【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用于爐腰。此后，它的優(yōu)越性很快被實(shí)踐所證明，因而得到迅速推廣應(yīng)用。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 高 爐爐底和爐缸耐火材料，在 50 年代以前，基本上以鋁硅質(zhì)耐火材料為主，但使用壽命不長(zhǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)爐缸、爐底燒穿事故。 1939 年德國(guó)第一次使用炭磚砌筑爐底，取得了好的效果，后來日本、美國(guó)改用炭磚和致密粘土磚實(shí)行綜合爐底，使用壽命達(dá)到 15 年。在中國(guó)， 1958 年以后才采用炭磚砌筑爐底，解決了爐底爐缸燒穿的技術(shù)難題。 60 年代，使用全碳質(zhì)爐底使高爐爐底損毀狀況得到重大改進(jìn)，降低了爐底的磨損，延長(zhǎng)了爐底的壽命，但這種爐底的熱損失很大，且對(duì)短暫的休風(fēng)非常敏感。所以，對(duì)復(fù)風(fēng)后恢復(fù)正常操作帶來困難。 1984 年法國(guó)Savoie 耐火材 料公司首次在德國(guó)蒂森鋼鐵公司高爐上采用了一種新型復(fù)合式爐襯，稱為“陶瓷杯”。從此以后，德國(guó)、法國(guó)、南非、瑞典、比利時(shí)、中國(guó)、南韓、印度等國(guó)家高爐廣泛采用“陶瓷杯”技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1984～ 1990 年，有 11座高爐采用陶瓷杯技術(shù)； 1991～ 1994 年有 12 座高爐采用陶瓷杯； 1995 年至今至少有 11 座高爐采用陶瓷杯技術(shù) [3]。 高爐爐襯新材料 爐襯用耐火材料的壽命決定著高護(hù)的爐役年限。目前世界上采用的兩種不同的辦法是 : A)砌筑昂貴的爐襯來滿足高爐的整個(gè)爐役年限， B)砌筑不太昂貴的爐襯，而在高護(hù)的爐役 內(nèi)對(duì)爐襯進(jìn)行一次或二次的“中間性修補(bǔ)”，尤其是在高爐的爐腰及爐身部位 . 在這兩種情況下，設(shè)計(jì)的爐缸可以持續(xù)使用到整個(gè)爐役結(jié)束 .高爐的使用壽命完全取決于高爐爐缸的壽命。為普遍延長(zhǎng)高爐的爐役的年限和提高生產(chǎn)效率，新開發(fā)出的各種耐火材料是十分必要的。例如在爐底及爐缸璧使用的耐火材料新品種有 :微孔碳質(zhì)，特殊石墨質(zhì)和其它改進(jìn)的耐火材料。 上述兩種提高高爐使用壽命的策略有若干種可能性。但就如何在花費(fèi)最低的情況下使高爐的護(hù)齡達(dá)到最長(zhǎng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究將會(huì)獲得最佳方案。在高爐重新?lián)Q襯之前，人們就開始進(jìn)行了對(duì)所有耐火材料及護(hù)襯設(shè) 計(jì)的研究工作。過去，通常購(gòu)買與上一個(gè)爐役中使用的耐火材料相類似的材料進(jìn)行砌襯，而使用得以改進(jìn)的材料卻是謹(jǐn)小慎微的。在這篇文章中，我們將主要針對(duì)高爐爐底爐缸的設(shè)計(jì)進(jìn)行敘述。這一次，主要對(duì)高爐的這一部位進(jìn)行研究 .采用較大幅度的改進(jìn)和高度復(fù)雜化耐火材料，需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)工作。要進(jìn)行爐襯計(jì)算及改進(jìn)設(shè)計(jì)需要有大量的有關(guān)耐火材料的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在過去耐火材料中都是未知的，它們類似或等同于煉鋼工藝中所熟悉的數(shù)據(jù)。