太钢高炉炉底炉缸长寿探讨

　　200m3）采用自焙炭砖和陶瓷杯炉缸炉底，至今已运行7年半，炉身下部炉壳多处开裂，炉内耐火材料侵蚀严重，特别是风口区砖衬几乎全部被侵蚀掉。关于何时停炉大修，如何大修的决策，需要对3号高炉的炉缸、炉底侵蚀状况进行模拟计算。为此，太钢委托北京科技大学，对太钢3号高炉2005年1月21日之前炉缸、炉底砖衬侵蚀状况进行模拟计算，并在此基础上模拟计算了不同导热系数炭衬、死铁层深度和死料柱焦炭粒度等情况下的温度场及流场分布，并得出炉缸炉底长寿的若干推论，对评价目前侵蚀状况和护炉及未来太钢长寿高效高炉的建设提出若干意见。

　　2太钢3号高炉炉缸炉底侵蚀计算2.1炉底炉缸铁水流动侵蚀计算炉底炉缸铁水流动侵蚀的数学物理模型。

　　由质量守恒方程、动量守恒方程、湍动能方程和湍动。16.能耗散方程联立求解可得炉缸内铁水流动的速度分布，用厄根方程描述死焦层作为填充介质对铁水流动的阻力影响。

　　炉底炉缸铁水流动侵蚀计算结果。若将炉缸加深1.2m，铁口高度变为3. 2m，整个炉缸高度为5.2m，炉缸加深后，距离炉底0.1m处的铁水流量较少，流速变慢，铁水环流量减少，对炉底的冲刷侵蚀减弱。可见，适当加深炉底深度能够起到保护炉底的作用。

　　22温度场计算炉缸炉底二维非稳态导热模型。应用柱坐标系下的带有凝固潜热的二维非稳态温度场计算模型对高炉炉缸温度场进行模拟，其控制方程为：Cp铁水的等压热容。

　　温度场计算结果。炉缸炉底不同位置的热电偶标号、标高、插人深度和历史*高温度见表1.根据3号高炉热电偶历史*高数据及热电偶安装位置，通过软件计算确定了115丈等温线位置，即炉缸炉底侵蚀位置。

　　表1自铁口沿顺时针方向角度的部分热电偶的参数角度，标号标高，mm插人深度，mr n*高温度，t铁口-i①自铁口沿顺时针方向不同角度剖面的温度场及等温线图。、2分别为°的剖面的温度场和等温线，这是通过调整导热系数及侵蚀厚度，在计算过程使热电偶所在测点的温度值与实测值基本吻合得到的。

　　中曲线为不同温度的等温线，其中1150T等温线决定了侵蚀线位置及剩余厚度。给出的等温线分别为235丈、3031、781.从中可见它们通过相应的热电偶测点。

　　000mm的热电偶，位于离铁口很近的炉缸上部，侵蚀情况要明显严重与其他剖面，而且该剖面的炉底炭砖剩余厚度比其他地方薄100mm，在此区域铁水流动比较剧烈，受出铁生产影响很大，也是侵蚀严重的原因。标高6133mm的热电偶，插人炉缸深度达到700mm，但温度很低，这可能是由于在炉缸拐角处形成了低导热性的渣铁壳，所以尽管此剖面的炉缸上部侵蚀比较严重，热电偶温度高于其他剖面，但炉缸拐角处的温度因渣铁壳的影响而要小于其他剖面。标高3 000mm的热电偶，温度达到了781，可能是由于炉底渗铁炭砖的导热系数升高，炉缸靠近铁水端内的温度线下移，靠近铁水的炭砖层内温度升高，在炉缸底部因自焙烧炭砖导热系数较低，使热量不能顺利地被冷却水带走，所以造成了炉底接近冷却系统处的温度升高达到781.经过计算分析此剖面，可得炉底剩余炭砖高度2155mm，炉缸剩余炭砖厚度自上而下变大，*薄处410mm，*厚处2 150mm，其中标高7 537处炭砖剩余厚度为490mm.线。、给出了251，2391，132T等温线。从中可见它们通过相应的热电偶测点。

