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                    安全型炉底炉缸结构思路及在高炉上的应用

                    2018-2-1 10:44:39??????点击:

                    安全型炉底炉缸结构思路及在高炉上的应用

                    武会卿1    赵永安2  张晓磊2 李明欢2

                                             ( 1山西建邦集团,侯马,山西 043000 )

                    ( 2河南五耐集团实业有限公司,巩义,河南451250)

                                            

                     

                      要:

                     

                    近年来,高炉炉缸烧穿现象时有发生,特别是一些大中型高炉投产3年左右就出现烧穿的事故,为现场操作埋下了极大的安全隐患,有些已造成人身伤亡事故,更为高炉的安全生产造成了极大的损失。本文结合高炉炉缸的工作环境,分析了高炉炉缸用材料所存在的安全隐患就是炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和强度问题,并针对这一问题提出了新的思路。这一思路从材料和结构上极大地提高了高炉炉底炉缸的操作安全性和长寿性。

                     

                    关键词: 安全长寿   碳复合砖  炉底炉缸结构    

                     


                     

                     


                    目前国内外高炉下部的结构主要有两种形式,一种是全炭炉底炉缸结构,一种是炭砖加陶瓷杯结构。通过对高炉下部长寿机理的分析,对实现高炉下部安全长寿的条件业内有如下共识:

                    1. 高强度的冷却系统;

                    2. 高导热材料(比如炭砖);

                    3. 设计结构;

                    4. 砌筑质量、操作和使用环境;

                    5. 陶瓷杯材料辅助

                    从以上条件来看,除提倡高强度的冷却系统、砌筑质量、操作和使用环境这几个硬件和人为的因素之外,我们认为在炉底炉缸用高导热材料和设计结构上需进一步改进和提高。

                    一.传统导热材料(炭砖)

                    在全炭结构和炭砖加陶瓷杯结构这两种形式中,作为导热材料的炭砖都是主要材料[1]。从19世纪40年代欧洲的高炉试用炭质耐火材料开始,炭质耐火材料的使用改变了高炉炉缸内衬一直使用粘土砖的历史,也大大延长了高炉的寿命。上世纪5060年代我国采用炭块砌筑的几座大中型高炉,炉底寿命长达1015年,炉缸寿命也可达10年左右,1990年前中国绝大多数大中型高炉的炉底和炉缸都使用了炭块[2]。但时至今日,即使采用炭砖加陶瓷杯的结构,大部分高炉的寿命也不足10年。

                    国内外几种炭砖的理化性能见下表:

                    国内外几种炭砖的理化性能 [3]

                    性  能

                    单位

                    日本BC-7S

                    法国AM-102

                    美国NMA

                    国产微孔炭砖

                    国产普通炭砖

                    国产超微孔炭砖

                    体积密度

                    g/cm3

                    1.58

                    1.56

                    1.62

                    1.56

                    1.57

                    1.69

                    显气孔率

                    %

                    13.99

                    17

                    18.86

                    17

                    14.1

                    17.29

                    透气度

                    mDa

                    5.98

                    0.28

                    4.44

                    2.418

                    151

                    0.49

                    氧化率

                    %

                    2.49

                    8.09

                    18.06

                    8.89

                    33.69

                    5.6

                    铁水溶蚀指数

                    %

                    15.79

                    13.46

                    28.18

                    25.65

                    29.2

                    26.77

                    平均孔径

                    μm

                    0.234

                    0.109

                    1.083

                    0.232

                    2.17

                    0.10

                    <1μm孔容积

                    %

                    76.33

                    78.67

                    53.4

                    73.69

                    26.48

                    82.51

                    导热系数

                    室温

                    W/mK

                    7.55

                    8.85

                    4.96

                    6.55

                    3.57

                    20.22

                    300℃

                    11.3

                    11.8

                    11.3

                    11.55

                    3.67

                    22.06

                    600℃

                    12.4

                    14.0

                    16.1

                    13.38

                    5.00

                    24.07

                    800℃

                    12.4

                    15.0

                    16.6

                    13.55

                    5.49

                    22.93

                     

                     

