高炉炉缸热工设计准则及其他--XXXX年大高炉年会-酒钢

1、0、背背 景景近近10年多来年多来,笔者研究炉缸侵蚀诊断与结构安全评估的理论、方法笔者研究炉缸侵蚀诊断与结构安全评估的理论、方法和技术和技术,2012年年10月通过了国家安全生产监督管理总局科技成果鉴月通过了国家安全生产监督管理总局科技成果鉴定定,并列入国家安全生产监督管理总局安全科技推广项目并列入国家安全生产监督管理总局安全科技推广项目,先后完成了先后完成了50多座高炉的侵蚀诊断与安全评估多座高炉的侵蚀诊断与安全评估,取得了很好的技术经济效益取得了很好的技术经济效益. 技术核心技术核心:多维冗余侵蚀诊断多维冗余侵蚀诊断+热工和强度结合的评估准则热工和强度结合的评估准则. 在侵蚀诊断和安全评估

2、工作中在侵蚀诊断和安全评估工作中,陆续发现陶瓷杯陆续发现陶瓷杯+碳砖结构的炉缸碳砖结构的炉缸存在严重早期损伤和寿命短的问题存在严重早期损伤和寿命短的问题. 对这一问题对这一问题,我进行了较长时间的思考、计算和研究我进行了较长时间的思考、计算和研究,在此向大家简在此向大家简要报告研究结果和心得要报告研究结果和心得.炉缸存在的早期侵蚀过快和寿命短的问题炉缸存在的早期侵蚀过快和寿命短的问题,原因是多方面的原因是多方面的,其中砌其中砌体结构形式和砖自身品质是一个重要方面体结构形式和砖自身品质是一个重要方面.高炉炉缸内衬的一般工作过程高炉炉缸内衬的一般工作过程 (1)新高炉开炉后新高炉开炉后,初期一般情

3、况下由于内衬热阻大初期一般情况下由于内衬热阻大,铁水不能在内铁水不能在内衬热面凝固衬热面凝固,炉缸处于牺牲内衬材料的工作状态炉缸处于牺牲内衬材料的工作状态. 这个阶段主要依赖内衬材料的抗性工作这个阶段主要依赖内衬材料的抗性工作. (2)进入中期进入中期,当经侵蚀内衬剩余厚度达到砖的结厚自保护厚度时内当经侵蚀内衬剩余厚度达到砖的结厚自保护厚度时内衬热面具有了铁水凝固的动力衬热面具有了铁水凝固的动力,铁水凝层会减轻和避免内衬侵蚀。铁水凝层会减轻和避免内衬侵蚀。 (3)之后之后,炉缸内衬再经历凝层脱落炉缸内衬再经历凝层脱落-侵蚀侵蚀-凝层重生凝层重生-再脱落的反复再脱落的反复减薄过程减薄过程,直到炉

4、缸寿命的最后期直到炉缸寿命的最后期.一、一、现象和观察现象和观察炉缸内衬热面结厚的问题炉缸内衬热面结厚的问题,实际上实际上,这是一个这是一个有外部冷却的有外部冷却的中心稳定给热的中心稳定给热的熔融铁水熔融铁水-热液体的散热问题热液体的散热问题,只要条件具备只要条件具备(铁水放热铁水放热,内衬热阻内衬热阻,冷却强度等条件冷却强度等条件),铁水便铁水便可在内衬热面凝固可在内衬热面凝固.这是一个物理问题这是一个物理问题.炉缸向凉和冻结是其特殊情况炉缸向凉和冻结是其特殊情况. 冶炼炼钢用冶炼炼钢用铁水铁水,炉缸一般不出现大量炉缸一般不出现大量C的析出的析出.一、现象和观察一、现象和观察基于上述炉缸内衬

5、工作过程的观察基于上述炉缸内衬工作过程的观察,提出炉缸内衬长寿和安全提出炉缸内衬长寿和安全 的理念和对策的理念和对策 (1)内衬材料性能内衬材料性能:同时具有好的铁水抗性和较高的导热性能同时具有好的铁水抗性和较高的导热性能. 好的铁水抗性好的铁水抗性尽量延长牺牲材料服役时间尽量延长牺牲材料服役时间,延长前期和中期寿命延长前期和中期寿命 较高导热系数较高导热系数与适当的较高的有效的冷却强度结合与适当的较高的有效的冷却强度结合, 实现好的结厚自保护性实现好的结厚自保护性 (2)进入中期进入中期,要使内衬结厚自保护厚度大于内衬安全厚度要使内衬结厚自保护厚度大于内衬安全厚度. 实现炉缸的长寿和安全有机

