高炉炉底、炉缸新型耐材及其结构的设计与应用

王　冰，孟淑敏，贾利军，陈　诚，李庆洋

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

高炉炉底、炉缸新型耐材及其结构的设计与应用

王冰，孟淑敏，贾利军，陈诚，李庆洋

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

山西通才3#1 300 m3高炉炉底、炉缸设计时选用了一种新型耐火材料——“碳复合砖”，该新型耐材兼顾传统炭砖和陶瓷杯材料的双重优点，既有炭砖优良的导热性和传统陶瓷杯材料的抗铁溶蚀性、抗氧化性，又克服了它们各自存在的不足。实践证明，这种新型耐材及其结构的使用，有利于提高高炉炉底、炉缸结构的安全性以及实现高炉高效、长寿的目标。

新型耐材；炉底；炉缸；碳复合砖；长寿

目前，大部分高炉传统炉底炉缸结构为炭砖+陶瓷杯或全炭砖结构。山西通才3#1 300 m3高炉设计时，结合通才原燃料条件和生产实践经验，通过充分分析高炉炉底炉缸工作条件和侵蚀机理，有针对性地选用了一种新型耐火材料——碳复合砖，并在结构设计上进一步优化完善了炉底炉缸内衬结构，提高了砖衬的稳定性。3#1 300 m3高炉于2012年7月13日建成投产，投产至今高炉稳定顺行，各项生产指标达到国内先进行列。

1　碳复合砖的研发背景介绍

半个多世纪以来，现代高炉长寿经历了几个重要的发展历程，高炉长寿技术不断创新发展，已使现代高炉寿命达到了20年以上的技术水平。

近年来，随着高炉原燃料的改善，铜冷却壁，软水密闭循环等先进冷却技术的应用，炉腹以上的冷却壁寿命大幅提高，风口以上炉衬已不是制约高炉一代炉役的主要限制性环节，影响高炉寿命的限制性环节集中在了高炉炉底炉缸部位［1］。

虽然20世纪50年代以后，将炭砖和炭质材料应用在炉缸、炉底，使高炉炉缸、炉底寿命大幅度延长，彻底改变了原来炉缸、炉底采用高铝质和茹土质材料寿命不足两年的局面。全炭砖炉底、综合炉底等炉缸炉底结构的问世，也取得较好的使用效果。目前，各种性能优异的炭砖和炭质材料已经成为高炉炉缸炉底不可或缺的关键材料，是现代高炉实现20年以上寿命的重要技术保障。但是，据不完全统计，近20年来国内仍发生了几十起炉缸烧穿事故，其中不乏大型高炉［2］。因此，在进一步提高高炉安全、长寿目标的道路上我们炼铁工作者仍在继续探索，不断进步。近期，国内某耐材公司通过和各冶金院校、科研单位合作研发的一种新型的耐火材料——“碳复合砖”应运而生，目前该新型耐材已成功应用于国内外20余座高炉，山西通才3#1 300 m3高炉是目前应用业绩中炉容最大的高炉。

2　碳复合砖的性能特点

众所周知，优质炭砖的特点是有良好的导热性，优良的抗渣性能，优良的抗碱性，但其抗铁水侵蚀性和抗氧化性较弱，抗锌侵蚀性较差。陶瓷杯材料的特点是有良好的抗铁水侵蚀性，优良的抗渣性能和较好的抗氧化性能，但其导热性较低。

碳复合砖是在综合研究上述两种材料的基础上，结合两者各自的优点，取长补短，“跨界组合”，通过反复不断的试验，研发出来的一种既有炭砖优良性能，又具备陶瓷杯材料性能的综合性、复合型新型耐火材料。

碳复合砖主要具有以下性能特点：

（1）高导热性

与传统炭砖不同，碳复合砖随着温度的升高，其导热系数下降。这是因为碳复合砖中杂质成分含量较少，对晶格波热散射作用影响小，故导热系数较大，而且碳复合砖中新生成的碳化物和石墨形成致密的网状结构，有利于热的传导。因为碳复合砖中只有极少的自由电子，由自由电子引起的导热极小，导热主要是由晶格振动偏离谐振程度而定，随着温度的升高，碳复合砖的主晶相Al2O3和C偏离谐振的程度增大，导热系数降低［4］。