　　在标高6133mm处的1-1-13热电偶，插人炉缸深度较大，达到了7mm，但温度却很低只有251这是由于在靠近炉缸底部的拐角处可能形成了低导热性的猹铁壳，降低了炉缸拐角处的温度，通过259.41.剖面上热电偶的等温线同时使炉缸底部炭砖剩余厚度较大，经计算*多达到了1740mm，这就形成了异常的在炉缸中上部侵蚀线凹进去，而在炉缸底部剩余炭砖厚度较大的侵蚀轮廓。其中，标高7537mm处剩余炭砖厚度为980mm，炉底剩余炭砖的高度为2②自铁口沿顺时针方向不同角度炭砖厚度变化情况。把死铁层分为1层，分别对自上而下的1层高度，建立炭砖厚度与自铁口沿顺时针方向的角度的变化关系图，水平坐标以铁口中心为起点，沿顺时针方向的角度（°）；垂直坐标为炭砖厚度（m），作出不同高度下炉缸炭砖厚度随角度变化，如、所示。

　　第三层炭砖厚度随角度变化图~8500mm，炉缸剩余炭砖厚度在铁口处*小，然后沿顺时针方向逐渐升。18.高，在约110.左右时达到*大，然后波动降低，再逐渐升高，在约290.时达到另一个峰值，然后在靠近铁口处又迅速下降。

　　~7443mm，炭砖厚度随角度变化的关系大体相同，但铁口所在剖面的°角对应的剩余炭砖厚度自上而下增加的程度要大于其他角度剖面的剩余炭砖厚度的增加程度，相应的铁口所在的0剖面炭砖被侵蚀掉的厚度降低的程度就大于其他角度的剖面。箭头所指的259.41所对应的点，即前面分析过的包括5-1，5 -2，11-13热电偶所在的剖面的炭砖厚度值，在标高6747 ~7443mm被侵蚀严重，炭砖剩余厚度远小于其他角度的剖面，所以在炭砖剩余厚度随角度变化关系曲线上，259.41所对应的值大幅度降低。

　　在标高6515~6747mm，该点所对应的剩余炭砖厚度值又开始上升，即此剖面的侵蚀线倾斜程度要大于其他剖面，炭砖剩余厚度值又相应上升。

　　3异常情况对侵蚀的影响铁水温度升高对侵蚀的影响。计算表明，铁水温度升高loot时对炉缸炉底的温度场并没有太大影响，主要原因是因为死铁层深度已达到3.2m左右，此时铁水流动也较缓慢，其等价的铁水的导热系数也较小，热阻较大，所以铁水温度的升高对炉缸炉底温度场的影响并不明显。

　　铁水流速对侵蚀的影响。当铁水流动增强时，由于铁水强烈的掺混，铁水内部温差减小，因此可将铁水的流动产生的对流传热等价为铁水导热系数的升高。由、比较可知，1 3501和1150等温线都受到很大影响，在炉缸炭砖较薄的地方，13501等温线都已经进人热面炭砖层，这说明炭砖热面已接触到炙热的铁水，侵蚀势必继续进行。在高的铁水流速下，11501等温线离热面距离更远，遭受侵蚀更容易。两图相比较，200 ~400尤等温线变化不大，这说明铁水的流动对低的等温线影响不是很厉害，因此安装较浅的热电偶难以测出。

　　只有当炉缸炉底被侵蚀后热电偶才会有变化。

　　炉缸炭砖环裂的影响。炉缸炭砖环裂，出现气隙，导致炉缸导热系数降低，热阻增大，炉缸靠近铁水部分的温度梯度加大，内部温度分布更加不均匀，由此产生的热应力更大，对炉缸的破坏性增大。

　　通过计算可知，炭砖环裂时炉缸炭砖层厚度和无环裂发生时（、0）相比，降低明显，平均减是因为渗铁后炉底变厚，热阻增加，等温线出现上小340mm.尽管炉缸炭砖层内因环裂，导致炭砖导热系数降低，但由于其厚度变薄，所以热阻变化不是很大，13501等温线仍远离炭砖的热面，而1150线也仅是刚进入了炭砖热面一点，可见适当薄的炉缸炉底可以通过更好程度地发挥冷却系统的作用，起到延缓侵蚀的作用。反之，炉缸炉底过厚，炭砖会很迅速地被侵蚀掉，直到炭砖厚度和冷却系统的搭配比较适当时，1350尤和1150丈等温线都被推到炭砖热面以外，侵蚀才会停止或减缓。

　　炉底渗铁影响。如果在高炉生产中炉底发生渗铁，因铁水的密度远大于自焙烧炭砖，所以渗入炉底的铁水沉积在炉底，导致炉底炭砖层的导热系数升高，与同一切面的炉底无渗铁的情况（、1）相比，有渗铁时炉底的剩余厚度为3055mm，比没有渗铁时的炉底厚度增加了近800 mm，这是由于渗铁层导热系数提高，导致炉底上方凝结一层渣铁层所致。

