太钢1800 m3高炉内衬结构的特点

关键词 高炉 炉底 炉缸 内衬

1 概述

太钢1 800 m³高炉是扩容改造大修的新高炉，设有26个风口，设计寿命一代炉役寿命15年(不中修)。炉底采用国产石墨砖、微孔炭砖和超微孔炭砖(干砌)，炉缸侧壁象脚侵蚀区采用UCAR公司的热压小炭块，炉缸侧壁上部采用国产环形大炭块(干砌)，风口组合砖为进口烧成莫来石浇注大块，炉底陶瓷垫采用进口红柱石高铝砖和粘土砖两层立砌；两个铁口区域分别采用4块进口光面铜冷却壁；第六到九段为国产带燕尾槽的铜冷却壁，燕尾槽内捣打碳化硅捣料，铜冷却壁热面环砌400mm厚的氮化硅结合碳化硅砖衬；第十到十五段为满镶砖冷却壁(砖壁合一薄内衬结构)，其中第十、十一段镶氮化硅结合碳化硅砖衬，第十二到十五段镶磷酸浸渍粘土砖；第十六段为倒扣C形冷却壁，冷却壁热面焊接锚固钩，C形冷却壁冷面浇注轻质粘土浇注料；砌筑完成后，在第十到十六段冷却壁炉内侧喷涂保护衬，使喷涂层与第六到九段铜冷却壁热面砌筑的氮化硅结合碳化硅砖衬平齐；第一段至第十六段冷却壁之间接缝用碳化硅炭质捣料捣打密封，烘炉憋压完成后，在炉壳与冷却壁之间灌高铝质无水压人泥浆密封。

太钢1800 m³高炉2007年7月3 1日点火开炉，运行25天后炉衬和各段冷却壁温度都在正常安全范围，其中炉基中心温度低于60℃，炉底砖温度80～198℃，炉缸侧壁小块炭砖温度100～290℃。

2 炉底炉缸的结构及耐材选择

炉底炉缸耐材结构和材质的设计原则是传热合理及消除热膨胀应力，达到15年以上的使用寿命。具体到传热合理，主要是要求炉底、炉缸的炭质炉衬在冷却壁及炉底水冷管的冷却作用下，通过合理布置不同导热系数和抗铁水溶蚀性能的炭质炉衬，维持比较安全的温度场分布，使炉内的热量通过侧向的冷却壁和纵向的炉底水冷管迅速和顺利导出。消除热膨胀应力，主要是通过合理布置吸收热膨胀的合金板或耐火纤维，消除各种耐火材料热膨胀变形产生的热应力，避免高温状态下耐材互相挤压剪切造成损坏。

利用数学模型计算的炉缸炉底等温线见图1。根据计算结果可以预见，高炉开炉生产后，炉缸炉底的内衬热面温度接近1150℃渣铁冷凝温度，能较早形成比较稳定的渣铁凝固保护层。

2．1 炉底

太钢1 800 m³高炉水冷管中心线以下20 mm到风口组合砖上部的区域，由国外某公司设计并组织采购部分耐材。水冷管调平层采甩进口碳化硅质半自流浇注料，调平层以上为五层国产大块炭质材料总厚度2000 mm，分别为石墨砖(200 mm)、炭砖(400 mm)、石墨砖(500 mm)和两层超微孔炭砖(450 mm×2)。这五层炭质炉底砖为干砌，最下部石墨砖与调平层浇注料之间用碳化硅质泥浆找平，第四和第五层超微孔砖之间夹进口3 mm开孔铜合金板间隔布置缓冲吸收热膨胀。这种开孔铜合金板受热升温过程中，在周围炭块的挤压下软化变形，经检测在氮气保护下1 000℃左右挥发，变为白色棉絮状。炭质炉底上部为两层(400 mm×2)立砌进口陶瓷垫砖，下部为红柱石高铝砖，上部为粘土砖，陶瓷垫砖按板块夹1400℃耐火纤维毡吸收热膨胀应力。

