1、高炉炉衬冷却系统设计技术以前一直认为高炉炉衬仅仅是一种易损材料而未引起足够重视，结果使得耐材质量成为影响高炉长寿的一个重要因素。为此，冶金工作者对复合耐材的特点、耐材与冷却系统相结合的应用方面进行了研究。现代高炉操作强调的是增加死铁层深度，以减少炉缸内铁水环流对炉缸侧壁的冲刷侵蚀。1.前言高炉炼铁是一个包括固、液与气相对流动的复杂工艺过程。早期，采用的是数量众多的小高炉，随着技术的发展，现代高炉的容积不断扩大，而且采用了高温高压等措施，实行强化冶炼，极大地提高了生产率，降低了成本。例如，1971年德国拥有70座高炉，年产铁水3000万t，每座高炉平均产铁43万t。1981年，仅用18座高炉(扩
2、大了高炉容积)同样达到年产铁3000万t，每座高炉平均年产铁170万t。上述目标的实现得益于采用了以下措施:防止炉衬烧穿和非计划停产;预测和计划炉衬重砌时间;优化换衬战略，实现换衬时间最短。2.开发新技术冶金工作者对以下方面进行了重点研究:2.1改进原燃料和操作方式选用优质原燃料，如焦炭，富氧鼓风，炉顶高压和高温操作以提高炉子生产率。2.2采用中心加焦高炉炉料的科学分布和气体的合理流动是实现稳定操作的重要因素，直接关系到炉子的生产率。采用中心加焦法可很好控制炉料合理分布点和气体流动，有效控制粘附带形状和减少死铁穿透。2.3喷煤喷煤(PCI)可有效提高炉温，降低焦比。在不影响高炉操作压力和炉料下
3、降的情况下已建立了低焦比操作制度。当前，在合理布料，采用优质原料和富氧鼓风技术的基础上，高炉喷煤量已达到200230kg/thm。然而，煤粉喷入量的增加不仅影响了焦炭破裂，死铁层形成条件，炉缸透气性，同时增大了炉缸耐材的热负荷，破坏炉衬。3.操作工艺对炉衬耐材的影响因为高温高压等工艺技术的变化使炉衬受到了更严峻的磨损考验。炉腹、炉腰和炉身下部耐材的温度较以前更高。采用铜质立式冷却壁和控制高炉气体流动模式已有效减少了炉墙磨损，但炉缸的脆弱仍然直接影响高炉寿命。在炉腹，炉腰和炉身下部，温度波动和高温热应力造成的耐材剥落和破碎仍然是炉衬破坏的主要原因。炉缸的磨损机制有所不同，大致可归纳成以下几种原因
4、:由于焦柱透气性低和炉缸深度较浅引起出铁口周围及其下部高温液体的流动阻碍了渣壳在工作面的形成，加之表面温度的升高等原因，导致了炉衬侵蚀的加速;锌和碱金属蒸汽通过耐材气孔对砖体渗透造成耐材渐进碎裂，即锌蒸汽与CO发生化学反应生成ZnO和C。ZnO和C的沉积将导致砖的膨胀和脆性，从而加快了耐材的剥落;蒸汽氧化作用即风口漏水。当温度为750时，C被水蒸汽氧化，造成砖化学结构的破坏从而加速砖的腐蚀;当温度在450700时，CO会分解，生成的碳在耐材中沉积从而破坏砖结构，加速砖的早蚀;由于炉缸壁大块碳砖热面和冷面膨胀率不相同，所以碳砖工作面某些深度部位产生破碎和空隙引起砖体崩裂。4.传统与现代设计对比现
5、代高炉炉衬的开发是在高炉操作工艺不断进步的过程中逐渐完善的。4.1传统设计4.1.1炉腹、炉腰和炉身下部炉腹、炉腰和炉身下部的热负荷取决于炉料分布和种类。在引进现代布料技术如无料钟炉顶,中心加焦之前，炉墙热负荷由于外围气体流动的增加而较高，软融带形状和炉腹、炉腰以及炉身下部的温度难以合理控制。板式冷却是高炉传统冷却方法中常用的冷却器。在材料选择、制造方法、冷却器内隔板布置和减小炉衬内冷却板间距等方面的设计都是正确的，主要缺点是安装冷却板时炉壳需要开一大口子，其次是炉壳设计比较复杂。此外，两冷却板间的部分炉壳暴露于传热区容易产生热应力。用铜质冷却板与氧化铝炉衬配合也由于早期破坏，缩短高炉炉龄而未
