高炉自焙炭块-陶瓷砌体炉缸结构的优化

　　我国从20世纪60年代开始在高炉炉缸部位应用炭质耐火材料3当时采用综合炉底，炉缸环形侧壁采用大炭块。1985年以后，由于高炉强化冶炼，炉缸炭块质量仍然停留在60年代的水平上，导致篼炉炉缸的使用寿命大幅度降低，一般在45年左右，严重地影响了钢铁企业的生产发展。鞍钢在研究分析自焙炭块在中小高炉成功应用的基础上，结合大高炉的生产特点，开发出了自焙炭块-陶瓷砌体炉缸内衬结构，于1992年一季度鞍钢7号高炉（2 580m3）进行完善性大修时应用。鞍钢7号篼炉应用成功后很快在全国推广，其中绝大多数篼炉的寿命达到了设计目标，并且取得了强化冶炼、节能降耗的综合效果，但也有个别高炉没有达到预期目标。生产实践表明，自焙炭块-陶瓷砌体炉缸内衬结构还存在一些不足，需要改进。在总结分析了多座高炉的应用情况的基础上，我们提出了更*18*能适应高炉操作条件的炉缸复合内衬新结构。新结构方案既能满足篼炉长寿的需要，又不使耐火材料的功能过剩，可以*大限度的降低新建或大修高炉的投资。

　　2生产实践鞍钢7号高炉于1992年一季度进行完善性大修时采用自焙炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬结构，5月25日开炉，至2002年3月已生产10年，共产生铁1335万t.其间经历过4次打水停炉进行年修或中修（合计停炉151天）。虽然打水停炉对炉缸的炭质内衬会产生很大的破坏作用，但现在炉缸冷却壁水温差正常，表明炉缸工作正常。综合研究分析认为，自焙炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬结构的技术核心有如下几点：自焙炭块和陶瓷砌体必须顶紧砌筑，其中接触面的三角缝越小越好，并用粘结性能好的树脂-SiC胶泥填充，在砌筑时就确保自焙炭块和陶瓷砌体紧密地组成一个砌筑整体。开炉后陶瓷砌体首先受膨胀，并把热量传导给自焙炭块，自焙炭块升温后在焙烧过程中受挤压变形时使接触面的三角缝进一步缩小，完成焙烧后和陶瓷砌体形成有炭连接的紧密砌体。

　　如果砌筑时不是顶紧砌筑，当局部砌筑缝隙超标，再加上自焙炭块焙烧后的热收缩，将导致砌筑缝隙进一步增加，一旦有铁水渗透后积聚将发生异常侵蚀。因此，施工质量也是保证该技术成功的关键。

　　开炉后，自焙炭块在逐渐完成焙烧的过程中，由于存在“准可塑”阶段，因此可以消除热应力产生的各种破坏作用。由于陶瓷砌体首先受热膨胀，热膨胀结束时自焙炭块还没有完成焙烧，因此，这种结构不仅能完全吸收陶瓷砌体的热膨胀，而且还可以提高自焙炭块“焙烧”后的致密度。

　　2.1自焙炭块焙烧过程中的变化机理'炉缸内衬砌体，在篼炉这种一端承受温（1.500C左右），另一端被冷却的条件下，沿径向必然存在着很大的温度梯度。陶瓷砌体层直接和高温煤气及液态渣铁接触，整个砖体的工作温度在9501500C的范围内，此温度范围可称为高温区。自焙炭块砌体一端与陶瓷砌体层接触，另一端与冷却壁接触，因而其工作温度在95050C的区间内。按照自焙炭块在焙烧过程中的变化机理，将自焙炭块在炉缸内的工作温度区间划分为三段：在950650C的区间（可称为次高温区）里，自焙炭块在生产过程中能够完成“焙烧”，所以称为焙烧段；在650200C的区间（中温。区）里，自焙炭块中的挥发分已大部分挥发，但又没有完成“焙烧”，因此称为过渡段；在20050C的区间（低温区）里，自焙炭块结合剂中的挥发分虽然已少量挥发，但仍然保持砌砖时的状态，所以称为原始段。

　　域内，具备完成“焙烧”的温度条件，结合剂焦化后形成碳的网络结构，因而使自焙炭块具备了焙烧后的所有性能。

　　过渡段。自焙炭块在200650C的温度区域内，结合剂中的挥发分已经大部分挥发，佴又没有焦化后形成碳的网络结构。此时的自焙炭块不仅高温强度偏低，同时气孔率也较高，从而导致各种使用性能降低。