6、结合实现炉缸的长寿和安全有机结合. 结厚自保护厚度结厚自保护厚度与炉内铁水放热与炉内铁水放热,内衬导热系数内衬导热系数,冷却强度有关冷却强度有关. 内衬安全厚度内衬安全厚度结构和操作参数一定时结构和操作参数一定时,由内衬材料的由内衬材料的 强度、导强度、导 热性能和冷却强度决定热性能和冷却强度决定.二、二、一种安全和长寿结合的设计和评估方法一种安全和长寿结合的设计和评估方法冷却冷却结厚保护厚度结厚保护厚度Lc安全厚度安全厚度Ls牺牲厚度牺牲厚度Lx安全线安全线临界临界结厚线结厚线 L为服役的内衬剩余厚度为服役的内衬剩余厚度;L0为内衬热面变质厚度为内衬热面变质厚度(渗铁层渗铁层+脆脆化层的厚度

7、化层的厚度)。,:)1(00SLLLSLLLscsc 评评估估选选择择用用砖砖和和操操作作参参数数的的设计和操作上尽可能减小安全厚度设计和操作上尽可能减小安全厚度Ls, 增大结厚保护厚度增大结厚保护厚度Lc.选材上选材上,努力提高牺牲材料阶段的寿命努力提高牺牲材料阶段的寿命,应选择铁水抗性高的砖应选择铁水抗性高的砖,尽尽管目前的砖尚不能不被铁水磨损和侵蚀管目前的砖尚不能不被铁水磨损和侵蚀.安全线或安全厚度安全线或安全厚度Ls:由内衬结构强由内衬结构强度和冷却壁热稳定强度确定度和冷却壁热稳定强度确定.临界结厚线和结厚保护厚度临界结厚线和结厚保护厚度Lc:铁水铁水放热、内衬导热性能和冷却强度确定放

8、热、内衬导热性能和冷却强度确定.,:)2(00SLLLSLLLss 评评估估服服役役中中的的炉炉缸缸结结构构安安全全侵蚀状态侵蚀状态:1 2 3炉内炉内放热放热炉外炉外散热散热内衬内衬二、二、一种安全和长寿结合的设计和评估方法一种安全和长寿结合的设计和评估方法炉外炉外散热散热冷却冷却结厚保护厚度结厚保护厚度Lc安全厚度安全厚度Ls牺牲厚度牺牲厚度Lx安全线安全线临界临界结厚线结厚线 0LLLsc 情况情况1:结厚保护厚度结厚保护厚度Lc大于安全厚度大于安全厚度Ls.内衬牺牲一段后内衬牺牲一段后,结厚结厚,炉缸有一定的炉缸有一定的靠结厚工作期靠结厚工作期,利于延长寿命利于延长寿命.炉内炉内放热放

9、热冷却冷却结厚保护厚度结厚保护厚度Lc安全厚度安全厚度Ls牺牲厚度牺牲厚度Lx安全线安全线临界临界结厚线结厚线 0LLLsc 情况情况2:结厚保护厚度结厚保护厚度Lc小于安全厚度小于安全厚度Ls.内衬牺牲内衬牺牲,尚未达到结厚状态尚未达到结厚状态,便到安全便到安全线线,停炉停炉.炉缸只靠内衬牺牲工作炉缸只靠内衬牺牲工作.显然显然,实现情况实现情况1是好的是好的, 能发挥了材料牺牲和自保护两个作用能发挥了材料牺牲和自保护两个作用. 情况情况2是不好的是不好的, 只能发挥材料牺牲一个作用只能发挥材料牺牲一个作用.炉内炉内放热放热炉外炉外散热散热内衬内衬内衬内衬(1)炉缸内衬结构受内压的安全承载厚度

10、炉缸内衬结构受内压的安全承载厚度Lpre内衬外缘半径内衬外缘半径;l 内衬材料的抗拉强度内衬材料的抗拉强度;p内衬热面压力内衬热面压力, p = pw +pg ; pg铁水自重压力铁水自重压力,pg=gh; pw风压风压. prLllep21:, 用用的的结结构构强强度度条条件件根根据据圆圆筒筒结结构构受受内内压压作作体体对对于于耐耐火火泥泥连连接接的的砖砖砌砌三、内衬的几个特征厚度三、内衬的几个特征厚度在炉缸直径和内压一定条件下在炉缸直径和内压一定条件下,提高内衬材料的抗拉强度提高内衬材料的抗拉强度, 可减小厚度可减小厚度Lp(2)炉缸冷却壁本体热稳定的内衬保护厚度炉缸冷却壁本体热稳定的内衬