                    原耐压强度

                    MPa

                    46.58

                    29.41

                    29.93

                    43.2

                    40.9

                    45.28

                    后耐压强度

                    MPa

                    51.13

                    37.1

                    32.15

                    55.26

                    24.07

                    54.16

                    强度变化率

                    %

                    +9.77

                    +26

                    +7.4

                    +27.92

                    41.65

                    +19.61

                    体积膨胀率

                    %

                    6.32

                    3.23

                    2.84

                    3.15

                    16.51

                    3.32

                    外观

                     

                    光洁无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    有大裂纹

                    无裂纹

                    评价

                     

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                    (U)

                    (U)

                    差(C

                    (U)


                     

                    炭砖在高炉内的侵蚀机理:

                    铁水溶蚀:铁水对炭的溶解造成炭砖的损坏;

                    氧化作用:CO2  H2O等的氧化作用使炭砖失去强度和抗侵蚀性;

                    铁水冲刷:生产过程中流动的铁水对炭砖的冲刷造成的损坏;

                    碱和渣侵蚀:碱金属以及渣的侵蚀作用造成炭砖脆化、龟裂;

                    热应力的作用:铁水或碱成分向炭砖内部的渗透造成炭砖脆化、膨胀、碎裂;

                     

                    通过高炉炉缸的侵蚀机理、炭砖的侵蚀机理和炭砖的理化性能分析,高炉炉缸的长寿是靠炭砖的高导热性能降低工作面的温度在工作面形成渣铁壳来保护炭砖,这种渣铁壳需要一个稳定的热平衡来保持,如果出现较大的温度波动,将对渣铁壳的形成和保持造成极大的影响,甚至造成渣铁壳的脱落,包括冷却系统出现异常情况达不到冷却效果,炭砖的工作面也就形不成渣铁壳,在这种情况下炭砖的抗铁溶蚀性就成为炉缸长寿的一个重要条件[4]

                    在炭砖在炉缸内的五个侵蚀机理方面,碱侵蚀和热应力的作用,可以通过对炭砖的改进,使炭砖实现微孔化而减小这些作用,但铁水溶蚀性、抗氧化性和抗冲刷性是炭砖固有的顽疾,仅靠对炭砖的改进是不能彻底解决的。因此炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性是制约高炉安全生产的重大隐患。

                    要彻底解决高炉炉底炉缸的安全问题,首先要解决炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性。我们设想:如果让炉缸材料保持炭砖的高导热性,又引入陶瓷杯较好的抗铁溶蚀性、抗氧化性、抗冲刷性,那么这种材料对降低象脚状侵蚀、提高高炉炉缸的安全性、延长高炉寿命将是极为有利的。

                    微孔刚玉砖是目前最好的陶瓷杯材料,抗铁抗氧化性极好,根据这个思路,我们以微孔刚玉砖为基础,在微孔刚玉砖中引入炭进行了试验,得到一种既具有炭砖的高导热性又具有微孔刚玉砖的较好的抗铁溶蚀性、抗氧化性和高强度的材料,因为其既具有陶瓷结合又具有碳结合,因此我们把这种材料叫做碳复合砖,碳复合砖与国内外几种炭砖性能的比较见下表:

                    从指标可以看出,碳复合砖除具有炭砖的较好的导热性外又具有微孔刚玉砖的优良的微孔化性能、抗铁溶蚀性、抗氧化性等,具备了炉底炉缸用长寿材料的条件。

                    碳复合砖与国内外几种炭砖性能的比较

                    性  能

                    单位

                    日本BC-7S

                    法国AM-102

                    美国NMA

                    国产微孔炭砖

                    国产超微孔炭砖

                    碳复合砖

                    体积密度

                    g/cm3

                    1.58

                    1.56

                    1.62

                    1.56

                    1.69

                    2.98

                    显气孔率

                    %

                    13.99

                    17

                    18.86

                    17

                    17.29

                    10.96

                    透气度

                    mDa

                    5.98

                    0.28

                    4.44

                    2.418

                    0.49

                    0-0.63

                    氧化率

                    %

                    2.49

                    8.09

                    18.06

                    8.89

                    5.6

                    0.9

                    铁水溶蚀指数

                    %

                    15.79

                    13.46

                    28.18

                    25.65

                    26.77

                    0.31

                    平均孔径

                    μm

                    0.234

                    0.109

                    1.083

                    0.232

                    0.10

                    0.238

                    <1μm孔容积

                    %

                    76.33

                    78.67

                    53.4

                    73.69

                    82.51

                    80.44

                    导热系数

                    室温

                    W/mK

                    7.55

                    8.85

                    4.96

                    6.55

                    20.22

                    17.34

                    300℃

                    11.3

                    11.8

                    11.3

                    11.55

                    22.06

                    16.21

                    600℃

                    12.4

                    14.0

                    16.1

                    13.38

                    24.07

                    14.27

                    800℃

                    12.4

                    15.0

                    16.6

                    13.55

                    22.93

                    13.78

                     

