高爐爐底爐缸長壽的設計研究

唐 宇

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019）

0 引言

隨著產業政策的限制和高爐煉鐵技術的發展，爐容1 000 m3及以上中大型高爐已是國內各鋼鐵企業的必然選擇，隨著高爐爐容的增加，高爐長壽已越來越受到鋼鐵企業的重視。高爐長壽，可以減少一代爐役內高爐停爐檢修的次數，并延長一代爐役的時間，即能夠節省停爐改造的投資成本，亦可以提高一代爐役期間單位爐容的出鐵量，進而提高經濟效益，因此，高爐長壽已是各鋼鐵企業的追求目標。高爐的爐底爐缸區域，處于高爐的高熱負荷區，熱流強度及受鐵水熔渣的沖擊極大，該區域能否長壽，往往決定了高爐的長壽，因此，爐底爐缸區域的壽命，歷來是煉鐵從業者關注的重點。本文重點就高爐爐底的結構型式、爐底爐缸冷卻系統、耐材的材質選擇和結構等方面，從設計角度探討高爐爐底爐缸的長壽。

1 高爐爐底結構型式的設計

目前，傳統高爐爐底的結構型式主要為高爐爐底設置單層煤氣封板，根據高爐爐底水冷管位于爐底煤氣封板上面還是位于其下面，可將高爐爐底結構分為兩種，兩種布置方式詳見圖1和圖2。根據高爐爐底耐熱基墩與高爐爐殼的位置關系，可分為高爐爐殼包裹住爐底耐熱基墩和高爐爐殼立在爐底耐熱基墩之上兩種，兩種布置方式詳見圖3和圖4。

圖1 爐底水冷管位于爐底煤氣封板下

圖2 水冷管位于爐底煤氣封板上

圖3 高爐爐殼包裹住爐底耐熱基墩

圖4 高爐爐殼立在爐底耐熱基墩之上

1.1 傳統高爐爐底結構型式的比較、分析及存在的不足

1.1.1 爐底水冷管位于煤氣封板上部與下部的比較

（1）在煤氣封板上部布置冷卻水管，由于冷卻水管與爐底炭磚之間僅填充導熱性優良的不定型耐材，因此冷卻效果較好。但是，一旦冷卻水管破損，爐底出現滲水、汽化現象，水蒸氣將危害炭磚，甚至導致爐底燒穿的事故發生。

（2）在煤氣封板下部布置冷卻水管，爐底如出現漏水現象，水氣化后的水蒸氣由于煤氣封板的阻隔作用，從而能夠保護炭磚免受侵蝕。

1.1.2 兩種耐熱基墩與高爐爐殼位置關系的分析

無論是“爐殼立在高爐爐底耐熱基墩之上”的型式，還是“高爐爐殼包裹住爐底耐熱基墩”的型式，在原燃料條件好、冶煉強度低等條件下，均有長壽高爐的實例，但是，隨著原燃料條件變差、冶煉強度不斷提高的現實情況下，國內部分高爐存在爐體上漲的情況。

（1）高爐爐殼立在高爐爐底耐熱基墩之上。高爐爐底封板易受到爐底爐缸耐材異常膨脹[1]、盲板力的作用[2]等而發生變形，爐底封板邊緣發生上翹，甚至開裂，高爐煤氣沿開裂處散逸，影響高爐安全生產；同時還損壞風口設備，影響高爐正常生產。目前，國內發生爐體上漲的高爐中，采用上述爐底結構而發生爐體上漲的有之。

（2）高爐爐殼包裹爐底耐熱基墩。若高爐原料條件不佳，堿負荷重，高爐爐底形成“煤氣通道”后，K、Na等堿金屬隨煤氣進入“煤氣通道”，進而使爐底耐材、耐熱基墩發生膨脹，使高爐爐體上漲。國內發生爐體上漲的高爐中，采用上述爐底結構而發生爐體上漲的也有之。

