王　冰，孟淑敏，賈利軍，陳　誠，李慶洋

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

高爐爐底、爐缸新型耐材及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王冰，孟淑敏，賈利軍，陳誠，李慶洋

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸設(shè)計(jì)時(shí)選用了一種新型耐火材料——“碳復(fù)合磚”，該新型耐材兼顧傳統(tǒng)炭磚和陶瓷杯材料的雙重優(yōu)點(diǎn)，既有炭磚優(yōu)良的導(dǎo)熱性和傳統(tǒng)陶瓷杯材料的抗鐵溶蝕性、抗氧化性，又克服了它們各自存在的不足。實(shí)踐證明，這種新型耐材及其結(jié)構(gòu)的使用，有利于提高高爐爐底、爐缸結(jié)構(gòu)的安全性以及實(shí)現(xiàn)高爐高效、長壽的目標(biāo)。

新型耐材；爐底；爐缸；碳復(fù)合磚；長壽

目前，大部分高爐傳統(tǒng)爐底爐缸結(jié)構(gòu)為炭磚+陶瓷杯或全炭磚結(jié)構(gòu)。山西通才3#1 300 m3高爐設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合通才原燃料條件和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過充分分析高爐爐底爐缸工作條件和侵蝕機(jī)理，有針對(duì)性地選用了一種新型耐火材料——碳復(fù)合磚，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)一步優(yōu)化完善了爐底爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，提高了磚襯的穩(wěn)定性。3#1 300 m3高爐于2012年7月13日建成投產(chǎn)，投產(chǎn)至今高爐穩(wěn)定順行，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)行列。

1　碳復(fù)合磚的研發(fā)背景介紹

半個(gè)多世紀(jì)以來，現(xiàn)代高爐長壽經(jīng)歷了幾個(gè)重要的發(fā)展歷程，高爐長壽技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，已使現(xiàn)代高爐壽命達(dá)到了20年以上的技術(shù)水平。

近年來，隨著高爐原燃料的改善，銅冷卻壁，軟水密閉循環(huán)等先進(jìn)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，爐腹以上的冷卻壁壽命大幅提高，風(fēng)口以上爐襯已不是制約高爐一代爐役的主要限制性環(huán)節(jié)，影響高爐壽命的限制性環(huán)節(jié)集中在了高爐爐底爐缸部位［1］。

雖然20世紀(jì)50年代以后，將炭磚和炭質(zhì)材料應(yīng)用在爐缸、爐底，使高爐爐缸、爐底壽命大幅度延長，徹底改變了原來爐缸、爐底采用高鋁質(zhì)和茹土質(zhì)材料壽命不足兩年的局面。全炭磚爐底、綜合爐底等爐缸爐底結(jié)構(gòu)的問世，也取得較好的使用效果。目前，各種性能優(yōu)異的炭磚和炭質(zhì)材料已經(jīng)成為高爐爐缸爐底不可或缺的關(guān)鍵材料，是現(xiàn)代高爐實(shí)現(xiàn)20年以上壽命的重要技術(shù)保障。但是，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近20年來國內(nèi)仍發(fā)生了幾十起爐缸燒穿事故，其中不乏大型高爐［2］。因此，在進(jìn)一步提高高爐安全、長壽目標(biāo)的道路上我們煉鐵工作者仍在繼續(xù)探索，不斷進(jìn)步。近期，國內(nèi)某耐材公司通過和各冶金院校、科研單位合作研發(fā)的一種新型的耐火材料——“碳復(fù)合磚”應(yīng)運(yùn)而生，目前該新型耐材已成功應(yīng)用于國內(nèi)外20余座高爐，山西通才3#1 300 m3高爐是目前應(yīng)用業(yè)績中爐容最大的高爐。

2　碳復(fù)合磚的性能特點(diǎn)

眾所周知，優(yōu)質(zhì)炭磚的特點(diǎn)是有良好的導(dǎo)熱性，優(yōu)良的抗渣性能，優(yōu)良的抗堿性，但其抗鐵水侵蝕性和抗氧化性較弱，抗鋅侵蝕性較差。陶瓷杯材料的特點(diǎn)是有良好的抗鐵水侵蝕性，優(yōu)良的抗渣性能和較好的抗氧化性能，但其導(dǎo)熱性較低。

碳復(fù)合磚是在綜合研究上述兩種材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短，“跨界組合”，通過反復(fù)不斷的試驗(yàn)，研發(fā)出來的一種既有炭磚優(yōu)良性能，又具備陶瓷杯材料性能的綜合性、復(fù)合型新型耐火材料。