從事這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，不僅要具備耐火材料及內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 其性能方面的知識(shí)，而且還要具備高爐及其操作方面的知識(shí)，同時(shí)還要了解原 材料供貨廠家。 高爐的操作數(shù)據(jù)及其爐襯材料的侵蝕機(jī)理是完成昂貴的高爐的長(zhǎng)爐役所有工作的礎(chǔ)。 ① 爐缸用碳質(zhì)耐火材料 自從碳質(zhì)材料被人們認(rèn)識(shí)很久以來，它就被用在高爐爐底及爐缸部位。同時(shí)也被應(yīng)用在爐腹部位。前些年，人們采用縮小氣孔的方法來提高碳及石墨的等級(jí)，對(duì)此人們做了大量的調(diào)查和研究。這項(xiàng)開發(fā)的目的是為了降低和避免高爐爐襯用碳磚受鐵水的侵蝕及改善爐襯用特種磚的熱化學(xué)性能， Wilkening 等人進(jìn)行了這項(xiàng)研究。同時(shí)加入某些添加劑，一方面可以改善碳磚的抗鐵水及爐渣侵蝕性，另一方面可以抵抗在熔池中以一定速度流動(dòng)著的鐵 水的磨損。在八十年代， VAW, DIDIER 及后來的 DME 公司先后開發(fā)了具有上述特性的新一代碳磚品種。 ② 碳質(zhì)耐火材料的性能 1）多微氣孔 如果一塊碳磚，直徑大于 1 um 孔體積不大于氣孔總體積的 30%則這塊碳磚就被認(rèn)為具有多微孔性。 不同種類磚的氣孔率取決于添加劑的種類。如加入 A1 和 Si 則會(huì)有很大的改進(jìn)， 2）鐵水和爐渣的性能 我們把不同的碳磚鐵水侵蝕性的情況示于圖 2 言，具有多微孔性及超微孔性碳質(zhì)材料是最理想的。同樣盡管滲透比較劇烈，但對(duì)滲透性，它們也是最理想的。 圖 1— 2 抗鐵水侵蝕性 — 溶解值 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 3）熱傳導(dǎo)性 不同類型的碳磚的熱傳導(dǎo)性示于圖 3 圖中出示三組材料： — 不同氣孔率的標(biāo)準(zhǔn)碳質(zhì)材料 。 — 不同氣孔率的半石墨質(zhì)材料 。 — 石墨質(zhì)材料。 圖 1— 3 不同碳磚的熱傳導(dǎo)性 4）熱力學(xué)性能 加入添加劑可以提高碳磚的常溫耐壓強(qiáng)度。微孔碳磚的彈性模量非常高，大約是標(biāo)準(zhǔn)碳磚彈性模量的 3 倍。在工藝設(shè)計(jì)中必須要考慮這種熱力學(xué)性能，這一點(diǎn)在后面還要繼續(xù)討論 [4]。 五年以來在幾座高爐砌筑了這種具有很高氣孔率的新品種碳磚，其砌筑部位如下 :爐 底 。b 爐底邊緣 。爐缸 。d 出鐵溝 。e 爐腹。表 4 是砌筑了微孔碳磚的各廠家情況。到目前為止，這一實(shí)踐是很成功的。自砌筑以來到目前為止，還未有一座高爐重新?lián)Q襯。再過幾年，我們就會(huì)對(duì)這種得以改進(jìn)的材質(zhì)的特性有更多的了解。 我國(guó)耐火材料的發(fā)展 在中國(guó)，第一座砌筑 Si3N4 結(jié)合 SiC 耐火材料的鞍鋼 6高爐于 85 年 11 月 1日投產(chǎn)，不中修使用壽命達(dá)到 7 年，比鞍鋼八十年代高爐爐身平均壽命 年延長(zhǎng)了 80%。