瑞爾論文
含有隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯與應(yīng)用
高爐，長壽，陶瓷杯，炭磚，內(nèi)襯，隔熱徐瑞圖 何汝生 曹永國（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘 要 本文介紹了在高爐爐缸環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯。隔熱夾層降低了環(huán)形炭磚的工作溫度，提高了陶瓷襯體的冷端溫度，同時(shí)減小了二者所承受的熱應(yīng)力，消除了堿金屬對(duì)碳質(zhì)材料的嚴(yán)重威脅，因此能夠獲得較傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯更長的使用壽命。同時(shí)，含有隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯的熱損失較傳統(tǒng)形式小，具有明顯的企業(yè)效益和社會(huì)效益。這種新型爐缸內(nèi)襯已經(jīng)在宣鋼9號(hào)、沙鋼1號(hào)高爐得到實(shí)際應(yīng)用。在宣鋼9號(hào)高爐使用6年后，環(huán)形炭磚和陶瓷杯幾乎未受到侵蝕，獲得了明顯的使用效果。瑞爾公司已就此新型爐缸內(nèi)襯提出了專利申請(qǐng)（201210148028.0，201220214932.2）。
1 問題的提出
現(xiàn)代高爐建設(shè)中，為給越來越長的壽命目標(biāo)奠下良好的技術(shù)基礎(chǔ)，爐缸內(nèi)襯中炭磚和陶瓷杯耐材的技術(shù)性能、爐缸內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)始終是建設(shè)者的關(guān)注焦點(diǎn)，成為形式和品種取舍的重要依據(jù)。主要的關(guān)注點(diǎn)有：
爐缸側(cè)壁用炭磚的熱導(dǎo)率、抗鐵水侵蝕性、抗堿性等是這些材料的性能焦點(diǎn)。根據(jù)含碳制品在爐缸環(huán)境下的侵蝕機(jī)理，若炭磚的工作溫度足夠低時(shí)，鐵水的滲透與溶蝕、堿金屬的滲透與侵蝕速率等都會(huì)處在較低的程度，甚至停滯。
由經(jīng)典的傅里葉導(dǎo)熱定律可以分析出影響炭磚內(nèi)部固定一點(diǎn)溫度的因素：
Q=（λ×（Tn+1-Tn））/S
Tn=Tn+1-Q×S/λ
其中：Q：炭磚傳熱方向的熱通量，w/m.k；
λ：炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.k ；
Tn：炭磚內(nèi)固定一點(diǎn)的溫度，℃；
Tn+1：炭磚的熱面溫度，℃；
S：炭磚內(nèi)固定一點(diǎn)到熱面的距離，m，在此為常量；
由此可見，降低炭磚的工作溫度Tn的途徑有三：1.加強(qiáng)對(duì)炭磚的冷卻，使得通過炭磚的熱流強(qiáng)度或稱熱通量Q提高；2.進(jìn)一步提高炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)λ，以期在足夠的冷卻強(qiáng)度下獲得更高的熱流強(qiáng)度；3.努力降低碳磚的熱面溫度Tn+1。
