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安全型爐底爐缸結構思路及在高爐上的應用

2018/2/1 10:44:39??????點擊:

安全型爐底爐缸結構思路及在高爐上的應用

武會卿1    趙永安2  張曉磊2 李明歡2

                         ( 1山西建邦集團,侯馬,山西 043000 )

( 2河南五耐集團實業有限公司,鞏義,河南451250)

                        

 

  要:

 

近年來,高爐爐缸燒穿現象時有發生,特別是一些大中型高爐投產3年左右就出現燒穿的事故,為現場操作埋下了極大的安全隱患,有些已造成人身傷亡事故,更為高爐的安全生產造成了極大的損失。本文結合高爐爐缸的工作環境,分析了高爐爐缸用材料所存在的安全隱患就是炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和強度問題,并針對這一問題提出了新的思路。這一思路從材料和結構上極大地提高了高爐爐底爐缸的操作安全性和長壽性。

 

關鍵詞: 安全長壽   碳復合磚  爐底爐缸結構    

 


 

 


目前國內外高爐下部的結構主要有兩種形式,一種是全炭爐底爐缸結構,一種是炭磚加陶瓷杯結構。通過對高爐下部長壽機理的分析,對實現高爐下部安全長壽的條件業內有如下共識:

1. 高強度的冷卻系統;

2. 高導熱材料(比如炭磚);

3. 設計結構;

4. 砌筑質量、操作和使用環境;

5. 陶瓷杯材料輔助

從以上條件來看,除提倡高強度的冷卻系統、砌筑質量、操作和使用環境這幾個硬件和人為的因素之外,我們認為在爐底爐缸用高導熱材料和設計結構上需進一步改進和提高。

一.傳統導熱材料(炭磚)

在全炭結構和炭磚加陶瓷杯結構這兩種形式中,作為導熱材料的炭磚都是主要材料[1]。從19世紀40年代歐洲的高爐試用炭質耐火材料開始,炭質耐火材料的使用改變了高爐爐缸內襯一直使用粘土磚的歷史,也大大延長了高爐的壽命。上世紀5060年代我國采用炭塊砌筑的幾座大中型高爐,爐底壽命長達1015年,爐缸壽命也可達10年左右,1990年前中國絕大多數大中型高爐的爐底和爐缸都使用了炭塊[2]。但時至今日,即使采用炭磚加陶瓷杯的結構,大部分高爐的壽命也不足10年。

國內外幾種炭磚的理化性能見下表:

國內外幾種炭磚的理化性能 [3]

性  能

單位

日本BC-7S

法國AM-102

美國NMA

國產微孔炭磚

國產普通炭磚

國產超微孔炭磚

體積密度

g/cm3

1.58

1.56

1.62

1.56

1.57

1.69

顯氣孔率

%

13.99

17

18.86

17

14.1

17.29

透氣度

mDa

5.98

0.28

4.44

2.418

151

0.49

氧化率

%

2.49

8.09

18.06

8.89

33.69

5.6

鐵水溶蝕指數

%

15.79

13.46

28.18

25.65

29.2

26.77

平均孔徑

μm

0.234

0.109

1.083

0.232

2.17

0.10

<1μm孔容積

%

76.33

78.67

53.4

73.69

26.48

82.51

導熱系數

室溫

W/mK

7.55

8.85

4.96

6.55

3.57

20.22

300℃

11.3

11.8

11.3

11.55

3.67

22.06

600℃

12.4

14.0

16.1

13.38

5.00

24.07

800℃

12.4

15.0

16.6

13.55

5.49

22.93

 

 

原耐壓強度

MPa

46.58

29.41

29.93

43.2

40.9

45.28

后耐壓強度

MPa

51.13

37.1

32.15

55.26

24.07

54.16

強度變化率

%

+9.77

+26

+7.4

+27.92

41.65

+19.61

體積膨脹率

%

6.32

3.23

2.84

3.15

16.51

3.32

外觀

 

