要通过铁口流出的，它都要冲刷铁口附近的耐火材料。为此，我们建议以铁口的出铁强度（一个铁口每天的平均出铁数量，吨/天）来衡量高炉冶炼强化程度对于炉缸寿命的影响。表1所列是我国重点钢铁企业高炉利用系数的变化情况。全国重点钢铁企业高炉利用系数的变化情况 表1年份197819801985199019952000利用系数，t/m3d1.4391.5551.6981.7411.7362.233年份200520072008200920102011利用系数，t/m3d2.6242.742.6072.6152.592.5330年前，我国高炉的平均利用系数不过1.5t/m3d左右，铁口的出铁强度2000t/d，尽管炉缸砌筑所使用的材料是导热率仅有56w/m的半石墨砖，炉缸冷却也远不如现在完善，但炉缸寿命一般可以达到8年。直至目前，尽管砌筑炉缸用耐火材料和冷却系统都得到了大幅度的改善，由于高炉利用系数不断提高，不少高炉的炉缸寿命仍然威胁着高炉的正常生产。这一事实说明随着高炉产量的提高，对于炉缸寿命的影响是不利的，其主要原因在于出铁过程中炭砖热面上形成的渣铁凝固层消失几率增加了。根据传热学的研究，在正常冷却的条件下，当炭砖的残余厚度9001040mm时，热面上形成渣铁凝固层是可能的，但它是对静止铁水而言的。当高炉出铁时，由于铁水环流的出现，情况发生了变化：1）炭砖与铁流之间的传热过程加剧了，造成炭砖热面温度升高；2）渣铁凝固层承受着剪切应力的作用，特别是在距离铁口两侧40左右的地方尤为不利，因为它是剪切应力的峰值区。由于这些变化，就有可能造成热面上形成的脆弱的渣铁凝固层消失。从历史的沿革来看，我国高炉的出铁强度是在不断提高的，但与欧洲高炉相比，出铁强度还算是低的。我国高炉的利用系数虽然较高，由于出铁口数目一般比欧洲高炉多，出铁强度大体维持在20003000t/d水平上，只有个别高炉（沙钢5800m3）出铁强度达到4000t/d，而欧洲高炉的出铁强度一般在25003500t/d范围内。管如此，炉缸烧穿以后的破损状态表明，由于铁水环流的出现，于造成热面上形成的渣铁凝固层消失，这样，炭砖表面便直接遭受铁水环流的冲刷。因此，为了抵御铁水环流的侵袭，应该要求炭砖具有如下性能：良好的导热率和对于液态渣铁的亲和力；优异的抗铁水溶蚀指数。前者在正常冷却的条件下能够形成渣铁凝固层并尽可能减少出铁过程中渣铁凝固层的消失，后者保证一旦出现渣铁凝固层的消失，依靠炭砖本身良好的抗渣铁溶蚀指数，把炭砖的侵蚀减少到最小程度。4. 关于炉缸用炭砖的质量问题 自从日本人发明了微孔炭砖的生产方法之后，炉缸用炭砖的质量有了很大的提高。在炭砖生产配方中加入Si粉并经过长时间的高温焙烧，炭砖的导热率、微孔指标得到了很大的提高，抗铁水的熔蚀性能也得到了一定程度提高。这样，不仅良好地解决了炭砖的环裂问题，而且有利于在炭砖热面上形成渣铁凝固层，高炉炉缸寿命得到了明显的延长。尽管如此，有关如何全面评价炉缸用炭砖的质量问题仍然是值得讨论的。4.1 炉缸侧壁用炭砖的质量问题为了延长炉缸寿命，炉缸砌筑必须采用优质炭砖是没有异议的。但是，何谓优质炭砖？认识是有差异的。有一种意见认为，衡量炭砖质量的最重要的是导热率和微孔指标，炭砖只要有良好的导热率和微孔指标，依靠冷却就可以在炭砖热面形成渣铁凝固层和解决环裂问题，炉缸长寿的问题就迎刃而解了。作者认为，这种认识具有一定的片面性。如前所述，在高炉一代炉役过程中，在正常冷却的条件下，当炭砖的残余厚度9001000mm时，热面上不能形成渣铁凝固层，砖衬被侵蚀是不可避免的。当炭砖的残余厚度9001000mm时，对于静止的铁水而言，炭砖热面上形成渣铁凝固层是可能的，这样，炭砖不受铁水的熔蚀也便成了可能。但炉缸出铁过程中的铁水由于受到炉缸出铁环流的影响，可能出现热面上的渣铁凝固层消失，炭砖便直接受环流铁水的冲刷。试图通过人为的操作手段来避免这一状况的出现是极其困难的。近十多年来，我们学会了用传热学的理论来指导炉缸、炉底结构的设计，这对于高炉设计来说无疑是一个极大的进步。与此同时，国内外又出现了另外一种倾向，他们只从传热学原理来考虑炉缸结构的设计，认为只要有良好导热率的炭砖，依靠冷却就可以解决炉缸长寿的问题。