王筱留-高炉长寿和高风温技术几个问题的剖析
高炉长寿和高风温技术
几个问题的剖析
王筱留
北京科技大学冶金与生态工程学院钢冶系
北京市海淀区学院路30号,100083
Tel:135********
E-mail:wangxiaoliu2009@https://www.wendangku.net/doc/503425478.html,
北京 2013.04.22
1
提纲
1.前言
2.高炉长寿
2.1问题1 防止铁水流对炉缸侧壁砖衬侵蚀技术
2.2 高炉中部炉墙破损
3.风温
3.1高炉冶炼能接受风温问题
3.2热风炉能提供高风温问题
3.3 烧单一高炉煤气达到拱顶温度1380±20℃的技术问题
3.4 缩小热风温度与拱顶温度的温度差以提高风温的技术
问题
3.5 球式顶燃热风炉改造问题的讨论
3.6 结论和建议
2
1.前言
本次研究会邀请了国内炼铁界的学术和生产技术的带头人与大家探讨高炉炼铁长寿和高风温问题。也邀请为高炉长寿与高风温提供原材料、技术的单位来与大家交流，请他们来的目的是听取炼铁界对他们服务研讨会上专家们的观点，分析都亮出来了，有一致的，也有相矛盾的，诸位请结合自己的实践经验和学习到的基础知识处理长寿和高风温的问题，研讨会要达到既提高处理问题的能力（案理分析有很大帮助），也要提高基础知识，任何经验都要符合自然界的客观规律才能有用，任何违背热力学原理，传输原理的传统都会造成失误，甚至事故。请诸位对本次研讨会是否对大家在这两方面提高提出宝贵意见，同时今后在高炉炼铁技术和存在问题方面希望办哪些专题研讨会也提建议。
3
本次专题研讨，讲座涉及高炉长寿和高风温技术，这些技术要保证：
?高炉长寿——一代寿命15年-20年，每m3炉容产铁13000-
15000t/m3或（300-450）×103 t/m2炉缸面积；
?高风温——风温1280-1300℃，热风炉热效率85%，一代
热风炉要为二代高炉服役即30年以上。
?达到长寿和高风温是一个系统工程，它涉及设计、选材、
验材、安装筑炉、仪表监测、生产管理与操作等多个方面。哪一个方面不到位，都影响高炉寿命和风温水平及热风炉的热效率和寿命。
4
?高炉至今仍然是个黑箱，虽然冶金过程热力学与动力学、传输原理、
电子技术等先后应用到生产实践中已有相当长的时间，但是对高炉内反应、传热和流体运动破损等机理仍然有不少问题，没有彻底搞清楚。生产者、研究者、专家、教授根据自己的实践，科学研究对高炉内的现象作出不同的解析，形成不同的观点、流派。不同流派的观点，对问题的解析在一定程度上帮助了我们来提高高炉寿命、风温及热风炉的效率和寿命，但也有不同流派，学术观点和问题解析存在着完全相反的现象，给我们特别现厂生产者增加了迷惑，甚至达到高炉失常、短命事故等。这要求我们提高自己的基础知识——热力学定律等来观察，分析得到科学的结论采取有效先进技术措施延长高炉寿命，提高风温且使热风炉高效长寿。
?现在几个重要的技术问题，谈我个人的认识，供参考，不对的地方请
提出批评。
5
2 高炉长寿
2.1 问题1 防止铁水流对炉缸侧壁砖衬侵蚀技术
现在对炉缸侵蚀甚至烧穿的共识机理基本是：出铁过程中，铁水环流对侧壁砖衬的机械冲刷和不完全饱和碳的铁水对炭砖的溶蚀。要防止这种侵蚀的发生最根本的技术措施是隔离铁水与炭砖的接触，对隔离技术上出现两种完全不同的技术观点：
1、利用冷却将铁水与炭砖接触表面温度降到1150℃以下，使铁
水在炭砖表面形成薄铁皮层来隔离铁水与炭砖的接触，某些专家还认为不仅可形成铁皮层，还可以形成渣层来保护。这种观点采用全炭微孔，甚至超微孔炭砖，而且努力提高其导热系数，以使表面温度降到1150℃以下。