11、保护厚度LT由一维径向传热理论由一维径向传热理论,炉炉缸内衬最小保护厚度缸内衬最小保护厚度rs为热面半径为热面半径,re为冷端半径为冷端半径,rY为冷却壁中面半径为冷却壁中面半径,rC为冷却壁热面半径为冷却壁热面半径,k1为内衬导热系数为内衬导热系数,k2为填料导热系数为填料导热系数, k3为冷却壁导热系数为冷却壁导热系数, TF为水温为水温,TC为冷却壁热稳定温度为冷却壁热稳定温度(铸铁铸铁300,铸钢铸钢400 ,铜铜150 )1321150()CThyCFTRkRRRTT 1 1/exp()TeTLrR hY为冷却壁中面对流传热系数为冷却壁中面对流传热系数(水管排布结构水管排布结构,水速

12、有关水速有关).附附加加热热阻阻填填料料热热阻阻附附加加热热阻阻冷冷却却壁壁热热阻阻热热阻阻 eccyyyhyrrkRrrkRhrRln1;ln1;1:2233炉缸直径和冷却壁结构一定条件下炉缸直径和冷却壁结构一定条件下,LT正比于内衬导热系数正比于内衬导热系数, 反比于冷却强度反比于冷却强度.max,spTLLL 炉缸侧壁内衬安全厚度炉缸侧壁内衬安全厚度Ls炉底内衬安全厚度炉底内衬安全厚度Ls炉底内衬承载厚度应保有两层完整碳砖炉底内衬承载厚度应保有两层完整碳砖,防止铁水沿砖缝向下窜防止铁水沿砖缝向下窜,危危害炉底冷却系统等害炉底冷却系统等,砖层厚度一般砖层厚度一般400600mm,炉底内衬安

13、全厚炉底内衬安全厚度度Ls=8001200mm 理论上理论上,特定部位的特定部位的Ls取取Lp和和LT两值的大值两值的大值.实际上实际上,多以多以Lp为主为主,炉缸冷却壁与内衬之间多有附加热阻炉缸冷却壁与内衬之间多有附加热阻,导致导致LT减小减小.(3)炉缸侧壁内衬结厚自保护厚度炉缸侧壁内衬结厚自保护厚度Lc 123115015001150FhyhiTRRRRR 111ln,1eshisirRkrRr h 上式为上式为rs的超越方程的超越方程,迭代计算迭代计算.123115015001150FcBhiBBBhyTLkRRRR 初始值取初始值取rs = re- -LcB 内衬热面半径内衬热面半径

14、rs计算式计算式(热阻平衡式热阻平衡式):根据德国著名冶金学者根据德国著名冶金学者Knig1970 年代提出的炉缸热平衡理论年代提出的炉缸热平衡理论,secrrL 内内衬衬自自保保护护厚厚度度炉内铁水对内衬炉内铁水对内衬的传热系数的传热系数.,1,1333222附附加加热热阻阻冷冷却却壁壁附附加加热热阻阻填填料料 kLRkLRhRhRyhyBihiB炉缸直径和冷却壁结构一定条件下炉缸直径和冷却壁结构一定条件下,LC随内衬热阻随内衬热阻,冷却强度和炉内铁水对冷却强度和炉内铁水对内衬的传热系数内衬的传热系数hi. hi为铁水放热参数为铁水放热参数,与冶炼强度和铁水环流强度等有关与冶炼强度和铁水环流

15、强度等有关.以上内衬的几个特征厚度是一维传热和一维力学下的简单计算以上内衬的几个特征厚度是一维传热和一维力学下的简单计算更为精确地计算应在二维和三维理论下进行更为精确地计算应在二维和三维理论下进行.四、用设计准则评估炉缸内衬用砖四、用设计准则评估炉缸内衬用砖表表1 炉缸侧壁内衬承压安全厚度炉缸侧壁内衬承压安全厚度Lp(概略值概略值) mm表表2 内衬保护厚度内衬保护厚度LT (无填料层无填料层L2=0,铸铁冷却壁铸铁冷却壁,无附加热阻无附加热阻) mm导热系数导热系数k1 /(W/mK)101520水速水速v/(m/s)2.03.04.02.03.04.02.03.04.0内衬外内衬外缘半径缘

16、半径re/m4.0195.2176.4162.1289.2261.7240.6380.8345.1317.65.0196.7177.7163.2292.2264.2242.8385.7349.1321.16.0197.8178.6164.0294.2265.9244.3389.0351.9323.47.0198.5179.2164.5295.7267.1245.3391.4353.9325.18.0199.1179.7164.9296.8268.0246.1393.2355.4326.49.0199.5180.1165.2297.6268.8246.7394.6356.6327.5内衬外缘半内

