武钢高炉长寿技术

武钢高炉长寿技术的研究和实践宋木森•武钢高炉长寿技术的研发，通过对几十座炉次的高炉破损调查，研究了高炉炉衬和冷却器的破损机理；研究出高炉耐材特殊性能试验方法，并开发出系列化优质炭砖，陶瓷质耐火材料；通过高炉炉体结构和冷却系统的研究，探索出长寿高炉的合理设计方案等等。这些长寿技术，在武钢高炉上得到了应用，取得了良好效果。本文根据武钢高炉长寿技术的研究和实践，与同行专家探讨高炉长寿技术的某些关键问题。前言•1.武钢长寿高炉的炉体结构特征：•2.高炉炉缸、炉底结构•3.高炉炭砖的质量评价•4.陶瓷杯和风口区耐火材料选择：•5.高炉冷却问题•6.高炉炉底铁水渗透侵蚀问题.•7.结语：•1.武钢长寿高炉的炉体结构特征：•武钢5号高炉3200m3第一代是全炉采用球墨铸铁冷却壁的高炉，寿命达到15年9个月，中间没有中修和炉内喷补的高炉，大修时发现高炉破损并不严重，（图1）。根据这座高炉的长寿实践，发展成了武钢目前代表性的高炉炉体结构.图15号高炉破损状武钢高炉炉体结构•1.炉腹、炉腰、炉身全部采用镶砖冷却壁，冷却壁内面完全不砌耐火砖衬。•2.炉腹、炉腰和炉身下部两段冷却壁采用了轧制铜冷却壁，炉身中上部仍采用球墨铸铁冷却壁。炉缸2、3段采用铸铜冷却壁。其余的炉缸1、4段采用球墨铸铁冷却壁。•3.铜冷却壁镶砖采用Si3N4结合SiC砖或赛隆结合SiC砖，，炉身上部镶砖采用浸磷酸粘土砖。•4.冷却方式是从炉底到炉身上部每根水管串联直通炉顶环管。图25号高炉第二代炉体结构2.高炉炉缸、炉底结构问题。•1）加强炉缸冷却；炉缸2、3段冷却壁采用铸铜冷却壁。•2）炉缸炭砖厚度不宜过大。将炭砖温度降低到800-1000℃以下，达到完全避免K、Na、Zn的侵蚀。按炭砖导热系数20w/mK进行传热计算，炭砖厚度＜1m，就能将炭砖内1000℃的温度界面推入炉内。•3）炉缸死铁层深度不宜过大。•高炉死铁层深度一直流行的说法是加深死铁层有利于减轻铁水环流侵蚀，因此不断被加深，有的已近4m，有的资料提出死鉄层深度与炉缸直径之比为0.22~0.25[1]，个人认为偏大。死铁层过深反而有害理由如下：•1死铁层过深增加了炉缸下部和炉底形成渣壁保护层的难度：•2死铁层加深渗透侵蚀加剧：铁水渗透侵蚀随铁水压力增加而增加，压力越大，铁水渗透越严重。•3加深死铁层加大了侵蚀面积：同时增加炭砖的用量。•4加深死铁层不利于保护铁口，炉内的泥包因铁水太深，增加了泥包的新生和保护难度。•根据武钢高炉长寿实践，认为高炉炉缸死鉄层深度可以考虑，小于炉缸直径的0.2倍。4）铁口区砖衬设计和砖衬材质选择•铁口区是炉缸的薄弱环节，采用特制的高档砖，如刚玉莫来石、复合棕刚玉砖等，日本BC-8SR炭砖，美国的NMD炭砖，结果使用效果仍很差.•2006年武钢4号高炉大修发现铁口区砌筑微孔炭砖，高炉寿命10年，铁口区炭砖炉衬保存非常完整。微孔炭砖最好的理由如下：•1铁口区微孔炭砖导热系数较高，出铁时铁口区炭砖从内至外温度迅速升高，避免了K、Na、Zn的富集，因此炭砖内没有环形裂缝侵蚀。•2由于采用微孔炭砖防止了大量铁水渗入炭砖，减轻了铁水渗透侵蚀•3微孔炭砖的抗铁水溶蚀性优于日本BC-8SR炭砖和美国NMD型热压小炭砖。•4微孔炭砖的抗炉渣侵蚀性远优于硅铝质砖.因此铁口区砌筑微孔炭砖是最好的选择，5）炉缸砖衬采用大块炭砖优于小块炭砖•大炭砖的砖缝很容易作到＜1mm，确保不会发生大量铁水渗透侵蚀，有利延长高炉寿命。•6）炉底水冷管安装位置•武钢从1970年4号高炉开始采用水冷却炉底，就是将水冷管设置在密封板上面的炭捣料层中，从未出过问题.目前国内很多高将水冷管安装在密封板下面，担心漏水，是很错误的，大大减弱了炉底冷却能力。•3.高炉炭砖的质量评价•3.1高炉耐火材料性能检测•武钢研究了一套高炉耐火材料性能检测方法，并通过原冶金部制定了标准。这些性能中以抗碱性、导热系数、抗铁水溶蚀性、抗炉渣侵蚀性、微气孔分布等性能特别重要，能较好反映一高炉工作条件下耐火材料的性能，比较准确的评价出高炉耐火材料的优劣。