綜上所述，高爐爐底若采用單層煤氣封板的方式，無論采用上述何種型式，在目前各煉鐵廠原燃料條件不佳、冶煉強度大的常態下，高爐均存在上漲的可能性。

1.2 一種新型的高爐抗漲爐底結構型式

為解決高爐上漲的問題，設計一種新型的雙層煤氣封板的結構型式[3]，以抵抗高爐上漲，結構型式詳見圖5。

圖5 新型的雙層煤氣封板的結構型式

上層封板焊接在高爐爐殼內，即被高爐爐殼包裹在內，起到柔性連接的作用，下層封板與高爐爐殼的下部邊緣焊接，高爐爐殼與下部封板形成一個完整的高爐爐體立在高爐基礎上；爐底水冷管布置在雙層煤氣封板之間；雙層煤氣封板之間從爐殼向高爐內依次為：炭素搗打料、砌筑粘土磚以及澆筑耐熱混凝土；砌筑粘土磚主要起到分隔耐熱混凝土和炭素搗打料及為澆筑耐熱混凝土支模的作用，耐熱混凝土起到承載高爐爐體荷載的作用，炭素搗打料起到吸收耐熱混凝土和粘土磚膨脹的作用。

（1）高爐爐底雙層煤氣封板能夠形成兩道“防線”，以阻止爐底形成“煤氣通道”，爐底無法形成“煤氣通道”，堿金屬及鉛、鋅等有害物質便沒有侵蝕爐底的“通道”，進而無法侵蝕爐底炭磚使其膨。

（2）爐底水冷管布置在雙層煤氣封板之間，一旦水冷管漏水，由于上層封板的阻隔作用，水汽很難威脅到炭磚。

（3）雙層封板及其內的耐熱混凝土等組成的剛性箱體結構，對下層煤氣封板形成很大的承載力，能夠很好的抵御下層煤氣封板的上翹。

綜上所述，高爐爐底采用雙層煤氣封板的結構能夠較好的抑制高爐的上漲，進而實現高爐爐底的長壽。

2 高爐爐底爐缸冷卻系統的設計

2.1 高爐爐底爐缸冷卻設備的設計

2.1.1 爐底水冷管的布置型式

目前，水冷爐底已取代風冷爐底，成為爐底冷卻的主流設計型式，《高爐煉鐵工藝設計規范》有關要求亦明確：“高爐爐底宜采用水冷[4]”。

早期設計小爐容的高爐時，由于爐底爐缸的直徑較小，爐底水冷管的數量也較少，因此普遍采用單根水管進出水的型式，詳見圖6。隨著高爐爐容的擴大，爐底爐缸的直徑也隨之加大，爐底水冷管的數量也隨之增加，如采用單根水管進出水，不但冷卻水量加大，而且冷卻水的水溫差很小，冷卻水得不到充分利用，因此，目前，對于大中型高爐，爐底冷卻多采用兩根或多根冷卻水管串聯的型式，以提高冷卻水的使用效率，同時可以完全滿足高爐爐底冷卻的需要，該種布置型式詳見圖7。

圖6 爐底水冷管單根水管進出水的型式

圖7 爐底水冷管兩根或多根串聯的型式

2.1.2 高爐爐底爐缸冷卻壁布置型式

目前，對于爐容在1 000 m3及以上的中大型高爐，經生產實踐驗證，高爐爐底爐缸采用光面鑄鐵冷卻壁（鐵口區除外）作為該區域的冷卻設備已成為業界共識。高爐爐底爐缸冷卻壁的布置型式，分為立式冷卻壁布置和臥式冷卻壁布置兩種，兩種布置型式均有長壽高爐的業績。

2.2 高爐爐底爐缸冷卻水系統的設計

目前，高爐爐底爐缸的冷卻系統主要采用工業水開路循環冷卻系統（以下簡稱“工業水系統”）或軟水密閉循環冷卻系統（以下簡稱“軟水系統”）。

（1）采用工業水系統冷卻的高爐，爐底水冷管的冷卻水與爐底爐缸冷卻壁的冷卻水一般為分開布置，各成系統，其流程圖詳見圖8。冷卻壁水管一般為蛇形管的型式，冷卻壁配管根據爐內的熱流強度，采用同層冷卻壁一塊冷卻壁獨聯或幾塊冷卻壁串聯的型式。采用工業水系統，一次投資較低，但冷卻水易受污染，水質較差，水管易結垢，影響冷卻設備及配管的壽命。

