高爐本體爐底爐缸結構設計研究

黃東升

（中冶華天工程技術有限公司， 江蘇 南京 210019）

當前，各種煉鐵新技術蓬勃發展，但高爐煉鐵仍然是現代煉鐵的主要方法，這是由于高爐煉鐵具有其他各種新技術無法比擬的成本優勢。高爐煉鐵的核心系統是高爐本體，如何實現高爐本體的高產和長壽是高爐設計的核心目標。評價一代高爐壽命的終結是以爐缸是否可正常工作為標準，因此爐底爐缸的壽命顯得尤為關鍵。影響爐底爐缸的壽命的因素很多，實踐表明爐底封板結構形式和爐缸結構形式是決定爐缸的壽命關鍵兩個方面。

1 爐底密封板設計

高壓高爐爐底均設置爐底封板，其作用是防止煤氣泄漏。從目前統計的情況來看，爐底爐缸開裂導致漏煤氣的原因主要體現在：

1）爐底耐熱基墩材質選擇的不合理，基墩異常膨脹導致爐殼開裂。

2）施工原因，如：焊縫質量不過關，灌漿孔沒有堵死等、碳素搗料、冷卻壁與爐殼間澆注料材質及施工質量把控不嚴等。

3）高爐堿金屬負荷過高導致高爐異常上漲，將爐底板拉裂。

前兩條原因都可以通過技術手段和嚴格把關施工質量進行避免。但如果要控制高爐的堿金屬負荷將給高爐帶來很大的成本提升，統計發現高爐的異常上漲是近年來爐底封板開裂的主要原因，這是由于我國進口礦的使用比重日益增加，原料堿負荷很難降低。通過分析研究，確定采用改變爐底封板的結構形式來避免爐底封板的開裂。

1.1 傳統爐底封板結構及其存在的缺點

從目前國內眾多的高爐設計來看，爐底采用水冷結構已形成共識，當前主流的爐底水冷方式有兩種：在封板上面設置冷卻水管， 有三種形式，即：如圖1-1 所示的爐殼不包住基墩和如圖1-2、1-3 所示的爐殼包住基墩兩種設計，爐殼包住基墩又分封板在耐熱基墩上部（如圖1-2）和封板在耐熱基墩下部（如圖1-3）；在爐底封板下面設置冷卻水管，有兩種形式，即：如圖2-1 所示的爐殼不包住基墩和如圖2-2 所示的爐殼包住基墩。

圖1 水冷管在封板上結構示意圖

圖2 水冷管在封板下結構示意圖

在封板上面設置水管，冷卻效果比較好，然而一旦水管破裂會造成爐底滲水、汽化，碳磚被水蒸氣氧化形成空洞，導致爐底燒穿的重大事故；在封板下方設置水管，如灌漿不密實，冷卻效果較差。

統計表明：以上幾種結構在高爐冶煉強度較低或原料條件較好的情況下，都不會有大的問題，且均有成功的實施案例。但一旦高爐冶煉強度提高、原料條件變差后，高爐爐底封板總是出現諸多的問題，缺陷就開始暴露。圖1-1、圖2-1 所示的爐底結構沒有包住耐熱基墩，一旦高爐上漲，容易造成爐底封板上翹，給爐缸炭磚帶來嚴重的損壞。圖1-2、圖2-2 所示的結構中，一旦發生爐底煤氣泄漏事故，由于爐底封板包在爐殼內部，無法發現泄漏點，即使發現泄漏點也無法有效的處理。圖1-3 所示的結構可很好的抵御爐殼上漲造成的爐底板上翹，但一旦爐底水冷管發生泄漏，將對炭磚造成嚴重的損壞。統計也發現，爐殼包住耐熱基墩的高爐的抗漲能力優于爐殼不包住耐熱基墩的高爐。

1.2 新型爐底封板結構[1]

為解決以上爐底封板存在的問題，提出新型抗漲防漏型爐底爐缸采用底部雙層封板結構和爐缸煤氣阻止裝置，如圖3 所示，其很好地解決爐底爐缸上漲問題，為高爐的安全生產和長壽提供了有力保障。

圖3 新型爐底封板結構示意圖

這種設計的原理包括：爐底爐缸結構采用上、下雙封板形式，上封板與爐殼采取柔性連續密封焊接，不僅起到密封爐內煤氣的作用，而且防止爐底冷卻水管漏水浸入爐底碳質材料造成對爐底的災難性破壞；下層封板與爐殼端口連續密封焊接，作為防止爐內煤氣泄漏的第二道防線；而且上、下封板與爐殼三者之間形成箱體，箱體及其內部密實的混凝土基墩形成整體剛性體。一旦有害金屬隨煤氣環流在各種縫隙中沉積形成體積膨脹時，由于新型爐底爐缸底部剛性體具有強大的抑制膨脹力，就會擠壓原來的爐底爐缸內部，使各種縫隙越來越小，煤氣環流也就越來越小，繼而有害金屬在各種縫隙中的沉積就越來越小，沒有了有害金屬的沉積膨脹，也就不發生爐底板上翹和煤氣泄漏問題。而原來的高爐底部采用一層封板的柔性結構，一旦有害金屬在各種縫隙中沉積造成體積膨脹，就會導致底板周圍上翹，繼而爐底爐缸磚襯遭受松動破壞，磚襯松動又會造成縫隙越來越大，有害金屬就會越積越多、膨脹會越來越大，形成惡性循環，最終導致災難性后果。