17、衬外缘半径径re /m风压风压pw /MPa液面深度液面深度h/m铁水压力铁水压力pg /MPa总压力总压力p /MPa内衬承压安全厚度内衬承压安全厚度Lp / mm常用碳砖常用碳砖9RD-N砖砖碳复合砖碳复合砖4.00.272.000.140.41190.0154.5101.15.00.302.250.15750.4575263.5214.1140.56.00.322.500.1750.495340.0276.6181.87.00.352.750.19250.5425431.3351.4231.48.00.403.000.210.61548.0447.5295.69.00.423.250.2

18、2750.6475650.4531.6351.8导热系数导热系数k1 /(W/mK)101520水速水速v/(m/s)2.03.04.02.03.04.02.03.04.0传热系数传热系数hi /(W/m2K)90内衬外内衬外缘半径缘半径re/m4.0309.2315.5320.4479.4489.1496.4663.4676.6686.65.0305.2311.6316.4469.4479.1486.4643.3656.3666.26.0302.7309.0313.9463.3472.9480.2631.2644.2654.07.0300.9307.3312.1459.1468.7476.0

19、623.2636.1645.98.0299.6305.9310.8456.0465.6472.9617.4630.2640.09.0298.6305.0309.8453.7463.2470.5613.0625.9635.6表表3 内衬临界厚度内衬临界厚度Lc (无填料层无填料层L2=0,铸铁冷却壁铸铁冷却壁) mm传热系数传热系数hi /(W/m2K)80内衬外内衬外缘半径缘半径re/m4.0358.7365.1370.0559.0568.7576.2778.8792.2802.45.0353.5359.9364.8545.7555.4562.8751.1764.2774.26.0350.33

20、56.6361.5537.6547.2554.6734.8747.8757.77.0348.0354.4359.2532.1541.7549.0724.1737.0746.98.0346.3352.7357.5528.1537.7545.0716.5729.4739.29.0345.1351.4356.3525.1534.7542.0710.8723.6733.4举例举例: re=8.0m,L0=0mm,v=3.0m/s,hi=90W/m2K(1)一般微孔碳砖一般微孔碳砖(平均平均k=10W/mK): Lc=305.9LS=max548,179.7=548mm, Lc/Ls=0.56,安全系数

21、过小安全系数过小.(2)超微孔碳砖超微孔碳砖(平均平均k=15W/mK): Lc=465.6LS=447.5,320.4=447.5mm, Lc/Ls=1.26,安全系数超过安全系数超过1.0,满足设计准则满足设计准则.(4)C复合砖复合砖(平均平均k=16W/mK): Lc=498.5LS=295.6,285.5=295.6mm, Lc/Ls=1.69,安全系数远超安全系数远超1.0,满足设计准则满足设计准则.通过对比计算通过对比计算,在上述相同的炉内放热和炉缸冷却条件下在上述相同的炉内放热和炉缸冷却条件下,(1)常用微孔碳砖或超微孔碳砖因强度低常用微孔碳砖或超微孔碳砖因强度低(抗压强度抗压

22、强度40MPa),安全厚安全厚度要求大度要求大,不满足设计准则不满足设计准则,LcLs+L0,超微孔碳砖稍好超微孔碳砖稍好. 换言之换言之,若使微孔碳砖或超微孔碳砖其满足设计准则若使微孔碳砖或超微孔碳砖其满足设计准则,需要降低炉需要降低炉内放热内放热,这意味着降低冶炼强度和产量这意味着降低冶炼强度和产量.(2)9RD-N砖砖(抗压强度抗压强度50MPa,导热系数导热系数18W/mK) ,强度和导热强度和导热系数均较高系数均较高,能满足准则能满足准则.(3)C碳复合砖碳复合砖(抗压强度抗压强度78MPa,导热系数导热系数16W/mK) ,强度和导热强度和导热系数均较高系数均较高,能很好地满足准则

23、能很好地满足准则. 与一般碳砖相比与一般碳砖相比, 9RD-N砖和砖和C复合砖都能满足准则复合砖都能满足准则, 更能适应更能适应更高冶炼强度和生产率更高冶炼强度和生产率. C复合砖较复合砖较9RD-N砖更好一些砖更好一些.四、用设计准则评估炉缸内衬用砖四、用设计准则评估炉缸内衬用砖五、关于炉缸内衬用砖的性能指标五、关于炉缸内衬用砖的性能指标下面提出几个综合指标：下面提出几个综合指标：(1)强胀比和模胀比强胀比和模胀比承载安全厚度有关承载安全厚度有关 对于受热结构用材料对于受热结构用材料,希望力学强度高希望力学强度高,热膨胀系数低热膨胀系数低,弹性模量低弹性模量低. 但是强度高但是强度高,往往弹