無論是對(duì)于一座已有的高爐或者新建的高爐，調(diào)整其爐缸冷卻強(qiáng)度的范圍總是有限的，而且是需要付出相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)代價(jià)的。所以，在其它條件未改變時(shí)，難于通過加強(qiáng)冷卻來明顯降低炭磚的工作溫度。炭磚的導(dǎo)熱率是由其制造工藝技術(shù)所決定的固有物理性質(zhì)，如現(xiàn)代主流微孔、超微孔炭磚的導(dǎo)熱率一般為13~20(w/m.k)，難于進(jìn)一步提高。石墨磚或者半石墨磚雖能達(dá)到更高的導(dǎo)熱率，但這些材料的抗鐵水溶蝕性差，不能用作爐缸內(nèi)襯的工作層。于是，通過降低炭磚的熱面溫度來實(shí)現(xiàn)降低炭磚工作溫度的途徑是十分值得探討的。因此需要研究：
問題1，如何盡可能地降低炭磚的熱面溫度，進(jìn)而降低炭磚的工作溫度，使得鐵水、堿金屬和水蒸氣等對(duì)炭磚的破壞受到抑制？
爐缸陶瓷襯體具有的隔熱性，能夠在一定周期中降低炭磚熱面的溫度。然而，這只是對(duì)問題1的部分答案。一般情況下，較好的爐缸陶瓷杯能將炭磚熱面的溫度控制在600~700℃，具體決定于陶瓷杯所用結(jié)構(gòu)、厚度和材料性能等。在各決定因素中，陶瓷杯的材料厚度是占有最大權(quán)重的參數(shù)。陶瓷杯厚度減薄，爐缸炭磚熱面溫度也隨之逐漸上升。因此需要研究：
問題2，如何盡可能地在相當(dāng)長的周期中將炭磚的工作溫度、或者熱面溫度保持在較低狀態(tài)？
2 解決問題的技術(shù)方案
前已述及，降低炭磚工作溫度的三個(gè)主要因素中，進(jìn)一步提高爐缸冷卻強(qiáng)度和炭磚導(dǎo)熱率受到較大的限制。可見，①降低炭磚熱面?zhèn)鹊墓ぷ鳒囟仁羌夹g(shù)方案的關(guān)鍵。再者，實(shí)際應(yīng)用中的陶瓷襯體的厚度總是隨冶煉進(jìn)程而逐漸減少，炭磚的熱面溫度隨陶瓷杯厚度減薄而升高。因此，②顯著弱化炭磚熱面溫度對(duì)陶瓷襯體厚度的關(guān)聯(lián)性是技術(shù)方案的又一關(guān)鍵。這兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵的實(shí)質(zhì)是隔熱。在爐缸炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置性能適宜的隔熱層時(shí)，隔熱層可減少通過陶瓷襯體傳遞到炭磚熱面的熱量。若隔熱層的導(dǎo)熱率較陶瓷襯體的導(dǎo)熱率呈數(shù)量級(jí)降低時(shí)，炭磚熱面溫度對(duì)陶瓷襯體厚度的敏感性即會(huì)得到降低。
根據(jù)上述技術(shù)關(guān)鍵與原理，研究設(shè)計(jì)了含有隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯，結(jié)構(gòu)示意見圖1。這種新型爐缸內(nèi)襯中，爐缸冷卻壁前沿仍然砌筑環(huán)形炭磚，爐內(nèi)側(cè)設(shè)置陶瓷襯體，在環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間為隔熱層。
從理論上看，具有一定強(qiáng)度、導(dǎo)熱率較低的隔熱材料均可用作隔熱層。但是考慮到隔熱夾層位于高爐爐缸的特殊環(huán)境，所以構(gòu)成隔熱夾層的材料應(yīng)該具有很好的抗鐵水等的侵蝕性、體積密度≥3g/cm3和空隙率≤10%的致密性、綜合導(dǎo)熱率≤0.5w/m.k等技術(shù)特性。不言而喻，不同的隔熱層會(huì)有不同的使用效果。將不致密、抗鐵水侵蝕和滲透性不好的、導(dǎo)熱率高的材料用作隔熱夾層時(shí)，非但達(dá)不到預(yù)期的使用效果，反而會(huì)影響爐缸的安全與壽命。由特種材料構(gòu)成的隔熱夾層已經(jīng)得到了長期的實(shí)際應(yīng)用，獲得優(yōu)秀的使用效果。