这些性能检验方法国外有的至今还没有，有的优于国外检验方法。表1.武钢起草的高炉耐火材料试验方法标准标准号国标或冶标标准名称主要起草人实施时间ZBQ52-005-1990专业标准高炉炭块氧化性检验方法詹晓明，宋木森1991-01-01YB/T5291-1991冶标高炉炭块导热系数试验方法陈晓霞，李继铮1991-01-01YB/T4306-1991冶标高炉炭块铁水熔蚀指数试验方法邹明金，宋木森，詹晓明1992-01-01GB/T14983-1994国标耐火材料抗碱性试验方法许传智1995-01YB/T117-1997冶标高炉耐火材料抗渣性试验方法邹明金，宋木森1997-12-01YB/T118-1997冶标耐火材料气孔孔径分布试验方法桂必群，陈香萍，詹晓明，宋木森1997-12-01ZBQ50-003-1990专业标准高炉炭块铁水渗透性试验方法宋木森，刘冬林，詹晓明1991-01-01•3.2国产高炉炭砖的评价•（1）微孔炭砖和超微孔炭砖•武钢研制的微孔炭砖、超微孔炭砖和国外同类产品性能检验结果•从表2看；研制的微孔炭砖热导率、抗碱性、平均孔径、＜1μm孔容积、透气度等指标和日本BC-7S和法国的AM-102微孔碳砖性能相近。研制的超微孔炭砖达到或优于德国7RDN炭砖和日本BC-8SR炭砖，表明研制的超微孔炭砖和微孔炭砖达到国际先进水平。表2微孔炭砖、超微孔炭砖和国外同类产品性能检验结果指标研制超微孔炭砖德国7RDN超微孔日本BC—8SR超微孔研制微孔炭砖日本BC-7S微孔炭砖法国AM102微孔炭砖体积密度,g/cm31.681.661.731.561.581.56显气孔率,%16.9516.8210.02171817抗压强度,MPa43.5955.7531.9544.9946.5829.44透气度,mDa0.460.550.002.425.980.27氧化率,%5.9710.143.008.892.498.09铁水熔蚀指数,%26.4726.9631.1727.5515.7913.46平均孔径,μm0.0990.1570.0830.240.2340.111﹤1μm孔容积率,%82.4175.8188.2073.6976.0079.0热导率W/mK室温19.3118.6513.916.557.558.25300℃20.8920.0517.7011.5911.3011.80600℃22.9721.5918.1513.3812.414.00抗碱性优（U）优（U）优（U）优（U）优（U）优（U）•2）半石墨炭砖和高导热模压微孔炭砖•研制的半石墨炭砖、高导热模压微孔炭砖与日本BC-5型、美国NMA模压炭砖性能检验结果见表3.•从表可知，研制的半石墨炭砖的性能指标达到了BC-5型炭砖的水平。研制的高热导率微孔模压炭砖的热导率、微气孔指标、抗铁水溶蚀性、抗氧化性等项性能都远远超过美国NMA热压小炭砖，抗铁水溶蚀指数达到＜20%水平，这表明研制的炭砖关键性能指标达到和超过了同类产品国际先进水平。研制的半石墨炭砖与国外产品比较性能单位研制半石墨炭砖日本BC-5半石墨炭砖铁水溶蚀指数%29．2028.26平均孔径μm2．436.2721μm孔容积%26．4810.96热导率室温W/mK7．347.426000C12．3612.57抗碱性优（U）良（C）研制的高导热微孔模压炭砖与国外产品比较性能单位研制高导热微孔模压炭砖美国NMA模压炭砖铁水溶蚀指数%19.4628.18平均孔径μm0.131.0831μm孔容积%79.6453.4热导率室温W/mK18.324.966000C21.4316.10抗碱性优（U）优（U）•3.3炭砖生产和应用存在的问题•1）采用电极石墨为原料生产炭砖是炭砖生产技术的退步•炭砖用原料，由普通炭砖用普煅无烟煤（1300℃）+冶金焦为原料，进步到了以电煅无烟煤（1500-2500℃）为原料生产半石墨炭砖和微孔炭砖。