新一代高炉炉缸炉底内衬材料

毛焰延陵

高炉健康长寿是冶炼企业永恒的追求。无论是新材料、新技术、新设备的应用，还是创新工艺的应用，最终目的都是为了保证高炉有一个良好的炉体状态，能够高效、低耗、安全地工作，连续运行周期越长越好。

随着相关技术的发展和进步，近年来，影响高炉寿命的限制性环节越来越集中在高炉炉底和炉缸。

长期以来，各种碳砖和陶瓷杯材料主要用于高炉炉缸内衬，通过不断提高其质量和性能来满足延长高炉寿命的要求。然而，高强度冶炼和原料品位的不断下降，导致高炉内碱金属、锌等杂质大量存在，炉缸环境越来越恶劣，对炉底内衬材料提出了更加严峻的挑战。

北京科技大学张建亮教授在长期的研究中总结出，要适应日益复杂的炉缸环境，所用的炉衬材料必须具有良好的导热性、抗铁水侵蚀性、耐碱性、抗渣性、抗锌腐蚀性和抗氧化性。

而碳砖和陶瓷杯材料在性能上有不同程度的短板。如碳砖具有优良的导热、抗渣、抗碱等性能，但抗铁水侵蚀性能较差。有些高炉的“鼠洞”烧穿是由于碳砖局部失去粘性层的隔离保护后与铁水直接接触造成的。同时，风口套下的碳砖会因风口套漏水而氧化，其抗氧化性是其致命弱点。所以，虽然碳砖可以用在灶台上。然而，陶瓷材料具有优异的抗铁水腐蚀、耐碱性和抗氧化性，但其较低的热导率限制了冷却系统的作用。他们跟不上大型高效高炉对安全长寿的需求。因此，迫切需要出现一种综合性能优异的新材料，以提高高炉下部的操作安全性和寿命。

针对这种情况，张建亮教授带领团队与河南五耐集团实业有限公司、山西建邦集团、柳钢集团有限公司开展联合研究，最终他们将碳引入微孔刚玉陶瓷杯进行实验，得到了一种新型的碳复合砖，综合了优质碳砖和陶瓷杯材料的优点。与国内外优质碳砖和陶瓷杯相比，其主要性能指标具有明显优势。

复合碳砖结合了碳砖和陶瓷杯材料的优点，同时克服了各自的缺点，特别是解决了碳砖抗铁腐蚀、抗氧化和抗锌腐蚀能力差的问题，满足了炉膛区内衬材料的基本性能要求。同时其导热系数从低温到高温递减，比碳砖材料更符合炉缸内衬的设计原则，完全有能力成为高炉炉缸内衬的换代产品。

为了充分发挥碳复合砖的性能优势，课题组还针对传统炉膛结构设计中存在的问题，结合碳复合砖的性能，提出了新的设计方案，即所有炉膛部位均采用碳复合砖，炉膛上部采用碳复合砖，下部采用高导热碳砖。

通过该技术方案，成功解决了以下问题-

1)炉缸内衬导热系数从冷端向热端递减，符合冷却系统设计的需要和高炉炉缸内衬设计的原则；

2)采用碳复合砖作为炉膛材料，由于含有一定的碳成分，其热膨胀系数远低于陶瓷杯材料，可以避免风口上翘和炉壳开裂的现象；

3)由于碳质复合砖同时具有良好的导热性、陶瓷结合性和碳结合性，容易在工作面形成渣铁壳保护层。渣铁壳保护是形成永久炉缸结构的重要条件，也符合高级工程师宋的永久炉衬理论。即使在异常情况下暂时失去保护层的保护，碳复合砖优异的抗铁腐蚀性也能为保护层的再次形成争取时间。

4)炉底碳复合砖的应用，1150℃等温线和800℃等温线完全控制在碳复合砖层。即使以后炉底被侵蚀，碳砖也不会被侵蚀，也就是说碳砖在整个炉役中不会与铁水接触，避免了碳砖抗铁侵蚀性差的问题。

碳复合砖这种新材料以及围绕它提出的新设计方案，即“安全长寿的炉缸内衬和结构技术”，也在生产实践中得到了验证，不仅应用于中小型高炉，还推广到了大型高炉。

2007年，山西蔡彤2号高炉采用了这种安全长寿的技术。炉底用了四层微孔成型碳砖和两层碳复合砖陶瓷垫，炉膛全部用碳砖代替碳砖，风口和出铁口也用了碳复合砖。

投产后，生产指标一直良好，优于无相关技术的1#高炉。采用的碳复合砖表现出较高的导热系数，导热系数从冷端向热端递减，符合炉膛传热原理。这一特点保证了高炉炉缸冷却系统的稳定性，间接延长了炉缸的使用寿命。同时，该技术方案的采用也帮助通才2号高炉经受住了高强度冶炼和原燃料种类频繁更换的考验，保证了高炉安全稳定的生产运行，节约了经济成本。

运行7年后，利用高炉炉身维修的机会，工人们对炉缸进行了检查，发现炉缸内形成了一层相对稳定的渣铁保护层，厚度约250mm，只有出铁口区域有轻微的侵蚀，炉缸无足状侵蚀，无上翘风口和炉壳开裂。炉缸稳态传热模型计算表明，大部分炉缸热面能够形成稳定的保护层，有效防止铁水和炉渣对炉衬的侵蚀，延长高炉使用寿命。然而，1号高炉经过两年半的运行，炉缸已被严重侵蚀。

柳钢5号高炉(1500m3)两代也出现了同样的对比。

柳钢第一代5号高炉采用传统的炉缸内衬结构。经过两年的生产，炉膛侧墙热电偶温度普遍大幅度上升，插入深度为160mm的热电偶温度达到525℃。因此采取了一系列措施降低产量，用钛矿护炉，打乱了高炉正常的生产节奏，大大增加了高炉的生产成本。

二期工程采用碳复合砖衬砌结构。经过近两年的运行，高炉侧壁热电偶温度保持稳定趋势。深度为300mm的热电偶最高温度只有320℃，大部分热电偶温度都在300℃以下。深度为200mm的热电偶温度普遍为150-250℃，远低于上一炉期同期高炉侧墙热电偶温度，显示了高炉炉底使用碳复合砖的优越性。

两者相比，碳复合砖衬砌结构的应用显示出明显的优势。

截至目前，碳复合砖和“安全长寿的炉缸内衬及结构技术”已应用于山西蔡彤、山西高邑、山西新金山、邯纵横、俄罗斯企业的100多座高炉。

应用结果表明，碳复合砖解决了碳砖抗铁腐蚀、抗氧化和抗锌腐蚀能力差的问题，并具有良好的自我保护机制，能形成稳定的保护层体系。在低品位炉料、高强度冶炼和频繁更换原燃料种类的苛刻条件下，炉缸和炉膛内温度梯度分布合理，热流强度适宜，使冷却系统充分发挥作用，从而保证炉缸和炉膛的安全，实现高炉安全运行和高生产效率。

目前我国高炉生产存在三大问题:生产不稳定、冶炼强度大、入炉矿石品位低。形势非常严峻。碳砖炉衬材料和结构的出现和应用，将高炉长寿提升到了一个新的水平，使我国离“一代炉龄20年以上”的目标又近了一步。