　　从与1比较可以看到，炉底有渗铁时，炉底渗铁层的等温线上移，炉底温度降低明显，这移。4侵蚀状况分析及若干推论4.1死铁层厚度及流动侵蚀由于3号高炉炉底较厚，死铁层较浅。刚开炉时，1150及1350等温线均在陶瓷杯内，所以*初侵蚀较快。当陶瓷杯被侵蚀完后，随着侵蚀的不断加深，1350等温线逐渐进人炉缸铁水中，1150X逐渐靠近炭砖热面，侵蚀减缓。

　　模拟计算表明，当炉缸内存在中心死料柱时，会形成边缘环流，造成对炉缸侵蚀当死料柱焦炭颗粒加大，孔隙率变大时，边缘环流减弱，通过中心区域的铁水流量增加，减弱对炉缸侧壁的侵蚀，有利于保护炉缸炉底。当死料柱“浮起”，形成较为狭小的速较快，对炉底的侵蚀加重。加深炉缸深度时，炉底区域附近的铁水流量变少，流速减慢，对炉底的侵蚀减弱，有利于保护炉底。通过模拟不同深度死铁层深度的流场和温度场，得出的结论是：死铁层深度达到炉缸直径的25%35%，可以缓解铁水流动造成的“蒜头”状侵蚀。

　　减缓侵蚀的对策。鉴于目前陶瓷杯已侵蚀完全，如果能够将1150T等温线推离炉底，那将是安全的，但由于自焙烧炭砖的特点，目前1150T等温线在炭砖热面，在该种情况下要想延长篼炉炉缸炉底寿命就应减缓深死铁层流动，需要稳定高炉操作特别是保障焦炭质量。

　　新设计高炉时，对于“环蚀”蒜头状，同样可以采用加强冷却的办法，即减薄炉缸炭衬或提高炭衬导热系数的办法解决。是否可以在铁口以下1 m处用导热系数4W/（mK）左右的，8mm厚的炭砖砖衬，由于铁水的凝固，“环蚀”现象会自动消失。

　　减小铁水“环流”可以靠减小铁水的阻力来解决，即增大死料柱的孔隙度，但这在操作上难以办到。是否也可以通过增大死铁层周壁的阻力来解决，将死铁层周壁用一块长1.2m，―块长lm的炭砖交错砌-；' ~~图丨2不同导热系数砖衬的炉缸炉底1150等温线位置成犬齿状，或者炉缸冷却器交错使用铜冷却器及铸铁冷却器，由于冷却强度的不同在炉缸内部的凝固层便会成为犬齿状，这也会增大铁水流动的阻力。

　　也许有人认为，这犬齿状的砌体马上会被冲刷平。我们认为如果这部分铁水温度已达到1150 ~1250T，它将没有多大的冲刷能力。

　　推论1：炉缸死铁层深度达到炉缸直径的25% ~35%，可以缓解铁水流动造成的“蒜头”状侵蚀。

　　推论2：改善焦炭的反应后强度，有利于减弱铁水对炉缸侧壁的冲刷。

　　推论3：凡是增大死铁层周壁铁水流动阻力的方法，都有利于减弱铁水对炉缸侧壁的冲刷。

　　4.2自焙炭砖导热系数由于自焙烧炭砖的导热系数随石墨化率的提高而提高，而石墨化率则随着温度的升高而升高。由于越接近炉缸炉底冷面的自焙烧炭砖温度越低，其导热系数越小，这就相当于在冷却系统与炉缸炉底热面之间有一绝热层，使得冷却系统难以发挥作用。

　　2是不同导热系数砖衬的炉缸炉底1150等温线位置模拟计算结果，在导热系数矣7W/（mK）时，1150等温线已深入到炭衬内部，在导热系数>25W/（m.K）时，1150等温线只在炭衬热面上下，即铁水在炭衬热面上下即已冻结。

　　由于炭质及石墨材料的导热系数随温度升高而增大，因此设计长寿炉缸炉底时，应把导热系数较高的石墨或半石墨砖砌在紧贴冷却器（侧壁冷却壁及炉底水冷管）的位置，把导热系数相对低一些的炭砖宠在靠近铁水的位置，既有利于高效传热使炭砖热面稳定形成渣铁凝聚物，同时也可以降低筑炉成本，达到事半功倍的良好效果。

　　推论4：为确保炭衬热面冻结渣铁凝聚物，炉缸炉底的炭衬综合导热系数>25W/（mK）。

　　：炉缸炉底不同位置炭衬的导热系数应与温度负相关。

　　4.3自焙烧灰砖的相对伸长量随温度变化自焙烧炭砖的相对伸长量随温度升高，而成直线上升。由于自焙烧炭砖的内部温差较大，热面在10001，冷面在100，温度分布不均，相对伸长量不相同，容易出现碎裂，碎裂导致炭砖导热系数降低，侵蚀加剧。