（2）微孔性

碳复合砖为超微孔砖，气孔率较低。因为碳复合砖烧结良好，微孔化程度较高，平均孔径小，微孔较为均匀的分布在基质中。添加剂在烧结过程中发生化学反应，其中一种生成物堵塞和封闭了气孔，并起烧结辅助剂的作用，而且另一种生成物产生较大的体积膨胀，也起到堵塞气孔的作用，使碳复合砖内的气孔变小或封闭，同时使骨料和基质间结合更加紧密［4］。

（3）综合优良性

与炭砖相比，碳复合砖具有优良的抗铁水侵蚀性、抗氧化性、高强度性、抗碱性、抗铅锌侵蚀性能。

碳复合砖和炭砖、陶瓷杯材料的技术指标对比见下表1和表2。

表1　碳复合砖与国内外几种炭砖性能的比较

3　新型高炉炉底炉缸结构设计特点

传统的全炭砖炉缸炉底结构，保证高炉寿命的关键是靠优良的导热性能在铁水与炭砖之间形成“自保护”的保护层。但全炭结构中由于炭砖抗氧化性差，在冷却壁或风口漏水时易出现烧穿的危险，并且炭砖的抗铁和抗冲刷性差，易出现异常侵蚀［4］。

另一种传统的炭砖+陶瓷杯综合炉缸炉底结构，保证高炉寿命的关键是在铁水与炭砖之间设置“他保护”的耐高温陶瓷砖材料作为“保护壳”，但炭砖加陶瓷杯结构中的陶瓷杯使用效果没有预期中的好，使用寿命仅1～4年，陶瓷杯侵蚀完后仍然存在全炭结构中存在的问题。

目前上述两种炉缸炉底内衬结构都有很多取得高炉长寿的成功案例，实践表明，两种炉缸炉底设计体系总体上是合理可靠的。但仍存在一些技术缺陷和安全隐患，需要进一步的优化改进完善。

山西通才3#1 300 m3高炉炉底、炉缸设计采用新型结构技术砌筑，结构示意图见图1。炉底采用高导热石墨炭砖+微孔炭砖+碳复合砖+刚玉莫来石结构，其中，炉底第1层满铺大块高导热石墨炭砖，第2层满铺大块半石墨炭砖，第3层满铺大块微孔炭砖，第4层满铺小块碳复合砖，炉底最上层第5、第6层中心区域采用刚玉莫来石，周边采用碳复合砖，碳复合砖与刚玉莫来石之间紧贴砌筑［3］。

表2　碳复合砖与国内外几种陶瓷杯材料性能的比较

图1　山西通才3#1 300 m3高炉炉底、炉缸结构示意图

炉缸采用碳复合砖+微孔刚玉砖结构，炉缸内侧采用微孔刚玉砖，炉缸外侧紧贴微孔刚玉砖采用碳复合砖，碳复合砖与冷却壁之间留有膨胀缝。

风口区域采用微孔刚玉组合砖，铁口区域采用微孔刚玉组合砖结构。

山西通才3#1 300 m3高炉炉底炉缸设计采用的新型结构技术特点总结如下：

（1）新型结构具有良好的综合性能

采用上述新型炉缸炉底内衬既具有炭砖的高导热优良性能，又保持了陶瓷杯高温抗侵蚀的特点。虽然碳复合砖原来在山西通才2#高炉上应用效果很好，但由于碳复合砖是初次应用在1 000 m3以上的高炉上，因此，其结构设计方案仍考虑保留了厚度较薄的微孔刚玉砖作为“他保护”陶瓷杯壁。

（2）新型结构更加安全、长寿

由于碳复合砖耐高温铁水、熔渣侵蚀，即使将来“陶瓷杯壁”保护层消蚀或不复存在的情况下，碳复合砖本身也可抑制铁水的侵蚀冲刷，使用安全性有所提高并可能显著延长炉缸炉底寿命，为高炉的安全和长寿用材料探索出了新思路。

（3）新型结构更加安全稳定

碳复合砖和陶瓷杯壁微孔刚玉砖都是规格尺寸相同的小块砖，两者之间可紧贴组合砌筑，结构更稳定。避免了原来传统炭砖+陶瓷杯结构中小块陶瓷杯材料和大块炭砖砌筑时会产生较大间隙的问题，从而也避免了铁水可能绕过陶瓷杯壁顺着炭砖和陶瓷杯壁之间间隙侵蚀炭砖的风险。

炉底最上三层碳复合砖与刚玉莫来石紧贴砌筑，把1 150℃等温线和800℃等温线完全控制在抗铁水侵蚀性能优良的碳复合砖和刚玉莫来石层内，避免炉底炭砖的侵蚀。并且，炉底最上三层碳复合砖和刚玉莫来石砖都是小块砖，且都是满铺结构，两者之间没有设计传统的膨胀缝，砖与砖之间斜压交错组合砌筑可以防止炉底的漂浮，而且碳复合砖导热性较好，炉底碳复合砖表面温度较低，有效降低铁水的渗透能力。