6
2、利用陶瓷质砖衬来隔离铁水与炭砖的接触，认为炭砖抗
铁水溶蚀是难于实现的，只有人为地在炭砖表面砌一层陶瓷砖来代替前一观点的凝固层是可靠的，这就是陶瓷杯壁，只要炭砖的抗铁水溶蚀性未能达到陶瓷质耐材时，陶瓷杯是有用的。
应该说这两种技术观点支撑的炉缸炉底结构都有长寿的记录，但是采用任何一种技术措施达到长寿都是有条件的，不是在任何条件下都能达到长寿，有的高炉不仅不长寿，反而短期内出现渗铁、漏铁甚至烧穿，就支撑上述两种技术措施的观点谈谈我们的看法。
7
（1）生产高炉的炉缸侧壁上有无凝固保护层
回答是生产中的高炉侧壁炭砖上是没有凝固保护层的，尤其是铁口周边地区，但是存在着含石墨碳高和含TiC 、TiN 、Ti(C 、 N)(用含TiO2护炉时)的粘滞层。这一粘滞层起到了隔离铁水主流与炭砖的接触，减弱了主流铁水对炭砖的侵蚀，但不能消除侵蚀作用，如果因某些原因粘滞层遭到冲击而进入铁水主流，不饱和碳铁水流会进而对炭砖机械冲刷和溶解形成象脚形侵蚀。
8
生产者和研究者发表论文声称有凝固层存在，他们在高炉停炉大修破损调查，拆炉时见到了凝固层，不仅有铁而且还有渣。我们认为，这种凝固层是在放残铁时或放残铁后上部料柱中残余渣铁下滴遇到低温侧壁凝固在上面的，而不是生产时凝结在上面的，我们在莱钢128m3高炉解剖过程中，在炉
缸内没有见到一些生产者和研究者们见到的凝固层。从凝固的炉缸炉底大铁砣最外边看到薄层，其颜色与其他铁层不一样。我们认为是粘滞层在停炉冷却后凝固的，它与整个铁砣是一个整体无法分离，上面没有粘任何耐材或炉渣，我们认为炉缸部位铁口以下侧壁是没有形成凝固层的条件。
9
上剖面
下
上
图1莱钢120m3高炉解剖炉缸铁砣照片
下
10
实验室测定石墨坩埚表面不能粘结铁和炉渣
①运动的渣铁与坩埚间无粘结物
②炉缸中铁水环流强劲，特别是死料柱的透液性差，
死铁层深度不足的情况更严重
③铁口周边由于泥包的存在，产生铁水涡流冲刷粘滞
层和侧壁炭砖
④延长炉缸寿命的根本点是保护粘滞层，前面的专家
教授已做了很好的介绍，在此不再重复
11
（2）炉缸炉底使用的耐材质量
?不论是全炭砖还是陶瓷杯结构都用优质炭砖作为主要砖衬。
?目前的共识是要用焙烧好的微孔炭砖，国内外在研制微孔炭砖上取得很大的成绩，为延长高炉炉缸寿命提供了基础
12
指标武钢研制超
微孔炭砖
德国7RDN
超微孔
日本BC-
8SR超微孔
武钢研
制微孔
炭砖
日本BC-
7S微孔
法国
AM102微
孔炭砖
体积密度，g/cm3 1.68 1.66 1.73 1.56 1.58 1.56 显气孔率，% 16.95 16.82 10.02 17 18 17 抗压强度，MPa 43.59 55.75 31.95 44.99 46.58 29.44 透气度，mDa 0.46 0.55 0.00 2.42 5.98 0.27 氧化率，% 5.97 10.14 3.00 8.89 2.49 8.09 铁水溶蚀指数，% 29.47 26.96 31.17 27.55 15.79 13.46 平均气孔，μm0.099 0.157 0.083 0.24 0.234 0.111 ＜1μm孔容积率，
%
82.41 75.81 88.20 73.69 76.00 79.00
热导率，W/mK
室温19.31 18.65 13.91 6.55 7.55 8.25 300℃20.89 20.05 17.70 11.59 11.30 11.80 600℃22.97 21.59 18.15 13.38 12.40 14.00