3 新型內(nèi)襯的技術(shù)特性
圖1所示的新型爐缸內(nèi)襯中的隔熱夾層，改變了傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯的傳熱條件和溫度分布，使其具有了不同于傳統(tǒng)形式內(nèi)襯的技術(shù)特點(diǎn)。
3.1 磚襯溫度更加有利于延長內(nèi)襯壽命
環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置了熱阻較大的隔熱層后，爐缸磚襯的溫度分布較沒有隔熱層時(shí)的分布更加合理。主要為：
1)通過爐缸內(nèi)襯的熱通量下降。
2)環(huán)形炭磚的熱面溫度顯著降低，炭磚的平均工作溫度下降。
3)陶瓷襯體的冷面溫度上升，熱面溫度保持不變，陶瓷襯體上的溫度梯度，亦即陶瓷襯體承受的熱應(yīng)力顯著降低。
上述三個(gè)主要方面因素的變化程度與高爐容積、爐襯材料特性以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均有關(guān)聯(lián)。以2500m3級(jí)高爐為例，按正常技術(shù)配置，推測了傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯、含隔熱夾層新型爐缸內(nèi)襯的溫度分布情況。圖2是在環(huán)形炭磚與陶瓷杯襯體之間未設(shè)置隔熱夾層的傳統(tǒng)形式爐缸內(nèi)襯的溫度分布，圖3是在環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置了隔熱夾層時(shí)的新型爐缸內(nèi)襯的溫度分布。上述溫度分布的推測中，選用的主要邊界參數(shù)為：
1)工藝條件，鐵水溫度：1500℃；鑄鐵冷卻壁、冷卻水溫度33℃；
2)環(huán)形炭磚，厚度：950mm、導(dǎo)熱率：14~16w/m.k；
3)陶瓷襯體，厚度：350mm、導(dǎo)熱率：3.5 w/m.k；
4)隔熱層，厚度：60mm、導(dǎo)熱率：0.5w/m.k。
1-陶瓷杯，2-炭磚，3-碳搗料，4-冷卻壁
圖2 傳統(tǒng)形式爐缸內(nèi)襯的溫度分布
1-陶瓷杯，2-隔熱夾層，3-炭磚，4-碳搗料，5-冷卻壁
圖3 新型內(nèi)襯的溫度分布例
比較圖2、圖3，可以看到：
1)通過新型爐缸內(nèi)襯的熱通量較傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯降低了~2020w/m2。
2)新型爐缸內(nèi)襯的陶瓷杯的冷面溫度為812℃，較傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯的陶瓷杯冷面的610℃提高了202℃。
3)新型爐缸內(nèi)襯的炭磚的熱面溫度為453℃，較傳統(tǒng)形式的爐缸炭磚熱面的610℃降低了157℃，平均工作溫度降低了~89℃。
3.2 陶瓷襯體、炭磚的熱應(yīng)力降低
如前所述，在爐缸環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置隔熱夾層后，炭磚的熱面溫度和平均工作溫度得以降低，陶瓷襯體的冷面溫度與平均工作溫度提高。這樣，環(huán)形炭磚、陶瓷襯體在熱傳遞方向上（即最大溫差方向上）的溫度梯度得以減小，即環(huán)形炭磚、陶瓷襯體在工作中承受的熱應(yīng)力下降。表1，是前例中炭磚、陶瓷襯體的溫差比較表。
表1 環(huán)形炭磚、陶瓷杯襯體的溫度梯度
項(xiàng) 目 | 傳統(tǒng)內(nèi)襯 | 隔熱夾層內(nèi)襯 | ||