再进步到以石墨化无烟煤+电煅无烟煤为原料生产超微孔炭砖。这是正确途径，是以提高无烟煤石墨化度的方法提高炭砖的导热系数。•现在一些炭素厂采用加电极石墨提高导热系数，甚至发展为全部以电极石墨为原料生产炭砖。国外也是如此，美国NMD炭砖、日本NDK的BC-8SR炭砖，BC-12SR炭砖，日本TYK的一些炭砖。。这是技术倒退，将严重影响高炉寿命延长。•因为电极石墨是以石油焦为原料生产的，虽经石墨化煅烧电极石墨的结构仍然是疏松多孔结构，远不如电煅无烟煤和石墨化无烟煤结构致密。见图3、4、5一组显微结构深黑色：孔洞、裂纹图3电煅无烟煤显微结构深黑色：孔洞图4石墨化无烟煤显微结图5电极石墨显微结构•从图可知，电极石墨是疏松多孔结构，远不如电煅无烟煤结构致密，因此制成炭砖的抗铁水渗透性和溶蚀性较差。抗K、Na、Zn等有害物的渗透侵蚀也不如电煅无烟煤。因此用石墨为原料生产的炭砖，虽然导热系数提高，高炉应用效果并不好，严重威胁到高炉寿命的延长。石墨为原料生产的炭砖性能对比，见表4表4不同炭砖的相关性能对比炭砖名称石墨砖方大高导热炭砖美国NMD美国NMA某厂微孔炭砖方大超微孔炭砖方大微孔炭砖铁水熔蚀指数33.-4037.232.028.0-28.9726.7727.55氧化率19.010.639.9318.0615.145.978.89平均孔径3.14-0.691.450.7250.1040.2321um孔容积38.32-53.5143.0750.5782.1673.69导热系数室温111.9226.5253.6116.194.6519.136.55300℃90.7928.1145.8618.025.4820.8911.55600℃82.7630.4638.1020.116.9522.9713.38抗碱性优或差优或差优优差优优透气度36.876.320.970.6914.800.462.42炭砖原料石油焦电极石墨电极石墨石墨+电煅煤普煅煤+冶金焦石墨化煤+电煅煤电煅煤•2）炭砖的导热系数应当要求多少？•目前以电煅无烟煤生产的半石墨炭砖和微孔炭砖，导热系数只能达到600℃12w/mK左右.以石墨化无烟煤生产的超微孔炭砖导热系数只能达到20w/mK左右。研制的几种国产炭砖都制定了国家标准，希望大家按标准要求订货和设计。•将炭砖导热系数再提高一些，但不影响其他性能仍然有可能，这需要进一步研究，而不是简单地多加入一些电极石墨的办法，我也准备再进一步研究。•3）炭素捣打料的应用问题：•目前的炭素捣打料检测方法标准中，导热系数检测结果存在假象。炭素捣打料检测方法标准YB4038-91规定，炭素捣打料检测导热系数在1200℃焙烧2小时后再检测导热系数。我们在检测炭捣料导热系数时发现同一个炭捣料试样，在1200℃和1200烧℃后检测的导热系数相差近一倍，见表5。表5同一炭捣料不同焙烧温度导热系数检测结果（W/mK）炭捣料1200C×24h12000C×3h导热系数差值室温3000C6000C室温3000C6000C室温3000C6000CBFD-S206.297.267.9312.8013.7014.696.516.446.76THC-S108.108.859.3713.1715.0016.005.076.156.22•3.4高炉炭砖的应用效果•1）半石墨炭砖和微孔炭砖应用效果•武钢4号高炉是1996年第一次采用武钢和兰州炭素厂研制的微孔炭砖和半石墨炭砖。到2006年大修寿命达到9年9个月的较好水平。中间没有中修，单位炉容产铁7013t/m3。5号高炉炉容3200m3采用法国AM102型微孔炭砖，炉底用国产半石墨炭砖。寿命15年8个月，产量11096.6t/m3高炉寿命达到了国际先进水平。这时期国内很多高炉采用微孔炭砖和半石墨炭砖。鞍钢、首钢都有达到13-15年寿命的高炉。这些高炉生产实践都说明微孔炭砖和半石墨炭砖，可以满足大型高炉15年寿命的要求。•武钢4号高炉应用较好的表现有如下几点：•a：环缝变窄，远离冷却壁。