（4）新型结构应力场分布合理

碳复合砖是从成熟的微孔刚玉砖基础上研发出来的，两者的热膨胀系数相近。传统炭砖+陶瓷杯结构中由于炭砖和陶瓷杯材料是属于完全不同的材料，不同材质的交界面处因各自的膨胀性不同，应力是不连续变化的，因此在该部位不可避免会发生应力集中的现象，从而可能导致砖衬的剥离或分离现象，产生气隙，进而可能影响炉缸炉底的热量的传递加速耐材的侵蚀。而碳复合砖炉缸内衬结构与炭砖+陶瓷杯内衬结构相比，应力场分布较为分散，大大减弱了热应力的破坏作用，且不存在炭砖与陶瓷杯的接触面，有效避免了内衬相对位置的移动，结构更加合理。

（5）新型结构温度场分布合理

由于碳复合砖的导热性具有随温度升高而降低的特点，因此新型结构的导热从热面到冷面是一个增加的趋势，这一趋势符合高炉炉缸炉底设计理念，高炉炉缸内部的热量能够顺利导出。

4　生产实践与应用效果

山西通才工贸有限公司3#1 300 m3高炉设计年产铁水125万t，于2012年7月13日建成投产，经过3年多的生产运行，目前高炉各项数据稳定，见表3，生产运行正常，炉底炉缸温度检测系统显示各部位温度平稳正常，见图2和表4。

从以上高炉3年多的实际生产情况来看，采用新型碳复合砖材料及新型炉缸炉底结构与水冷却系统形成了稳定的传热体系，炉底炉缸部位温度梯度分布合理、热流强度适宜。

表3　通才3#1 300 m3高炉生产技术指标

图2　山西通才3#1 300 m3高炉炉底、炉缸温度检测图

表4　通才3#1 300 m3高炉炉底、炉缸温度检测数据

5　结语

（1）碳复合砖的研发和应用，开辟了高炉现有耐材优越性能“跨界”复合的新思路，高炉的设计理念、高炉生产操作和管理等方面将随之变革，相关问题需进一步深人研究和完善。

（2）碳复合砖作为一种新型复合耐火材料，有很多优点，但是，众所周知，实现高炉长寿是一项庞大的，复杂的系统工程，高炉长寿技术是综合技术，延长高炉寿命不但要以整体设计优化为重点和前提，进行全面系统的长寿设计。而且还要从耐材厂家的选择、制造、施工、生产操作及维护、管理等各个方面采取综合措施，才能达到高炉长寿的预期目标。

（3）传统炭砖已发展了100多年，已建立了一套成熟、完整的体系，预测碳复合砖短期内不会代替炭砖。建议各设计、制造、院校单位工作者对碳复合砖继续进行进一步综合性的深人研究和探讨，下一步不但要从基础理论上解释清楚材料的微观结构和产生各种优良性能的原因，而且建议针对这种新型耐材应建立一套完整的科学体系，这个体系包括新型耐材结构与外部冷却系统相结合的整体长寿概念研究，耐材的生产制造规范的建立，耐材的尺寸加工规范的建立，耐材砌筑施工规范的建立，温度点的埋设位置和侵蚀模型的建立，配套泥浆和散料的研发，针对铁口等重点区域升级研发不同功能材料等。

（4）这种新型耐材和结构在技术上具有突出的优越性，是对炉底炉缸用耐材和结构上的一个重大技术突破。但是，毕竟该新型耐材研发应用时间较短，实践是检验真理的唯一标准，唯有用时间去证明该种新型材料是否会替代炭砖成为高炉新型长寿材料，我们期待这项具有革命性的重大创新技术的进一步成功和其更加广阔的应用前景。

［1］项钟庸.高炉设计——炼铁工艺设计理论与实践［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［2］张福明，程树森.现代高炉长寿技术［M］.北京：冶金工业出版社，2012.

［3］于国华，陈诚，王冰.山西通才3#1 300 m3高炉设计特点［J］.山东冶金，2014，36（1）：9-11.

［4］赵永安，左海滨，张建良，等.安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术的应用［C］//.第十五届全国大高炉炼铁学术年会论文集.乌鲁木齐：新疆八一钢铁有限公司，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，工程师，主要从事高炉工艺设计及管理工作.