由于爐底水冷管上部有一層柔性封板，及時發生爐底水冷管泄漏，也不會爐底炭磚造成損壞。兩層封板間設置一定數量的泄壓閥門，用于烘爐和日常生產時的泄壓操作。

2 爐缸結構設計

爐缸的壽命決定了高爐的壽命，良好的爐缸結構可以為高爐長壽創造良好的條件。當前，主流的爐缸結構類型有：全炭磚爐底爐缸結構和陶瓷杯+炭磚結構，其中，陶瓷杯+炭磚結構又分為鑲嵌杯結構和自由杯結構。

2.1 全炭爐底爐缸結構

全炭爐底爐缸結構的工作層一般采用微孔炭磚或超微孔炭磚，這類炭磚具有優良的抗渣鐵侵蝕能力、抗堿侵蝕能力、耐鐵水滲透能力、很高的導熱能力等特點，從國內外使用實踐來看，采用這類的爐缸、爐底壽命可以達到15 年以上。目前，炭磚的性能大幅度提升，其抗渣鐵侵蝕、耐堿性、微孔性能、導熱性能等都得到了顯著提升，采用此類型的爐底爐缸結構完全可以滿足高爐長壽的要求。

但是，由于全炭爐底爐缸結構對炭磚的要求較高，目前國內采用此類結構的炭磚一般都采用進口炭磚，因此建造成本較高。

2.2 陶瓷杯+炭磚結構

陶瓷材料的保溫性能較好，爐缸熱損失小，爐缸熱量充沛。陶瓷杯良好的抗鐵水溶蝕能力，有助于提高爐內襯抗鐵水侵蝕能力而實現長壽。對大修高爐的統計表明，很多高爐在已達到或超過設計壽命進行大修時，爐底陶瓷杯墊保存相當完好，證明陶瓷杯+炭磚結構可有效延長高爐壽命，因此陶瓷杯+炭磚結構已成為國內高爐的主流結構形式。

2.2.1 鑲嵌杯結構

鑲嵌杯的結構特點是風口組合磚壓在陶瓷杯上，在陶瓷杯和風口組合磚之間設有緩沖層用于吸收陶瓷杯的膨脹。鑲嵌杯又分為全鑲嵌杯結構和半鑲嵌杯結構，如下頁圖4 所示。

全鑲嵌杯的設計特定風口組合磚和陶瓷杯的內表面齊平，這樣風口組合磚將陶瓷杯和爐缸環炭完全壓住，這樣設計的缺點是爐缸環炭的長度偏短。

為解決全鑲嵌杯爐缸環炭長度偏短的缺點，設計將陶瓷杯向內適當移動以加長爐缸環炭的長度，同時風口組合磚僅壓住陶瓷杯1/2 到2/3 的位置，即半鑲嵌式陶瓷杯。

圖4 鑲嵌杯結構示意圖

由于炭磚和陶瓷杯材質的膨脹系數不一樣，實際使用中發現，采用鑲嵌杯結構時，容易導致風口組合磚上翹變形，甚至損壞，因此，以上兩種結構在當前高爐的設計中很少使用。

2.2.2 自由杯結構

自由杯的結構特點是風口組合和陶瓷杯完全脫開。自由杯又分為全覆蓋自由杯結構和半覆蓋自由杯結構，全覆蓋自由杯結構的特點是陶瓷杯覆蓋至風口組合磚的下沿，半覆蓋自由杯結構的特點是陶瓷杯覆蓋至爐缸中下部區域，如圖5 所示，自由杯結構有效緩解炭磚和陶瓷杯膨脹不均勻對風口組合磚的影響。

圖5 自由杯結構示意圖

2.2.3 分析

陶瓷杯可有效的延長高爐壽命，但是如果設計不合理，反而會形成局部的異常侵蝕。原因在于：

1）許多高爐爐役終止時的破損調查發現，部分地方陶瓷杯還在，而局部的炭磚侵蝕非常嚴重，形成這種狀況的原因是陶瓷杯的隔熱作用，導致其后面炭磚的不定形材料不易被烘干、焙燒而達不到足夠的強度，以抵抗煤氣和水蒸氣的氣蝕，降低了爐墻的傳熱能力[2]。

2）如果陶瓷杯發生局部破損并形成孔洞，孔洞內靜止的鐵水會發生孔洞侵蝕效應，反而加快炭磚的侵蝕速度。因此，合理的陶瓷杯的結構設計顯得更為重要。多年的高爐生產實踐表明，爐缸底部的陶瓷杯墊對延長爐底的壽命有一定的幫助，而爐缸側部的壽命主要靠環炭來維持，因此，根據國內高爐的工作的特點和近幾年的設計經驗總結，本人認為半自由杯結構是目前較為合理和經濟的爐底爐缸結構形式。

5 結論

1）陶瓷杯可延長爐缸的壽命，但如果設置不合理可能可能帶來負作用，建議使用進口炭磚的可使用全炭爐缸結構或僅帶陶瓷杯墊的爐缸結構，使用優質國產炭磚的高爐可使用半覆蓋式自由杯爐缸結構。

2）針對當前高爐冶煉強度普遍較高，原料條件較差的特點，建議新設計的高爐采用新型抗漲型爐底結構以防止因上漲導致爐底板上翹和開裂。