瑞尔论文
高炉炉缸“陶瓷衬”结构要素的研究
高炉 炉缸 陶瓷杯 长寿吴胜利（北京科技大学）
何汝生 曹永国（北京瑞尔非金属材料有限公司）
摘要 采用特异型耐火制品、缓冲密闭材料构成的炉缸“整体陶瓷杯”，具有镶嵌咬合的砌体结构，能有效释放热应力，给炭砖提供有效的保护，延长高炉寿命。时间表明，效果明显。
Study on Key Element of“Ceramic lining”Structure for BF Hearth
WU Sheng-li
HE Ru-sheng CAO Yong-guo
(University Of Science and Technology Beijing) (Real Nonmetallic Materials Co.,Ltd)
Abstract The“integral ceramic cup”lining made of special shape refractory material and buffering & sealing material is characterized by insertion structure design and effective thermal stress release，the actual production practice shows it can properly protect the carbon brick and elongate the blast furnace campaign.
Key words blast furnace furnace hearth ceramic cup long campaign
高炉炉缸是一个充满着熔融铁水、炉渣、煤气等冶炼产物的高温、高压空间。为了抵御高温等物理、化学侵蚀，炉缸设置了冷却壁设备、炭砖等。由于熔融铁水等冶炼产物的渗透、漂浮、机械磨损、热应力等作用，以及碳含量不饱和的熔融铁水对炭砖的溶蚀，碱金属侵蚀等，导致仅仅由炭砖构筑的炉缸内衬往往不能满足具有高生产效率的现代化大型高炉的寿命要求。
为了保护炭砖，在炭砖的热面设置“陶瓷衬”是一种有效的技术措施。要获得预期的保护作用，“陶瓷衬”需要具备的功能主要在于两个方面。其一，构成“陶瓷衬”的耐火制品需要具有适宜炉缸工作环境和保护功能的技术性能，如：抗铁水、碱金属侵蚀，较高的强度等。其二，这些耐火材料制品构成的“陶瓷衬”应该具有持续稳定的砌体结构、需要具有避免冶炼产物穿过到达炭砖的密封性能、能够适应使用环境的高温作用和热应力。“陶瓷衬”的功能虽然是通过构成它们的耐火制品技术性能和“陶瓷衬”的结构特性的同时体现，二者不可或缺的。但是，耐火制品的技术性能仅能在“陶瓷衬”的结构特性能够满足环境需求的前提下才能得以体现，也就是说结构特性是“陶瓷衬”功能的基础和前提。
炉缸环境中，熔融铁水等冶炼产物对“陶瓷衬”的结构性损害主要由三个方面。①穿过“陶瓷衬”耐火制品的砌筑砖缝，破坏“陶瓷衬”砌体结构并到达炭砖；②熔融铁水的浮力使得“陶瓷衬”结构松动，严重时导致耐火砖漂浮；③高温和应力破坏“陶瓷衬”结构，使耐火砖以及耐火砌体出现应力破损。
可见，研究“陶瓷衬”砌体结构，使得炭砖热面的“陶瓷衬”具有稳定、密闭的功能，并能够释放砌体受热出现的应力是“陶瓷衬”结构设计中的关键。
1 “陶瓷衬”的结构设计
目前的高炉“陶瓷衬”中，有小砖陶瓷垫+大块制品侧壁的陶瓷杯、标普型小砖砌筑的陶瓷砌体、特异型大块制品构筑的整体式陶瓷杯等三种类型。
小砖陶瓷垫+大块制品侧壁的陶瓷杯结构示意如图1所示。它的主要结构特点是：炉底由两层有斜面的小块耐火砖砌筑为陶瓷垫，均采用斜面压迫同心圆砌筑结构；炉缸陶瓷杯侧壁由单环的大块制品构筑；陶瓷杯内衬中设置了具有释放热应力和提高结构整体性的膨胀垫、缓冲缝和锁砖等。
标普型小砖的陶瓷砌体结构示意如图2所示。它的主要结构特点是：炉底一般采用人字形方式砌筑两层标普型小块耐火砖；炉缸侧壁的中下部为标普型小块耐火砖的多环墙体，炉缸上部为标普型小块耐火砖的单环墙体。
从图2中可以看到，无论是采用直型还是楔型的标普型耐火砖砌筑的陶瓷砌体，在结构的整体稳定性、防漂浮、防渗透何应力释放等方面均存在难于满足炉缸环境的结构缺陷。这也是近年来经常出现在炉缸采用陶瓷砌体结构的新建高炉开炉不久就出现炉底，特别是陶瓷垫下沿温度急剧飙升的原因所在。即使是已经取得了不错使用效果的如图1所示的陶瓷杯，在陶瓷垫和杯壁的密闭性、稳定性等结构要素方面仍存在需要进一步完善之处，才能满足现代高炉在高冶炼强度下不断提升的寿命需求[1]。