炉底设计的关键是解决好炉底水冷管的散热效果、结构强度、均衡炉底温度场分布、消除热膨胀应力。为此，我们在水冷管调平层选用了进口碳化硅质的半自流浇注料，实测室温导热系数达到7．73～10．82 W／(m·K)，干燥耐压强度27～3 8．2 MPa，碳化硅(SiC≥65％)质半自流浇注料的施工性能比炭质捣打料好，导热系数接近，耐压强度高约15～32 MPa，耐火材料与水冷管的接触面紧密，基本没有空隙，导热效果实际要好一些，而且浇注料自然干燥后强度高，表面打磨很平整光滑，与其上的第一层石墨砖接缝一般小于1～3 mm，设计用碳化硅质(SiC≥80％)泥浆找平，实际施工中发现碳化硅泥浆失水快，泥浆饱满度未达到理想要求，使用了少量的C一34碳素胶泥辅助填满空隙。从第一层薄石墨砖上表面开始为干砌，第一层石墨砖干砌砖缝要求≤0．3 mm，其他层炉底砖干砌砖缝要求≤0．5 mm，实际检查结果见表1，实际干砌效果非常好，完全达到设计要求，绝大多数干砌砖缝在0．3 mm以下，为开炉后的顺利传热和长寿创造了良好的基础条件。

炉底第一层和第三层为国产高导热石墨砖，200℃导热系数国内检测达到84．71 W／(m·K)，国外检测达到135W／(m·K)，优良的导热性能为炉底热量向垂直(炉底水冷管)和水平方向(冷却壁)快速顺利传输创造了基础条件。第四层、第五层超微孔炭砖的透气性极低、孔径小，抗铁水溶蚀和抗碱侵蚀性能优良，600℃导热系数达到20．15 W／(m·K)(平行)和26．1 5 W／(m·K)(垂直)。第二层微孔炭砖600℃导热系数14．2 W／(m·K)，设置这一层中等导热系数炭材的主要目的，是考虑炉底水冷管调平层的导热系数只有10．82(110℃干燥后，20℃)W／(m·K)，而且用一层中等导热系数的炭材(400 mm厚)设置在薄石墨砖(200 mm厚)与厚石墨砖(500 mm厚)之间，利用厚石墨砖向水平方向快速导热的特点，可以均衡炉底中部与边缘的温度场分布，不至于造成炉底中心的高温聚集。国产微孔、超微孔大炭块和石墨砖的常温耐压强度检测值分别为53MPa、39 MPa和31．67 MPa，超过≥36 MPa(微孔和超微孔大炭块)和≥25 MPa(石墨砖)的设计要求，较高的导热系数和耐压强度，确保了国产大炭块和石墨砖单体抗热应力破坏能力在安全范围内(德国蒂森公司对施维尔根高炉进行热应力计算结果要求，炉缸炉底的大炭块的耐压强度≥31MPa)。

炉底与炉缸侧壁的大炭块与冷却壁接缝处(30～100 mm厚)，采用了德国SGL公司的EG炭捣料，该炭捣料施工性能优良，捣制样块体密达到1．7 g／cm³，20℃导热系数达到15．34 W／(m·K)，较好地减少了这部分的传热热阻。

2．2 炉缸

炉缸侧壁象角状侵蚀区域采用热压小炭块NMA和NMD，用C一34炭素胶泥砌筑，侧壁砖衬厚度1149 mm，两个铁口区域加厚到1723 mm。NMD砖紧贴冷却壁砌筑，在铁口区域砌筑高度达到铁口中心线以上900 mm高度(33层)，在其他区域紧贴冷却壁砌筑高度1250 mm(1 4层)，在炉缸3 932 mm高度范围内的其他位置为NMA(35层)砖砌筑。

砌筑UCAR热压小炭块时，与冷却壁接缝处≤3 mm的缝隙用C一34胶泥填充，3～6 mm的缝隙用EG炭捣料加配C一34胶泥填充，≥6 mm的缝隙用NMD砖切割薄片涂抹C一34胶泥填充，最大限度地减少传热热阻。

为确保铁口区域的冷却和长寿，在两个铁口位置分别采用了四块美国进口的铜冷却壁，铁口通道热面(约铁口深度一半)用NMD砖和NMA砖满砌筑完毕后钻孔(直径150mm)，铁口通道冷面NMD砖砌筑时预留浇注空间，用进口铝碳化硅质低水泥致密浇注料浇注成型，干燥后钻孔(直径150mm)。

热压小炭块之上采用四层(400 mm×4)国产干砌环形微孔炭块，环砌炭块上下水平缝采用2×0．3 mm的铜皮缓冲吸收热膨胀，垂直缝采用1 mm的开孔钏合金板吸收热膨胀应力。

住第38与39层环砌大炭块之间水平位置设置了铜钢焊接的水密封挡板，铜板厚度3 mm，单块弦长约3 000 mm平铺焊接，覆盖全部环砌大炭块，并与炉壳用5 mm厚的钢板焊严，用以密封此上的冷却器漏水，对炉缸炉底的炭质炉衬进行保护。