具体表现于：1）炭砖的生产和使用领域中，强调炭砖导热率有余，对于抗渣铁熔蚀性能要求过低。表2列出了国产炭砖的抗铁水熔蚀性能的制造要求值（参考值）和实际值与国外部分炭砖的比较。从这些数据可以看出，国产半石墨砖和微孔炭砖的抗铁水熔蚀性能要求是很低的。这种炭砖在炉缸中应用，肯定难于获得令人满意的效果。国内外部分炭砖的指标 表2名称导热率w/m.抗铁水熔蚀指数(%)抗渣侵蚀性(%)备注室温600参考值实际值国产石墨砖78.7521.62国产半石墨砖7(800)30国产微孔炭砖720.542825.65U国产超微孔炭砖24.427.70UNMA(UCAR)16.1920.1130.31鞍钢检测NMD(UCAR)31.6836.0528.45鞍钢检测日本BC-7SR7.5512.415.79法国AM-1028.8514.013.462）近年来，国内外都出现了只从传热学原理来考虑炉缸结构的设计。美钢联Gary14高炉以及由UCAR供货的我国一些高炉，把石墨砖或NMD砖用于炉缸侧壁的内墙就是典型的实例，这些高炉为了追求良好的传热模型，把石墨砖或石墨质的NMD砖用于炉缸侧壁。这种炉缸结构，就其传热模型来说是合理的，但是它存在着这样的问题：由于石墨质砖的抗铁水溶蚀指数以及与渣铁的亲和力都差，一旦炉缸炭砖被侵蚀到石墨质炭砖区域时，它既难于结上渣铁凝固层，又容易被铁水侵袭,其结果是迅速造成炉缸烧穿。由此可见，现在我国高炉炉缸使用的国产炭砖性能，它有较好的导热性能，在正常冷却的条件下，形成渣铁凝固层是可能的，但是由于它的抗铁水熔蚀性能差，经受不住渣铁凝固层消失后铁水的冲刷。因此，改进炉缸侧壁用炭砖的性能是我们的当务之急，也可以这样认为，延长炉缸寿命的希望在炭砖质量的提高。众所周知，在提高炭砖的导热率和微孔指标方面，日本人的成绩是十分卓著的，但在此基础上同时纳入抗铁水熔蚀指标时，德国人走在前面了，SGL公司在生产微孔和超微孔炭砖时引入金属铝粉等添加剂，使之在高温焙烧条件下原位形成碳化物，提高了炭砖的抗铁水熔蚀、冲刷能力。我国沙钢高炉引进SGL公司生产的9RDN超微孔炭砖，它的抗铁水熔蚀指数达到了极低的水平。4.2 关于陶瓷杯的作用问题近年来，我国高炉设计中广泛应用了带陶瓷杯的炉缸结构。采用陶瓷杯结构的主要作用是利用其良好的抗铁水熔蚀性能，作为人造的凝固层，以抵御炉役初期液态渣铁对炭砖的熔蚀和冲刷。隔热只是陶瓷杯的附带作用。 显然，在当今炭砖的抗铁水熔蚀性能明显劣于陶瓷杯材料时，陶瓷杯就是有用的。今后当炭砖的抗铁水熔蚀性能达到陶瓷杯材料同一水平时，炉缸采用陶瓷杯结构便变得没有必要了。5. 高炉炉缸工作状态实例分析1) 鞍钢新3号高炉（3200m3）于2005年12月28日投产，工作2.5年于2008年5月23日发生炉缸烧穿。停炉后观察表明，该高炉炉缸的侵蚀状态与国内外其它高炉的侵蚀状态基本一致。作者认为，造成鞍钢高炉炉缸短命的关键问题在于犯了如上所述的只从传热学原理来考虑炉缸结构设计的错误。明显地表现出对炭砖的导热率重视有余，而对抗铁水熔蚀指数重要性认识不足以及把石墨质的NMD用于炉缸。表2所列数据为鞍钢新3号高炉所用炭砖实际检测的导热率和抗铁水的熔蚀性能的结果，它们在室温下的导热率分别为16.19 w/m.（NMA）和31.68 w/m.（NMD）；而抗铁水熔蚀指数达到了30.31%（NMA）和28.45%（NMD）。这些数据明显地表现出了缸结构设计存在的问题。作者不同意把鞍钢高炉炉缸烧穿归罪于冷却不足，在本文的“关于炉缸冷却问题”一节已经作了叙述，不再重复。2）京唐2高炉5500m3和沙钢5800m3高炉的工作状态比较：京唐2高炉5500m3的炉缸结构与鞍钢高炉如出一辙，采用了UCAR推荐的NMA和NMD混用的结构，见图*。图中炉缸侧壁靠冷却壁区域涂色部分为NMD砖，其余为NMA。京唐高炉5500m3的炉缸结构 沙钢5800m3高炉炉缸结构沙钢5800m3高炉炉缸结构如图*。它是一个典型的传统炉缸内衬设计，只是在炉缸下部的侧壁上采用了从SGL公司引进的9RDN超微孔炭砖，其特点是除了具有良好的微孔指标之外，抗铁水熔蚀指标也极其出色（微孔指标：平均孔径0.050.1；1孔容积98%，铁水熔