安全长寿炉缸内衬结构在高炉上的应用

把握技术环节  助力高炉长寿

                  --安全长寿炉缸内衬结构在高炉上的应用

    随着国内高炉的大型化发展以及冶炼强度的不断提高，高炉长寿已成为炼铁工序的重要技术特征。炼铁技术的发展，冷却制度的不断完善及铜冷却壁的应用，使得炉身下部、炉腰及炉腹情况得以改善，限制高炉长寿的关键环节转移至炉缸炉底的寿命。目前，应用较多的炉缸结构为高导热压小块碳砖炉缸和陶瓷杯复合炉缸结构。而碳复合砖的应用，使得高炉长寿又迈上了一个新的台阶。碳复合砖的导热性、抗渣铁侵蚀性和抗碱侵蚀性等都优于碳砖和刚玉质砖，对实现高炉安全长寿有重要作用。本文以应用碳复合砖的柳钢5号高炉生产数据及炉缸温度数据为基础，对碳复合砖的应用情况进行分析。

高炉炉缸结构设计及高炉生产状况

高炉炉缸炉底内衬结构

    柳钢5号高炉（1580m3）自2015年7月14日开炉生产，开始了当代炉役生产。炉缸侧壁全部采用碳复合砖砌筑，在炉底内衬结构设计中，自下而上分别采用了1层石墨碳砖（500mm）、2层微孔碳砖（2×500mm）和3层碳复合砖（3×400mm）。高炉炉缸直径为8.8m，铁口倾角为10°，铁口中心线标高为10.0m，死铁层深度为1.7m，占炉缸直径的19.3%。炉底每一层耐火材料的下部均布置了热电偶，炉缸侧壁不同标高部位也布置了热电偶，每一高度部位布置3个测点。高炉有东、西2个铁口，22个风口。高炉冷却水量为3400m3/h，炉缸侧壁共有40块冷却壁，单管冷却水流速为1.78m/s。

高炉生产状况分析

    柳钢5号高炉自开炉后迅速达产，高炉有效容积利用系数在2.6t/(m3·d)左右，炉缸截面利用系数为64t/(m2·d)。高炉有效容积利用系数与炉缸截面利用系数成正比。2016年后，高炉原燃料变化频繁，矿石种类繁多，导致炉料质量波动较大，高炉炉况频繁波动。此外，高炉碱金属负荷较高，达到5kg/tHM以上，2016年炉身上部结瘤。随后，柳钢适当控制冶炼强度，发展边缘气流，炉身结瘤问题得到解决。该阶段高炉焦比、燃料比处于较高值，其中焦比达到450kg/tHM，燃料比达到600kg/tHM。2016年底，高炉炉况恢复正常，高炉利用系数和燃料比达到较好的状态。5号高炉利用系数和燃料比随时间的变化趋势如图所示。

高炉炉缸安全状况分析

    柳钢5号高炉第7层热电偶位于高炉炉缸侧壁及炉底交界部位，一般侵蚀最为严重的区域。选取该部位铁口区域附件的热电偶，其3个测点热电偶温度的变化趋势随时间的变化关系如下图所示。

    从图中可以看出，3个测点的温度随时间的变动较大，对于每一个测点，温度波动范围约为50℃，而3个测点温度的变化趋势在同一时间保持一致，反应出炉缸的传热系统较为通畅，高炉炉缸中产生的热量能够较好地传出到冷却系统，炉缸传热系统内没有气隙的存在。该部位碳复合砖的厚度为设计的原始厚度，碳复合砖几乎没有受到侵蚀。

   下图给出了高炉第7层炉缸侧壁及炉底交界部位的热电偶沿周向部位的温度分布情况。

    热电偶插入碳复合砖的深度为300mm。从上图可以看出，热电偶温度在不同方位的数值不同，其中铁口部位及铁口周边的温度相对较高，高炉炉缸周向部位热电偶最高值位于西铁口附近，最高温度达到311℃，远离铁口部位的热电偶温度较低。高炉第7层热电偶周向位置的平均温度为264℃。从各热电偶温度数据可以推测，高炉炉缸侧壁碳复合砖几乎没有被侵蚀。

    下图给出了西铁口方位不同标高条件下热电偶温度的变化情况。热电偶插入碳复合砖深度为300mm。

    从上图可以看出，最高热电偶温度位于铁口中心线以下0.8m处。由此可见，随着铁口深度的增加，热电偶温度呈现先升高后降低的趋势。即以该部位为分界线，离该部位越远的部位，热电偶温度越低。高炉高度部位的热电偶平均温度为285℃。

高炉炉缸侧壁热电偶温度与炉底热电偶温度一般呈负相关关系。炉底中心部位热电偶温度越高，高炉炉缸活性越好。

    上图给出了高炉炉缸侧壁热电偶温度与炉底热电偶温度随时间的变化趋势。从图中可以看出，2016年间，炉底热电偶温度处于较高水平，炉缸侧壁热电偶温度较低；2017年以来，高炉炉底温度显著降低，而炉缸侧壁热电偶温度升高。这表明高炉炉缸活性逐渐变差，这与高炉原燃料变化频繁及高炉生产不稳定关系密切。但高炉仍然处于安全的状态。

