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【案例分析】看武鋼如何對高爐爐缸用耐火材料的結構進行創新

發布日期: 2020-05-07 11:13:40    閱讀量(414)    作者:盧正東

高爐煉鐵是我國的主導煉鐵工藝模式。研究高爐長壽技術,不僅可以使鋼鐵生產流程穩定順行,而且可以降低高爐投資、維護和檢修成本,同時也可以減少高爐停爐檢修帶來的固體廢棄物。目前,影響高爐一代壽命的關鍵在于爐缸的服役狀態。爐缸長壽技術是一項系統工程,涉及設計、選材、施工、操作和維護等諸多因素。其中,爐缸耐火材料內襯性能優良和結構合理是爐缸長壽的基礎。

近年來,隨著高爐冶煉強度的提高,我國高爐爐缸異常侵蝕和燒穿的事故屢有發生。其原因主要在于爐缸耐火材料選材和結構不盡合理,導致爐缸傳熱效果欠佳,爐缸內襯侵蝕過快。國內若干高爐甚至開爐2~3年就發生爐缸燒穿的惡性事故,給企業的生產經營造成了嚴重影響。因此,采用優質耐火材料并設計科學合理的爐缸結構,是當前高爐工作者共同關注的熱點。

1、武鋼高爐爐缸概況

自二十世紀以來,武鋼在爐缸長壽方面開展了持續研究。隨著炭磚水冷薄爐底、軟水密閉循環技術、爐缸銅冷卻壁以及采用優質耐火材料等措施的相繼應用,武鋼高爐爐缸的壽命顯著提升。其中,武鋼5號高爐一代爐齡達15年。

近年來,針對高爐冶煉強度提高后爐缸鐵水環流增強的特點,武鋼對高爐爐缸結構進行了創新,采用了新型爐缸結構,使爐缸傳熱能力得到強化,促進了爐襯熱面自保護渣鐵保護殼的形成,從而有效緩解了鐵水環流對爐襯的沖刷和侵蝕。目前,投產最早的1號高爐(2200m3)爐缸已服役18年,投產最晚的8號高爐(4117m3)爐缸也已服役10年(見表1),爐缸服役效果在國內高爐中處于領先水平。在本文中,將介紹武鋼在爐缸結構設計和耐火材料選材上的創新,供同行們參考。

表1 武鋼6座高爐的爐容、開爐時間及其爐缸磚襯結構

2、武鋼高爐爐缸結構和選材

2.1 爐缸侵蝕機制

研究表明,導致爐缸破損的主要原因有:

(1)高溫熔融鐵水對炭磚的熔蝕;

(2)鐵水環流和渦旋導致的機械磨損;

(3)渣鐵產物導致的化學侵蝕;

(4)熱應力破壞;

(5)有害元素和水蒸氣等引起的各種化學侵蝕;

(6)鐵水滲透導致的內襯結構破壞。

然而,無論哪種原因導致的破壞,其最本質的推動力依然是爐缸內襯溫度。如果能把爐襯熱面溫度降至鐵水凝固點1148℃以下,將會形成自保護渣鐵殼,使爐缸磚襯熱面免受高溫渣鐵流的侵蝕和破壞,環裂、應力破壞等現象也將得到有效抑制。要實現這一目標,關鍵在于爐缸炭磚的選型和結構優化。

2.2 國內高爐爐缸選材

爐缸炭磚主要有大塊炭磚和小塊炭磚兩種。從應用效果看,國內采用這兩種炭磚的高爐,都有長壽的樣板,也有爐缸侵蝕較快的案例。國內部分高爐爐缸的選材、炭磚結構及其服役年限等的對比情況見表2。目前,國內大型高爐采用的大塊炭磚主要有德國西格里、日本NDK以及國內方大、武彭炭素等,采用的小塊炭磚主要為美國UCAR的和國產的模壓炭磚。業界對于究竟選用哪種炭磚更有利于高爐長壽也一直存在爭議。國內外幾種不同爐缸炭磚的理化性能指標的對比情況見表3。

表2 國內部分高爐爐缸的選材、炭磚結構及其服役年限等的對比

表3 國內外幾種不同爐缸炭磚的理化性能指標的對比

2.3 國內傳統爐缸結構

2.3.1 大塊炭磚爐缸結構

傳統大塊炭磚爐缸結構如圖1所示,從左至右依次為爐殼、爐殼填料、冷卻壁、冷卻壁與炭磚間填料、大塊炭磚、陶瓷杯(選用)。其中,冷卻壁與炭磚間的填料厚度一般為80~100mm。該結構的優點在于:大塊炭磚尺寸大,易于施工;沿爐缸圓周方向磚縫少,爐缸磚襯整體性好,有利于抵抗爐內渣鐵的環流沖刷和化學侵蝕。其缺點在于,冷卻壁與炭磚間的填料需要高溫固化后才能具備良好的導熱能力。考慮到填料緊鄰冷卻壁,在烘爐過程中難以快速固化,其導熱能力有限,從而成為爐缸體系導熱的限制性環節。此外,當大塊炭磚冷熱面溫差較大,會造成內部熱應力較大,容易產生裂縫,縮短炭磚的服役壽命。

