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高炉耐火材料衬里技术:保护炉壳实现长寿命连续运行

高炉耐火衬里概述

现代高炉(BF)衬筑耐火材料保护炉壳免受炉内高温磨蚀材料侵害。耐火衬里实施冷却进一步强化防过热破坏保护。高炉拥有复杂耐火系统,提供长寿命、安全运行,保障高炉可用性、近乎连续运行和出铁。

高炉不同区域工况差异大,耐火材料承受多样磨损机制。详见表1。因几何形状和不同阶段冶金过程差异,各区域应用条件不同。各区域存在多样物理化学磨损机制且复杂。例:机械磨损/磨蚀主要发生上部炉身(料柱下降、含尘气体冲刷);高热负荷是中下部炉身和腹部主要因素;炉底区水平/垂直热金属流动结合热应力常形成不利"象足状"空蚀。各区域耐火材料须针对性应对磨损机制防损坏。因此炉身(上/中/下)、腹、缸、风口赛瓦区、炉底、铁口均需根据各自应用条件选用不同质量耐火材料。

表1 高炉不同区域侵蚀机制
区域侵蚀机制导致损坏
上部炉身磨蚀磨损
中等温度波动剥落
冲击砖脱落
中部炉身中-重温度波动剥落
气流冲蚀磨损
氧化和碱侵蚀劣化
下部炉身剧烈温度波动严重剥落
气流喷射冲蚀和磨蚀磨损
氧化和碱侵蚀劣化
热疲劳炉壳损伤和裂纹
腹部中等温度波动剥落
氧化和碱侵蚀劣化
磨蚀、气流冲蚀和高温磨损
缸部高温应力攻击
渣和碱侵蚀劣化和磨损
中等温度波动剥落
磨蚀磨损
风口和
赛瓦区
极高温度应力开裂和磨损
温度波动剥落
氧化(水和氧)劣化
渣侵蚀和冲蚀磨损
挂渣损伤冷却元件和风口损失
炉底氧化(水)磨损
锌、渣和碱侵蚀劣化
高温应力积累和开裂
热液体冲蚀烧穿风险
铁口(出铁口)剧烈温度波动剥落
冲蚀(渣和铁)铁口磨损
锌和碱侵蚀劣化
气体侵蚀和氧化(水)磨损和劣化

根据磨损机制选择合适耐火组合至关重要。不当选择常导致耐火失效,后续成复杂难题。图1展示高炉各区域耐火衬里类型及趋势。

高炉耐火材料衬里技术:保护炉壳实现长寿命连续运行

图1 高炉各区域耐火衬里

现代高炉炉龄预期15年以上。大型高炉趋势面临严苛工况。为达长衬里寿命,需高档耐火材料与高效冷却系统良好结合,严控炉况操作,确保高产出无过度侵蚀炉壁、最小化大规模"滑料"造成耐火衬里过早损坏。

炉底和部分炉底主要受铁水、渣、碱侵蚀。砖承受高载荷温度。需耐火衬里具备高强度、低压缩蠕变、高荷重软化温度(RUL)和皮塞克锥等效(PCE)值。部分高炉炉底和下部炉底用低铁致密42%-62%氧化铝、莫来石砖、常规碳砖等,趋势转向超微孔石墨砖。炉底寿命主要取决:

微孔碳砖新发展和半石墨/石墨砖质量提升,增强了抗铁渣渗透性和导热性。碱凝结和热应力在~800℃等温线形成脆性层问题,通过小块化、最佳膨胀余量等解决。碳质耐火材料外覆粘土/莫来石砖防氧化,此"陶瓷杯"设计重要,因等温线随杯材质量厚度改变。

炉身砖特别暴露于自上而下装料磨蚀和高炉压力下高速烟尘颗粒冲蚀(CO环境)。需耐火材料具备高强度、低渗透率、高耐磨性、抗CO解离。超重负荷粘土砖或致密氧化铝砖(Al₂O₃ 39%-42%)可赋予炉身应用所需特性。

风口缸部受温变、磨蚀、碱侵蚀;腹部和下部炉身受热震、磨蚀、CO攻击等。高炉关键区(风口、缸、腹、下部炉身),碳化硅(SiC)、SiC-Si₃N₄、刚玉耐火材料已取代碳砖和62%Al₂O₃/莫来石砖。利用SiC高导热配合水冷壁。但因铁口风口区漏水问题,多高炉用高铝或铝铬刚玉耐火材料。表2列现状与趋势。

表2 高炉耐火材料现状与趋势
区域现状趋势
炉身39%-42% Al₂O₃超重负荷粘土砖
腹部39%-42% Al₂O₃刚玉、SiC-Si₃N₄
缸部62% Al₂O₃、莫来石SiC-Si₃N₄
风口62% Al₂O₃、莫来石自结合SiC、铝铬刚玉
下部炉底42%-62% Al₂O₃、莫来石、常规碳砖超微孔碳/石墨砖
铁口粘土沥青结合、高铝/SiC沥青结合粘土沥青结合、高铝/SiC沥青结合
主铁沟沥青/水结合粘土/熟料/沥青结合捣打料、浇注料超低水泥浇注料(ULCC)、SiC/氧化铝混合料、喷补修补技术
翻转包嘴高铝/SiC捣打料/低水泥浇注料高铝/SiC/碳/ULCC

高炉主要耐火材料类型

制造工艺

  1. 转炉耐火材料衬里优化:提升可用率与延长寿命
  2. 高炉煤气优化:生成规律、利用途径与效率提升
  3. 焦粒在高炉中的应用:提升效率与降低成本
  4. TiO₂涂层延长高炉炉底寿命:经验证的耐火材料保护方案
  5. 喷吹煤优化高炉效率:技术原理与操作控制要点
  6. 高炉操作异常预防与应对:挂料、滑料、结瘤、崩料等综合对策
  7. 优化高炉冷却系统以提升效率与寿命
  8. 优化高炉顶部装料系统提升效率与安全
  9. 高炉炼铁化学:优化生铁生产
  10. 影响高炉焦比的关键因素深度解析
  11. 连铸中间包耐火材料衬里解决方案全解析
  12. 高炉设计优化:实现卓越性能与长寿命的关键