瑞爾論文
高爐爐缸“陶瓷襯”結構要素的研究
高爐 爐缸 陶瓷杯 長壽吳勝利（北京科技大學）
何汝生 曹(cao)永國（北(bei)京瑞(rui)爾非金屬材(cai)料有限公司(si)）
摘要 采(cai)用特異型耐火制品(pin)、緩沖(chong)密閉材(cai)料構(gou)成的(de)爐缸“整體陶瓷杯”，具有鑲嵌咬合的(de)砌體結(jie)構(gou)，能有效釋放熱應力，給炭(tan)磚提(ti)供有效的(de)保護，延長高爐壽(shou)命(ming)。時間表明，效果明顯。
Study on Key Element of“Ceramic lining”Structure for BF Hearth
WU Sheng-li
HE Ru-sheng CAO Yong-guo
(University Of Science and Technology Beijing) (Real Nonmetallic Materials Co.,Ltd)
Abstract The“integral ceramic cup”lining made of special shape refractory material and buffering & sealing material is characterized by insertion structure design and effective thermal stress release，the actual production practice shows it can properly protect the carbon brick and elongate the blast furnace campaign.
Key words blast furnace furnace hearth ceramic cup long campaign
高(gao)爐(lu)爐(lu)缸是一個充滿(man)著熔融(rong)鐵(tie)水(shui)(shui)、爐(lu)渣、煤氣(qi)等冶煉產物(wu)(wu)的高(gao)溫(wen)、高(gao)壓空間。為了抵御高(gao)溫(wen)等物(wu)(wu)理、化學侵蝕(shi)(shi)，爐(lu)缸設(she)置了冷(leng)卻壁設(she)備、炭(tan)磚等。由(you)于熔融(rong)鐵(tie)水(shui)(shui)等冶煉產物(wu)(wu)的滲透(tou)、漂浮、機械磨損、熱應力等作(zuo)用，以及碳(tan)含量不(bu)(bu)飽和的熔融(rong)鐵(tie)水(shui)(shui)對(dui)炭(tan)磚的溶蝕(shi)(shi)，堿(jian)金(jin)屬(shu)侵蝕(shi)(shi)等，導致僅(jin)僅(jin)由(you)炭(tan)磚構(gou)筑(zhu)的爐(lu)缸內襯(chen)往往不(bu)(bu)能滿(man)足具有高(gao)生產效率的現代化大(da)型高(gao)爐(lu)的壽(shou)命要求。
為了保(bao)護炭(tan)磚，在炭(tan)磚的(de)(de)(de)熱面(mian)(mian)設置“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”是一(yi)種有效的(de)(de)(de)技術措施。要(yao)獲得(de)(de)預期的(de)(de)(de)保(bao)護作用(yong)，“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”需要(yao)具備的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)主要(yao)在于兩個方(fang)面(mian)(mian)。其(qi)一(yi)，構(gou)(gou)(gou)成(cheng)(cheng)“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)火(huo)制(zhi)品需要(yao)具有適宜爐缸工作環(huan)境(jing)和(he)(he)保(bao)護功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)技術性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)，如：抗(kang)鐵水、堿(jian)金屬侵蝕，較高的(de)(de)(de)強(qiang)度等。其(qi)二，這些耐(nai)(nai)火(huo)材料制(zhi)品構(gou)(gou)(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”應(ying)該具有持續穩定(ding)的(de)(de)(de)砌體結構(gou)(gou)(gou)、需要(yao)具有避免冶煉產物(wu)穿(chuan)過到達(da)炭(tan)磚的(de)(de)(de)密封性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)、能(neng)夠適應(ying)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)的(de)(de)(de)高溫作用(yong)和(he)(he)熱應(ying)力。