2009年第1期炼铁技术通讯27 高导热长寿炉衬材料在高炉的应用 唐 兴 智 (鞍钢建设总公司) 摘 要:鞍钢10号高炉引进美国UCAR热模压炭砖、 胶泥、 填料等高热导率长寿炉衬材料。紧靠冷却壁砌 筑,增强整体导热性,这与我国传统的高炉砌筑定位方法截然不同,高炉炉衬材料、 砌筑方式与施工实践值得 借鉴。 关键词:高导热 热模压 长寿炉衬材料 砌筑方式 定位 1 引言 近年,世界各国把高炉综合炉底的理念扩展 到炉缸侧壁炉墙砌体,把炉墙设计成多种耐材的 复合炉衬,周边靠冷却壁砌高导热炭砖,炉缸炭砖 内侧砌一定厚度的低热导率、 高荷重软化温度、 耐 冲刷、 抗侵蚀的陶瓷耐火材料。高炉生产时熔融 炉渣和铁水直接接触陶瓷炉衬,由于陶瓷炉衬的 隔热保温作用,既减少了通过炉衬的热损耗,又保 护了炭砖炉衬,使1150 铁水凝固等温线处于陶 瓷炉衬内。其目的是为了消除炭砖的“环形断 裂“ ,抵抗熔融金属和炉渣的“异常侵蚀“ ,尤其是 炉缸炉底交界处的异常侵蚀区。企图减缓炉缸、 炉底炭砖侵蚀进程,从而达到延长炉衬寿命的目 的。 与此同时,从资料获悉,美国UCAR公司开 发生产的高导热热模压小块炭砖、 胶泥及填料在 高炉炉缸、 炉腹、 炉腰及炉身下部显示了无比的优 越性,防止了炉衬的破裂,并长期为北美洲炼铁厂 所选用,而且在欧洲、 非洲和亚洲高炉上采用,也 证实了它们的特殊性能。 首钢根据陶瓷杯结构与NMD热模压,高导 热小炭砖的特点,将这两种技术溶为一体,在1号 高炉实施。首钢、 本钢、 包钢先后采用,相继引进 了美国UCAR高导热热模压小炭砖、 胶泥和填料 炉衬材料。 2 问题的提出 随着高炉炼铁技术的发展,进一步强化冶炼、 降低焦比,广泛采用精料、 大风量、 高风温、 大喷吹 量的操作方法,炉衬工作条件日趋恶劣,炉衬的不 适应性与日俱增,这就促进炼铁工作者去探索原 因,寻找对策,寻求一个炉衬结构合理,采用优质 耐火材料,构筑成坚实、 致密、 近似无缝的整体炉 衬。以期达到高产、 长寿、 优质、 低耗的目的。 但是,当时炉衬寿命短,炉底、 炉缸尤甚,近年 炉身下部至炉腰,炉腹亦成为高炉的薄弱环节。 传统的炉衬结构,通常投产后工作24年,在炉 底炉缸交界处即出现严重侵蚀,从而影响到高炉 的正常运行。因此,炉底炉缸、 炉身下部就成为高 炉最易损坏部位。如鞍钢7号高炉(2580m 3 ) , 从 1977年7、8号高炉合并建成开炉投产,至1992 年近15年中,共进行3次中修, 2次大中修,平均 寿命不到3年。炉衬寿命短成为炼铁之难题。 炉衬拆除时,明显看到环形炭砖的破损均沿 高炉中心呈环形裂缝,即环状断裂。有的稍有间 断,裂缝宽度不等。裂缝宽度大者100250mm, 小者仅2030mm,有的炭砖环状断裂成两段。 断裂的炭砖两端完整,并能看到炭砖加工时的刀 痕,有的被渣铁侵蚀与冲刷,残存的炭砖组织疏 松,强度较低,残存长度仅200300mm,个别处 尚残存500700mm,普遍被侵蚀掉的长度约300 800mm。 分析炉衬炭砖环形损坏的原因,从宏观上看, 首先是由于熔融金属和炉渣的冲刷,铁水沿砖缝 渗透的机械作用以及炉渣和铁水的化学侵蚀作 用。其次是热应力作用,炭砖在加热过程中产生 的热应力引起砖层开裂,砌体在高温高压下烧结 后收缩产生裂缝,不仅使砌体遭受破坏,而且还加 快了机械作用和化学侵蚀作用的速度,并贯穿于 炉役的全过程。由于沿深度方向和半径方向的温 度差异,砖层表面和中心受热膨胀而互相压紧。 一旦炉衬裂缝渗入渣铁后,随着液固两相的转变 及石墨析出、 体积变化而破损加剧。另外环形炭 砖结构不合理,也促使炭砖破损。综合炉底环形 炭砖和高铝砖材质不同,膨胀不一致,而破坏了砌 体的整体性,助长和加剧了砌体的破坏。加之炭 砖单体尺寸大,单块炭砖冷热面温差大,随之温差 唐兴智: (1939)高级工程师, 1962年毕业于西安冶金学院钢铁冶金专业。