抗碱性优（U）优（U）优（U）优（U）优（U）优（U）表1 微孔炭砖、超微孔炭砖性能
13
序号性能单位
武钢研制
半石墨炭砖
日本BC-5
半石墨碳砖
武钢研制模
压微孔炭砖
美国NMA
模压碳砖
1 耐压强度MPa 44.41 35.00 32.13 29.93
2 体积密度g/cm
3 1.50 1.5
4 1.71 1.62
3 显气孔率% 14.62 15.60 12.62 18.85
4 氧化率% 32.64 5.23 4.12 18.06
5 透气度mDa 21.6
6 138.23 1.3
7 4.44
6 铁水溶蚀指数% 29.20 28.26 19.46 28.18
7 平均孔径μm 2.43 6.272 0.13 1.083
8 ＜1μm孔容积率% 26.48 10.96 79.64 53.4
9 热导率，
室温
W/m
K
7.34 7.42 18.32 4.96 300℃11.77 11.10 20.03 11.30 600℃12.36 12.57 21.43 16.10
10 抗碱性优（U）良（C）优（U）优（U）
表2 半石墨化炭砖、模压炭砖性能
14
炭砖名称石墨砖方大高
导热炭
砖
美国
NMD
美国
NMA
某厂微孔
炭砖
方大超
微
孔碳砖
方大微孔
炭砖
铁水溶蚀指数
，% 32.71-40 37.2 29.0-32.0
28.0-
32.0
28.97 26.77 27.55
氧化率，% 8.52-19.0 10.63 9.93 18.06 15.14 5.97 8.89 平均气孔，μm 3.14 - 0.69 1.45 0.725 0.104 0.232 ＜1μm孔容积
率，%
38.32 - 53.51 43.07 50.57 82.16 73.69
热导率，W/m K
室温111.92 26.52 53.61 16.19 4.65 19.13 6.55 300℃90.79 28.11 28.11 18.02 5.48 20.89 11.55 600℃82.76 30.46 30.46 20.11 6.95 22.97 13.38
抗碱性优或差优或差优优差优优透气度36.87 6.32 0.97 0.69 14.80 0.46 2.42
炭砖原料石墨焦电极石
墨
电极石墨
石墨+
电煅煤
普煅煤+
冶金焦
石墨化
煤
+电煅煤
电煅煤表3 不同炭砖性能比较
15
在陶瓷杯结构中除了炭砖以外，还有陶瓷垫、陶瓷杯壁用以刚玉为主制成的砖，其主要种类和性能列于表 4
性能复合棕刚玉
砖
浇注大块
刚玉莫来石
砖
塑性相结合
刚玉砖
武钢7号高
炉微孔刚玉
砖
炉渣侵蚀率
，%
100 100 100 5.94 4.89 抗碱性差（粉化）优差（粉化）优优平均气孔，
μm
6.26 1.40 13.00 5.05 0.116 ＜1μm孔容
积率
3.47 32.6 1
4.66 0.00 87.17
透气度，mDa 84.27 6.08 65.57 29.38 0.94
表4 几种陶瓷杯砖的性能对比
16
为什么有好的微孔炭砖，高炉炉缸炉底仍然出现问题，甚至事故，我们认为是：
生产炭砖厂家（尤其是国内的）的产品质量并没有达到要求，高炉使用低质炭砖后很快出现问题，优质炭砖要用电煅烧无烟煤作为原料添加超微金属粉压块焙烧而成，一些厂家为降低成本，赶工期在电煅烧，无烟煤质量，添加超微粉等都偷工减料，焙烧也是达不到要求，有的炭砖，严格地说是自焙型的。一些厂家生产的炭砖外型不规范，砌筑时出现很多大缝，成为传热过程的热阻造成炭砖工作热面温度过高等。