光潔無裂紋

無裂紋

無裂紋

無裂紋

有大裂紋

無裂紋

評價

 

(U)

(U)

(U)

(U)

差(C

(U)


 

炭磚在高爐內的侵蝕機理:

鐵水溶蝕:鐵水對炭的溶解造成炭磚的損壞;

氧化作用:CO2  H2O等的氧化作用使炭磚失去強度和抗侵蝕性;

鐵水沖刷:生產過程中流動的鐵水對炭磚的沖刷造成的損壞;

堿和渣侵蝕:堿金屬以及渣的侵蝕作用造成炭磚脆化、龜裂;

熱應力的作用:鐵水或堿成分向炭磚內部的滲透造成炭磚脆化、膨脹、碎裂;

 

通過高爐爐缸的侵蝕機理、炭磚的侵蝕機理和炭磚的理化性能分析,高爐爐缸的長壽是靠炭磚的高導熱性能降低工作面的溫度在工作面形成渣鐵殼來保護炭磚,這種渣鐵殼需要一個穩定的熱平衡來保持,如果出現較大的溫度波動,將對渣鐵殼的形成和保持造成極大的影響,甚至造成渣鐵殼的脫落,包括冷卻系統出現異常情況達不到冷卻效果,炭磚的工作面也就形不成渣鐵殼,在這種情況下炭磚的抗鐵溶蝕性就成為爐缸長壽的一個重要條件[4]

在炭磚在爐缸內的五個侵蝕機理方面,堿侵蝕和熱應力的作用,可以通過對炭磚的改進,使炭磚實現微孔化而減小這些作用,但鐵水溶蝕性、抗氧化性和抗沖刷性是炭磚固有的頑疾,僅靠對炭磚的改進是不能徹底解決的。因此炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性是制約高爐安全生產的重大隱患。

要徹底解決高爐爐底爐缸的安全問題,首先要解決炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性。我們設想:如果讓爐缸材料保持炭磚的高導熱性,又引入陶瓷杯較好的抗鐵溶蝕性、抗氧化性、抗沖刷性,那么這種材料對降低象腳狀侵蝕、提高高爐爐缸的安全性、延長高爐壽命將是極為有利的。

微孔剛玉磚是目前最好的陶瓷杯材料,抗鐵抗氧化性極好,根據這個思路,我們以微孔剛玉磚為基礎,在微孔剛玉磚中引入炭進行了試驗,得到一種既具有炭磚的高導熱性又具有微孔剛玉磚的較好的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和高強度的材料,因為其既具有陶瓷結合又具有碳結合,因此我們把這種材料叫做碳復合磚,碳復合磚與國內外幾種炭磚性能的比較見下表:

從指標可以看出,碳復合磚除具有炭磚的較好的導熱性外又具有微孔剛玉磚的優良的微孔化性能、抗鐵溶蝕性、抗氧化性等,具備了爐底爐缸用長壽材料的條件。

碳復合磚與國內外幾種炭磚性能的比較

性  能

單位

日本BC-7S

法國AM-102

美國NMA

國產微孔炭磚

國產超微孔炭磚

碳復合磚

體積密度

g/cm3

1.58

1.56

1.62

1.56

1.69

2.98

顯氣孔率

%

13.99

17

18.86

17

17.29

10.96

透氣度

mDa

5.98

0.28

4.44

2.418

0.49

0-0.63

氧化率

%

2.49

8.09

18.06

8.89

5.6

0.9

鐵水溶蝕指數

%

15.79

13.46

28.18

25.65

26.77

0.31

平均孔徑

μm

0.234

0.109

1.083

0.232

0.10

0.238

<1μm孔容積

%

76.33

78.67

53.4

73.69

82.51

80.44

導熱系數

室溫

W/mK

7.55

8.85

4.96

6.55

20.22

17.34

300℃

11.3

11.8

11.3

11.55

22.06

16.21

600℃

12.4

14.0

16.1

13.38

24.07

14.27

800℃

12.4

15.0

16.6

13.55

22.93

13.78

 