碳复合砖内衬结构效果突出

两代炉役内衬结构应用效果分析

    柳钢5号高炉于2008年6月中修扩容投产，有效容积为1500m3，高炉炉缸直径8.80m，有22个风口、2个铁口，采用东、西出铁场的布置，铁口间夹角162°。炉缸炉底采用“大块碳砖+陶瓷杯复合炉缸炉底”结构。2012年7月，5号高炉因东铁口发生铁口冷却壁烧穿漏水事故而被迫停炉抢修，柳钢在铁口中心线至风口带内壁区域采用浇注料进行炉缸修复。经过2年的生产，2014年2月开始，5号高炉多个方位的炉缸温度呈上升趋势且上升较快，最高温度达到525℃（停炉实测电偶插入碳砖深度为160mm），为开炉生产以来的最高值，高炉炉缸侧壁热电偶温度随时间的变化趋势如下图所示。

    2015年5号高炉炉缸侧壁高点温度集中在炉缸侧壁标高7.97m~8.76m区域，铁口标高9.80m，即在铁口标高下1.04m~1.83m的区域。炉缸侧壁热电偶温度的持续升高严重影响了高炉炉缸的安全状况，随后，高炉采取了堵风口降低冶炼强度、加大钒钛矿的使用量及降低煤比提高焦比等一系列措施，炉缸侧壁热电偶温度升高的趋势得到了控制。热电偶温度降低到380℃以下。

    柳钢5号高炉上一代炉役采用传统的炉缸内衬结构，生产6年后，炉缸侧壁热电偶温度大范围升高，热电偶插入深度为160mm的热电偶温度达到525℃。随后采取的一系列降低产量、钛矿护炉等措施，打乱了高炉正常生产节奏，大幅增加了高炉生产成本。而当前炉役，高炉生产近2年后，高炉炉缸侧壁热电偶温度保持平稳的趋势，热电偶插入深度为300mm的温度最高值仅为320℃，且大部分热电偶温度均低于300℃，热电偶插入深度为200mm的温度一般在150℃~250℃，远低于上一代炉役高炉炉缸侧壁热电偶温度。这显现出高炉炉缸炉底采用碳复合砖的优越性，可以不必因高炉炉缸的安全问题而休风减产，也不必采用特殊的护炉手段增加额外的成本。柳钢5号高炉两代炉役不同炉缸内衬结构应用效果对比分析结果如下表所示。

关于炉缸安全的讨论分析

    关于高炉炉缸炉底的内衬结构，不同的高炉采用的结构不同，而世界范围内，每一种内衬结构都有取得长寿的案例，而每一种内衬结构也都有短寿的现象发生，其原因应具体分析。笔者认为，高炉炉缸长寿的关键在于高炉炉缸砖衬热面形成的一层保护层，保护层的存在隔离开耐火材料与高温熔融铁水的直接接触，避免耐火材料的熔蚀，这是高炉炉缸长寿的本质。高炉炉缸只要能保障炉缸保护层的长期存在，高炉炉缸长寿是完全可以实现的。

然而，我国高炉生产与国外不同，主要呈现出三大特征——

    一是生产不稳定。我国大部分高炉生产波动较大，铁水温度、铁水成分、炉渣成分均有大幅波动。高炉生产没有稳定的原燃料，业内一度追求低成本原燃料，且没有大型混匀料场，使得高炉原燃料条件波动范围大，导致高炉生产的不稳定。

    二是高冶炼强度。我国大部分高炉的利用系数及冶炼强度显著高于高炉设计水平，高炉冶炼强度远高于国外同立方米级高炉。

    三是低入炉品位矿冶炼。我国高炉用原燃料条件品位较低，高炉入炉矿碱金属负荷及锌负荷较高，有害元素在高炉内的循环富集对高炉用原燃料有较大的危害，对高炉炉况的稳定顺行十分不利。柳钢高炉的生产体现了上述3种特征。在这种条件下，高炉炉缸保护层较易脱落，耐火材料不可避免地会与高温熔融铁水接触，保护层难以长期对炉缸侧壁耐火材料形成保护。在当前我国的冶炼条件下，延长高炉炉缸寿命的关键在于耐火材料质量的提升。

    柳钢5号高炉炉缸采用的碳复合砖内衬结构，主要成分是氧化铝和碳。在高炉炉缸的环境条件下，当高炉炉缸保护层因炉况的不稳定、铁水环流强度增大或有害元素对保护层的破坏等因素脱落时，高温熔融铁水与碳复合砖直接接触，碳复合砖中的碳会与碳不饱和的铁水发生碳质交换，碳复合砖热面会形成脱碳层。而碳复合砖裸露出的氧化铝与铁水不润湿，铁水难以进一步侵蚀碳复合砖，且碳复合砖在高温条件下导热系数较高，可以迅速降低碳复合砖的热面温度，再次形成保护层，对碳复合砖进行保护。

    碳复合砖还具备良好的抗碱金属侵蚀性能，面对高炉的高碱金属负荷，碳复合砖的强度仍然能够保持较好的状态，体现出很高的抗有害元素侵蚀能力。

    此外，近年来，高炉炉体漏水的现象逐渐增多，进入到高炉炉缸砖衬中的高温水蒸气会与耐火材料发生反应。而碳复合砖的抗水蒸气侵蚀性能优越，在模拟高炉炉缸条件下的失重率仅为6%左右，接近陶瓷质耐火材料的抗水蒸气侵蚀能力，远好于微孔碳砖的抗水蒸气侵蚀能力（失重率为60%左右）。

    由此可见，碳复合砖优越的基础性能和高温性能是保障碳复合砖具有良好应用效果的前提。因此，碳复合砖内衬材料可适应高炉炉缸复杂的工况条件，是新一代长寿高炉炉缸炉底内衬的优选材料。

 --摘自《中国冶金报》

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