“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)雖然是通過構(gou)(gou)(gou)成(cheng)(cheng)它們的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)火(huo)制(zhi)品技術性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)和(he)(he)“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”的(de)(de)(de)結構(gou)(gou)(gou)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)同(tong)時體現，二者不可(ke)或缺的(de)(de)(de)。但是，耐(nai)(nai)火(huo)制(zhi)品的(de)(de)(de)技術性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)僅(jin)能(neng)在“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”的(de)(de)(de)結構(gou)(gou)(gou)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)夠滿足環(huan)境(jing)需求的(de)(de)(de)前提下才能(neng)得(de)(de)以體現，也就(jiu)是說結構(gou)(gou)(gou)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)是“陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)襯(chen)(chen)”功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)基(ji)礎和(he)(he)前提。
爐缸環境中(zhong)，熔(rong)融(rong)鐵水(shui)等冶煉產(chan)物對“陶(tao)(tao)瓷襯”的結構(gou)性損害主要由(you)三個方面。①穿(chuan)過(guo)“陶(tao)(tao)瓷襯”耐火(huo)(huo)(huo)制(zhi)品(pin)的砌(qi)筑磚(zhuan)(zhuan)縫，破(po)壞(huai)“陶(tao)(tao)瓷襯”砌(qi)體結構(gou)并到達炭磚(zhuan)(zhuan)；②熔(rong)融(rong)鐵水(shui)的浮力使(shi)(shi)得“陶(tao)(tao)瓷襯”結構(gou)松動，嚴重時(shi)導(dao)致耐火(huo)(huo)(huo)磚(zhuan)(zhuan)漂浮；③高溫和應力破(po)壞(huai)“陶(tao)(tao)瓷襯”結構(gou)，使(shi)(shi)耐火(huo)(huo)(huo)磚(zhuan)(zhuan)以及(ji)耐火(huo)(huo)(huo)砌(qi)體出現應力破(po)損。
可見，研究“陶(tao)瓷(ci)襯”砌(qi)體(ti)(ti)結構(gou)，使得炭磚熱面的“陶(tao)瓷(ci)襯”具有穩定(ding)、密閉(bi)的功能，并能夠(gou)釋放砌(qi)體(ti)(ti)受熱出現(xian)的應力是“陶(tao)瓷(ci)襯”結構(gou)設(she)計中的關鍵。
1 “陶瓷襯”的結構設計
目前的(de)高爐“陶(tao)瓷(ci)(ci)襯”中(zhong)，有小磚陶(tao)瓷(ci)(ci)墊(dian)+大塊制品(pin)側壁(bi)的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)杯、標普型(xing)小磚砌(qi)筑的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)砌(qi)體(ti)、特異型(xing)大塊制品(pin)構筑的(de)整體(ti)式陶(tao)瓷(ci)(ci)杯等三種類型(xing)。
小磚陶(tao)瓷(ci)(ci)墊+大(da)塊制(zhi)品側壁(bi)(bi)的陶(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)結構示(shi)意(yi)如圖1所示(shi)。它的主要(yao)結構特(te)點是：爐底由(you)兩層有斜面(mian)的小塊耐火磚砌筑(zhu)為(wei)陶(tao)瓷(ci)(ci)墊，均(jun)采用斜面(mian)壓迫(po)同心圓砌筑(zhu)結構；爐缸(gang)陶(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)側壁(bi)(bi)由(you)單環(huan)的大(da)塊制(zhi)品構筑(zhu)；陶(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)內襯中設置了具(ju)有釋放熱應力和(he)提高結構整體性的膨脹(zhang)墊、緩沖縫(feng)和(he)鎖(suo)磚等。