（2）采用軟水系統的高爐，爐底水冷管的冷卻水可與冷卻壁的冷卻水串聯布置，也可并聯布置。采用并聯布置時，爐底水冷管的冷卻水由于水溫差較小，水溫較低，還可以與高爐其他設備（如風口大中套等）串聯，以提高冷卻水的利用效率。爐底爐缸冷卻壁的水管一般為4根直型管（立式冷卻壁）或10根異型管（臥式冷卻壁）的型式，軟水系統冷卻壁的配管，采用從爐底第一層冷卻壁的水頭開始，向其上層冷卻壁的相同位置的水頭串接的型式，詳見圖9，采用該種型式，主要考慮的是水管檢漏可行性的需要。

采用軟水系統，一次投資較工業水系統高，但由于采用全密封系統，外界的污染物很難污染到軟水系統，因此水質較好，水管不易結垢，冷卻設備及配管的壽命較長。

圖8 工業水冷卻系統爐底水冷管與爐底爐缸冷卻壁給排水管流程圖

圖9 軟水系統爐底爐缸冷卻壁配管示意圖

綜上所述，爐底采用兩根或多根冷卻水管串聯的型式，爐底爐缸采用光面鑄鐵冷卻壁（鐵口區除外），并采用軟水系統作為冷卻水系統，從設計角度，是實現高爐爐底爐缸長壽目標的有益、經濟的選擇。

3 高爐爐底爐缸耐材的選擇和耐材結構的設計

高爐爐底爐缸砌筑的耐火材料工作環境惡劣，其決定了高爐爐底爐缸的壽命。因此，耐材材質的選擇和結構的好壞是高爐爐底爐缸長壽的關鍵。

3.1 高爐爐底爐缸耐材的選擇

早期高爐，爐底爐缸的耐材大致可分為選用單純粘土磚砌筑、炭磚與高鋁磚或炭磚與粘土磚形成綜合爐底爐缸進行砌筑和采用炭磚砌筑三種[5]。隨著高爐的強化冶煉、高壓操作，爐底爐缸的熱流強度不斷加強，單純粘土磚和綜合爐底爐缸結構已不適應現代中大型高爐的冶煉。目前，爐底爐缸耐材的選擇，主流的設計大致分為全炭磚材質和“炭磚＋陶瓷杯”復合材質兩種。

3.1.1 全炭磚材質

高爐爐底爐缸采用全炭磚材質，利用炭磚的高導熱性能，將工作面層的熱量快速傳導至冷卻設備并利用冷卻水將熱量輸送走，使炭磚的工作面層快速形成渣鐵凝固層，利用渣鐵凝固層保護炭磚的工作面層免受渣鐵的沖刷、侵蝕，進而保護炭磚。由于其主要依靠渣鐵凝固層作為工作面層，因此能否快速形成并穩定存在的渣鐵凝固層是該理念的核心，這對于炭磚的性能要求很高，因此宜采用性能優異的進口超微孔炭磚作為炭磚的首選。

3.1.2 “炭磚＋陶瓷杯”復合材質

“陶瓷杯”的材質主要為高Al2O3含量的剛玉質或莫來石質陶瓷材料。“炭磚＋陶瓷杯”的復合結構是在炭磚的工作面側，砌筑剛玉莫來石質（一般為陶瓷杯壁）或莫來石質（一般為陶瓷墊）陶瓷磚，利用陶瓷內襯良好的抗鐵水沖刷、侵蝕特性，將1 150℃鐵水凝固線和870℃炭磚環裂線向爐內推，以保護炭磚，延長爐底爐缸耐材的使用壽命。

3.2 高爐爐底爐缸耐材結構的設計

目前，國內高爐爐底爐缸的耐材結構，除少部分采用全炭磚結構的以外，大部分高爐爐底爐缸均采用“炭磚＋陶瓷杯”的結構。

3.2.1 炭磚的結構型式

近年來，隨著炭磚技術的發展、高爐冶煉條件越來越苛刻，熱壓小塊炭磚的結構型式已越來越少見[6]，采用大塊炭磚砌筑的型式已成主流。中大型高爐爐底一般配置四層或五層炭磚，大型高爐爐底以配置五層炭磚者居多。爐底上層的炭磚，一般采用抗壓和抗侵蝕能力較強、導熱性較好的微孔或超微孔炭磚；最上層普遍采用國產優質或進口超微孔炭磚；由于石墨磚具有極佳的導熱性能，但抗鐵水、熔渣、鉛鋅和堿金屬等侵蝕的能力不足，多用于爐底最下一層；中大型高爐的爐缸側壁，易形成“象腳狀”侵蝕的區域、鐵口區域等部位，由于受鐵水環流侵蝕嚴重，亦配置國產優質或進口超微孔炭磚，利用超微孔炭磚優異的性能，提高該區域的使用壽命；爐缸上部區域一般配置微孔炭磚，以節省投資。

