新一代高爐爐缸爐底內(nèi)襯材料

高妍　毛艷玲

高爐健康長(zhǎng)壽是冶煉企業(yè)的永恒追求。無(wú)論新材料、新技術(shù)、新裝備，還是創(chuàng)新工藝的應(yīng)用，其最終目標(biāo)都是要保證高爐具備良好的爐體狀況，能夠高效、低耗、安全工作，且連續(xù)運(yùn)行周期越長(zhǎng)越好。

伴隨相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，近年來(lái)，影響高爐壽命的限制性環(huán)節(jié)越來(lái)越集中在高爐的爐底爐缸部位。

長(zhǎng)期以來(lái)，高爐爐底爐缸內(nèi)襯主要采用各類炭磚及陶瓷杯材料，通過(guò)不斷提升它們的質(zhì)量性能以達(dá)到延長(zhǎng)高爐壽命的要求。但高強(qiáng)度的冶煉和入爐原料品位的不斷下降，導(dǎo)致高爐內(nèi)堿金屬、鋅等雜質(zhì)成分大量富集，爐缸環(huán)境愈發(fā)惡劣，對(duì)爐缸爐底部位的內(nèi)襯材料提出了更嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。

北京科技大學(xué)張建良教授在長(zhǎng)期研究中總結(jié)發(fā)現(xiàn)，要適應(yīng)日益復(fù)雜的爐缸環(huán)境，所用的內(nèi)襯材料須具備較好的導(dǎo)熱性能、優(yōu)良的抗鐵水溶蝕性、優(yōu)良的抗堿性、優(yōu)良的抗渣性能、較好的抗鋅侵蝕性以及較好的抗氧化性。

而炭磚和陶瓷杯材料卻在性能上存在不同程度的短板，比如炭磚的導(dǎo)熱、抗渣、抗堿等性能優(yōu)異，但抗鐵水溶蝕性比較差，一些高爐發(fā)生的‘老鼠洞形式的燒穿就是因?yàn)樘看u在局部失去粘滯層的隔離保護(hù)后直接接觸鐵水而造成的，同時(shí)在風(fēng)口套下方的炭磚會(huì)因?yàn)轱L(fēng)口套漏水而受到氧化，其抗氧化性又是其致命的弱點(diǎn)，因此炭磚在爐缸的使用雖然可以發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的作用，但其仍然存在嚴(yán)重的不足和安全隱患。而陶瓷材料雖然擁有優(yōu)良的抗鐵水溶蝕性、抗堿性和較好的抗氧化性，卻因較低的導(dǎo)熱性被限制了冷卻系統(tǒng)作用的發(fā)揮。它們已經(jīng)跟不上高爐大型化、高效化對(duì)安全長(zhǎng)壽的需求。因此，一種綜合性能優(yōu)異、能夠提高高爐下部操作安全性和長(zhǎng)壽性的新材料，亟待出現(xiàn)。

針對(duì)這一情況，張建良教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與河南五耐集團(tuán)實(shí)業(yè)有限公司、山西建邦集團(tuán)、柳州鋼鐵集團(tuán)股份有限公司等單位開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān)。最終，他們?cè)谖⒖讋傆裉沾杀幸胩窟M(jìn)行了試驗(yàn)，得到了一種新型碳復(fù)合磚，綜合了優(yōu)良炭磚和陶瓷杯材料的優(yōu)點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)炭磚及陶瓷杯相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

碳復(fù)合磚很好的結(jié)合了炭磚和陶瓷杯材料的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)克服了它們各自存在的不足，特別是很好地解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問(wèn)題，并滿足了所述爐缸區(qū)域內(nèi)襯材料的基本性能要求，同時(shí)其導(dǎo)熱性從低溫到高溫呈下降的特性比炭磚材料更符合爐底爐缸內(nèi)襯設(shè)計(jì)的原則，完全有能力成為高爐爐底爐缸內(nèi)襯的換代產(chǎn)品。

為了更好的發(fā)揮碳復(fù)合磚的性能優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)又針對(duì)傳統(tǒng)爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，結(jié)合碳復(fù)合磚的性能，提出了新的設(shè)計(jì)方案，即爐缸部位全部應(yīng)用碳復(fù)合磚，爐底上部應(yīng)用碳復(fù)合磚，下部應(yīng)用高導(dǎo)熱炭磚。

通過(guò)這一技術(shù)方案，順利解決了以下幾個(gè)問(wèn)題——

1）爐底爐缸內(nèi)襯的導(dǎo)熱系數(shù)從冷面到熱面是一個(gè)降低的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)符合冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，也符合高爐爐底爐缸內(nèi)襯設(shè)計(jì)的原則;

2）用碳復(fù)合磚作為爐缸材料，由于其含有一定的炭成分，其熱膨脹系數(shù)比陶瓷杯材料大大降低，可以避免風(fēng)口上翹、爐殼開(kāi)裂的現(xiàn)象;

3）由于碳復(fù)合磚具有較好的導(dǎo)熱性，同時(shí)既有陶瓷結(jié)合又有碳結(jié)合，因此極易在工作面形成渣鐵殼保護(hù)層，渣鐵殼保護(hù)是形成永久型爐底爐缸結(jié)構(gòu)的重要條件，也符合武鋼宋木森高工永久型爐襯的理論。即使在異常情況下暫時(shí)失去了保護(hù)層的保護(hù)，碳復(fù)合磚優(yōu)良的抗鐵溶蝕性也可為再次形成保護(hù)層贏得時(shí)間。