標普(pu)型(xing)(xing)小(xiao)(xiao)磚的陶瓷(ci)砌(qi)體(ti)結構(gou)示意(yi)如圖2所(suo)示。它的主(zhu)要結構(gou)特(te)點是：爐(lu)底一般采用人(ren)字形方式砌(qi)筑兩層標普(pu)型(xing)(xing)小(xiao)(xiao)塊耐(nai)火(huo)磚；爐(lu)缸側壁(bi)的中下部(bu)為標普(pu)型(xing)(xing)小(xiao)(xiao)塊耐(nai)火(huo)磚的多環(huan)墻體(ti)，爐(lu)缸上(shang)部(bu)為標普(pu)型(xing)(xing)小(xiao)(xiao)塊耐(nai)火(huo)磚的單環(huan)墻體(ti)。
從圖2中可(ke)以看(kan)到，無論是(shi)采用直型(xing)還是(shi)楔型(xing)的(de)(de)標普(pu)型(xing)耐火磚砌筑(zhu)的(de)(de)陶(tao)(tao)(tao)瓷砌體(ti)(ti)(ti)，在(zai)(zai)結構(gou)的(de)(de)整體(ti)(ti)(ti)穩(wen)定性(xing)、防漂(piao)浮、防滲透何應力(li)釋放等方面均存(cun)在(zai)(zai)難(nan)于滿(man)足爐(lu)缸(gang)環境(jing)的(de)(de)結構(gou)缺陷。這也是(shi)近年來經常出(chu)現(xian)在(zai)(zai)爐(lu)缸(gang)采用陶(tao)(tao)(tao)瓷砌體(ti)(ti)(ti)結構(gou)的(de)(de)新建(jian)高爐(lu)開爐(lu)不久就出(chu)現(xian)爐(lu)底(di)，特(te)別是(shi)陶(tao)(tao)(tao)瓷墊(dian)下沿(yan)溫(wen)度急劇飆升的(de)(de)原因所在(zai)(zai)。即使是(shi)已經取得了不錯使用效果(guo)的(de)(de)如圖1所示的(de)(de)陶(tao)(tao)(tao)瓷杯，在(zai)(zai)陶(tao)(tao)(tao)瓷墊(dian)和杯壁的(de)(de)密閉(bi)性(xing)、穩(wen)定性(xing)等結構(gou)要(yao)素方面仍存(cun)在(zai)(zai)需(xu)(xu)要(yao)進一步完(wan)善之處，才能滿(man)足現(xian)代高爐(lu)在(zai)(zai)高冶煉強度下不斷提升的(de)(de)壽命需(xu)(xu)求(qiu)[1]。
本研究提出了(le)采用特(te)異(yi)型耐(nai)火制(zhi)品(pin)、緩(huan)(huan)沖密(mi)閉材料構(gou)(gou)成的爐(lu)缸(gang)(gang)“整體陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)”結構(gou)(gou)[2、3、4]。爐(lu)底陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)墊由具有(you)雙向錯(cuo)臺形狀(zhuang)的特(te)異(yi)型大(da)塊制(zhi)品(pin)，采用同心圓環(huan)壓迫方式砌筑；爐(lu)缸(gang)(gang)側(ce)壁(bi)的陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)壁(bi)由具有(you)凹凸匹配帶(dai)的特(te)異(yi)型制(zhi)品(pin)，采用鑲嵌(qian)咬合(he)的砌體結構(gou)(gou)；陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)壁(bi)與炭磚之間為特(te)種材料復合(he)的緩(huan)(huan)沖密(mi)閉層。圖3是某廠3200m3高爐(lu)采用這種“整體式陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯(bei)”的實例(li)，其(qi)主(zhu)要結構(gou)(gou)特(te)征：
（1）雙向錯臺何凹凸(tu)鑲嵌的(de)制品接(jie)合方式(shi)構成(cheng)了“迷宮”型(xing)密封帶，消除(chu)了圖(tu)1、2所示結構中存在(zai)的(de)貫通(tong)冷熱面(mian)的(de)連續直線(xian)磚縫，熔融(rong)鐵水難于鉆入到砌體內部(bu)。即使有鐵水滲入磚縫，也會在(zai)錯臺密封帶和1150℃等溫凝結效應(ying)下停滯在(zai)淺表部(bu)位(wei)。
（2）帶有“迷宮”型(xing)密封帶的單層陶瓷墊(dian)(dian)(dian)消除了圖1、2的雙(shuang)層陶瓷墊(dian)(dian)(dian)結(jie)構中(zhong)，貫穿于整(zheng)個爐底(di)平面(mian)上(shang)下層陶瓷墊(dian)(dian)(dian)之間，熔融鐵水(shui)容(rong)易駐(zhu)留(liu)的，并對(dui)上(shang)層陶瓷墊(dian)(dian)(dian)上(shang)頂浮(fu)力的水(shui)平通(tong)縫的技術缺陷，同(tong)時既提高了爐底(di)密封性，又(you)增加了陶瓷墊(dian)(dian)(dian)的功能性厚度。