现就职于鞍钢集团建设总公司从事冶金热能工程、 炉窑热工 及筑炉技术研究工作,参与高炉炉衬长寿技术攻关。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28炼铁技术通讯2009年第1期 应力大,炭砖亦易产生断裂。高炉冷却设备漏水 也造成了炭砖的严重侵蚀。 炉腹、 炉腰及炉身下部炭砖损坏的原因,主要 是受高温下的渣蚀,急剧上升气流的冲刷及碱金 属的作用,使炉衬侵蚀加剧。鼓风中氧和煤气中 CO2的氧化作用,也促使表层脱落。炭砖长度方 向温差大而温差应力亦大,致使炭砖产生环形断 裂,加剧炭砖的破损。 由此可见,高炉炉衬的破损侵蚀机理可以概 括为:铁水和熔渣对炉衬的侵蚀与冲刷;碱金属对 砖的化学侵蚀;氧化作用对砖衬的破坏;热应力的 破坏作用 1 。 为解决炉衬剧烈破损,炭砖的“环形断裂“ 与“异常侵蚀“对高炉长寿的威胁,炉衬寿命短是 一大问题。为此,鞍钢成立高炉长寿炉衬技术攻 关组,组织科技人员到国外考察、 技术交流,全力 组织攻关。经多方论证,并决定引进美国UCAR 高导热热模压小炭砖炉衬技术,应用在10号高炉 与采用国产陶瓷杯炉衬相匹配的炉缸风口区、 炉 腹、 炉腰及炉身下部。从高炉标高11936mm至标 高22317mm,砌筑高度10381mm,其中包括30个 风口组合砖。 3 炉衬材料特性 美国UCAR公司(以下简称美联炭)为了延 长高炉寿命,针对高炉各部位破损机理和不同部 位的冶炼状态,研制不同的炭砖,胶泥及填料(或 称糊料 ) , 品种多,规格全。 3. 1 高导热热模压小块炭砖 美联炭研制的热模压小块炭砖有NMA、 NMD、NMS、NMG。这次引进的NMD热模压小块 砖,系采用电煅烧无烟煤为主要原料,并加入一定 量的人造石墨碎块和少量的二氧化硅及石英。采 用通电加热,热模压成型的BP工艺,即把配好的 料经过加热混炼,定量的糊料放在模具内进行模 压。此时通电加热到8001400焙烧,使粘结 剂炭化,脱模以后就完成了砖的焙烧。因此,这种 炭砖具有以下特性:低渗透性,气孔小且封闭,导 热性好,高温性能、 抗碱侵蚀性、 抗热震性和抗热 冲击性能良好。由于NMD小块炭砖热压法要求 的特殊制造工艺,砖型尺寸小,温差应力小。所 以,NMD砖更适合于砌筑高炉炉腹、 炉腰和炉身 下部,而NMA砖则适合于砌筑高炉炉底、 炉缸。 NMD、NMA砖的理化性能见表1。 表1 NMD、NMA砖理化性能 项目NMDNMA 体积密度, g/cm31. 81. 62 耐压强度,MPa30. 930. 3 断裂模量,MPa10. 18. 1 渗透性,毫克西89 灰分, %9. 510 导热系数,w / (m k) 60045. 218. 4 80038. 118. 8 100032. 219. 3 120028. 519. 1 表中灰分约含9% - 9. 5%二氧化硅和石英,为抗碱侵蚀而加入。 3. 2 胶泥 热模压炭砖粘结剂是砌筑NMD炭砖的胶 泥,胶泥(或称泥浆)是可以用大铲或类似工具施 工,用于砌砖、 灌缝,使炭砖或炭块彼此粘结的不 定形耐火材料。它在耐火砌体中的作用是:调整 炭砖的外形尺寸公差,砌砖误差,使砌体均匀地承 受负荷;作为粘结剂使砖彼此粘结,不仅在常温 下,而且在高温工作都能使砌体成为整体;是耐火 砌体的一部分,承受同样的高温侵蚀。除此之外, 还能缓和砌体的膨胀应力,缓解热应力的作用,减 少炭砖砌体的崩裂破坏。为使胶泥与炭砖匹配, 胶泥有C - 46、C - 49两种。C - 46胶泥系单组 分炭质粘结剂; C - 49胶泥是二组分炭质粘结剂, 它包括两种成分:一种黑色粉末和一种有机树脂 液体,按规定配合比调制而成。两种胶泥都是炭 质和石墨结构之间的粘结剂,固化时在粘结的炭 砖之间形成坚固的炭质粘合体。因此广泛应用于 高炉砌筑炭砖。