高爐爐底、爐缸新型耐材及其結(jié)構的設計與應用

王　冰，孟淑敏，賈利軍，陳　誠，李慶洋

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101）

高爐爐底、爐缸新型耐材及其結(jié)構的設計與應用

王冰，孟淑敏，賈利軍，陳誠，李慶洋

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101）

山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸設計時選用了一種新型耐火材料——“碳復合磚”，該新型耐材兼顧傳統(tǒng)炭磚和陶瓷杯材料的雙重優(yōu)點，既有炭磚優(yōu)良的導熱性和傳統(tǒng)陶瓷杯材料的抗鐵溶蝕性、抗氧化性，又克服了它們各自存在的不足。實踐證明，這種新型耐材及其結(jié)構的使用，有利于提高高爐爐底、爐缸結(jié)構的安全性以及實現(xiàn)高爐高效、長壽的目標。

新型耐材；爐底；爐缸；碳復合磚；長壽

目前，大部分高爐傳統(tǒng)爐底爐缸結(jié)構為炭磚+陶瓷杯或全炭磚結(jié)構。山西通才3#1 300 m3高爐設計時，結(jié)合通才原燃料條件和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過充分分析高爐爐底爐缸工作條件和侵蝕機理，有針對性地選用了一種新型耐火材料——碳復合磚，并在結(jié)構設計上進一步優(yōu)化完善了爐底爐缸內(nèi)襯結(jié)構，提高了磚襯的穩(wěn)定性。3#1 300 m3高爐于2012年7月13日建成投產(chǎn)，投產(chǎn)至今高爐穩(wěn)定順行，各項生產(chǎn)指標達到國內(nèi)先進行列。

1　碳復合磚的研發(fā)背景介紹

半個多世紀以來，現(xiàn)代高爐長壽經(jīng)歷了幾個重要的發(fā)展歷程，高爐長壽技術不斷創(chuàng)新發(fā)展，已使現(xiàn)代高爐壽命達到了20年以上的技術水平。

近年來，隨著高爐原燃料的改善，銅冷卻壁，軟水密閉循環(huán)等先進冷卻技術的應用，爐腹以上的冷卻壁壽命大幅提高，風口以上爐襯已不是制約高爐一代爐役的主要限制性環(huán)節(jié)，影響高爐壽命的限制性環(huán)節(jié)集中在了高爐爐底爐缸部位［1］。

雖然20世紀50年代以后，將炭磚和炭質(zhì)材料應用在爐缸、爐底，使高爐爐缸、爐底壽命大幅度延長，徹底改變了原來爐缸、爐底采用高鋁質(zhì)和茹土質(zhì)材料壽命不足兩年的局面。全炭磚爐底、綜合爐底等爐缸爐底結(jié)構的問世，也取得較好的使用效果。目前，各種性能優(yōu)異的炭磚和炭質(zhì)材料已經(jīng)成為高爐爐缸爐底不可或缺的關鍵材料，是現(xiàn)代高爐實現(xiàn)20年以上壽命的重要技術保障。但是，據(jù)不完全統(tǒng)計，近20年來國內(nèi)仍發(fā)生了幾十起爐缸燒穿事故，其中不乏大型高爐［2］。因此，在進一步提高高爐安全、長壽目標的道路上我們煉鐵工作者仍在繼續(xù)探索，不斷進步。近期，國內(nèi)某耐材公司通過和各冶金院校、科研單位合作研發(fā)的一種新型的耐火材料——“碳復合磚”應運而生，目前該新型耐材已成功應用于國內(nèi)外20余座高爐，山西通才3#1 300 m3高爐是目前應用業(yè)績中爐容最大的高爐。

2　碳復合磚的性能特點

眾所周知，優(yōu)質(zhì)炭磚的特點是有良好的導熱性，優(yōu)良的抗渣性能，優(yōu)良的抗堿性，但其抗鐵水侵蝕性和抗氧化性較弱，抗鋅侵蝕性較差。陶瓷杯材料的特點是有良好的抗鐵水侵蝕性，優(yōu)良的抗渣性能和較好的抗氧化性能，但其導熱性較低。