4）爐底碳復(fù)合磚的應(yīng)用，把1150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在碳復(fù)合磚層內(nèi)，即使將來(lái)爐底有所侵蝕，也不會(huì)侵蝕到炭磚，也就是說(shuō)在整個(gè)爐役內(nèi)炭磚是不接觸鐵水的，也就避免了炭磚抗鐵溶蝕性差的問(wèn)題。

而碳復(fù)合磚新材料和圍繞它所提出的新設(shè)計(jì)方案，即“安全長(zhǎng)壽爐底爐缸內(nèi)襯及結(jié)構(gòu)技術(shù)”也在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，不僅在中小高爐上使用，更推廣到了大高爐上。

2007年，山西通才2#高爐設(shè)計(jì)方案中采用了此安全長(zhǎng)壽技術(shù)，爐底采用4層微孔模壓炭磚和兩層碳復(fù)合磚陶瓷墊，爐缸則取消了炭磚而全部采用碳復(fù)合磚，風(fēng)口和鐵口也采用了碳復(fù)合磚。

投產(chǎn)后，生產(chǎn)指標(biāo)一直良好，與未采用相關(guān)技術(shù)的1#高爐相比表現(xiàn)優(yōu)異。所采用的碳復(fù)合磚表現(xiàn)出較高的導(dǎo)熱系數(shù)，并且導(dǎo)熱系數(shù)從冷面到熱面呈降低的趨勢(shì)，符合爐底爐缸傳熱原理，這種特性保證了高爐爐缸部位冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定，也間接提高了爐缸部位的壽命。同時(shí)，這一技術(shù)方案的采用，也幫助通才2#高爐扛住了高強(qiáng)度冶煉和原燃料種類頻繁更換的考驗(yàn)，保證了高爐安全穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

運(yùn)行7年后，借著高爐爐身維修的機(jī)會(huì)，工人對(duì)爐缸進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)爐缸內(nèi)形成了約250mm厚較穩(wěn)定的渣鐵保護(hù)層，僅鐵口區(qū)域出現(xiàn)輕微侵蝕，沒(méi)有出現(xiàn)爐缸象腳狀蝕損，也沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)口上翹、爐殼開(kāi)裂等現(xiàn)象。爐缸穩(wěn)態(tài)傳熱模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，爐缸熱面大多能生成穩(wěn)定的保護(hù)層，有效阻止了熔融鐵水和爐渣對(duì)爐襯的侵蝕，延長(zhǎng)了高爐的使用壽命。而1#高爐在投產(chǎn)兩年半時(shí)爐缸部位就已侵蝕嚴(yán)重。

同樣的對(duì)比出現(xiàn)在柳鋼5號(hào)高爐（1500m3）兩代爐役中。

柳鋼5#高爐一代爐役采用傳統(tǒng)的爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)兩年后，爐缸側(cè)壁熱電偶溫度大范圍普遍升高，熱電偶插入深度為160mm的溫度達(dá)到525℃。因此采取了一系列降低產(chǎn)量、鈦礦護(hù)爐等措施，打亂了高爐正常生產(chǎn)節(jié)奏，大幅增加了高爐生產(chǎn)成本。

二代爐役采用了碳復(fù)合磚內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，投產(chǎn)近兩年后，高爐爐缸側(cè)壁熱電偶溫度保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，熱電偶插入深度為300mm的溫度最高值僅為320℃，且大部分熱電偶溫度均低于300℃，熱電偶插入深度為200mm的溫度一般在150-250℃，遠(yuǎn)低于上一代爐役同時(shí)期高爐爐缸側(cè)壁熱電偶溫度，顯現(xiàn)出高爐爐缸爐底采用碳復(fù)合磚的優(yōu)越性，可以不必因高爐爐缸的安全問(wèn)題而休風(fēng)減產(chǎn)，也不必采用特殊的護(hù)爐手段增加額外成本。

兩相對(duì)比，碳復(fù)合磚內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用表現(xiàn)出明顯優(yōu)越性。

到目前為止，碳復(fù)合磚和“安全長(zhǎng)壽爐底爐缸內(nèi)襯及結(jié)構(gòu)技術(shù)”已在山西通才、山西高義、山西新金山、邯鄲縱橫及俄羅斯企業(yè)的100余座高爐中應(yīng)用。

使用結(jié)果表明，碳復(fù)合磚解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問(wèn)題，并且具備很好的自護(hù)爐機(jī)制，能夠形成穩(wěn)定的保護(hù)層體系，在低品位爐料、高強(qiáng)度冶煉、頻繁更換原燃料種類的惡劣條件下，確保爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強(qiáng)度適宜，使冷卻系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，從而保證爐底爐缸部位的安全，實(shí)現(xiàn)高爐操作安全、生產(chǎn)高效、健康長(zhǎng)壽。

當(dāng)下，我國(guó)高爐生產(chǎn)普遍存在生產(chǎn)不穩(wěn)定、冶煉強(qiáng)度高、入爐礦品位低三大問(wèn)題，形勢(shì)非常嚴(yán)峻。碳復(fù)合磚內(nèi)襯材料與結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使高爐長(zhǎng)壽邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，也使我國(guó)距離“一代爐役壽命達(dá)20年以上”的目標(biāo)更近一步。