 

原耐壓強度

MPa

46.58

29.41

29.93

43.2

45.28

76

后耐壓強度

MPa

51.13

37.1

32.15

55.26

54.16

79.93

強度變化率

%

+9.77

+26

+17.4

+27.92

+19.61

+5.20

體積膨脹率

%

6.32

3.23

2.84

3.15

3.32

2.92

外觀

 

光潔無裂紋

無裂紋

無裂紋

無裂紋

無裂紋

無裂紋

評價

 

(U)

(U)

(U)

(U)

(U)

(U)

二.爐底爐缸結構的問題


    目前傳統的爐底爐缸結構如圖1:  

                   

                             1  傳統爐底爐缸結構

在這種結構中存在以下幾個問題:

1. 傳統陶瓷杯與炭磚的熱膨脹存在很大的差異[5],其中的膨脹縫很難掌握,因此極易造成風口上翹、爐殼開裂等現象。如果我們用陶瓷杯就要注意陶瓷杯的熱膨脹和抗堿之后的體積膨脹;

2. 陶瓷杯的存在對炭磚是一個保護,但陶瓷杯與炭磚是兩層結構,陶瓷杯在侵蝕殆盡時,可能在局部突然坍塌又不能快速開成渣鐵殼而使炭磚失去保護直接暴露在鐵水中,加速炭磚的溶蝕[6]

3. 爐底陶瓷墊與周圍炭磚間的搗料層是一個薄弱環節,在爐缸出現象腳狀侵蝕時,這個搗料層會暴露出來受到鐵水的沖刷,在搗料層侵蝕掉之后,鐵水就會鉆到陶瓷墊下方而使陶瓷墊漂浮。

三.安全長壽爐底爐缸的思路

 

  有了相應的材料,針對傳統爐底爐缸結構的問題我們進行了設計改進和優化(圖2、圖3):

 

       2   爐底爐缸優化設計方案                                               圖3   設計方案溫度場分布

 

在這個方案中,以上幾個問題均得到了解決:

1. 所用碳復合磚的導熱系數從冷面到熱面是一個降低的趨勢,這一趨勢符合高爐爐底爐缸設計理念,也符合程樹森老師等提出的“揚冷避熱梯度布磚法的理論”[7]

2. 用碳復合磚作為爐缸材料,由于其含有一定的炭成分,其熱膨脹系數比陶瓷杯材料大大降低,且是一種材料結構,可以避免風口上翹、爐殼開裂的現象;

3. 由于碳復合磚具有較好的導熱性,同時既有陶瓷結合又有碳結合,因此極易在工作面形成渣鐵殼保護層,由于爐缸是一層結構,在使用過程中不會出現局部突然坍塌而失去渣鐵殼保護層的問題。渣鐵殼保護是形成永久型爐底爐缸結構的重要條件,也符合武鋼宋木森高工永久型爐襯的理論[8]

4. 爐底是滿鋪結構,沒有了傳統結構中陶瓷墊與炭磚的夾層,消除了一個爐底漂浮的危險因素;

5. 爐底三層碳復合磚的應用,把1150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在碳復合磚層內,即使將來爐底有所侵蝕,也不會侵蝕到炭磚,也就是說在整個爐役內炭磚是不接觸鐵水的,也就避免了炭磚抗鐵溶蝕性差的問題。

四.安全長壽爐底爐缸應用實例

根據以上思路,2007年在山西通才410m3高爐進行了應用(圖4)。

4   通才2BF 410m3高爐下部設計方案

設計方案中除爐底下部采用4層高導熱微孔模壓炭磚外,其余爐底爐缸均采用碳復合磚砌筑,近似于全炭爐爐缸結構形式。

高爐在運行5年多后對爐身上部進行了噴補造襯,在此過程中對爐缸進行了檢查。

                    

                          5 通才410m3高爐使用5年后爐缸侵蝕情況

                       