24、性模量和热膨胀系数伴随升高往往弹性模量和热膨胀系数伴随升高.因此因此,要协调。要协调。常用单项指标常用单项指标: 抗压、抗折、抗拉强度抗压、抗折、抗拉强度,弹性模量弹性模量,热膨胀系数热膨胀系数,导热系数导热系数,抗铁水熔蚀指数抗铁水熔蚀指数,抗氧化抗氧化,抗渣性抗渣性,抗有害金属性抗有害金属性,显气孔率显气孔率,微孔率微孔率,等等.,bwlbwlEE强胀比和模胀比强胀比和模胀比:强胀比和模胀比高强胀比和模胀比高,材料性能好材料性能好.(2)导热系数导热系数k与指标与指标的乘积的乘积k,可以表示材料在安全厚度和临界厚度可以表示材料在安全厚度和临界厚度的协调指标的协调指标. K越高材料性能越好越

25、高材料性能越好.(3)更为综合的指标更为综合的指标k/APCi 把材料的显气孔率把材料的显气孔率AP及微孔率及微孔率(1m气孔率气孔率)和抗铁水熔蚀指标和抗铁水熔蚀指标Ci等与等与上述指标组合，可以得到更为综合的表征材料性能指标。例如把显气孔率上述指标组合，可以得到更为综合的表征材料性能指标。例如把显气孔率和抗铁水熔蚀指标置于分母，与和抗铁水熔蚀指标置于分母，与k相乘组合成指标相乘组合成指标k/APCi 。 k/APCi高高,材料性能好材料性能好.表表4 炉缸内衬用砖的炉缸内衬用砖的、kb指标值指标值表表5 炉缸内衬用砖的炉缸内衬用砖的kb/ApCi 指标值指标值由表中数据可知由表中数据可知,

26、碳复合砖和碳复合砖和9RD-N砖的砖的b、kb、kb/APCi等综合指标等综合指标远高于常用微孔碳砖远高于常用微孔碳砖.碳复合砖更好一些碳复合砖更好一些.材料材料抗压强度抗压强度/ MPa导热系数导热系数(W/mK)线膨胀系数线膨胀系数 / (m/Km)指标指标b/MPaK106指标指标kb/(WN/mm3105)常用微孔碳砖常用微孔碳砖40103.611.111.111SGL/9RD-N50182.817.853.213碳复合砖碳复合砖7815.84.119.023.005材料材料显气孔率显气孔率AP / %铁水熔蚀指标铁水熔蚀指标Ci %指标指标kb(WN/mm3105)指标指标kb/AP

27、Ci/(WN/mm3108)常用微孔碳砖常用微孔碳砖17.023.01.1110.028SGL/9RD-N14.01.703.2131.350碳复合砖碳复合砖12.91.30(鉴定数据更小鉴定数据更小)3.0051.792六、关于炉缸内衬砌筑结构六、关于炉缸内衬砌筑结构使用陶瓷杯的炉缸内衬使用陶瓷杯的炉缸内衬,因为陶瓷材料的膨胀率高于碳砖因为陶瓷材料的膨胀率高于碳砖,需要设置贯通需要设置贯通的膨胀缝的膨胀缝,膨胀缝是隐患膨胀缝是隐患,十分有害十分有害,造成陶瓷杯能力不能发挥造成陶瓷杯能力不能发挥,造成外环碳造成外环碳砖早期破坏砖早期破坏.使用同材质的材料砌筑使用同材质的材料砌筑,消除贯通膨胀缝

28、消除贯通膨胀缝,能避免上述问题能避免上述问题.整体使用高导热系数的碳砖整体使用高导热系数的碳砖,因抗铁水熔蚀能力很低因抗铁水熔蚀能力很低,只能靠结厚自保护只能靠结厚自保护,效果时好时坏效果时好时坏,条件苛刻条件苛刻(无间隙无间隙,大水量大水量,无失水无失水,锌碱负荷低锌碱负荷低).机械强度低机械强度低,安全厚度大安全厚度大,浪费大浪费大. 例如例如,UCAR砖侧壁整体使用砖侧壁整体使用, 但总体效果不理想但总体效果不理想, 已经发生过多起服役已经发生过多起服役不长的炉缸侵蚀严重甚至烧穿事故不长的炉缸侵蚀严重甚至烧穿事故.炉底仍未单独使用需要覆盖陶瓷垫炉底仍未单独使用需要覆盖陶瓷垫.河南五耐碳复