                     

                    原耐压强度

                    MPa

                    46.58

                    29.41

                    29.93

                    43.2

                    45.28

                    76

                    后耐压强度

                    MPa

                    51.13

                    37.1

                    32.15

                    55.26

                    54.16

                    79.93

                    强度变化率

                    %

                    +9.77

                    +26

                    +17.4

                    +27.92

                    +19.61

                    +5.20

                    体积膨胀率

                    %

                    6.32

                    3.23

                    2.84

                    3.15

                    3.32

                    2.92

                    外观

                     

                    光洁无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    无裂纹

                    评价

                     

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                    二.炉底炉缸结构的问题


                        目前传统的炉底炉缸结构如图1:  

                                       

                                                 1  传统炉底炉缸结构

                    在这种结构中存在以下几个问题:

                    1. 传统陶瓷杯与炭砖的热膨胀存在很大的差异[5],其中的膨胀缝很难掌握,因此极易造成风口上翘、炉壳开裂等现象。如果我们用陶瓷杯就要注意陶瓷杯的热膨胀和抗碱之后的体积膨胀;

                    2. 陶瓷杯的存在对炭砖是一个保护,但陶瓷杯与炭砖是两层结构,陶瓷杯在侵蚀殆尽时,可能在局部突然坍塌又不能快速开成渣铁壳而使炭砖失去保护直接暴露在铁水中,加速炭砖的溶蚀[6]

                    3. 炉底陶瓷垫与周围炭砖间的捣料层是一个薄弱环节,在炉缸出现象脚状侵蚀时,这个捣料层会暴露出来受到铁水的冲刷,在捣料层侵蚀掉之后,铁水就会钻到陶瓷垫下方而使陶瓷垫漂浮。

                    三.安全长寿炉底炉缸的思路

                     

                      有了相应的材料,针对传统炉底炉缸结构的问题我们进行了设计改进和优化(图2、图3):

                     

                           2   炉底炉缸优化设计方案                                               图3   设计方案温度场分布

                     

                    在这个方案中,以上几个问题均得到了解决:

                    1. 所用碳复合砖的导热系数从冷面到热面是一个降低的趋势,这一趋势符合高炉炉底炉缸设计理念,也符合程树森老师等提出的“扬冷避热梯度布砖法的理论”[7]

                    2. 用碳复合砖作为炉缸材料,由于其含有一定的炭成分,其热膨胀系数比陶瓷杯材料大大降低,且是一种材料结构,可以避免风口上翘、炉壳开裂的现象;

                    3. 由于碳复合砖具有较好的导热性,同时既有陶瓷结合又有碳结合,因此极易在工作面形成渣铁壳保护层,由于炉缸是一层结构,在使用过程中不会出现局部突然坍塌而失去渣铁壳保护层的问题。渣铁壳保护是形成永久型炉底炉缸结构的重要条件,也符合武钢宋木森高工永久型炉衬的理论[8]

                    4. 炉底是满铺结构,没有了传统结构中陶瓷垫与炭砖的夹层,消除了一个炉底漂浮的危险因素;

                    5. 炉底三层碳复合砖的应用,把1150℃等温线和800℃等温线完全控制在碳复合砖层内,即使将来炉底有所侵蚀,也不会侵蚀到炭砖,也就是说在整个炉役内炭砖是不接触铁水的,也就避免了炭砖抗铁溶蚀性差的问题。

                    四.安全长寿炉底炉缸应用实例

                    根据以上思路,2007年在山西通才410m3高炉进行了应用(图4)。

                    4   通才2BF 410m3高炉下部设计方案

                    设计方案中除炉底下部采用4层高导热微孔模压炭砖外,其余炉底炉缸均采用碳复合砖砌筑,近似于全炭炉炉缸结构形式。

                    高炉在运行5年多后对炉身上部进行了喷补造衬,在此过程中对炉缸进行了检查。

                                        

