高炉炉缸安全的几个问题探讨资料

高炉炉缸安全的几个问题探讨
前言
近年来，为数不少的高炉在投产不久即出现炉缸耐材温度异常升高，有的高炉甚至短时间被烧穿。

导致高炉炉缸快速侵蚀的原因见仁见智。

炉缸安全涉及到设计、施工、设备及耐材、操作维护等方面，任何一个环节都能对炉缸安全产生重大影响。

本文针对涉及炉缸安全的陶瓷杯结构、炉墙气隙、炭素捣打料、冷却强度、碱金属、烘炉，以及操作维护等热点问题予以了初步探讨，并提出了相应的改进建议。

1. 陶瓷杯对炉缸安全的影响
尽管高炉炉缸有全炭砖和炭砖加陶瓷杯两种不同的结构形式，但获得炉缸长寿的根本机理是相同的，都是为了保护炭砖免遭铁水的侵蚀，而采取不同的措施避免铁水与炭砖的直接接触。

全炭砖炉墙通过炭砖的高导热性能使热面温度降到1150℃以下，依靠炭砖热面温度较低的、流动性较小的“粘滞保护层”来隔离铁水，陶瓷杯结构则是人为采用陶瓷质砖衬来隔离铁水，避免炭砖与铁水的直接接触。

有观点将炉缸砖衬温度异常甚至烧穿的主要原因归咎于炭砖热面的陶瓷杯，认为陶瓷杯阻碍了炉渣在炭砖表面形成保护层、铁水会渗透到炭砖热面，对炭砖产生所谓的“熔洞”侵蚀。

长期的高炉实践中，全炭砖炉缸、炭砖加陶瓷杯炉缸这两种结构均有长寿实例，也均有炉缸砖衬温度异常甚至烧穿的事故发生。

这些客观实例证明这两种形式的炉缸结构都是可行的，但要实现有效隔离铁水进而获得高炉长寿，都是需要条件的。

陶瓷杯存在时，其对炭砖的保护作用是毋容置疑的；陶瓷杯侵蚀后，即转变为全炭砖炉缸结构。

只要炭砖质量好，炉墙传热体系有效，炉缸仍是安全的。

采用炭砖加陶瓷杯结构的炉缸，其关键点是陶瓷杯必须具有稳定性和密封性的合理结构[1]，尽可能提高陶瓷杯的寿命。

陶瓷杯材质、结构不合理，以及陶瓷杯热应力过大都会导致陶瓷杯破损甚至垮塌。

在结构设计方面，小块陶瓷杯设计、制造与施工均比较简便，砖缝能够吸收一定的膨胀以释放热应力，但需防止砖缝钻铁，并提高其结构稳定性。

大块陶瓷杯的互锁结构，以及较少的砖缝等使其具有较好的稳定
性、密封性，但结构相对复杂，对设计要求很高。

在炭砖和陶瓷杯之间设置隔热层，既可以保证陶瓷杯的自由膨胀，还可以通过提高陶瓷杯冷面的温度，降低炭砖热面温度，减小了陶瓷杯和炭砖冷热面温差，降低了炉墙的热应力，有利于陶瓷杯结构的稳定和炭砖的安全。

陶瓷杯侵蚀后，还是要靠炭砖来维持生产。

因此，无论是采用全炭砖结构，还是炭砖加陶瓷杯结构，炭砖需要具备高的导热性能。

炭砖还须具有良好的抗冲刷能力（强度高）、抗渗透性（微孔、超微孔）和抗碱性等。

同时炉缸要有良好的传热体系，高炉操作要稳定，炉缸要活跃，尽可能减缓炉缸渣铁环流，否则炭砖热面也是难以形成稳定的“粘滞保护层”。

2. 炉墙气隙对炉缸安全的影响
炉墙气隙对炉缸传热特性的破坏日益引起重视，一些高炉的生产实践发现：高炉休风过程中，冷却壁水温差不是按照常理下降，而是增加，耐材温度下降；高炉复风生产过程中，水温差下降，耐材温度升高。

这些“异常”现象充分说明了，高炉在送风期间，由于炉壳受压膨胀，膨胀量大于耐材，炉壳带动冷却壁脱离了耐材，冷却壁和耐材之间出现了缝隙，传热体系受到破坏，耐材的热量传不出来，导致耐材温度异常升高，水温差下降。

休风期间，炉内泄压，炉壳回缩，冷却壁与耐材紧贴，耐材的热量通过冷却壁传出，水温差增加，耐材温度下降。

图1为艾莫伊登7号高炉炉缸部位炉壳膨胀和高炉风压记录的关系。

在内压约0.4MPa，对应的炉壳膨胀量达到40mm[2]。

图1 炉壳膨胀量随风压的变化
高炉炉缸是一个复杂的体系，准确设计计算是非常困难的，施工中也难保证炭砖和冷却壁之间宽缝的捣打料密实度达到设计要求。

要解决这个问题，还需要从冷却壁的安装结构入手。

按照常规设计，冷却壁是固定在炉壳上的，炉壳膨胀和冷却壁完全同步。

中冶京诚采用“无间隙冷却结构”专利技术，如图2，将冷却壁挂在炉壳上，炉壳和冷却壁之间设置排斥设施（如弹簧）。

安装时，将冷却壁固定在炉壳上，待炭砖砌筑，宽缝捣料后，适当松开螺母，再焊接煤气密封罩。

通过排斥设施的反力，将冷却壁推向耐材，保证冷却壁在任何时候都紧贴耐材，充分发挥冷却作用。

图2 无间隙冷却结构示意图
3. 冷却壁和炭砖之间炭素捣打料对炉缸安全的影响
炉缸冷却壁与炭砖之间的炭素捣打料是炉缸传热系统的重要环节。

从传热角度出发，需要从导热和体积稳定性两个方面关注此处的炭素捣打料。

提高冷却壁和炭砖之间捣打料的导热性能，无疑可以降低整个炉墙的热阻，对保护炭砖是有益的，但不能过分夸大捣打料导热性能的作用。

图3 炭素捣打料导热系数对炉墙热阻的影响。

图3为炭素捣打料导热系数对于炉缸砖衬总热阻的影响。

计算考虑炉缸炭素捣打料、炭砖、陶瓷杯的厚度分别为0.1m、1.1 m和0.345 m，炭素捣打料导热系数6~18 W/(m∙℃)，有陶瓷杯时，捣料层热阻占炉缸砖衬总热阻的比例为2%~7%；无陶瓷杯时，比例为4%~13%。

即便是炉役后期，传热的限制性环节仍然在炭砖，仅较厚、导热性能较差的炭素捣打料层在炭砖较薄时才会严重恶化炉缸传热。

炭素捣打料即便是导热系数很高，在施工时未必能像实验室作试样那么密实，实际导热性能会大打折扣，而且容易产生气隙。

此外在高炉投产后，由于炉内高温高压下炉壳与耐材膨胀量的不同，也容易导致气隙的产生。

近年来高炉大量使用“有毒”的炉料，碱金属、锌负荷很重，有害元素容易在。