29、合砖和河南五耐碳复合砖和SGL/9RD-N砖砖,同时具有高铁水熔蚀性能、较高同时具有高铁水熔蚀性能、较高导热性能和高力学强度指标导热性能和高力学强度指标,可实现整体同材料砌筑可实现整体同材料砌筑,消除了贯通缝消除了贯通缝,结构结构一致性好一致性好,对冷却条件要求低对冷却条件要求低,适用于我国炼铁行业特点适用于我国炼铁行业特点.下面例举几个陶瓷杯下面例举几个陶瓷杯+碳砖炉缸早期损伤的实例：碳砖炉缸早期损伤的实例：侵蚀边界侵蚀边界 陶瓷陶瓷56半石墨碳砖半石墨碳砖13501502503504505506507内衬余厚内衬余厚450 mm1978mm508T1T23837 mm微孔碳砖微孔碳砖4微孔

30、微孔碳块碳块 某公司新区炼铁厂某公司新区炼铁厂2号号450m3高炉高炉(第第2代代)于于2012年年3月月11日开炉。单铁口日开炉。单铁口,陶陶瓷杯瓷杯+碳砖综合炉缸炉底结构碳砖综合炉缸炉底结构,侧壁和炉底为水冷侧壁和炉底为水冷. 生产生产10个月个月,2013年年1月月14日日,炉缸标高炉缸标高5500mm(第第2段冷却壁下部段冷却壁下部)、方位、方位12-13号风口号风口,热电偶保护管发生铁水引漏事故热电偶保护管发生铁水引漏事故,外漏铁水外漏铁水2030t.紧急休风紧急休风.出铁出铁.对对引漏处钻孔压入铁沟浇铸料封堵后引漏处钻孔压入铁沟浇铸料封堵后.恢复生产恢复生产.作内衬侵蚀情况诊断作内

31、衬侵蚀情况诊断,判断安全性判断安全性. 经二维冗余侵蚀诊断计算经二维冗余侵蚀诊断计算,12-13号风口方位炉缸内衬轴截面的侵蚀形貌号风口方位炉缸内衬轴截面的侵蚀形貌为为:炉底倒锅底型炉底倒锅底型+炉缸侧壁较严重的蘑炉缸侧壁较严重的蘑菇型侵蚀形貌菇型侵蚀形貌. 炉缸侧壁第炉缸侧壁第2段冷却壁中段冷却壁中下部内衬剩余厚度下部内衬剩余厚度450mm. 计算内衬承压安全厚度为计算内衬承压安全厚度为254mm,安全系数为安全系数为1.77,安全系数属中等安全系数属中等,表明表明炉缸侧壁尚具有一定安全强度炉缸侧壁尚具有一定安全强度,炉缸处于炉缸处于维护性生产阶段维护性生产阶段.可在当前冶炼强度和生可在当前

32、冶炼强度和生产率的情况下继续生产产率的情况下继续生产. 事故成因事故成因:12-13#风口铁口水平部风口铁口水平部位陶瓷杯发生破损位陶瓷杯发生破损,铁水窜入陶瓷杯和碳铁水窜入陶瓷杯和碳砖间膨胀缝砖间膨胀缝, 并沿其下窜烧损护管外漏并沿其下窜烧损护管外漏.实例实例1:实例实例2： 某特钢公司炼铁厂某特钢公司炼铁厂2号号1080m3高炉于高炉于2011年年8月月26日开炉日开炉,诊断评估时服役诊断评估时服役1年年8月余。东、西方位双铁口月余。东、西方位双铁口,陶瓷杯陶瓷杯+碳砖综合炉缸炉底结构碳砖综合炉缸炉底结构, 冷却水强制冷却冷却水强制冷却. 2013年年2月中旬，正西铁口附近方位标高月中旬，

33、正西铁口附近方位标高7190mm7992mm附近区域附近区域(12块块冷却壁宽度冷却壁宽度)的内衬温度均升高的内衬温度均升高,其中以西北方位标高其中以西北方位标高7190mm内衬内、外测温点温内衬内、外测温点温度升高到度升高到1140和和570,标高标高7992mm外测温点温度升高到外测温点温度升高到659.基本判断内衬基本判断内衬侵蚀以侵蚀以7190mm7992mm中心的左右各中心的左右各6块冷却壁范围的凹陷侵蚀块冷却壁范围的凹陷侵蚀.侵蚀边界侵蚀边界 陶瓷陶瓷56半石墨碳砖半石墨碳砖13501502503504505506507内衬余厚内衬余厚682mm2041mm508T1T24780

34、mm微孔焙烧碳块微孔焙烧碳块4509510T3T4T5T6T7T8T9 T10T11 T12T13 T14T15 T16T17 T18经二维冗余侵蚀诊断经二维冗余侵蚀诊断,西铁口附近西铁口附近方位侵蚀情况如图方位侵蚀情况如图,剩余厚度剩余厚度682mm,尚无安全问题尚无安全问题.但需要提但需要提防热电偶管引漏防热电偶管引漏.原因分析原因分析:陶瓷杯侧壁较高位置出现漏洞陶瓷杯侧壁较高位置出现漏洞,铁铁水向下向两侧蔓延留窜水向下向两侧蔓延留窜,与一段时与一段时间以来正西铁口两侧的内衬温度间以来正西铁口两侧的内衬温度逐步升高相一致逐步升高相一致.实例实例3：2355mm侵蚀边界侵蚀边界 陶瓷陶瓷56