                                              5 通才410m3高炉使用5年后炉缸侵蚀情况

                                           

                                             6 通才410m3高炉使用5年多后铁口侵蚀情况

                    在炉缸调查过程中我们发现,整个炉缸只有铁口区有一小范围的侵蚀区,其它炉缸砖均呈原砖面几乎没有侵蚀,铁口区两边下部300mm也没有发现象脚状侵蚀的趋势,风口区结构完整没有上翘,达到了当初的设想(见图5、图6)。炉缸内形成了约200mm厚的渣铁层,渣铁层粘附在炉缸砖面但不很紧密,这一点从清理时渣层呈片状剥落可以得到证实,我们分析这一现象与碳复合砖的微孔化结构和含有一定的炭有关,微孔化阻止了渣铁向砖内的渗透,而炭与渣铁的不润湿性也降低了渣与砖的粘连。

                    20131月,通才邀请国内知名专家采用计算机“高炉炉缸内衬侵蚀状态自动诊断监测系统”对该公司包括2#1#两座同级别的高炉进行了炉缸炉底侵蚀分析,其中2#炉(碳复合砖新型结构)运行5年半,1#炉(炭砖+陶瓷杯结构)运行27个月,结果如下图7、图8、图9、图10.

                     

                     

                     

                     

                     

                    从图7和图9可以看出2#炉炉底炉缸侵蚀为锅底型+炉缸侧壁圆角侵蚀,侵蚀量中等。炉缸西南方位内衬平均剩余厚度为700mm。当前,炉缸炉底均处于安全状态。

                    从图8和图10可以看出1#炉底炉缸侵蚀为锅底型+蘑菇型侵蚀,侵蚀量均较大。铁口方位第1段冷却壁上部最小剩余厚度240mm。鉴于炉缸侧壁侵蚀量已严重,安全系数已较小,基本达到了停炉大修界限。

                    据以上分析,采用传统的炭砖+陶瓷杯结构的1#炉经约3年运行即进入大修期,而采用该安全型炉底炉缸结构的2#炉经过实际测量及采用计算机自动诊断监测系统进行分析,可望突破20年的使用目标,显示出了极好的安全性和长寿性。

                    语:

                    1. 高炉炉底炉缸材料应提倡微孔化结构,材料的微孔化有利于抵抗渣、铁、碱蒸汽的渗透侵蚀。

                    2. 采用碳复合砖作为炉底炉缸材料代替炭砖,彻底解决了炭砖的抗铁溶蚀性差、抗氧化性差和不耐冲刷的问题,可以在相同条件下大大提高炉底炉缸的安全性,减小或消除象脚状侵蚀现象,显著延长高炉寿命。

                    3. 新的设计结构消除了传统方案中夹层的问题,使炉缸形成一个整体,有利于结构稳定,炉底满铺有利于防漂浮效果。如果采用陶瓷杯应注意其热膨胀系数和抗碱之后的膨胀。

                    4. 影响高炉安全生产的因素还有很多,比如:炭捣料的质量、施工质量、气隙热阻层的影响等等,我们也将进行相应的关注和研究,并希望得到有关专家的支持和帮助。


                     


                     

                    [1]  王筱留、左海滨,2012全国炼铁用耐火材料技术交流会,2012,P8.

                    [2]  中国百科网--http://www.chinabaike.com/z/yj/868434.html

                    [3]  张寿荣,于仲洁等,武钢高炉长寿技术[M]. 北京:冶金工业出版社,2009P83.

                    [4]  许  俊、邹忠平、胡显波,2012全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集下,2012,P760.

                    [5]  宋木森、卢正东,2012全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集下,2012,P109.

                    [6]  汤清华、王筱留,2012全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集下,2012,P92.

                    [7]  程树森、赵宏博等,中国金属学会炼铁分会高炉设备设计学术委员会2010研讨会论文集,2010,P114.  

                    [8] 宋木森,中国金属学会炼铁分会高炉设备设计学术委员会2010研讨会论文集,2010,P552.  


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