炭磚 | 陶瓷杯 | 炭磚 | 陶瓷杯 | |
內(nèi)襯厚度（mm） | 950 | 350 | 950 | 350 |
熱面溫度（℃） | 610 | 1350 | 453 | 1350 |
冷面溫度（℃） | 107 | 610 | 87 | 812 |
冷熱面溫差（℃） | 502 | 740 | 365 | 538 |
溫度梯度（℃/cm） | 5.3 | 21.2 | 3.8 | 15.4 |
表1可見，隔熱夾層內(nèi)襯中的炭磚、陶瓷襯體的溫度梯度較傳統(tǒng)形式降低了27%。從材料溫度應(yīng)力與溫度梯度的正比關(guān)系、材料線膨脹系數(shù)和彈性模量無明顯變化等可知：含隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯中的炭磚、陶瓷襯體所承受的溫度應(yīng)力較傳統(tǒng)形式減低了27%。尤其是陶瓷襯體的溫度梯度、熱應(yīng)力的大幅降低，將顯著地延長使用壽命。
3.3 陶瓷杯厚度對(duì)炭磚溫度的影響性降低
圖4、圖5為前例的爐缸側(cè)壁內(nèi)襯在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)下，熱通量、炭磚熱面溫度與陶瓷襯體厚度的關(guān)系。
圖4 熱通量與陶瓷杯厚度關(guān)系
圖5 炭磚熱面溫度與陶瓷杯厚度關(guān)系
從圖4、圖5可見，具有隔熱夾層的新型結(jié)構(gòu)中，熱通量、炭磚熱面溫度隨陶瓷襯體厚度減少而上升的速率低于傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯。并且，隨著陶瓷襯體厚度減少到一定程度之后，兩種形式之間的差別愈加明顯。在具有隔熱夾層的新型結(jié)構(gòu)中，即使陶瓷襯體的厚度減薄至110mm，炭磚熱面溫度仍然低于700℃；而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，陶瓷襯體厚度減薄至260mm時(shí)，炭磚熱面溫度已達(dá)700℃。可見，新型的爐缸內(nèi)襯能在更長周期中保護(hù)炭磚免予受到堿金屬等的侵蝕。
3.4 降低堿金屬、Zn等侵蝕氣態(tài)的堿金屬、Zn等存在于爐缸部位，并明顯侵蝕爐缸碳質(zhì)內(nèi)襯已在近年的高爐實(shí)踐中得到進(jìn)一步證實(shí)。而且，隨著高爐原燃料品質(zhì)的降低，入爐的堿金屬、Zn的數(shù)量較過去明顯上升，且在很長一段時(shí)期中都難以得到根本改觀，高爐長壽變得更加艱巨。
上述隔熱夾層降低炭磚熱面溫度至堿金屬、Zn的氣化溫度以下，它們?cè)匐y以氣態(tài)滲入至炭磚，從而可減輕高爐長壽目前乃至將來很長一段時(shí)間內(nèi)面臨的堿金屬、Zn的侵蝕問題。
3.5 降低了高爐系統(tǒng)的能源消耗
從以2500m3高爐為例的圖2、圖3和圖4可以看到，具有隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯的熱通量較傳統(tǒng)形式的爐缸內(nèi)襯的熱通量降低了2020w/m2以上，也即減少了爐缸的熱損失。以11500mm爐缸直徑、4700mm爐缸高度等工藝條件，熱通量降低2020 w/m2測算時(shí)，每年降低的能耗相當(dāng)于節(jié)省了434萬度電，折合~350萬元直接經(jīng)濟(jì)效益。
4 新型爐缸內(nèi)襯的實(shí)踐應(yīng)用
4.1 新型爐缸內(nèi)襯在宣鋼9高爐的應(yīng)用