                         6 通才410m3高爐使用5年多后鐵口侵蝕情況

在爐缸調查過程中我們發現,整個爐缸只有鐵口區有一小范圍的侵蝕區,其它爐缸磚均呈原磚面幾乎沒有侵蝕,鐵口區兩邊下部300mm也沒有發現象腳狀侵蝕的趨勢,風口區結構完整沒有上翹,達到了當初的設想(見圖5、圖6)。爐缸內形成了約200mm厚的渣鐵層,渣鐵層粘附在爐缸磚面但不很緊密,這一點從清理時渣層呈片狀剝落可以得到證實,我們分析這一現象與碳復合磚的微孔化結構和含有一定的炭有關,微孔化阻止了渣鐵向磚內的滲透,而炭與渣鐵的不潤濕性也降低了渣與磚的粘連。

20131月,通才邀請國內知名專家采用計算機“高爐爐缸內襯侵蝕狀態自動診斷監測系統”對該公司包括2#1#兩座同級別的高爐進行了爐缸爐底侵蝕分析,其中2#爐(碳復合磚新型結構)運行5年半,1#爐(炭磚+陶瓷杯結構)運行27個月,結果如下圖7、圖8、圖9、圖10.

 

 

 

 

 

從圖7和圖9可以看出2#爐爐底爐缸侵蝕為鍋底型+爐缸側壁圓角侵蝕,侵蝕量中等。爐缸西南方位內襯平均剩余厚度為700mm。當前,爐缸爐底均處于安全狀態。

從圖8和圖10可以看出1#爐底爐缸侵蝕為鍋底型+蘑菇型侵蝕,侵蝕量均較大。鐵口方位第1段冷卻壁上部最小剩余厚度240mm。鑒于爐缸側壁侵蝕量已嚴重,安全系數已較小,基本達到了停爐大修界限。

據以上分析,采用傳統的炭磚+陶瓷杯結構的1#爐經約3年運行即進入大修期,而采用該安全型爐底爐缸結構的2#爐經過實際測量及采用計算機自動診斷監測系統進行分析,可望突破20年的使用目標,顯示出了極好的安全性和長壽性。

語:

1. 高爐爐底爐缸材料應提倡微孔化結構,材料的微孔化有利于抵抗渣、鐵、堿蒸汽的滲透侵蝕。

2. 采用碳復合磚作為爐底爐缸材料代替炭磚,徹底解決了炭磚的抗鐵溶蝕性差、抗氧化性差和不耐沖刷的問題,可以在相同條件下大大提高爐底爐缸的安全性,減小或消除象腳狀侵蝕現象,顯著延長高爐壽命。

3. 新的設計結構消除了傳統方案中夾層的問題,使爐缸形成一個整體,有利于結構穩定,爐底滿鋪有利于防漂浮效果。如果采用陶瓷杯應注意其熱膨脹系數和抗堿之后的膨脹。

4. 影響高爐安全生產的因素還有很多,比如:炭搗料的質量、施工質量、氣隙熱阻層的影響等等,我們也將進行相應的關注和研究,并希望得到有關專家的支持和幫助。


 


 

[1]  王筱留、左海濱,2012全國煉鐵用耐火材料技術交流會,2012,P8.

[2]  中國百科網--http://www.chinabaike.com/z/yj/868434.html

[3]  張壽榮,于仲潔等,武鋼高爐長壽技術[M]. 北京:冶金工業出版社,2009P83.

[4]  許  俊、鄒忠平、胡顯波,2012全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集下,2012,P760.

[5]  宋木森、盧正東,2012全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集下,2012,P109.

[6]  湯清華、王筱留,2012全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集下,2012,P92.

[7]  程樹森、趙宏博等,中國金屬學會煉鐵分會高爐設備設計學術委員會2010研討會論文集,2010,P114.  

[8] 宋木森,中國金屬學會煉鐵分會高爐設備設計學術委員會2010研討會論文集,2010,P552.  


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