本研究提出了采用特异型耐火制品、缓冲密闭材料构成的炉缸“整体陶瓷杯”结构[2、3、4]。炉底陶瓷垫由具有双向错台形状的特异型大块制品，采用同心圆环压迫方式砌筑；炉缸侧壁的陶瓷杯壁由具有凹凸匹配带的特异型制品，采用镶嵌咬合的砌体结构；陶瓷杯壁与炭砖之间为特种材料复合的缓冲密闭层。图3是某厂3200m³高炉采用这种“整体式陶瓷杯”的实例，其主要结构特征：
（1）双向错台何凹凸镶嵌的制品接合方式构成了“迷宫”型密封带，消除了图1、2所示结构中存在的贯通冷热面的连续直线砖缝，熔融铁水难于钻入到砌体内部。即使有铁水渗入砖缝，也会在错台密封带和1150℃等温凝结效应下停滞在浅表部位。
（2）带有“迷宫”型密封带的单层陶瓷垫消除了图1、2的双层陶瓷垫结构中，贯穿于整个炉底平面上下层陶瓷垫之间，熔融铁水容易驻留的，并对上层陶瓷垫上顶浮力的水平通缝的技术缺陷，同时既提高了炉底密封性，又增加了陶瓷垫的功能性厚度。
（3）炭砖与陶瓷杯壁之间的缓冲密闭层消除了热应力的负面作用，使得陶瓷杯壁成为一个近于无缝的整体。
2 “整体式陶瓷杯”的应用
“整体式陶瓷杯”已经在中国宣钢、唐钢、鞍钢、沙钢、安钢以及巴西ACOMINAS等公司的大型高炉何有效容积超过4000m³的超大型高炉得到实际应用，取得了预期的技术效果。
上述某厂3200m³高炉于2007年9月8日点火投产，一直在较高利用系数下操作生产。2009年1月-2010年12月，平均利用系数达到2.485，炉顶压力约235kPa。高炉建设时，设置了炉缸、炉底内衬温度检测系统，该系统采集了高炉投产后的内衬实时温度。图4、5为该高炉2007年10月-2010年6月炉底中心和炉缸根部内衬中的实际温度分布。
从图中大量温度数据可以看到，在3200m³高炉投产后之一处于较高冶炼强度生产的情况下，“整体式陶瓷杯”很好的发挥了对炭砖的保护作用，陶瓷垫下表面温度一直保持在650℃以下，“蒜头”状部位插入炭砖衬体内的热电偶检测温度一直保持150℃以下（可知炭砖的热面温度一直保持在500℃以下）。可见，3200m³高炉的“整体式陶瓷杯”在投产的3年多时间里，未曾发生异常的过度侵蚀，也没有出现铁水渗透等异常情况。
众所周知，炉缸内衬的侵蚀是由以熔融铁水为主，其他冶炼产物共同作用下的多种形式的联合侵蚀，其最终结果直接反映在内衬材料的厚度变化上。内衬材料厚度的变化会直接导致炉衬热负荷，也就是内衬材料温度的变化。因此，在冷却强度和高炉冶炼强度等相对稳定的条件下，当比较准确的获得了内衬的温度分布时，即可利用传热理论推测存留内衬的平均厚度与侵蚀速率。据此，根据上述实测温度数据推测高炉投产之后炉底陶瓷垫中心和“蒜头”状部位陶瓷杯壁的材料厚度变化情况，如图6、7所示。从图中可见，开炉生产近3年来，高炉中心位置陶瓷垫的综合平均侵蚀速率约为3.27mm/月，“蒜头”状部位陶瓷杯壁约为3.43mm/月。若考虑侵蚀平衡和有效厚度等因素时，预计“整体式陶瓷杯”对炭砖给予有效保护的时间可达到15年以上。
3 结语
（1）炭砖热面设置“陶瓷衬”是现代高炉的长寿技术之一，它的砌体结构式制约使用效果的关键因素。“陶瓷衬”的整体稳定性、密闭性和应对温度应力的能力是“陶瓷衬”设计中需要得到充分重视的结构要素，不容忽视。
（2）在现代高冶炼强度生产的大型高炉情况下，标普型小块耐火砖砌筑的双层陶瓷衬和炉缸侧壁陶瓷衬中，直线连通冷热面的砌筑砖缝不利于充分发挥“隔绝”作用，整体稳定性较差，有提高持续密闭性和整体稳定性的技术必要。
（3）“整体式陶瓷杯”采用了双向错台、单层陶瓷垫和镶嵌式侧壁以及应力释放、隔离等细部结构技术，提高了陶瓷杯的持续稳定性和密闭能力，有效消除了炉衬中温度应力的负面影响，能明显延长现代大型高炉的炉役寿命。
（4）某厂3200m³高炉采用的“整体式陶瓷杯”炉缸内衬，在较高冶炼强度的生产条件下，大量的实际温度数据证明了该高炉炉底、炉缸内衬的温度分布良好，陶瓷杯很好的发挥了对炭砖的保护作用，推测陶瓷杯的综合平均侵蚀速率不到3.5mm/月，预计该高炉陶瓷杯可为炭砖提供15年以上的保护。
4 参考文献
[1] 李贵阳，何汝生.宣钢9号高炉陶瓷杯的结构特性与使用效果[C]∥河北冶金学会.2008年河北省冶金学会炼铁技术暨学术年会论文集.2008:33-38.
[2] 北京瑞尔非金属材料有限公司.防渗透、抗漂浮的高炉陶瓷垫.中国，CN200320101372.0[P].2005.
[3] 北京瑞尔非金属材料有限公司.可释放热应力的整体式炉缸内衬.中国，CN03249014.3[P].2003.
[4] 北京瑞尔非金属材料有限公司.一种新型炼铁高炉炉底陶瓷垫结构.中国，CN03265928[P].2003.
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