35、石墨砖石墨砖1501502503504505506507内衬余厚内衬余厚700mm 508T1T24445 微孔碳砖微孔碳砖24509T9T4T5T6T7T8T10T13 T14T15 T16T17 T18T3T11 T12T19 T20T21 T22铁口水平线铁口水平线8800mm10002 9200 7992 7596 7195 6393 4890 5391 5892 微孔微孔碳砖碳砖479100标高标高/mm陶瓷陶瓷内衬外缘内衬外缘Re=4860 某公司某公司4号号1260m3高炉于高炉于2012年年11月月21日开炉日开炉,侵蚀诊断时只服役侵蚀诊断时只服役4月月.双铁口双铁口,陶瓷杯陶

36、瓷杯+碳砖综合炉缸炉底结构碳砖综合炉缸炉底结构,侧壁和炉底为冷却水强制冷却侧壁和炉底为冷却水强制冷却. 热工现象热工现象:标高标高799710002mm范围的内衬测温点温度自开炉便较高范围的内衬测温点温度自开炉便较高,近期逐步近期逐步升高升高,其中以标高其中以标高9200mm,3号测温方位号测温方位(西南方位西南方位)温度最高温度最高,内外测温点分别达到内外测温点分别达到929、837.经二维冗余侵蚀诊断经二维冗余侵蚀诊断,西南西南方位侵蚀情况如图方位侵蚀情况如图,剩余厚剩余厚度度700mm,尚无安全问题尚无安全问题.但需要提防热电偶管引漏但需要提防热电偶管引漏.原因分析原因分析:陶瓷杯侧壁较

37、高位置出现陶瓷杯侧壁较高位置出现漏洞漏洞,铁水过早侵蚀碳砖铁水过早侵蚀碳砖. 笔者在从事高炉炉缸侵蚀诊断与安全评估研究和应用的笔者在从事高炉炉缸侵蚀诊断与安全评估研究和应用的10多年中多年中,看看到的陶瓷杯到的陶瓷杯+碳砖结构的炉缸出现和发生陶瓷杯早期破损并危害外环碳砖碳砖结构的炉缸出现和发生陶瓷杯早期破损并危害外环碳砖的情况相当多的情况相当多. 由于陶瓷杯由于陶瓷杯+碳砖炉缸结构中的贯通膨胀缝夹层的有害性碳砖炉缸结构中的贯通膨胀缝夹层的有害性,这种结构出这种结构出现早期损伤具有结构上的必然性现早期损伤具有结构上的必然性. 砌筑后砌筑后膨胀缝膨胀缝碳砖碳砖陶瓷陶瓷横缝横缝陶瓷陶瓷烘炉烘炉-工作

38、状态工作状态膨胀缝压缩变薄膨胀缝压缩变薄碳砖碳砖陶瓷陶瓷横缝横缝-压压缩变薄缩变薄陶瓷陶瓷膨胀缝和横缝在烘炉和服役工作中膨胀缝和横缝在烘炉和服役工作中,由于陶瓷热膨胀使其压缩由于陶瓷热膨胀使其压缩-产生无回弹或少产生无回弹或少回弹的塑性变形回弹的塑性变形,在温度变化时缝厚度不稳定在温度变化时缝厚度不稳定,回缩中形成间隙回缩中形成间隙,反复后反复后,厚度较厚度较小的陶瓷砖块发生扭曲或脱落小的陶瓷砖块发生扭曲或脱落,铁水窜入贯通膨胀缝夹层铁水窜入贯通膨胀缝夹层.当前与陶瓷杯相配的碳砖当前与陶瓷杯相配的碳砖,尽管导热系数较高尽管导热系数较高,但铁水抗性差但铁水抗性差,陶瓷杯损害后陶瓷杯损害后,碳碳砖

39、仍被快速侵蚀砖仍被快速侵蚀.许多情况下许多情况下,停炉时陶瓷杯看起来完好停炉时陶瓷杯看起来完好,实际上背后已经窜铁实际上背后已经窜铁.9RD-N砖和砖和C复合砖复合砖可以理解为可以理解为“高导热低热胀陶瓷高导热低热胀陶瓷”,或或“高铁水抗性高强度碳砖高铁水抗性高强度碳砖”.9RD-N砖和国产砖和国产C复合砖兼备了陶瓷的高铁水熔蚀性能和碳砖的复合砖兼备了陶瓷的高铁水熔蚀性能和碳砖的较高导热性能较高导热性能(结厚自保护性较好结厚自保护性较好),可实现整体同材料砌筑可实现整体同材料砌筑,结构一结构一致性好致性好,能有效克服传统的陶瓷杯能有效克服传统的陶瓷杯+碳砖结构中的贯通膨胀缝夹层和碳砖结构中的贯