碳復合磚是在綜合研究上述兩種材料的基礎上，結(jié)合兩者各自的優(yōu)點，取長補短，“跨界組合”，通過反復不斷的試驗，研發(fā)出來的一種既有炭磚優(yōu)良性能，又具備陶瓷杯材料性能的綜合性、復合型新型耐火材料。

碳復合磚主要具有以下性能特點：

（1）高導熱性

與傳統(tǒng)炭磚不同，碳復合磚隨著溫度的升高，其導熱系數(shù)下降。這是因為碳復合磚中雜質(zhì)成分含量較少，對晶格波熱散射作用影響小，故導熱系數(shù)較大，而且碳復合磚中新生成的碳化物和石墨形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構，有利于熱的傳導。因為碳復合磚中只有極少的自由電子，由自由電子引起的導熱極小，導熱主要是由晶格振動偏離諧振程度而定，隨著溫度的升高，碳復合磚的主晶相Al2O3和C偏離諧振的程度增大，導熱系數(shù)降低［4］。

（2）微孔性

碳復合磚為超微孔磚，氣孔率較低。因為碳復合磚燒結(jié)良好，微孔化程度較高，平均孔徑小，微孔較為均勻的分布在基質(zhì)中。添加劑在燒結(jié)過程中發(fā)生化學反應，其中一種生成物堵塞和封閉了氣孔，并起燒結(jié)輔助劑的作用，而且另一種生成物產(chǎn)生較大的體積膨脹，也起到堵塞氣孔的作用，使碳復合磚內(nèi)的氣孔變小或封閉，同時使骨料和基質(zhì)間結(jié)合更加緊密［4］。

（3）綜合優(yōu)良性

與炭磚相比，碳復合磚具有優(yōu)良的抗鐵水侵蝕性、抗氧化性、高強度性、抗堿性、抗鉛鋅侵蝕性能。

碳復合磚和炭磚、陶瓷杯材料的技術指標對比見下表1和表2。

表1　碳復合磚與國內(nèi)外幾種炭磚性能的比較

3　新型高爐爐底爐缸結(jié)構設計特點

傳統(tǒng)的全炭磚爐缸爐底結(jié)構，保證高爐壽命的關鍵是靠優(yōu)良的導熱性能在鐵水與炭磚之間形成“自保護”的保護層。但全炭結(jié)構中由于炭磚抗氧化性差，在冷卻壁或風口漏水時易出現(xiàn)燒穿的危險，并且炭磚的抗鐵和抗沖刷性差，易出現(xiàn)異常侵蝕［4］。

另一種傳統(tǒng)的炭磚+陶瓷杯綜合爐缸爐底結(jié)構，保證高爐壽命的關鍵是在鐵水與炭磚之間設置“他保護”的耐高溫陶瓷磚材料作為“保護殼”，但炭磚加陶瓷杯結(jié)構中的陶瓷杯使用效果沒有預期中的好，使用壽命僅1～4年，陶瓷杯侵蝕完后仍然存在全炭結(jié)構中存在的問題。

目前上述兩種爐缸爐底內(nèi)襯結(jié)構都有很多取得高爐長壽的成功案例，實踐表明，兩種爐缸爐底設計體系總體上是合理可靠的。但仍存在一些技術缺陷和安全隱患，需要進一步的優(yōu)化改進完善。

山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸設計采用新型結(jié)構技術砌筑，結(jié)構示意圖見圖1。爐底采用高導熱石墨炭磚+微孔炭磚+碳復合磚+剛玉莫來石結(jié)構，其中，爐底第1層滿鋪大塊高導熱石墨炭磚，第2層滿鋪大塊半石墨炭磚，第3層滿鋪大塊微孔炭磚，第4層滿鋪小塊碳復合磚，爐底最上層第5、第6層中心區(qū)域采用剛玉莫來石，周邊采用碳復合磚，碳復合磚與剛玉莫來石之間緊貼砌筑［3］。

表2　碳復合磚與國內(nèi)外幾種陶瓷杯材料性能的比較

圖1　山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸結(jié)構示意圖

爐缸采用碳復合磚+微孔剛玉磚結(jié)構，爐缸內(nèi)側(cè)采用微孔剛玉磚，爐缸外側(cè)緊貼微孔剛玉磚采用碳復合磚，碳復合磚與冷卻壁之間留有膨脹縫。