碳復(fù)合磚主要具有以下性能特點(diǎn)：

（1）高導(dǎo)熱性

與傳統(tǒng)炭磚不同，碳復(fù)合磚隨著溫度的升高，其導(dǎo)熱系數(shù)下降。這是因?yàn)樘紡?fù)合磚中雜質(zhì)成分含量較少，對(duì)晶格波熱散射作用影響小，故導(dǎo)熱系數(shù)較大，而且碳復(fù)合磚中新生成的碳化物和石墨形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于熱的傳導(dǎo)。因?yàn)樘紡?fù)合磚中只有極少的自由電子，由自由電子引起的導(dǎo)熱極小，導(dǎo)熱主要是由晶格振動(dòng)偏離諧振程度而定，隨著溫度的升高，碳復(fù)合磚的主晶相Al2O3和C偏離諧振的程度增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低［4］。

（2）微孔性

碳復(fù)合磚為超微孔磚，氣孔率較低。因?yàn)樘紡?fù)合磚燒結(jié)良好，微孔化程度較高，平均孔徑小，微孔較為均勻的分布在基質(zhì)中。添加劑在燒結(jié)過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其中一種生成物堵塞和封閉了氣孔，并起燒結(jié)輔助劑的作用，而且另一種生成物產(chǎn)生較大的體積膨脹，也起到堵塞氣孔的作用，使碳復(fù)合磚內(nèi)的氣孔變小或封閉，同時(shí)使骨料和基質(zhì)間結(jié)合更加緊密［4］。

（3）綜合優(yōu)良性

與炭磚相比，碳復(fù)合磚具有優(yōu)良的抗鐵水侵蝕性、抗氧化性、高強(qiáng)度性、抗堿性、抗鉛鋅侵蝕性能。

碳復(fù)合磚和炭磚、陶瓷杯材料的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見下表1和表2。

表1　碳復(fù)合磚與國內(nèi)外幾種炭磚性能的比較

3　新型高爐爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的全炭磚爐缸爐底結(jié)構(gòu)，保證高爐壽命的關(guān)鍵是靠優(yōu)良的導(dǎo)熱性能在鐵水與炭磚之間形成“自保護(hù)”的保護(hù)層。但全炭結(jié)構(gòu)中由于炭磚抗氧化性差，在冷卻壁或風(fēng)口漏水時(shí)易出現(xiàn)燒穿的危險(xiǎn)，并且炭磚的抗鐵和抗沖刷性差，易出現(xiàn)異常侵蝕［4］。

另一種傳統(tǒng)的炭磚+陶瓷杯綜合爐缸爐底結(jié)構(gòu)，保證高爐壽命的關(guān)鍵是在鐵水與炭磚之間設(shè)置“他保護(hù)”的耐高溫陶瓷磚材料作為“保護(hù)殼”，但炭磚加陶瓷杯結(jié)構(gòu)中的陶瓷杯使用效果沒有預(yù)期中的好，使用壽命僅1～4年，陶瓷杯侵蝕完后仍然存在全炭結(jié)構(gòu)中存在的問題。

目前上述兩種爐缸爐底內(nèi)襯結(jié)構(gòu)都有很多取得高爐長壽的成功案例，實(shí)踐表明，兩種爐缸爐底設(shè)計(jì)體系總體上是合理可靠的。但仍存在一些技術(shù)缺陷和安全隱患，需要進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)完善。

山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸設(shè)計(jì)采用新型結(jié)構(gòu)技術(shù)砌筑，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。爐底采用高導(dǎo)熱石墨炭磚+微孔炭磚+碳復(fù)合磚+剛玉莫來石結(jié)構(gòu)，其中，爐底第1層滿鋪大塊高導(dǎo)熱石墨炭磚，第2層滿鋪大塊半石墨炭磚，第3層滿鋪大塊微孔炭磚，第4層滿鋪小塊碳復(fù)合磚，爐底最上層第5、第6層中心區(qū)域采用剛玉莫來石，周邊采用碳復(fù)合磚，碳復(fù)合磚與剛玉莫來石之間緊貼砌筑［3］。

表2　碳復(fù)合磚與國內(nèi)外幾種陶瓷杯材料性能的比較

圖1　山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸結(jié)構(gòu)示意圖

爐缸采用碳復(fù)合磚+微孔剛玉磚結(jié)構(gòu)，爐缸內(nèi)側(cè)采用微孔剛玉磚，爐缸外側(cè)緊貼微孔剛玉磚采用碳復(fù)合磚，碳復(fù)合磚與冷卻壁之間留有膨脹縫。