40、通膨胀缝夹层和碳砖铁水抗性差两大缺陷碳砖铁水抗性差两大缺陷.山西通才山西通才2号高炉炉缸使用国产号高炉炉缸使用国产C复合砖复合砖整体砌筑整体砌筑,服役服役5年多检查年多检查,侧壁内衬余厚侧壁内衬余厚700mm,无象脚侵蚀。无象脚侵蚀。为彻底消除使用制品砖砌筑为彻底消除使用制品砖砌筑,存在砖缝存在砖缝,甚至贯通缝甚至贯通缝,结构一致性差结构一致性差的结构缺陷的结构缺陷,无缝的整体成型内衬是一个技术趋势无缝的整体成型内衬是一个技术趋势.这类技术的内衬这类技术的内衬结构形态学性能更好结构形态学性能更好,关键是材料自身的性能和成型工艺关键是材料自身的性能和成型工艺,目前已经目前已经有应用。有应用。(1

41、)本文提出了一个高炉炉缸结构热工设计新准则。该新准则的要义是，把本文提出了一个高炉炉缸结构热工设计新准则。该新准则的要义是，把安全厚度作为安全指标，把临界厚度作为操作指标，用临界厚度满足安全厚安全厚度作为安全指标，把临界厚度作为操作指标，用临界厚度满足安全厚度作为准则，实现了安全和长寿相结合。度作为准则，实现了安全和长寿相结合。(2)该设计准则不仅可以用于炉缸的设计阶段，而且可以用于服役炉缸操作该设计准则不仅可以用于炉缸的设计阶段，而且可以用于服役炉缸操作参数的评估。对于服役炉缸，通过对耐材的测试掌握其物性，通过实测内衬参数的评估。对于服役炉缸，通过对耐材的测试掌握其物性，通过实测内衬温度和冷

42、却系统热负荷，采用炉缸内衬侵蚀多维冗余诊断方法同时确定侵蚀温度和冷却系统热负荷，采用炉缸内衬侵蚀多维冗余诊断方法同时确定侵蚀情况和实际冷却条件参数，再计算相关指标厚度，观察是否满足设计准则及情况和实际冷却条件参数，再计算相关指标厚度，观察是否满足设计准则及其操作参数的适用性，为可能的参数优化调节提供技术依据。其操作参数的适用性，为可能的参数优化调节提供技术依据。七、结论七、结论(3)需要指出的是，文中关于准则中的几个指标厚度的计算采用的是一维理需要指出的是，文中关于准则中的几个指标厚度的计算采用的是一维理论，更好的数据和设计精度应当基于多维理论，尤其是与冶炼强度、生产率论，更好的数据和设计精度

43、应当基于多维理论，尤其是与冶炼强度、生产率和铁水黏度相关的铁水向内衬的传热效应，需要通过三维空间模型的计算，和铁水黏度相关的铁水向内衬的传热效应，需要通过三维空间模型的计算，明确传热系数明确传热系数hi与冶炼强度、生产率和铁水黏度有关的铁水流动换热的定量与冶炼强度、生产率和铁水黏度有关的铁水流动换热的定量对应关系。对应关系。(4)通过分析和算例，常用的一般微孔碳砖通过分析和算例，常用的一般微孔碳砖(抗压强度抗压强度40MPa，平均导热系，平均导热系数数10W/mK)在高炉高强度冶炼条件下不满足热工设计准则。在高炉高强度冶炼条件下不满足热工设计准则。9RD-N超微孔超微孔炭砖和国产碳复合砖的导热系数、机械强度、铁水侵蚀抗性等指标较好地满炭砖和国产碳复合砖的导热系数、机械强度、铁水侵蚀抗性等指标较好地满足热工设计准则要求，是目前适用高强度冶炼的炉缸内衬用砖。足热工设计准则要求，是目前适用高强度冶炼的炉缸内衬用砖。(5)按照质量因子乘数构造评价指标的方法，在表征内衬用砖的单个性能指按照质量因子乘数构造评价指标的方法，在表征内衬用砖的单个性能指标的基础上给出了几个综合性能指标，可用作材料的选用和研发的参考。标的基础上给出了几个综合性能指标，可用作材料的选用和研发的参考。七、结论七、