3.2.2 “陶瓷杯”的結構型式

“陶瓷杯”結構主要分為高爐爐缸陶瓷杯壁和爐底陶瓷墊。其中，爐缸陶瓷杯壁經過近些年的發展，已逐漸形成“鑲嵌杯”結構和“自由杯”結構兩種型式。

（1）“鑲嵌杯”結構型式為：爐缸側壁環炭熱面頂砌陶瓷杯壁，風口組合磚壓在陶瓷杯壁上，一般爐缸環炭與陶瓷杯壁之間的環縫為10 mm以內。“鑲嵌杯”結構可進一步分為“鑲嵌全杯”和“鑲嵌半杯”兩種結構型式：其中，“鑲嵌全杯”結構為風口組合磚和陶瓷杯壁熱面平齊，陶瓷杯壁內表面線即為高爐爐缸內型線；“鑲嵌半杯”結構為風口組合磚覆蓋部分陶瓷杯壁，陶瓷杯壁內表面線“侵入”高爐爐缸的內型線。兩種結構型式詳見圖10、圖11。

高爐無論采用“鑲嵌全杯”或“鑲嵌半杯”結構，當高爐生產時，爐缸的陶瓷杯壁及環炭均受熱膨脹，但由于兩者的膨脹系數不同，因此導致爐缸耐材異常膨脹致使風口組合磚上翹變形，不但造成風口設備變形，甚至損壞，影響高爐正常生產，而且其間接導致高爐上漲，影響高爐爐底爐缸的長壽。

圖10 “鑲嵌全杯”示意圖

圖11 “鑲嵌半杯”示意圖

（2）“自由杯”結構型式為：爐缸側壁環炭和風口組合磚熱面平齊，陶瓷杯壁完全處于高爐爐缸內型線內，即陶瓷杯壁與風口組合磚完全脫開。“自由杯”結構亦可進一步分為“自由全杯”和“自由半杯”兩種結構型式：其中，“自由全杯”結構為陶瓷杯壁覆蓋高爐爐缸側壁的一部分；“自由半杯”結構為陶瓷杯壁覆蓋至風口組合磚的底部。兩種結構型式詳見圖12、圖13。

圖12 “自由全杯”示意圖

圖13 “自由半杯”示意圖

高爐采用“自由杯”結構型式時，由于風口組合磚與陶瓷杯壁不直接接觸，因此陶瓷杯壁的受熱膨脹對風口組合磚的影響很小。由于“自由半杯”的結構型式已完全覆蓋爐缸側壁易形成“象腳狀”侵蝕的區域，以起到保護該區域炭磚的目的，因此，“自由半杯”相比“自由全杯”的結構型式，對于高爐爐缸的長壽是較為合理和經濟的陶瓷杯壁的結構型式。

（3）爐底陶瓷墊結構型式。法國傳統的“滿杯”陶瓷墊一般厚度為800 mm[7]，材質一般為莫來石質，國內少部分高爐的陶瓷杯結構僅配置陶瓷墊，不配置陶瓷杯壁。

綜上所述，高爐爐底爐缸耐材選用“炭磚+陶瓷杯”結構，炭磚選擇國產優質或進口大塊炭磚，陶瓷杯采用“自由半杯杯壁+陶瓷墊”結構，是比較經濟的高爐爐底爐缸長壽的耐材材質和結構。

4 結語

高爐爐底爐缸的長壽是項系統工程，從設計、施工到生產過程的高爐維護與管理，每個環節都是關鍵，都會直接影響到高爐爐底爐缸的長壽。從設計角度，筆者認為，爐底采用雙層煤氣封板的結構、爐底水冷管和爐底爐缸冷卻壁采用密閉軟水循環系統冷卻以及爐底爐缸耐材采用“優質炭磚+自由半杯結構陶瓷杯”，是實現高爐爐底爐缸長壽的比較經濟、合理的設計手段。