（3）炭磚與陶瓷杯壁(bi)之間的緩沖密閉層消除(chu)了熱(re)應力(li)的負面(mian)作用，使得陶瓷杯壁(bi)成為一個近于無縫的整體(ti)。
2 “整體式陶瓷杯”的應用
“整體式(shi)陶瓷杯”已經在中國宣(xuan)鋼(gang)、唐鋼(gang)、鞍鋼(gang)、沙鋼(gang)、安鋼(gang)以及巴(ba)西ACOMINAS等公司的(de)(de)大(da)型(xing)高爐(lu)何有效容積超(chao)過4000m3的(de)(de)超(chao)大(da)型(xing)高爐(lu)得到實際應用，取得了預期的(de)(de)技術效果。
上述某(mou)廠3200m3高爐(lu)于2007年9月(yue)8日點火(huo)投產(chan)，一直在較(jiao)高利(li)用系(xi)數下操(cao)作生產(chan)。2009年1月(yue)-2010年12月(yue)，平均利(li)用系(xi)數達到2.485，爐(lu)頂壓力約235kPa。高爐(lu)建設時(shi)，設置了(le)爐(lu)缸、爐(lu)底(di)內襯(chen)溫度檢測系(xi)統，該(gai)系(xi)統采集了(le)高爐(lu)投產(chan)后的內襯(chen)實時(shi)溫度。圖4、5為(wei)該(gai)高爐(lu)2007年10月(yue)-2010年6月(yue)爐(lu)底(di)中(zhong)心和爐(lu)缸根部內襯(chen)中(zhong)的實際溫度分布。
從圖中大量溫(wen)度(du)數據可(ke)以(yi)(yi)看到(dao)，在(zai)3200m3高爐(lu)投(tou)產后(hou)之一(yi)處于較高冶煉強度(du)生(sheng)產的(de)情(qing)況(kuang)下，“整體式(shi)陶瓷(ci)(ci)杯(bei)”很好(hao)的(de)發揮了對炭磚(zhuan)(zhuan)的(de)保(bao)護作(zuo)用，陶瓷(ci)(ci)墊下表面溫(wen)度(du)一(yi)直(zhi)保(bao)持(chi)在(zai)650℃以(yi)(yi)下，“蒜(suan)頭”狀部位插(cha)入炭磚(zhuan)(zhuan)襯體內(nei)的(de)熱電(dian)偶檢(jian)測溫(wen)度(du)一(yi)直(zhi)保(bao)持(chi)150℃以(yi)(yi)下（可(ke)知炭磚(zhuan)(zhuan)的(de)熱面溫(wen)度(du)一(yi)直(zhi)保(bao)持(chi)在(zai)500℃以(yi)(yi)下）。可(ke)見，3200m3高爐(lu)的(de)“整體式(shi)陶瓷(ci)(ci)杯(bei)”在(zai)投(tou)產的(de)3年多(duo)時間里，未曾發生(sheng)異常(chang)(chang)的(de)過度(du)侵蝕(shi)，也沒有出現鐵水滲(shen)透等異常(chang)(chang)情(qing)況(kuang)。
眾所周知(zhi)，爐(lu)(lu)缸內襯(chen)(chen)的(de)侵(qin)蝕(shi)是由以熔融鐵水為主(zhu)，其他(ta)冶煉(lian)產物共同(tong)作用下的(de)多(duo)種形式的(de)聯合侵(qin)蝕(shi)，其最終結(jie)果(guo)直接反映在內襯(chen)(chen)材料(liao)的(de)厚(hou)度(du)變(bian)化(hua)上。內襯(chen)(chen)材料(liao)厚(hou)度(du)的(de)變(bian)化(hua)會直接導致爐(lu)(lu)襯(chen)(chen)熱負荷(he)，也就是內襯(chen)(chen)材料(liao)溫(wen)(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。因此(ci)，在冷卻強度(du)和(he)高(gao)(gao)爐(lu)(lu)冶煉(lian)強度(du)等相對穩定的(de)條件下，當比(bi)較準(zhun)確的(de)獲(huo)得了內襯(chen)(chen)的(de)溫(wen)(wen)度(du)分布(bu)時(shi)(shi)，即可(ke)(ke)利用傳熱理論推測(ce)存留內襯(chen)(chen)的(de)平(ping)均厚(hou)度(du)與侵(qin)蝕(shi)速(su)率。據(ju)此(ci)，根據(ju)上述實測(ce)溫(wen)(wen)度(du)數(shu)據(ju)推測(ce)高(gao)(gao)爐(lu)(lu)投產之后爐(lu)(lu)底陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)墊中(zhong)心(xin)和(he)“蒜頭(tou)”狀(zhuang)部位陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯壁的(de)材料(liao)厚(hou)度(du)變(bian)化(hua)情況，如圖(tu)6、7所示。