風口區(qū)域采用微孔剛玉組合磚，鐵口區(qū)域采用微孔剛玉組合磚結(jié)構。

山西通才3#1 300 m3高爐爐底爐缸設計采用的新型結(jié)構技術特點總結(jié)如下：

（1）新型結(jié)構具有良好的綜合性能

采用上述新型爐缸爐底內(nèi)襯既具有炭磚的高導熱優(yōu)良性能，又保持了陶瓷杯高溫抗侵蝕的特點。雖然碳復合磚原來在山西通才2#高爐上應用效果很好，但由于碳復合磚是初次應用在1 000 m3以上的高爐上，因此，其結(jié)構設計方案仍考慮保留了厚度較薄的微孔剛玉磚作為“他保護”陶瓷杯壁。

（2）新型結(jié)構更加安全、長壽

由于碳復合磚耐高溫鐵水、熔渣侵蝕，即使將來“陶瓷杯壁”保護層消蝕或不復存在的情況下，碳復合磚本身也可抑制鐵水的侵蝕沖刷，使用安全性有所提高并可能顯著延長爐缸爐底壽命，為高爐的安全和長壽用材料探索出了新思路。

（3）新型結(jié)構更加安全穩(wěn)定

碳復合磚和陶瓷杯壁微孔剛玉磚都是規(guī)格尺寸相同的小塊磚，兩者之間可緊貼組合砌筑，結(jié)構更穩(wěn)定。避免了原來傳統(tǒng)炭磚+陶瓷杯結(jié)構中小塊陶瓷杯材料和大塊炭磚砌筑時會產(chǎn)生較大間隙的問題，從而也避免了鐵水可能繞過陶瓷杯壁順著炭磚和陶瓷杯壁之間間隙侵蝕炭磚的風險。

爐底最上三層碳復合磚與剛玉莫來石緊貼砌筑，把1 150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在抗鐵水侵蝕性能優(yōu)良的碳復合磚和剛玉莫來石層內(nèi)，避免爐底炭磚的侵蝕。并且，爐底最上三層碳復合磚和剛玉莫來石磚都是小塊磚，且都是滿鋪結(jié)構，兩者之間沒有設計傳統(tǒng)的膨脹縫，磚與磚之間斜壓交錯組合砌筑可以防止爐底的漂浮，而且碳復合磚導熱性較好，爐底碳復合磚表面溫度較低，有效降低鐵水的滲透能力。

（4）新型結(jié)構應力場分布合理

碳復合磚是從成熟的微孔剛玉磚基礎上研發(fā)出來的，兩者的熱膨脹系數(shù)相近。傳統(tǒng)炭磚+陶瓷杯結(jié)構中由于炭磚和陶瓷杯材料是屬于完全不同的材料，不同材質(zhì)的交界面處因各自的膨脹性不同，應力是不連續(xù)變化的，因此在該部位不可避免會發(fā)生應力集中的現(xiàn)象，從而可能導致磚襯的剝離或分離現(xiàn)象，產(chǎn)生氣隙，進而可能影響爐缸爐底的熱量的傳遞加速耐材的侵蝕。而碳復合磚爐缸內(nèi)襯結(jié)構與炭磚+陶瓷杯內(nèi)襯結(jié)構相比，應力場分布較為分散，大大減弱了熱應力的破壞作用，且不存在炭磚與陶瓷杯的接觸面，有效避免了內(nèi)襯相對位置的移動，結(jié)構更加合理。

（5）新型結(jié)構溫度場分布合理

由于碳復合磚的導熱性具有隨溫度升高而降低的特點，因此新型結(jié)構的導熱從熱面到冷面是一個增加的趨勢，這一趨勢符合高爐爐缸爐底設計理念，高爐爐缸內(nèi)部的熱量能夠順利導出。

4　生產(chǎn)實踐與應用效果

山西通才工貿(mào)有限公司3#1 300 m3高爐設計年產(chǎn)鐵水125萬t，于2012年7月13日建成投產(chǎn)，經(jīng)過3年多的生產(chǎn)運行，目前高爐各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定，見表3，生產(chǎn)運行正常，爐底爐缸溫度檢測系統(tǒng)顯示各部位溫度平穩(wěn)正常，見圖2和表4。