　　（3原始段。靠近炉缸冷却壁的自焙炭块，因其工作温度小于200C，结合剂中的挥发分虽然有少量挥发，但基本上仍然处于砌筑时的状态，只起构成炉衬整体结构和热传导的作用。

　　由于过渡段和原始段抵御铁水渗透的能力比焙烧段低，当铁水积聚多了以后，便会穿透过渡段同原始段接触，造成炉缸冷却壁水温差升高，从而为自焙炭块-陶瓷砌体复合内衬结构中的薄弱环节。高炉容积越大或冶炼强度越高，这种弱点表现越明显。

　　3.2应用分析采用自焙炭块-陶瓷砌体复合内衬结构的鞍钢4号高炉于1993年7月开炉，到1998年下半年炉缸就出现了异常变化。我们进行综合分析后认为，除自焙炭块本身性能所存在的不足外，还有其他原因，如：死铁层深度不够；自焙炭块和陶瓷砌体没有顶紧砌筑；陶瓷砌体层厚度345mm，对1高炉来说有些偏大，因而从开炉到停炉，自焙炭块与陶瓷砌体层接触面的温度始终没超过800C，影响了自焙炭块的“培烧”，造成自焙炭块的过渡段长度增加，使自焙炭块自身存在的薄弱环节进一步加重。鞍钢10号高炉（2580m3）炉缸结构形和4号篼炉基本相同。1995年2月开炉至今，一切正常，没有出现异常现象。除死铁层厚度增加外，陶瓷砌体和自焙炭块是顶紧砌筑的，其接触面g测温点温度开炉半年后达到了850C以上。自焙炭块和紧贴冷却壁砌筑的焙烧SiC-C砖接触面的温度也在500 600C的范围内，从而使自焙炭块整体处于500850C的区间里，使自焙炭块的焙烧段长度增加，过渡段缩短，提高了抵御铁水渗透侵蚀的能力。

　　有些中小篼炉，采用全自焙炭块的炉缸内衬，开炉后不久自焙炭块便直接和高温煤气及液态渣铁接触，有利于自焙炭块的“焙烧”，所以过渡段很短并靠近冷却壁，因此能充分发挥自焙炭块的优点。尽管仍然存在过渡段，但因过渡段较短，又靠近冷端，所以没有成为薄弱环节。在自焙炭块陶瓷砌体复合炉缸内衬结构中，自焙炭块不直接与液态渣铁接触，在陶瓷砌体层的保护作用下，热端温度降低，“焙烧”条件发生改变，不利于自焙炭块的“焙烧”，因而过渡段相对较长。在高炉正常生产时的篼温状态下，自焙炭块的过渡段虽然强度相对于焙烧段低一些，但仍然具有一定的强度及热传导能力。

　　我们认为，对于没有达到预期目标的高炉，也是由多方面的原因造成的，高炉长寿技术是一项系统工程，应该进行具体分析，而。不能以点代面全面否定自焙炭块-陶瓷砌体炉缸内衬结构。，3炉缸内衬新结构技术方案‘鉴于自焙炭块-陶瓷砌体复合内衬结构中自焙炭块存在着过渡段的薄弱环节，有的厂家改为焙烧炭块（或模压焙烧小块炭砖）-20陶瓷砌体炉缸内衬结构。对焙烧炭块（或模压焙烧小块炭砖）-陶瓷砌体炉缸内衬结构进行全面研究分析后发现，还存在以下不足：焙烧炭块-陶瓷砌体复合炉缸结构中，使焙烧炭块产生“环状断裂”和“脆化层”的温度被控制在陶瓷砌体层内。当陶瓷砌体层被侵蚀掉以后，炭块直接接触铁水，那么，焙烧炭块产生“环状断裂”的可能性依然存在，只是发生“环裂”的时间向后推移了。

　　焙烧炭块和陶瓷砌体在砌筑时，是边长250400mm的多边形与边长150mm的多边形衔接。陶瓷砌体和炭块之间的三角缝在正常情况下达3mm以上，如果施工质量不能保证，其接触面缝隙更大。这种结构方案及施工问题就为生产留下了隐患，因此，还需要进行改进和完善。

　　目前国内生产的模压小块炭砖质量低于美国UCAR公司的热模压炭砖（NMA），同时，胶泥的质量更低于UCAR公司的C-34和C-49.当有铁水渗透过陶瓷砌体层后，便会从模压小块炭砖的砌筑缝隙中继续向外渗透。因此，也难以确保高炉长寿。