風(fēng)口區(qū)域采用微孔剛玉組合磚，鐵口區(qū)域采用微孔剛玉組合磚結(jié)構(gòu)。

山西通才3#1 300 m3高爐爐底爐缸設(shè)計(jì)采用的新型結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）新型結(jié)構(gòu)具有良好的綜合性能

采用上述新型爐缸爐底內(nèi)襯既具有炭磚的高導(dǎo)熱優(yōu)良性能，又保持了陶瓷杯高溫抗侵蝕的特點(diǎn)。雖然碳復(fù)合磚原來在山西通才2#高爐上應(yīng)用效果很好，但由于碳復(fù)合磚是初次應(yīng)用在1 000 m3以上的高爐上，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案仍考慮保留了厚度較薄的微孔剛玉磚作為“他保護(hù)”陶瓷杯壁。

（2）新型結(jié)構(gòu)更加安全、長壽

由于碳復(fù)合磚耐高溫鐵水、熔渣侵蝕，即使將來“陶瓷杯壁”保護(hù)層消蝕或不復(fù)存在的情況下，碳復(fù)合磚本身也可抑制鐵水的侵蝕沖刷，使用安全性有所提高并可能顯著延長爐缸爐底壽命，為高爐的安全和長壽用材料探索出了新思路。

（3）新型結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定

碳復(fù)合磚和陶瓷杯壁微孔剛玉磚都是規(guī)格尺寸相同的小塊磚，兩者之間可緊貼組合砌筑，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。避免了原來傳統(tǒng)炭磚+陶瓷杯結(jié)構(gòu)中小塊陶瓷杯材料和大塊炭磚砌筑時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大間隙的問題，從而也避免了鐵水可能繞過陶瓷杯壁順著炭磚和陶瓷杯壁之間間隙侵蝕炭磚的風(fēng)險(xiǎn)。

爐底最上三層碳復(fù)合磚與剛玉莫來石緊貼砌筑，把1 150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在抗鐵水侵蝕性能優(yōu)良的碳復(fù)合磚和剛玉莫來石層內(nèi)，避免爐底炭磚的侵蝕。并且，爐底最上三層碳復(fù)合磚和剛玉莫來石磚都是小塊磚，且都是滿鋪結(jié)構(gòu)，兩者之間沒有設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的膨脹縫，磚與磚之間斜壓交錯(cuò)組合砌筑可以防止?fàn)t底的漂浮，而且碳復(fù)合磚導(dǎo)熱性較好，爐底碳復(fù)合磚表面溫度較低，有效降低鐵水的滲透能力。

（4）新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布合理

碳復(fù)合磚是從成熟的微孔剛玉磚基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，兩者的熱膨脹系數(shù)相近。傳統(tǒng)炭磚+陶瓷杯結(jié)構(gòu)中由于炭磚和陶瓷杯材料是屬于完全不同的材料，不同材質(zhì)的交界面處因各自的膨脹性不同，應(yīng)力是不連續(xù)變化的，因此在該部位不可避免會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而可能導(dǎo)致磚襯的剝離或分離現(xiàn)象，產(chǎn)生氣隙，進(jìn)而可能影響爐缸爐底的熱量的傳遞加速耐材的侵蝕。而碳復(fù)合磚爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與炭磚+陶瓷杯內(nèi)襯結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力場(chǎng)分布較為分散，大大減弱了熱應(yīng)力的破壞作用，且不存在炭磚與陶瓷杯的接觸面，有效避免了內(nèi)襯相對(duì)位置的移動(dòng)，結(jié)構(gòu)更加合理。

（5）新型結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布合理

由于碳復(fù)合磚的導(dǎo)熱性具有隨溫度升高而降低的特點(diǎn)，因此新型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱從熱面到冷面是一個(gè)增加的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)符合高爐爐缸爐底設(shè)計(jì)理念，高爐爐缸內(nèi)部的熱量能夠順利導(dǎo)出。

4　生產(chǎn)實(shí)踐與應(yīng)用效果

山西通才工貿(mào)有限公司3#1 300 m3高爐設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵水125萬t，于2012年7月13日建成投產(chǎn)，經(jīng)過3年多的生產(chǎn)運(yùn)行，目前高爐各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，見表3，生產(chǎn)運(yùn)行正常，爐底爐缸溫度檢測(cè)系統(tǒng)顯示各部位溫度平穩(wěn)正常，見圖2和表4。

從以上高爐3年多的實(shí)際生產(chǎn)情況來看，采用新型碳復(fù)合磚材料及新型爐缸爐底結(jié)構(gòu)與水冷卻系統(tǒng)形成了穩(wěn)定的傳熱體系，爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強(qiáng)度適宜。