　　4.4炉缸炉底冷却能力的分析>炉底各层热阻计算数据见表2.表2炉底各层热阻计算数据炉底结构热阻，K各层热阻百分比，陶瓷垫炭砖上填料层钢板填料层冷却水管冷却水（35尤）从表2中各热阻百分比可知，陶瓷垫的导热热阻占51.6%，因而认为陶瓷垫热阻是炉底冷却的限制性环节。同时炭砖与填料层热阻所占百分数为25.8%、22.4%，这对冷却管的冷却能力也有不小的影响，特别当陶瓷垫被侵蚀变薄后热阻变小，炭砖与填料层有可能成为新的限制性环节。

　　当各层的厚度与导热系数不变的时候，影响冷却的因素就只有冷却水的速度。随着冷却水流速的增大，对流换热热阻减小，炉底冷却增强。但由于其热阻只占总热阻的0.04%左右，用其增大炉底冷却相当有限。

　　（2）改善炉缸炉底冷却的对策。理论计算和实践结果表明，目前冷却效果由高到低的顺序是：钻孔铜冷却壁>钻孔钢冷却壁―铸钢冷却壁―低铬铸铁冷却壁。由于铸铁冷却壁不可避免地在铸铁和水管之间要形成。

　　1mm以上的高热阻间隙，影响了炉内热量向外传递。钻孔铜冷却壁内冷却水与铜直接接触，从根本上解决了高效传热问题，因此设计15年以上高效长寿高炉，在炉缸推荐使用部分钻孔铜冷却壁，特别在铁口区域应积极采用钻孔铜冷却壁，在炉缸侧壁可以与钻孔钢冷却壁或铸钢冷却壁间隔布置，以降低建设成本。

　　经优化设计的扁孔水道钻孔铜冷却壁的总厚度可以减少到铸铁冷却壁厚度的60%左右，冷却壁高度可以达到3m左右，相同炉墙的冷却面积需要铜的质量是铸铁质量的60%左右，而且允许冷却壁前端的砖衬厚度减薄，综合建设成本其实并没有增加多少，而冷却效果却大大改善，是长寿高效高炉炉缸炉底冷却器的*佳选择。

　　炉缸侧壁高导热石墨或半石墨砖应与冷却器紧贴砌筑，不采用冷却器与炭砖之间的炭捣层，炭捣料的导热系数大大低于石墨砖，是炉缸侧壁传热的限制环节，太钢2号、4号高炉炉缸侧壁温度高主要原因之一，就是冷却器与炭砖之间的炭捣层热阻大造成的。

　　炉底水冷管*好镶嵌在两层石墨砖之间，下层石墨砖表面开槽，将水冷管埋在槽内，用石墨质捣打料填平磨光，上面再宠一层石墨砖，这样可以避免以往水冷管之上设置找平层导热系数低限制传热的问题，找平层应设置在水冷管以下。

　　炉底炉缸的冷却水应采用软化水或纯水，冷却水流速应具有可调节手段和设计余量，一般情况下炉缸、炉底冷却水流速1. 5m/S即可达到较好的冷却效果，过高的流速水泵能耗过高，强化冷却主要靠低热阻（无气隙、高导热系数）冷却器和经优化设计的综合高导热砖衬来实现。

　　散热问题。有人担心炉缸炉底的强大冷却会不会对铁水的热量散失造成大的影响呢，这也是没有必要担心的，高炉解剖告诉我们，从炉缸炉底凝固层的组成看，它差不多是一层绝热层。由此可见，增大炉缸炉底的冷却强度，不但能够延长其寿命，而且也不会造成其热量损失。

　　形成冻结层固然重要，保证冻结层的长期存在更为重要。高温是冻结层存在的限制性环节，为了使冻结层长久存在就必须使冻结层的温度低于其受侵蚀的温度。一方面需要应用传热学理论，建立炉缸炉底温度场数学模型，通过模型计算，来优化配置炉缸炉底的耐火材料；另一方面要限制环流，特别是纵向环流，维持铁水内部的温度梯度。

　　5结语高炉长寿技术是综合技术和系统工程，设计高炉时应用温度场、应力场、流体力学等数学模型W计算优化设计，可以达到事半功倍的良好效果。

　　国内开发的柱坐标系下的带有凝固潜热的二维非稳态温度场计算模型不仅可以应用于优化高炉设计，还可以更准确地进行高炉炉缸炉底的侵蚀预报。