教案32高炉炉衬323 高炉炉衬的设计与砌筑.docx

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教案32高炉炉衬323高炉炉衬的设计与砌筑

课时教学计划

课程:

高炉炼铁设计原理任课教师:

授课题目

3．2高炉炉衬3．2．3高炉炉衬的设计与砌筑

教学形式

讲授

共2课时，总第19—20课时

授课班级

授课日期

教

学

目

的

要

求

1、掌握高炉炉衬的设计与砌筑

2、掌握耐火材料的高温性能

重

点

高炉炉衬的设计与砌筑

难

点

耐火材料的高温性能

课

堂

结

构

及

时

间

分

配

一.复习引入（5分钟）

二.教学内容

第二节高炉炉衬

（三）高炉炉衬的设计与砌筑（50分钟）

（四）耐火材料的高温性能（25分钟）

三.课堂小结（6分钟）

四.布置作业（2分钟）

五.参考资料（2分钟）

六.课后体会

教学过程及教学内容

方法手段

【组织教学】

【复习提问】

1、炉衬设计要考虑哪些因素？

2、五段式高炉有哪些耐火材料？

【新课引入】

3.2.3高炉炉衬的设计与砌筑

（2）炉缸

炉缸工作条件与炉底相似，而且装有铁口、风口，有的高炉还有渣口。

每天有大量铁水流过铁口、开堵铁口有剧烈地温度波动和机械振动。

渣口附近有炉渣的冲刷和侵蚀。

风口前边是燃烧带，为高炉内温度最高的区域。

中小型高炉多采用粘土砖或高铝砖炉缸。

炭砖问世以后，炉缸开始采用炭砖砌筑。

由于担心炉缸区域有氧化性气氛，最初将炭砖砌至渣口中心线，因冶炼过程中渣面将超过渣口，并且炭砖和粘土砖或高铝砖连接处为薄弱环节，后来把炭砖砌至风口和渣口之间。

现在大型高炉已把炭砖砌至炉缸上缘，工作效果良好。

包钢冶炼含氟矿石，因炉渣对粘土砖侵蚀强烈，炉缸以炭砖砌筑。

初期的炭砖炉缸，铁口曾以高铝砖砌筑，后来由于无水炮泥的使用，发现铁口用炭砖砌筑更为合理，用小块高铝砖砌筑时容易脱落。

炉缸砌筑：

1）粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑

炉缸砌砖从铁口开始向两侧进行，出铁口通道上下部侧砌。

风口和渣口部位砌砖前先安装好水套，靠水套的砖应做精加工，砌砖与水套之间保持15～25mm缝隙，填充浓泥浆。

铁口、渣口和风口砌砖紧靠冷却壁，缝隙1～5mm，缝内填充浓泥浆。

炉缸各层皆平砌；同层相邻砖环的放射缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；砖缝小于0.5mm，环缝5mm，见图3－7。

炉缸要求有一定厚度，防止烧穿，一般规定铁口水平面处的厚度，小高炉为575mm（230＋345）；中型高炉为920mm（230＋345×2）；大型高炉为1150mm（230×2+345×2）或更厚些。