　　炭块（包括模压小块炭砖）与陶瓷砌体的接触面所形成的从上到下的通缝，降低了砌体的径向结构强度。一旦铁水从陶瓷体层的砌缝中渗透过去，便会在陶瓷砌体和炭块接触面的缝隙中聚积，形成铁水的夹层，使炭块直接承受1400C以上的高温。同时，聚积的铁水还会将陶瓷砌体层破坏掉。

　　当铁口或铁口以下部位的陶瓷砌体被侵蚀掉以后，上面的陶瓷砌体失去支撑，会很快脱落，不利于延长陶瓷砌体的使用寿命。

　　针对炭块-陶瓷砌体复合内衬结构中存在的薄弱环节，在总结鞍钢7号和10号等100余座高炉成功应用炭块-陶瓷砌体复合内衬结构经验的基础上，我们提出了高炉炉缸复合内衬新结构（如所示）技术。

　　在结构设计上：充分发挥各种材料的优势，克服其不足；按炉缸内衬不同部位工作条高炉炉缸复合内衬新结构件的不同，选择不同性能、不同档次的耐火材料并搭接咬合顶紧砌筑。这样，不仅彻底解决了炭块和陶瓷砌体接触面缝隙超标后容易钻铁并积聚的薄弱环节，同时还提高了砌体的纵向和径向结构强度；既可避免功能过剩，又能降低工程成本，成为完全利用国产耐火材料达到世界高炉长寿先进目标的新结构技术。新结构具有如下优越性：模压微孔自焙炭块，不仅能保证自焙炭块完全焙烧，还可以充分发挥自焙炭块能够消除热应力的优越性。篼炉开炉48h以后，陶瓷砌体层就形成了比较稳定的温度梯度。自焙炭块在这种特殊条件下完成“焙烧”的过程中，在“准可塑”阶段能有效地吸收不同耐火材料因膨胀率不同所产生的剪切力和温差应力，从而消除了对内衬砌体的破坏作用。当陶瓷砌体的*大热膨胀率为*6%时，两层砖（150mm）的热膨胀0* 9mm完全可以被自焙炭块的受热变形及砖缝所吸收。这样不仅完全消除了原结构中存在着上下通缝的缺陷，还在提高整体炉衬高温结构强度的同时，又有效地防止了液态渣铁渗透到陶瓷砌体和自焙炭块的接触面中对陶瓷砌体和炭块产生破坏作用。

　　在炉缸内衬砌体中靠近冷却壁的低温区和中温区选用焙烧炭块，这样就彻底消除了自焙炭块-陶瓷砌体复合内衬结构中存在着低温区和中温区不能焙烧的薄弱环节，同时也提高了整体炉衬的导热能力。

　　微孔自焙小块炭砖和陶瓷砌体砖咬合砌筑，自焙炭块在完成焙烧的过程中，自焙炭块的挥发分必然充填陶瓷砌体中的气孔，在高炉内高温、高压及还原性气氛的影响下，有碳的析出并沉积在气孔中，不仅堵塞了一部分气孔，而且还起碳连接作用，同时又提高了陶瓷砌体的抗碱性和抗渣铁熔蚀能力。这是焙烧炭块所不具备的。即使部分前端的陶瓷砌体被熔蚀掉，由于微孔自焙炭块陶瓷砌体是咬合砌筑的（相当于镶砖冷却壁中的镶砖），仍然可以继续发挥部分陶瓷砌体的功能，并有利于形成稳定的凝结保护层。

　　4结论自焙炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬技术，符合我国中、小高炉多的国情。对实践中存在的问题，需要认真总结，进一步改进和提高。

　　在炉缸内衬砌体的低温区和中温区采用焙烧小块炭砖，可解决自焙炭块-陶瓷砌体复合内衬结构中这些部位的自焙炭块不能焙烧的问题。

　　自焙炭块和陶瓷砌体砖搭接咬合顶紧砌筑，不仅消除了砌体结构中从上到下的通缝，而且通过自焙炭块的焙烧可消除陶瓷砌体层和炭块接触面间缝隙超标后容易钻铁的隐患，满足高炉强化冶炼的需要。

　　通过选用国产陶瓷砌体层、自焙炭块和焙烧炭块在炉缸内衬结构中合理配置，不仅可以实现篼炉长寿，而且还能节省投资。

　　（责任编辑刘菁）（114021）辽宁省鞍山市鞍钢集团设计研究院：2002