從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)見，開(kai)爐(lu)(lu)生產近3年(nian)來(lai)，高(gao)(gao)爐(lu)(lu)中(zhong)心(xin)位置(zhi)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)墊的(de)綜合平(ping)均侵(qin)蝕(shi)速(su)率約為3.27mm/月，“蒜頭(tou)”狀(zhuang)部位陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯壁約為3.43mm/月。若考慮侵(qin)蝕(shi)平(ping)衡和(he)有效(xiao)厚(hou)度(du)等因素時(shi)(shi)，預計(ji)“整體式陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)杯”對炭磚(zhuan)給予有效(xiao)保護的(de)時(shi)(shi)間可(ke)(ke)達(da)到15年(nian)以上。
3 結語
（1）炭磚熱面設置“陶瓷(ci)襯(chen)”是(shi)現代(dai)高(gao)爐的(de)長壽技術(shu)之一，它的(de)砌(qi)體(ti)結構(gou)式(shi)制(zhi)約使(shi)用效果(guo)的(de)關(guan)鍵因素。“陶瓷(ci)襯(chen)”的(de)整體(ti)穩定性(xing)、密(mi)閉性(xing)和應對溫(wen)度(du)應力(li)的(de)能力(li)是(shi)“陶瓷(ci)襯(chen)”設計(ji)中(zhong)需要(yao)得到(dao)充分重視的(de)結構(gou)要(yao)素，不容忽(hu)視。
（2）在(zai)現代高(gao)冶(ye)煉(lian)強度生產(chan)的(de)大型(xing)高(gao)爐(lu)情況下，標普型(xing)小(xiao)塊耐火(huo)磚砌筑(zhu)的(de)雙層陶瓷襯和爐(lu)缸(gang)側壁陶瓷襯中(zhong)，直線(xian)連通冷熱(re)面的(de)砌筑(zhu)磚縫不利(li)于充(chong)分發揮“隔絕”作用，整體穩定(ding)性(xing)(xing)較差，有(you)提高(gao)持(chi)續密閉性(xing)(xing)和整體穩定(ding)性(xing)(xing)的(de)技術必要。
（3）“整體(ti)式陶瓷杯”采用(yong)了(le)雙向錯臺、單層陶瓷墊和(he)鑲嵌式側壁以(yi)及應(ying)力(li)釋放、隔離等細部結構技術(shu)，提(ti)高了(le)陶瓷杯的持續穩定性和(he)密閉能力(li)，有效消除了(le)爐(lu)襯(chen)中溫(wen)度(du)應(ying)力(li)的負面影響，能明顯延長現代大(da)型(xing)高爐(lu)的爐(lu)役(yi)壽(shou)命。
（4）某廠3200m3高(gao)(gao)爐(lu)(lu)(lu)采用的(de)(de)(de)(de)“整體式(shi)陶(tao)(tao)瓷(ci)杯”爐(lu)(lu)(lu)缸內(nei)襯，在較高(gao)(gao)冶煉強度的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產條件(jian)下，大量的(de)(de)(de)(de)實際溫度數據證明了該高(gao)(gao)爐(lu)(lu)(lu)爐(lu)(lu)(lu)底、爐(lu)(lu)(lu)缸內(nei)襯的(de)(de)(de)(de)溫度分布良好(hao)，陶(tao)(tao)瓷(ci)杯很好(hao)的(de)(de)(de)(de)發揮了對炭(tan)磚的(de)(de)(de)(de)保護(hu)作用，推測陶(tao)(tao)瓷(ci)杯的(de)(de)(de)(de)綜合平(ping)均侵蝕速率不到3.5mm/月(yue)，預計該高(gao)(gao)爐(lu)(lu)(lu)陶(tao)(tao)瓷(ci)杯可為炭(tan)磚提供(gong)15年以上的(de)(de)(de)(de)保護(hu)。
4 參考文獻
[1] 李(li)貴陽，何汝生(sheng).宣(xuan)鋼9號高爐(lu)陶瓷杯的結(jie)構特性(xing)與使用效果[C]∥河北冶(ye)金(jin)學(xue)會(hui).2008年河北省冶(ye)金(jin)學(xue)會(hui)煉(lian)鐵技術暨學(xue)術年會(hui)論文集.2008:33-38.
[2] 北京瑞(rui)爾非金屬材料有限公司.防(fang)滲(shen)透、抗漂浮的(de)高爐(lu)陶瓷(ci)墊.中(zhong)國(guo)，CN200320101372.0[P].2005.
[3] 北(bei)京瑞(rui)爾非金(jin)屬材料有限公司.可(ke)釋放熱應力的整體式爐缸內襯.中國，CN03249014.3[P].2003.
[4] 北(bei)京瑞爾非(fei)金屬材料有限公(gong)司.一種(zhong)新(xin)型煉(lian)鐵高爐爐底陶瓷墊結構.中國，CN03265928[P].2003.
上一篇：已經沒有了