從以上高爐3年多的實際生產(chǎn)情況來看，采用新型碳復合磚材料及新型爐缸爐底結(jié)構與水冷卻系統(tǒng)形成了穩(wěn)定的傳熱體系，爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強度適宜。

表3　通才3#1 300 m3高爐生產(chǎn)技術指標

圖2　山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸溫度檢測圖

表4　通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸溫度檢測數(shù)據(jù)

5　結(jié)語

（1）碳復合磚的研發(fā)和應用，開辟了高爐現(xiàn)有耐材優(yōu)越性能“跨界”復合的新思路，高爐的設計理念、高爐生產(chǎn)操作和管理等方面將隨之變革，相關問題需進一步深人研究和完善。

（2）碳復合磚作為一種新型復合耐火材料，有很多優(yōu)點，但是，眾所周知，實現(xiàn)高爐長壽是一項龐大的，復雜的系統(tǒng)工程，高爐長壽技術是綜合技術，延長高爐壽命不但要以整體設計優(yōu)化為重點和前提，進行全面系統(tǒng)的長壽設計。而且還要從耐材廠家的選擇、制造、施工、生產(chǎn)操作及維護、管理等各個方面采取綜合措施，才能達到高爐長壽的預期目標。

（3）傳統(tǒng)炭磚已發(fā)展了100多年，已建立了一套成熟、完整的體系，預測碳復合磚短期內(nèi)不會代替炭磚。建議各設計、制造、院校單位工作者對碳復合磚繼續(xù)進行進一步綜合性的深人研究和探討，下一步不但要從基礎理論上解釋清楚材料的微觀結(jié)構和產(chǎn)生各種優(yōu)良性能的原因，而且建議針對這種新型耐材應建立一套完整的科學體系，這個體系包括新型耐材結(jié)構與外部冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的整體長壽概念研究，耐材的生產(chǎn)制造規(guī)范的建立，耐材的尺寸加工規(guī)范的建立，耐材砌筑施工規(guī)范的建立，溫度點的埋設位置和侵蝕模型的建立，配套泥漿和散料的研發(fā)，針對鐵口等重點區(qū)域升級研發(fā)不同功能材料等。

（4）這種新型耐材和結(jié)構在技術上具有突出的優(yōu)越性，是對爐底爐缸用耐材和結(jié)構上的一個重大技術突破。但是，畢竟該新型耐材研發(fā)應用時間較短，實踐是檢驗真理的唯一標準，唯有用時間去證明該種新型材料是否會替代炭磚成為高爐新型長壽材料，我們期待這項具有革命性的重大創(chuàng)新技術的進一步成功和其更加廣闊的應用前景。

［1］項鐘庸.高爐設計——煉鐵工藝設計理論與實踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］張福明，程樹森.現(xiàn)代高爐長壽技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［3］于國華，陳誠，王冰.山西通才3#1 300 m3高爐設計特點［J］.山東冶金，2014，36（1）：9-11.

［4］趙永安，左海濱，張建良，等.安全長壽爐底爐缸內(nèi)襯及結(jié)構技術的應用［C］//.第十五屆全國大高爐煉鐵學術年會論文集.烏魯木齊：新疆八一鋼鐵有限公司，2014.

Design and Application of New Rerractory and Its Structure for Blast Furnace Bottom and Hearth

WANG Bing，MENG Shumin，JIA Lijun，CHEN Cheng，LI Qingyang
（Shandong Provincial Metallurgy Design Institute Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

A new type of refractory materials，which called‘carbon composite brick’，was applied in the furnace bottom and furnace hearth design of the 3#1 300 m3BF in Shanxi Tongcai.The new refractory material has took into account the dual advantages of traditional carbon brick and ceramic cup material，both carbon brick excellent thermal conductivity and traditional ceramic cup material of iron corrosion resistance，oxidation resistance，but also overcome the shortcomings of their respective.The practice has proved that the innovation of this new type of refractory material and its structure is useful to improve the safety of blast furnace bottom and hearth structure，and realize the target of longevity.

new refractories；furnace bottom；furnace hearth；carbon composite brick；longvity

TF572

B

1001-6988（2016）03-0060-05

2016-02-18

王冰（1983—），男，工程師，主要從事高爐工藝設計及管理工作.