傳統大塊炭磚爐缸結構

圖1 傳統大塊炭磚爐缸結構

2.3.2 小塊炭磚爐缸結構

小塊炭磚爐缸結構如圖2所示,從左至右依次為爐殼、爐殼填料、冷卻壁、小塊炭磚、陶瓷杯(選用)。該結構中,冷卻壁與小塊炭磚之間沒有填料層,小塊炭磚直接頂砌冷卻壁。目前國內高爐爐缸使用的小塊炭磚主要包括UCAR公司的NMA、NMD磚等。該爐缸結構的優點在于,小塊炭磚導熱能力優異(600℃下,NMA炭磚熱導率≥16W·m-1·K-1,NMD炭磚熱導率≥60W·m-1·K-1),且傳熱體系中沒有填料層這一限制性環節,從而易于在爐缸炭磚熱面形成凝固渣鐵層,延緩爐缸炭磚的沖刷和侵蝕;其缺點在于:小塊炭磚尺寸小,砌筑工程量大,砌筑質量要求高;沿爐缸圓周方向磚縫多,過多的磚縫容易受到鐵水的滲透侵蝕。

傳統小塊炭磚爐缸結構

圖2 傳統小塊炭磚爐缸結構

2.4 武鋼高爐爐缸炭磚結構創新

在綜合考慮上述大塊炭磚和小塊炭磚爐缸結構的優點和缺點的基礎上,武鋼設計開發了新型綜合爐缸結構,并相繼應用于包括4117m3高爐在內的武鋼多座大型高爐。這種新型綜合爐缸結構如圖3所示,從左至右依次為爐殼、爐殼填料、冷卻壁、小塊炭磚、小塊炭磚與大塊炭磚間填料、大塊炭磚。該結構的特點在于:爐缸磚襯熱面依然采用大塊炭磚結構,利用其磚縫少、整體性好的特點抵御爐內高溫渣鐵的環流沖刷和侵蝕;爐缸磚襯冷面采用小塊炭磚,利用小塊炭磚磚型尺寸小、導熱性能優異的特點,使小塊炭磚頂砌冷卻壁,充分發揮冷卻壁的冷卻能力,降低爐缸磚襯熱面溫度,促進凝固渣鐵層的形成;磚襯填料層設置在大塊炭磚和小塊炭磚之間,其位置相對于傳統大塊炭磚爐缸結構往爐缸熱面推移了200mm,有利于開爐及生產過程中提高填料層的工作溫度,促進填料層的固化和導熱能力的發揮;同時,采用該結構后,爐缸內襯熱導率從右至左依次增大(大塊炭磚<填料<小塊炭磚<冷卻壁),有利于爐內熱量的快速導出,促進爐缸熱面形成自保護渣鐵殼。

武鋼高爐新型爐缸炭磚結構

圖3 武鋼高爐新型爐缸炭磚結構

3、武鋼高爐爐缸服役狀況

武鋼目前共有6座高爐,其中5號、6號、7號和8號高爐均采用了新型爐缸結構。投產以來,這4座高爐爐缸水溫差和熱流強度均在安全范圍內,測溫熱電偶數據正常,爐缸服役狀況總體良好。由于篇幅限制,僅列出爐缸象腳區域(爐缸、爐底交界區域,一般為爐缸磚襯侵蝕最嚴重的區域)的熱電偶溫度數據見表4,表中A~M代表熱電偶方位。由表4可見,4座高爐爐缸象腳區域的溫度均低于600℃。根據炭磚熱導率和邊界條件計算,判斷爐缸磚襯殘余厚度>800mm,屬于安全服役范圍。以6號高爐為例,爐缸磚襯原始厚度為1350mm;假定目前殘余厚度為800mm,爐役末期安全殘余厚度300mm,該高爐開爐至今已服役15年,按目前侵蝕速度計算,該爐缸可繼續服役10年以上。按上述方法預測,武鋼4座新型爐缸結構高爐的壽命均可實現20年以上目標。

表4 爐缸象腳區域溫度

4、結論

(1)隨著高爐冶煉強度的提高,鐵水環流對爐缸的沖刷和侵蝕也日趨嚴重,改善爐缸傳熱,促進爐襯熱面形成自保護渣鐵殼,是緩解鐵水沖刷侵蝕的關鍵措施。其中,合理選擇爐缸耐火材料,科學設計爐缸砌筑結構,是強化爐缸傳熱的有效途徑。

(2)武鋼多座高爐采用了新型爐缸結構,將高導熱小塊炭磚直接頂砌冷卻壁,將大塊炭磚砌筑在爐襯熱面,將炭搗料層設在小塊炭磚與大塊炭磚之間,揚長避短,綜合利用了各種耐火材料的優點,爐缸磚襯熱導率由內至外依次增大,構建了爐缸無過熱冷卻體系。

(3)生產實踐表明,采用新型爐缸結構的武鋼高爐爐缸熱電偶測溫數據正常。高爐開爐至今,爐缸磚襯殘余厚度>800mm,可以滿足一代爐齡超過20年的使用要求。

作者:盧正東 向武國 顧華志 黃奧 付綠平

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