新一代高爐爐缸爐底內襯材料

高妍　毛艷玲

高爐健康長壽是冶煉企業的永恒追求。無論新材料、新技術、新裝備，還是創新工藝的應用，其最終目標都是要保證高爐具備良好的爐體狀況，能夠高效、低耗、安全工作，且連續運行周期越長越好。

伴隨相關技術的發展與進步，近年來，影響高爐壽命的限制性環節越來越集中在高爐的爐底爐缸部位。

長期以來，高爐爐底爐缸內襯主要采用各類炭磚及陶瓷杯材料，通過不斷提升它們的質量性能以達到延長高爐壽命的要求。但高強度的冶煉和入爐原料品位的不斷下降，導致高爐內堿金屬、鋅等雜質成分大量富集，爐缸環境愈發惡劣，對爐缸爐底部位的內襯材料提出了更嚴酷的挑戰。

北京科技大學張建良教授在長期研究中總結發現，要適應日益復雜的爐缸環境，所用的內襯材料須具備較好的導熱性能、優良的抗鐵水溶蝕性、優良的抗堿性、優良的抗渣性能、較好的抗鋅侵蝕性以及較好的抗氧化性。

而炭磚和陶瓷杯材料卻在性能上存在不同程度的短板，比如炭磚的導熱、抗渣、抗堿等性能優異，但抗鐵水溶蝕性比較差，一些高爐發生的‘老鼠洞形式的燒穿就是因為炭磚在局部失去粘滯層的隔離保護后直接接觸鐵水而造成的，同時在風口套下方的炭磚會因為風口套漏水而受到氧化，其抗氧化性又是其致命的弱點，因此炭磚在爐缸的使用雖然可以發揮冷卻系統的作用，但其仍然存在嚴重的不足和安全隱患。而陶瓷材料雖然擁有優良的抗鐵水溶蝕性、抗堿性和較好的抗氧化性，卻因較低的導熱性被限制了冷卻系統作用的發揮。它們已經跟不上高爐大型化、高效化對安全長壽的需求。因此，一種綜合性能優異、能夠提高高爐下部操作安全性和長壽性的新材料，亟待出現。

針對這一情況，張建良教授帶領團隊與河南五耐集團實業有限公司、山西建邦集團、柳州鋼鐵集團股份有限公司等單位開展了聯合攻關。最終，他們在微孔剛玉陶瓷杯中引入炭進行了試驗，得到了一種新型碳復合磚，綜合了優良炭磚和陶瓷杯材料的優點，其主要性能指標與國內外優質炭磚及陶瓷杯相比，具有明顯優勢。

碳復合磚很好的結合了炭磚和陶瓷杯材料的優點，又同時克服了它們各自存在的不足，特別是很好地解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問題，并滿足了所述爐缸區域內襯材料的基本性能要求，同時其導熱性從低溫到高溫呈下降的特性比炭磚材料更符合爐底爐缸內襯設計的原則，完全有能力成為高爐爐底爐缸內襯的換代產品。

為了更好的發揮碳復合磚的性能優勢，研究團隊又針對傳統爐底爐缸結構設計存在的問題，結合碳復合磚的性能，提出了新的設計方案，即爐缸部位全部應用碳復合磚，爐底上部應用碳復合磚，下部應用高導熱炭磚。

通過這一技術方案，順利解決了以下幾個問題——

1）爐底爐缸內襯的導熱系數從冷面到熱面是一個降低的趨勢，這一趨勢符合冷卻系統設計的需要，也符合高爐爐底爐缸內襯設計的原則;

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，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，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。即使在異常情況下暫時失去了保護層的保護，碳復合磚優良的抗鐵溶蝕性也可為再次形成保護層贏得時間。

4）爐底碳復合磚的應用，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。

而碳復合磚新材料和圍繞它所提出的新設計方案，即“安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術”也在生產實踐中得到了驗證，不僅在中小高爐上使用，更推廣到了大高爐上。

2007年，山西通才2#高爐設計方案中采用了此安全長壽技術，爐底采用4層微孔模壓炭磚和兩層碳復合磚陶瓷墊，爐缸則取消了炭磚而全部采用碳復合磚，風口和鐵口也采用了碳復合磚。

投產后，生產指標一直良好，與未采用相關技術的1#高爐相比表現優異。所采用的碳復合磚表現出較高的導熱系數，并且導熱系數從冷面到熱面呈降低的趨勢，符合爐底爐缸傳熱原理，這種特性保證了高爐爐缸部位冷卻系統的穩定，也間接提高了爐缸部位的壽命。同時，這一技術方案的采用，也幫助通才2#高爐扛住了高強度冶煉和原燃料種類頻繁更換的考驗，保證了高爐安全穩定的生產運行，節約了經濟成本。

運行7年后，借著高爐爐身維修的機會，工人對爐缸進行了檢查，發現爐缸內形成了約250mm厚較穩定的渣鐵保護層，僅鐵口區域出現輕微侵蝕，沒有出現爐缸象腳狀蝕損，也沒有出現風口上翹、爐殼開裂等現象。爐缸穩態傳熱模型計算發現，爐缸熱面大多能生成穩定的保護層，有效阻止了熔融鐵水和爐渣對爐襯的侵蝕，延長了高爐的使用壽命。而1#高爐在投產兩年半時爐缸部位就已侵蝕嚴重。

同樣的對比出現在柳鋼5號高爐（1500m3）兩代爐役中。

柳鋼5#高爐一代爐役采用傳統的爐缸內襯結構，生產兩年后，爐缸側壁熱電偶溫度大范圍普遍升高，熱電偶插入深度為160mm的溫度達到525℃。因此采取了一系列降低產量、鈦礦護爐等措施，打亂了高爐正常生產節奏，大幅增加了高爐生產成本。

二代爐役采用了碳復合磚內襯結構，投產近兩年后，高爐爐缸側壁熱電偶溫度保持平穩的趨勢，熱電偶插入深度為300mm的溫度最高值僅為320℃，且大部分熱電偶溫度均低于300℃，熱電偶插入深度為200mm的溫度一般在150-250℃，遠低于上一代爐役同時期高爐爐缸側壁熱電偶溫度，顯現出高爐爐缸爐底采用碳復合磚的優越性，可以不必因高爐爐缸的安全問題而休風減產，也不必采用特殊的護爐手段增加額外成本。

兩相對比，碳復合磚內襯結構的應用表現出明顯優越性。

到目前為止，碳復合磚和“安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術”已在山西通才、山西高義、山西新金山、邯鄲縱橫及俄羅斯企業的100余座高爐中應用。

使用結果表明，碳復合磚解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問題，并且具備很好的自護爐機制，能夠形成穩定的保護層體系，在低品位爐料、高強度冶煉、頻繁更換原燃料種類的惡劣條件下，確保爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強度適宜，使冷卻系統充分發揮作用，從而保證爐底爐缸部位的安全，實現高爐操作安全、生產高效、健康長壽。

當下，我國高爐生產普遍存在生產不穩定、冶煉強度高、入爐礦品位低三大問題，形勢非常嚴峻。碳復合磚內襯材料與結構的出現與應用，使高爐長壽邁上了一個新的臺階，也使我國距離“一代爐役壽命達20年以上”的目標更近一步。