為我國(guó)一代爐身壽命 7 年不中修提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 Si3N4 結(jié)合 SiC磚在鞍鋼 6高爐使用成功，對(duì) SiC 磚在我國(guó) 高爐上的應(yīng)用起了推動(dòng)作用，自 1985年來，先后在太鋼、本鋼、唐鋼、攀鋼、武鋼、酒鋼、首鋼、寶鋼等國(guó)內(nèi)大中型內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 高爐上得到普遍使用。其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益已被人們所認(rèn)識(shí)。 SiC 磚在高爐上使用對(duì)延長(zhǎng)高爐一代爐齡發(fā)揮了重要作用。至 1987 年，一種采用 Sialon/Si3N4結(jié)合 SiC 產(chǎn)品進(jìn)入加拿大、美國(guó)和日本。它的耐氧化性和耐堿侵蝕性要比 Si3N4結(jié)合 SiC 磚有所提高。歐洲的一些工廠也開發(fā)了第二代和第三代賽隆結(jié)合的產(chǎn)品。所有這種研究和試驗(yàn)都將繼續(xù)加強(qiáng)含有賽隆的氮化硅結(jié)合的基本概念。在我國(guó)，洛陽(yáng)耐火材料研究院自 1986 年 開始進(jìn)行了賽隆 Si3N4 結(jié)合 SiC 磚的開發(fā)研究，并和山東生建八三廠一起共同完成了 100T 這種產(chǎn)品砌筑到鞍鋼 4高爐上。該高爐自九十年代初投產(chǎn)并連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 10 年。 Sialon 結(jié)合剛玉耐火材料得到研究和開發(fā)，它比 Sialon 結(jié)合 SiC 磚具有更好的抗堿性和抗氧化性，導(dǎo)熱系數(shù)低，更適合用于高爐爐腹，爐腰部位爐襯材料，以減少熱量損失。 高爐冷卻設(shè)備的作用 高爐冷卻設(shè)備是高爐爐體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)爐體壽命可起到如下作用： （ 1） 保護(hù)爐殼。在正常生產(chǎn)時(shí)，高爐爐殼只能在低于 80℃ 的溫度廠長(zhǎng)期工作，爐內(nèi)傳出的高溫?zé)崃?由冷卻設(shè)備帶走 85％以上，只有約 15％的熱量通過爐殼散失。 （ 2） 對(duì)耐火材料的冷卻和支承。在高爐內(nèi)耐火材料的表面工作溫度高達(dá)1500℃左右，如果沒有冷卻設(shè)備，在很短的時(shí)間內(nèi)耐火材料就會(huì)被侵蝕或磨損。通過冷卻設(shè)備的冷卻可提高耐火材料的抗侵蝕和抗磨損能力。冷卻設(shè)備還可對(duì)高爐內(nèi)襯起支承作用，增加砌體的穩(wěn)定性。 （ 3） 維持合理的操作爐型。使耐火材料的侵蝕內(nèi)型線接近操作爐型，對(duì)高爐內(nèi)煤氣流的合理分布、爐料的順行起到良好的作用。 （ 4） 當(dāng)耐火材料大部分或全部被侵蝕后，能靠冷卻設(shè)備上的渣皮繼續(xù)維持高爐生產(chǎn)。 高 爐冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 由于同爐備部位熱負(fù)荷不同，采用的冷卻形式也不問?，F(xiàn)代高爐冷卻方式有外部沖卻和內(nèi)部冷卻兩種。內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)又分為冷卻擄、冷卻板、板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)及爐底冷卻。 ① 外部噴水冷卻 在爐身和爐腹部位裝設(shè)有環(huán)形冷卻水管，水管直Φ 50Φ 150mm，距爐殼約內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 100mm．水管上朝爐殼的斜廣力鉆有若干Φ 5— Φ 8mm 小兒，小孔間距 100mm。