17
?炭砖中人工石墨过多，它抗铁水熔蚀性能差，一旦炭砖成为工作
热面与铁水直接接触，较快地被铁水溶蚀而出现炉缸侧壁侵蚀过快，造成这种现象是由于追求炭砖的高导热系数，在上世纪50-60年代，不重视或不注意炭砖的导热系数，认为它比陶瓷质高。
后来研究表明导热系数很重要，要使炭砖表面形成凝固层就得提高炭砖导热系数。在这一观点的支撑下，生产厂要求炭素厂生产高导热系数炭砖、炭素厂就添加人工石墨制造。本来炭砖中的石墨应该是无烟煤电煅烧过程中碳转化成石墨，因此炭砖称为半石墨化、石墨化。但电煅烧的过程中因温度、时间的限制，石墨化程度是有限的，炭素厂为达到客户要求就只有添加人工石墨。所以现在的炭砖应叫半石墨砖、石墨砖。因为它不是炭砖生产过程“石墨化”的产品，而是外添加石墨的产品。
?这类产品导热系数很高，但它并没有起到应有的作用，因为炉缸
侧壁内存在很大高热阻的气隙，阻碍了热量的传递，炭砖具有再高的导热系数也无济于事。反而因气隙热阻使炭砖工作表面温度升高，在强烈的铁水流作用下，快速地被冲刷和侵蚀，造成事故，缩短炉缸寿命。
18
?在炭砖使用中存在着争论：使用大块炭砖还是小块炭砖？产生的
原因是在炭砖使用过程中出现了环裂，这是炭砖的一种固有特性，即在800~900℃的部位出现脆性带，在应力作用下产生裂缝，炉内炉缸侧壁温度带分布较均匀的情况下出现环裂，为抑制、消除环裂，将炭砖做成小块。这是UCAR制造小块砖的来由。
?小块砖在世界炼铁界并没有完全认同。欧洲、日本、俄罗斯很少
用或不用。但中国在UCAR和一些生产商的宣传下风靡一时，但是应该说它并没有解决实质性问题，而带来很多负面影响。
?在小块砖质量优秀、砌筑规范、操作管理到位的情况下，对炉缸
侧壁寿命有延长的实例。但是它并没有彻底解决炭砖产生裂缝的问题。在小块炭砖通过铁水的高温作用而形成一个杯状整体时，仍然发现炉缸侧壁有环裂。相反没有形成整体时众多砖缝成为传热的热阻，不利于炉缸寿命。
?中国高炉出现的短命炉缸，正是在小块炭砖或“焙烧”炭块的高
炉上。彻底的解决是让炭块中的温度场中不出现形成脆性带的温度带。从这个问题看，陶瓷杯是有效的措施。我们认为不论哪种结构的全炭侧壁和陶瓷杯壁，还是使用大块炭砖为好。
19
?诸位要问，既然陶瓷杯壁隔离了铁水与炭砖的接触，应该保护好炭砖
，那为什么当前多座具有陶瓷杯高炉出现了事故或杯壁内侧的炭砖内出现溶洞式侵蚀。
?某些专家将这样的现象归于陶瓷杯结构，认为陶瓷杯危害了高炉炉缸
寿命。我们对这样的观点是不认同。他们举出陶瓷杯壁内出现溶洞陶瓷杯壁阻碍了炉渣在炭砖表面形成保护层，炭砖与陶瓷杯壁间形成认为的环裂带等，这些论点是硬加在陶瓷杯结构上的“危害”性表现，首先未完全饱和铁水对炭砖的溶蚀是普遍规律，只要铁水与炭砖长时间接触都会发生，在不用陶瓷杯壁的全炭结构上也出现溶洞式侵蚀，甚次阻碍形成炉渣壁保护层，这是没有科学依据的推论。
?我们在前面已说过，连铁壳保护层都难于形成更不用炉渣壁，出现问
题的高炉大部分在铁口以下1m以上的地区，少数在铁口以下两侧（第二风口下方），这里怎么会有炉渣，什么样的炉渣，其密度都小于铁水；铁口以下都被铁水填满，炉渣不可能到达。既然无炉渣，怎么会结成渣壁。再说陶瓷杯壁隔离铁水与炭砖接触远胜于所谓渣壁。我们认为专家们指出的使用陶瓷杯壁后出现的问题是存在的，其原因不是陶瓷杯的问题，长寿的陶瓷杯已超过10年，出问题高炉的炉缸中残余有陶瓷杯砖衬。
20