6、取得成功。4.1.2炉缸炉缸因为贮存高温铁水和炉渣，所以对耐材的性能要求更高，必须具有良好的耐高温(超过1500)性能，热稳定性以及抵抗铁水和炉渣腐蚀的能力。传统设计中，在炉缸底的一层碳质材料的上方采用多层陶瓷耐材砌筑，下面采用空气冷却碳质耐材。4.2现代设计现代化高炉关键带的炉衬是经再三斟酌、反复思考后设计而成。4.2.1炉腹、炉腰和炉身下部炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬设计采用的是导热耐材硅碳砖、石墨砖、半石墨砖等与铜质立式冷却壁或密排铜质冷却板相结合。可以采用两种方法改善这些区域的炉衬寿命，即用高导热石墨砖结合铜质冷却板强化冷却，或用铜质立式冷却壁与SiC砖配合(或用铜质冷却板与SiC砖配合
7、)进行冷却。SiC-铜质立式冷却壁和石墨砖-铜质冷却板的最大热负荷容量超过50万W/m2，比早期硅酸铝耐材结合密排板式冷却器的最大热负荷容量10万W/m2高出许多倍。铜质立式冷却壁具有很多优点，采用该冷却方式的高炉没有任何直接热量传输至炉壳。其主要优点是对高炉炉壳全部表面进行冷却，而铜质冷却板只能冷却高炉局部炉壳。即使某些耐火材料已经损坏，立式冷却壁仍然具有将自身工作面以上的一层材料进行冷冻的能力，防止冷却壁遭受机械破坏。4.2.2炉缸因为炉缸寿命决定高炉寿命，所以，设计的炉缸寿命应该超过15年。采用陶瓷材料的传统炉缸的设计寿命仅有67年。这是因为耐材热面温度很高而无结壳形成，使炉衬长期与高温
8、铁水和炉渣接触，加速了耐材的损坏。在现代高炉中，炉缸通常采用铸铁立式冷却壁。然而，由于出铁口及其以下部位的热负荷相当高而极易造成炉衬的破坏，所以，近年来许多高炉在包括出铁口及“象脚状“侵蚀区在内的许多部位安装铜质立式冷却壁，取得了很好的冷却效果。炉缸垫是一层与炉缸底部钢板紧密接触的石墨砖(通过安装在钢板下面的冷却水管进行冷却)。石墨之上是一层微孔碳砖，炉底顶面是一层陶瓷盘。炉缸壁(从底部到顶部)通常用高导热能力的大块微孔碳砖砌成。出铁口和炉缸底垫到炉缸壁这一过渡带耐材的耐久性最脆弱，通常用具有高导热性超级微孔碳砖砌成。也有某些设计者在炉缸碳质壁上安装一层陶瓷砖作为热面层以防止炉缸壁腐蚀和降低炉
9、缸壁的热量损失。风口区通常采用氮化物粘结剂的硅碳砖、高铝砖或碳砖。在北美，炉缸壁用热压微孔小型碳砖，因为小型碳砖具有更多的砖缝，可用于调节或弥补砖的冷面与热面不同步膨胀出现的挤压等，减轻或消除碳砖内的热应力。缸底则用长条型碳质砖。Ijmuiden设计的缸壁由微孔半石墨砖与石墨砖组合砌筑。炉缸底用石墨和半石墨砖，缸底最上层用一层陶瓷砖。4.2.3其他区高炉炉身上部和炉顶锥形部分不太脆弱而且维护较容易，所以炉身上部用碳化硅砖(或高铝砖)配合板式冷却;或用现代铸铁立式冷却壁砌组合砖。炉喉用铸铁立式冷却壁。炉顶锥形部分采用CO耐久喷补浇注料。5.结论为保证高炉长寿，设计时要遵从以下原则:炉缸底必须有效冷却，炉缸采用高导热砖;炉腹、炉腰采用铜质立式冷却壁配砌碳化硅砖，或高导热石墨砖强化冷却;炉身上部和中部采用现代铸铁立式冷却壁配砌组合砖;必须用软水冷却;大量使用优质原料，最好使用烧结料;使用高CSR和M40值的大块焦炭;合理布料保证炉内气体合理流动;稳定而连续操作。