表3　通才3#1 300 m3高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

圖2　山西通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸溫度檢測(cè)圖

表4　通才3#1 300 m3高爐爐底、爐缸溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)

5　結(jié)語

（1）碳復(fù)合磚的研發(fā)和應(yīng)用，開辟了高爐現(xiàn)有耐材優(yōu)越性能“跨界”復(fù)合的新思路，高爐的設(shè)計(jì)理念、高爐生產(chǎn)操作和管理等方面將隨之變革，相關(guān)問題需進(jìn)一步深人研究和完善。

（2）碳復(fù)合磚作為一種新型復(fù)合耐火材料，有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，眾所周知，實(shí)現(xiàn)高爐長壽是一項(xiàng)龐大的，復(fù)雜的系統(tǒng)工程，高爐長壽技術(shù)是綜合技術(shù)，延長高爐壽命不但要以整體設(shè)計(jì)優(yōu)化為重點(diǎn)和前提，進(jìn)行全面系統(tǒng)的長壽設(shè)計(jì)。而且還要從耐材廠家的選擇、制造、施工、生產(chǎn)操作及維護(hù)、管理等各個(gè)方面采取綜合措施，才能達(dá)到高爐長壽的預(yù)期目標(biāo)。

（3）傳統(tǒng)炭磚已發(fā)展了100多年，已建立了一套成熟、完整的體系，預(yù)測(cè)碳復(fù)合磚短期內(nèi)不會(huì)代替炭磚。建議各設(shè)計(jì)、制造、院校單位工作者對(duì)碳復(fù)合磚繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步綜合性的深人研究和探討，下一步不但要從基礎(chǔ)理論上解釋清楚材料的微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生各種優(yōu)良性能的原因，而且建議針對(duì)這種新型耐材應(yīng)建立一套完整的科學(xué)體系，這個(gè)體系包括新型耐材結(jié)構(gòu)與外部冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的整體長壽概念研究，耐材的生產(chǎn)制造規(guī)范的建立，耐材的尺寸加工規(guī)范的建立，耐材砌筑施工規(guī)范的建立，溫度點(diǎn)的埋設(shè)位置和侵蝕模型的建立，配套泥漿和散料的研發(fā)，針對(duì)鐵口等重點(diǎn)區(qū)域升級(jí)研發(fā)不同功能材料等。

（4）這種新型耐材和結(jié)構(gòu)在技術(shù)上具有突出的優(yōu)越性，是對(duì)爐底爐缸用耐材和結(jié)構(gòu)上的一個(gè)重大技術(shù)突破。但是，畢竟該新型耐材研發(fā)應(yīng)用時(shí)間較短，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，唯有用時(shí)間去證明該種新型材料是否會(huì)替代炭磚成為高爐新型長壽材料，我們期待這項(xiàng)具有革命性的重大創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)一步成功和其更加廣闊的應(yīng)用前景。

［1］項(xiàng)鐘庸.高爐設(shè)計(jì)——煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］張福明，程樹森.現(xiàn)代高爐長壽技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［3］于國華，陳誠，王冰.山西通才3#1 300 m3高爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.山東冶金，2014，36（1）：9-11.

［4］趙永安，左海濱，張建良，等.安全長壽爐底爐缸內(nèi)襯及結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用［C］//.第十五屆全國大高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.烏魯木齊：新疆八一鋼鐵有限公司，2014.

Design and Application of New Rerractory and Its Structure for Blast Furnace Bottom and Hearth

WANG Bing，MENG Shumin，JIA Lijun，CHEN Cheng，LI Qingyang
（Shandong Provincial Metallurgy Design Institute Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

A new type of refractory materials，which called‘carbon composite brick’，was applied in the furnace bottom and furnace hearth design of the 3#1 300 m3BF in Shanxi Tongcai.The new refractory material has took into account the dual advantages of traditional carbon brick and ceramic cup material，both carbon brick excellent thermal conductivity and traditional ceramic cup material of iron corrosion resistance，oxidation resistance，but also overcome the shortcomings of their respective.The practice has proved that the innovation of this new type of refractory material and its structure is useful to improve the safety of blast furnace bottom and hearth structure，and realize the target of longevity.

new refractories；furnace bottom；furnace hearth；carbon composite brick；longvity

TF572

B

1001-6988（2016）03-0060-05

2016-02-18

王冰（1983—），男，工程師，主要從事高爐工藝設(shè)計(jì)及管理工作.