冷卻水經(jīng)小孔噴射到爐殼上進(jìn)行冷卻。為了防止噴濺，在爐殼上裝有防濺板，防濺板與爐殼間團(tuán)有 8— 10mm 縫隙．冷印水沿爐殼流下至集水槽再返凹水池。外部噴水冷卻裝 置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便，造價(jià)低廉。 噴木冷卻裝置適用于小型高爐，對(duì)于大型高爐，只有在爐齡晚期冷印設(shè)備燒壞的情況下使用，作為一種輔助性的冷卻嚴(yán)段，防止?fàn)t殼變形和燒穿。 ②冷卻壁 冷卻壁設(shè)置于爐天與爐襯之間，有光面冷卻壁和鑲磚冷卻壁兩種。通過研究冷卻壁的損壞機(jī)理和考慮它的結(jié)構(gòu)合理性后，新日鐵開發(fā)了第三代和第四代冷卻壁，第三代和第四代冷卻壁的主要特點(diǎn)是： (1)設(shè)置邊角冷卻水管，以防止冷卻壁邊角部位母材開裂。 (2)采用雙層冷卻水管，即在原有的冷卻水管背面設(shè)置蛇形冷卻水管，不但加強(qiáng)了冷卻強(qiáng)度，而且當(dāng)內(nèi)層冷卻管損壞后 ，外層冷卻管仍可繼續(xù) 1：作，從而保證了爐役末期繼續(xù)維持正常冷卻。 (3)加強(qiáng)凸臺(tái)部位的冷卻強(qiáng)度，采用雙排冷卻水管冷卻。并在凸臺(tái)部位前端埋入耐火磚，防止強(qiáng)熱負(fù)荷作用 F 的損壞。 (4)第四代冷卻壁的爐體砌磚與冷卻壁一體化，即將氮化物結(jié)合的碳化硅磚與冷卻壁合鑄在一起，這樣較好地解決了磚襯的支承問題，縮短丁施工工期。 冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻壁安裝在爐殼內(nèi)部，爐殼石開口，所以密封性好；由于均布于爐襯之外，所以冷卻均勻，侵蝕后爐襯內(nèi)壁光滑。它的缺點(diǎn)是消費(fèi)金屬多、笨重、冷卻壁損壞后不能更換。 ③冷卻板 冷卻板又稱扁水稻，材 質(zhì)有鑄鋼、鑄鋼、鑄鐵和鋼板等，以上各種材質(zhì)的冷卻板在國(guó)內(nèi)南爐均有使用。冷卻板厚度 70— 110mm，內(nèi)部持有別Φ 6mm無(wú)縫鋼管，常用在爐腰和爐身部位，呈棋盤式布置， — 般上下層間距 500—900mm，同層間距 150— 300mm。爐腰部位比爐身部位要密集一些。冷卻板前端距爐襯設(shè)計(jì)工作表面一磚距離 230mm 或 345mm，冷卻水進(jìn)出管與爐殼焊接。密封性好。 由于銅冷卻板具方導(dǎo)熱件好、鑄造工藝較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以從 18 世紀(jì)末期就開始用于高爐冷卻。在一百多年的使用中，進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，發(fā)展為現(xiàn)在的六室雙通道結(jié) 構(gòu)。它是采用隔板將冷卻板腔體分隔成 6 個(gè)室，即把冷卻板斷面分成 6 個(gè)流體區(qū)域，并采用兩個(gè)進(jìn)出水通道進(jìn)行冷卻。 此種冷卻板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 (1)適用于高爐高熱負(fù)荷區(qū)的冷卻，采用密集式的布置形式、如寶鋼 1 號(hào)和 2號(hào)高爐冷卻板層距為 312mm，霍戈文艾莫依登廠 4 號(hào)高爐冷卻板層距為 305mm。 (2)冷卻板前端冷卻強(qiáng)度大，不易產(chǎn)大局部沸騰現(xiàn)象； (3)當(dāng)冷卻板前端損壞后可繼續(xù)維持生產(chǎn)； (4)雙通道的冷卻水量可根據(jù)高爐牛產(chǎn)狀況分別進(jìn)行調(diào)整。 (5)銅冷卻板的鑄造質(zhì)量大大提高，為了避免鑄造件內(nèi)外部缺陷采用真空處理等手段，并選 用了射線探傷標(biāo)很 (ASTM— E272)。 (6)能維護(hù)較厚的爐襯．便于更換，重量輕、節(jié)省金屬。但是冷卻不均勻．侵蝕后高爐內(nèi)表面凸凹不平、不利丁爐料下降。 ④板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu) 冷卻板的冷鄰原理是通過分散的冷卻元件伸進(jìn)爐內(nèi)的長(zhǎng)度來冷卻周圍的耐火材料，并通過耐火材料的熱傳導(dǎo)作用來冷卻爐殼、從而起到延長(zhǎng)耐火材料使用壽命和保護(hù)爐殼的作用。冷卻壁的冷卻原理是通過冷卻壁形成一個(gè)密閉的圍繞高爐爐殼內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)對(duì)耐火材料的冷印和對(duì)爐充的直接冷卻。從而起到延長(zhǎng)耐火材料使用壽命和保護(hù)爐殼的作用。在高爐爐身部位使用板壁結(jié)合 冷卻結(jié)構(gòu)形式，是一種新型的冷卻結(jié)構(gòu)形式。它既實(shí)現(xiàn)了冷卻壁對(duì)整個(gè)爐殼的覆蓋冷卻作用，又實(shí)現(xiàn)了沖卻板對(duì)爐襯的深度方向的冷卻，并對(duì)冷卻壁上下層接縫冷卻的薄弱部位起到了保護(hù)作用，因而有良好的適應(yīng)性 [5]。 西方及日本冷卻壁技術(shù)均由前蘇聯(lián)引進(jìn)。日本是在 1967 年引進(jìn) , 使用在新日鐵名古屋 3號(hào)高爐 , 爐壽為 , 新日鐵稱為第一代 , 相當(dāng)于我國(guó)的第二代冷卻壁。經(jīng)過 12 年的使用 , 對(duì)其冷卻壁進(jìn)行了改進(jìn) , 與我國(guó)目前使用的第三代冷卻壁相當(dāng) , 但冷卻壁內(nèi)的冷卻水管盡量冷卻角部 , 鑲磚仍為鑄入磚。新日鐵第三代冷卻壁 1977 年在廣煙 4 號(hào)高滬上開始采用 , 于 1993 年 6 月停爐 , 高爐壽命為 16年。其特點(diǎn)是增加了背部蛇形管、上下角部管 , 鑲磚為鑄入石墨碳化硅磚。用這種冷卻壁高爐內(nèi)不必砌磚。 第三代冷卻壁采用在新日鐵大分 1 號(hào)高爐。從 1979 年 8 月開爐至 1993 年 1月停爐 , 工作了 13 年 5 個(gè)月 ,損壞水 73 管根 , 約占冷卻壁總水管量的 %, 爐腹上部、爐腰和爐身下部高熱負(fù)荷區(qū)域被損壞 。 部和凸臺(tái)水管占該區(qū)域同類水管總數(shù)的 12%左右。全部豎水管只損壞了 6 根 , 高爐由于爐缸側(cè)壁碳磚僅剩 500mm左右而被迫停爐大修 [6]。 我國(guó)冷 卻技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)高爐壽命較國(guó)外高爐短 , 特別是與日本高爐差距甚大。必須從設(shè)計(jì)、制內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 造、施工、操作到維護(hù)進(jìn)行綜合治理 , 從裝備水平、技術(shù)、組織到管理全面提高。高爐爐體冷卻技術(shù)是其中的重要環(huán)節(jié)。目前 , 高爐爐體冷卻技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步 , 特別是冷卻壁技術(shù)有大幅度的提高。 西方國(guó)家包括日本在內(nèi)在 60 年代 ,甚至到目前還有大量高爐采用純銅冷卻板。在 50 年代末 , 日本采用了密集式銅冷卻板 ,加強(qiáng)了對(duì)磚襯的冷卻 , 延長(zhǎng)了爐體的壽命。梅山 2 號(hào)高爐采用了鋼制冷卻箱并用