两种胶泥的理化性能见表2。 表2 C - 46、C - 49胶泥理化性能 项目 数值 C - 46C - 49 体积密度, g/cm31. 41. 6 粘结强度,MPa9. 810. 29 导热系数,w / (m K) 202. 5 2005. 0 3. 3 填料 炭质填料亦称粗炭糊或糊料,与热压小块炭砖 相匹配。按其所在部位工作条件要求填料功能不同 分为:RP - 4冷捣打料和RP - 20“S MARTRA“填料。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 唐兴智高导热长寿炉衬材料在高炉的应用29 前者是一种单组分,可浇注的炭素浆状物,用于充 填成型物,或炭结构壁与冷却壁之间的缝隙,它的 作用是把热传导给冷却壁及炉壳,作为炭壁内热 膨胀的缓冲;而后者是一种特殊处理的片状石墨 捣料,有优良的导热性,易于安装和具有独特的膨 胀性质,以便于当炭砖移动时能“自我修整“。填 料温度超过200,这种经过特殊处理的石墨就 会因膨胀而增加体积,由于这种膨胀材料是石墨, 施工时捣不实的空间就被石墨充填了。这就是 RP - 20填料的“自我修整“特性。RP - 4冷捣料 的理化性能见表3。 表3 RP - 4冷捣料的理化性能 项 目数 值 体积密度(捣实) , g/cm31. 6 松散密度, g/cm30. 8 体积变化(受热至200) , %2. 4 导热系数,W / (m k) 1007. 6 2008. 0 4009. 2 4 炭砖砌筑特点 4. 1砌砖紧靠冷却壁、 先砌外环后砌内环 为增强炉衬整体导热性、 炭砖紧靠冷却壁砌 筑,先砌靠冷壁的外环砖。即以高炉中心线为准, 按外环砖设计内半径,采用弦长1500mm的弧度 样板画圆周弧线,作为外环砖砌砖的定位线。砖 紧靠冷却壁,每块砖两肩顶紧,接头缝越小越好, 标准砖缝1. 6mm.其余自然缝中胶泥必须饱满。 砖与冷却壁接头缝如遇冷却壁接头处错台、 不圆 或其铸造误差大,内径小,则应加工砖,缩小缝隙; 如果冷却壁内径大、 在长约400mm的范围内缝隙 为26. 35mm,可用RP - 4冷捣料与C - 46胶泥 混合塞严。缝隙大于6. 35mm则可加工炭砖片, 用C - 46胶泥砌紧塞严。砌砖紧靠冷却壁,允许 手加工外环砖,保证与冷却壁接头缝隙小,目的是 充分发挥炭砖高导热性。砌砖则是先砌外环,中 环紧靠外环,内环紧靠中环。这与我国高炉砌筑 先砌内环、 中环,后砌外环,传统砌砖定位方法截 然不同。在优先保证炭砖与冷却壁间接头缝符合 规定的前提下,兼顾内径,避免大量加工砖。 4. 2专用胶泥,粘结力大,刮浆、 揉浆、 挤浆相结合 炭砖砌筑采用两种胶泥, C - 49胶泥和C - 46胶泥。使用前均应预热到21,但不得过热。 由于C - 49胶泥时效性强,必须在使用前现场搅 拌。首先按配合比将黑色粉末缓慢倒入有机树脂 液体中,进行搅拌,直至粉末完全溶解,无结块,成 糊状即合格。胶泥外观粘稠而不流淌。胶泥粉料 中含有3%的固化剂,如要求加速固化,增加粘结 强度,在冬季低温条件下施工,不能在规定时间内 完全固化时,可再加入5%的固化剂, 1小时内即 达到固化。C - 49胶泥应在规定时间30分钟内 用完。用于冷却壁镶砌炭砖和风口组合砖。 C - 46胶泥为单组分粘结剂,从容器中取出 即可使用。.使用前应充分搅拌。如胶泥放置一段 时间,在使用之前应重新搅拌15分钟,以保证胶 泥有合适的稠度。C - 46胶泥用于炉缸、 炉腹、 炉 腰及炉身下部炭砖和与之镶砌的国产SiC砖。 炭砖砌筑:先干排、 验缝、 检查平整度,均合格 后用齿形刮板或大铲将C - 46胶泥抹在砌体的 表面,使砌砖的两面刮抹胶泥。类似我国的打灰 浆(条)砌法。砖面上均匀抹一层胶泥,砖面中央 稍增厚一点,使该处胶泥突起。以便砌筑时挤压 砖块,使胶泥挤向砌缝边缘,达到