风口组合砖采用莫来石浇注振动成型烧成大块，四层八块一组，每个风口之间设置四块调节砖，每套风口组合砖之间用3 mm的开孔铜合金板吸收热膨胀应力。风口组合砖与冷却壁之间采用碳化硅质自流浇注料，风口组合砖与送风大套、中套之间用EG碳捣料填充。

炉缸炉底主要耐材的理化检测数据见表2、3。

3 炉腹炉腰及炉身下部的结构及耐材选择

该区域为高炉内温度变化最剧烈，液相、气相两相流最激烈的区域。实践证明，该区域的长寿主要靠冷却器前稳定的渣皮和渣皮脱落后能快速再形成渣皮来保护冷却设备，而耐火炉衬是在开炉初期温度急剧波动相对较短的一定时期内起到保护冷却设备、形成操作炉型的作用。当然，耐材的热震稳定性高、抗碱侵蚀性强、导热系数足够时，耐材存在的保护期会相应延长，对高炉一代炉役的寿命也是有积极意义的。为此，在第6～9段设置四层国产燕尾槽钻孔薄铜冷却壁，燕尾槽内捣打碳化硅捣料，热面咬砌400 mm厚的氮化硅结合碳化硅砖，检验结果见表4。检验数据表明，氮化硅结合碳化硅砌砖的热震稳定性较高、抗碱侵蚀性强、导热性能良好，常温和高温强度较高，可以满足该部位的工艺要求。在砌砖与铜冷却壁之间施工缝隙问填充碳化硅硬泥，以确保导热和吸收径向水平热膨胀应力；在氮化硅结合碳化硅砌砖垂直砖缝按板块设置5～6 mm的膨缝，填充1425℃的耐热纤维板，吸收圆周方向的热膨胀应力；在氮化硅结合碳化硅砌砖与风口组合砖之间，使用高铝碳化硅质的复合泥浆吸收垂直方向热膨胀应力。

4 炉身中上部的结构及耐材选择

炉身中上部区域的耐材炉衬，主要受气固相两相流的磨损冲刷和碱侵蚀、锌侵蚀等有害元素的破坏。因此，在第10、11段满镶砖冷却壁采用氮化硅结合碳化硅镶砖(镶砖厚度1 40～170 mm，利用镶砖热面凸凹确保表面喷涂保护衬结合)，镶砖之间捣打碳化硅捣料；在第12～15段满镶砖冷却壁采用磷酸浸渍粘土镶砖(镶砖厚度1 40～170mm)，镶砖之间捣打高铝质磷酸盐捣料；第16段为倒扣C型冷却壁，靠炉壳一面采用轻质粘土浇注料，炉内热面焊接锚固钩，并在第10～1 6段冷却壁镶砖表面和第16段C型冷却壁表面喷涂230 mm左右厚度的保护工作衬，其中第1 6段C型冷却壁热面喷涂层厚度为由下至上逐渐减薄。镶砖的检验数据见表4，喷涂料和浇注料的检验数据见表5。在镶砖与砌砖间使用了碳化硅质缓冲泥浆吸收热膨胀应力。

5 耐材质量控制及筑炉质量控制

(1)耐材的采购和质量控制环节。根据耐材供货商在国内外供货业绩和在太钢以往供货质量和使用效果等方面，由专家组讨论筛选招标入围厂家并公开招标，由专家组按业绩和价格对标、评标并排列评标顺序，由项目经理和公司主管领导批准后执行。耐材生产中和出厂前进行抽检判定，到货后进行最终抽检判定，主要理化性能、内在质量和外观不符合技术要求的材料判废重新制作供货，个别非关键指标有偏差的材料，经专家组讨论后决定是否可以扣款使用。炉缸炉底的大炭块、风口组合砖和其他关键部位的组合砖，都进行了出厂前预组装验收。

(2)筑炉中重点控制平整度、砖缝、膨胀缝、泥浆饱满度、捣打料密实度、浇注料加水量等环节。由第三方监理和项目部筑炉组共同跟班进行现场筑炉质量控制，特别是对组合砖、炉缸炉底砖和冷却壁镶砖的砌筑进行重点监控。

6 结语

(1)太钢1 800 m³高炉考虑了各部位的工艺特征和侵蚀特性，进行了相应比较合理的炉衬设计和选材。设计过程中和筑炉施工阶段与设计单位紧密结合，完善设计结构和材质技术要求。

(2)在太钢1800m3高炉内衬的科学合理设计、选材、耐材质量控制、筑炉施工等环节，进行了新的探索和实践，为高炉实现优质、低耗、长寿、高效生产打下了一个良好的基础。