宣鋼9高爐的有效容積為1940m3,于2005年10月24日點(diǎn)火投產(chǎn)。該高爐采用整體式陶瓷杯、優(yōu)質(zhì)炭磚構(gòu)成的爐缸、爐底內(nèi)襯。圖6為爐缸爐底內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖。
爐底、爐缸內(nèi)襯中，爐底最下層為石墨磚，爐底最上層為微孔炭磚，它們之間為三層半石墨質(zhì)炭磚；爐缸側(cè)壁共設(shè)置10層微孔炭磚，鐵口局部為超微孔炭磚。
爐底炭磚上沿設(shè)置雙向錯(cuò)臺(tái)形狀的莫來石質(zhì)大塊制品RL70MLC構(gòu)成的“整體”陶瓷墊，采用同心圓互鎖方式砌筑的單層結(jié)構(gòu)、高度為800mm；爐缸側(cè)壁的炭磚內(nèi)側(cè)由RL89MNC材質(zhì)的大塊灰剛玉砌為陶瓷杯襯體。
爐缸環(huán)形炭磚、陶瓷杯側(cè)壁之間設(shè)置由特種材料構(gòu)成的“隔熱夾層”，隔熱夾層的厚度為60mm。
圖中：1-陶瓷墊，2-陶瓷杯壁，3-隔熱層，4-微孔炭磚，5-超微孔炭磚
圖6 宣鋼9高爐爐底、爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖
9號(hào)高爐投產(chǎn)之后，一直以較高的冶煉強(qiáng)度生產(chǎn)。磚襯測溫?zé)犭娕急O(jiān)測到陶瓷墊下表面的溫度不超過500℃，鐵口以下的爐缸側(cè)壁炭磚的熱面溫度低于300℃、炭磚冷面檢測點(diǎn)的溫度~100℃。2011年10月22日，在鋼鐵市場比較低迷的環(huán)境下，9號(hào)高爐停爐檢修。此時(shí)，9號(hào)高爐已經(jīng)安全運(yùn)行2188天（5.99年）。圖7為停爐之前的2011年10月8日的磚襯實(shí)測溫度，圖8為降料面后觀察到的風(fēng)口下沿環(huán)形炭磚和陶瓷杯實(shí)物。
圖中：數(shù)字為所在位置實(shí)測溫度（℃）
圖7 宣鋼9號(hào)高爐爐底、爐缸磚襯實(shí)測溫度（2011年10月8日）
圖8 宣鋼9號(hào)高爐爐缸炭磚、陶瓷杯使用6年時(shí)的實(shí)際狀態(tài)
從圖 8的炭磚、陶瓷杯壁的實(shí)物情況，可以看到這些部位的陶瓷杯壁在經(jīng)過了6年的冶煉生產(chǎn)之后，幾乎未出現(xiàn)侵蝕，仍然保持為砌筑時(shí)的原始狀態(tài)。圖7所示的鐵口以下環(huán)形炭磚的熱面溫度不超過300℃，說明在隔熱夾層熱面?zhèn)鹊奶沾杀谂c爐缸上部的情況相似，幾乎未出現(xiàn)厚度減少。
更為可喜的是，從圖8所見的風(fēng)口下沿爐缸環(huán)形碳磚，在經(jīng)歷了近6年的使用以后，磚縫清晰干凈，完全看不到任何堿金屬或者水蒸氣通過的痕跡（通常堿金屬或者水蒸氣經(jīng)過炭磚會(huì)留下標(biāo)志性的白色斑跡）。這說明炭磚外側(cè)的陶瓷杯，在“隔熱夾層”的幫助下，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)炭磚的“隔絕”保護(hù)。
陶瓷杯在冶煉過程中，受到冶煉產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕、機(jī)械磨損和熱破壞等的綜合作用。這些綜合作用會(huì)使得陶瓷杯的工作厚度逐漸減薄，隨之炭磚熱面溫度逐漸上升。宣鋼9號(hào)高爐的爐缸內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)與其它高爐基本相似，唯一的特點(diǎn)是在環(huán)形炭磚和陶瓷杯壁之間設(shè)置了“隔熱夾層”。經(jīng)歷6年運(yùn)行后的陶瓷杯厚度幾乎未曾減薄的上述結(jié)果，說明該高爐的“隔熱夾層”充分發(fā)揮了前述功效。
4.2 新型爐缸內(nèi)襯在沙鋼1號(hào)高爐的應(yīng)用
沙鋼1號(hào)高爐的有效容積為2500m3,大修后于2011年3月20日點(diǎn)火投產(chǎn)。該高爐本次大修時(shí)采用整體式陶瓷杯、優(yōu)質(zhì)炭磚形式的爐缸、爐底內(nèi)襯，見圖9。
圖中：1-陶瓷墊，2-陶瓷杯壁，3-隔熱層，4-超微孔炭磚
圖9 沙鋼1高爐爐底、爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖
爐底最下層為石墨磚，其上2層為超微孔炭磚；爐缸中下部為8層超微孔炭磚，爐缸上部為3層微孔炭磚。
爐缸環(huán)形炭磚、陶瓷杯側(cè)壁之間設(shè)置由特種材料構(gòu)成的“隔熱夾層”，厚度為60mm。
1號(hào)高爐投產(chǎn)之后，一直以較高的冶煉強(qiáng)度生產(chǎn)。磚襯測溫?zé)犭娕急O(jiān)測到爐底最上層炭磚下表面溫度在250℃以下，爐缸側(cè)壁炭磚冷端檢測點(diǎn)的溫度在150℃以下（測溫點(diǎn)據(jù)冷卻壁熱面距離~220mm）。圖10為2011年11月21日的磚襯實(shí)測溫度。
圖中：數(shù)字為所在位置實(shí)測溫度（℃）
圖10 沙鋼1號(hào)高爐爐底、爐缸磚襯實(shí)測溫度（2011年11月21日）
圖10所示實(shí)測溫度表明，雖然該高爐投產(chǎn)時(shí)間不到1年，但實(shí)測溫度與前述的宣鋼9號(hào)高爐的監(jiān)測結(jié)果的特點(diǎn)十分相似，較好地重現(xiàn)了“隔熱夾層”在宣鋼9號(hào)高爐的使用情況。預(yù)計(jì)正常情況下，沙鋼1號(hào)高爐也將取得類似宣鋼9號(hào)高爐的使用效果。
5 結(jié)語
1)在爐缸環(huán)形炭磚與陶瓷襯體之間設(shè)置的隔熱夾層降低了環(huán)形炭磚的熱面溫度和平均溫度，減小了環(huán)形炭磚的冷熱端溫差和應(yīng)力，延長了環(huán)形炭磚的使用壽命。
2)環(huán)形炭磚和陶瓷襯體之間的隔熱夾層提高了陶瓷襯體冷端溫度和平均溫度，減小了陶瓷襯體中的溫度梯度，并因此降低了作用在陶瓷磚襯上的溫差應(yīng)力，可延長陶瓷杯的使用壽命。
3)隔熱夾層降低了環(huán)形炭磚溫度與陶瓷襯體厚度變化的關(guān)聯(lián)度。環(huán)形炭磚熱面溫度隨陶瓷襯體厚度減薄而上升的速率低于傳統(tǒng)的炭磚-陶瓷杯結(jié)構(gòu)，延長了陶瓷杯保護(hù)炭磚的有效期。
4)隔熱夾層降低了環(huán)形炭磚熱端溫度，減輕了堿金屬、Zn以氣態(tài)形式滲入、侵蝕炭磚的危險(xiǎn)性。因此，在目前和未來很長一段時(shí)期內(nèi)的原燃料質(zhì)量降低情況下，對(duì)保證高爐安全、實(shí)現(xiàn)長壽極為有利。
5)測算2500m3級(jí)高爐的含有隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯的熱通量（熱損失）較傳統(tǒng)形式爐缸內(nèi)襯降低了～27%，可年節(jié)電434萬度，具有明顯的企業(yè)效益和社會(huì)效益。
6)宣鋼9號(hào)高爐于2005年10月采用了含隔熱夾層的新型爐缸內(nèi)襯，投產(chǎn)生產(chǎn)6年后，爐缸炭磚和陶瓷杯幾乎未受到侵蝕，基本保持為砌筑時(shí)的原始狀態(tài)。投產(chǎn)約1年的沙鋼1號(hào)高爐的實(shí)測溫度也較好地重現(xiàn)了宣鋼9號(hào)高爐的使用情況，預(yù)計(jì)也將取得相似的卓越使用效果。