2）炭砖炉缸砌筑

炉缸炭砖砌筑以薄缝相连。

在炭砖炉缸的内表面设有保护层，以防开炉时被氧化，一般都砌一层高铝砖。

为了节省工时和降低投资，近来有用涂料代替高铝砖的，涂料层厚5～8mm。

图3－7炉缸砌砖

1－砖环；2－炭素填料；3－冷却壁

风口、渣口和铁口砖衬以炭砖砌筑时，应设计异型炭砖，见图3－8。

炉缸和炉底均采用光面冷却壁，砌砖与冷却壁之间留有100～150mm缝隙，其中填以炭质填料。

20世纪50年代高炉炉缸烧穿是对我国高炉生产的主要威胁，也是影响高炉寿命的主要限制环节。

当时，炉底、炉缸的砌筑材料是导热性极差的高铝砖和粘土砖，抗不住渣铁的侵蚀和机械冲刷。

50年代末，在我国大高炉开始采用以炭砖为主体的综合炉底，且炉底采用风冷或水冷，炉底、炉缸工作状况大为改观，之后20多年没有发生大高炉炉缸烧穿事故。

进入20世纪80年代以来，情况有了变化，几座强化冶炼水平高（利用系数由六七十年代的1.2～1.5t/m3·d提高到1.8～2.2t/m3·d，甚至更高）的大高炉炉缸（包括被侵蚀后的炉底的围墙部分）纷纷告急，而且出现了大修后一两年内炉缸冷却壁水温差急剧升高，并出现险情，六七十年代那种炉缸炉底一用十几年的现象不复存在了。

对于炉底、炉缸损坏的原因，概括起来有下面几条：

热应力导致大块炭砖产生环状断裂；碱腐蚀；液态渣铁冲刷和铁水渗透；机械应力；冷却器漏水；铁水的熔蚀。

常规大尺寸炭砖是以煅烧无烟煤、焦炭为骨料，以沥青焦油为结合剂，经热混合、挤压成形、800～1400℃烧成及机械加工而成。

烧成中结合剂碳化，将炭颗粒粘结并部分挥发逸散，使炭砖形成孔隙。

这些孔隙正是高炉内碱金属入侵的途径。

通常碱金属沿气孔进入炭砖，在750～900℃与碳反应生成层状混合物，使炭砖体积膨胀而裂散。

炉缸常规大炭砖损坏的特征，是在单环环形炭砖内形成环状裂缝。

环状裂缝形成的机理，除碱金属侵蚀外，还与大炭砖导热率较低（10W/m·K）引起的冷热面温度差太大（可达1450℃）有关，它使炭砖在炉缸厚度方向产生不易缓冲的差热膨胀。

工作热面与冷面的体积膨胀差值在同一大炭砖中产生巨大的应力，导致距炭砖热面一定尺寸处形成环状裂缝。

由于充满气体的炭砖环状裂缝降低了传热效果，炭砖热面不容易形成保护性“渣皮”，已形成的“渣皮”也会脱落。

没有“渣皮”保护的炭砖，必将受到铁水及碱金属的剧烈侵蚀。

因此，在炉缸、炉底设计中，除了合理的结构外，还应正确选择耐火材料，这是延长高炉炉缸、炉底寿命的关键。

图3－8渣口、风口和铁口的砌筑

1－炭砖；2－炭素填料；3－侧砌盖砖；4－异型砖；5－出铁口框；6－冷却壁

法国“陶瓷杯”与美国UCAR热压小碳块方案是目前国际上比较流行的两种炉缸炉底结构方案。

3）美国UCAR热压小炭砖炉缸——散热型

基于上述观点，美国提出了选用高导热率、低渗透度和优良抗碱侵蚀性能的炭质材料，采用小块热压成型炭砖砌筑，以减小单块砖的温度梯度，并使用特殊泥浆吸收温度造成的热应力，热量能顺利传递到冷却系统。

其结构示意图见图3－9所示。

图3－9美国UCAR热压小炭砖炉缸结构

1－高铝质耐火砖；2－大炭砖；3－混凝土；4－热压小炭砖

热压炭砖的骨料及结合剂与常规炭砖相同。

为提高抗碱性能，在配料中另加9～9.5%的石英和硅石。

使钠和钾优先与石英和硅石中的SiO2反应，生成无破坏性的化合物，以消除使炭砖膨胀裂散的层状化合物。

混合料送往可通电加热的特制砖模内，用液压机边加压边加热，2.5～8min内升至1000℃左右，使结合剂碳化，炽热的炭砖出模后经水淬冷及磨加工处理，热压过程中挥发物逸出时留下的孔隙被压紧甚至封闭，其透气率仅为常规大炭砖的1%左右。

这种低透气率并加入抗碱剂的热压炭砖导热率比常规大炭砖几乎高一倍，因此有利于炉缸碳衬热面凝固物料早期形成“渣皮”保护层，防止或减轻高炉环境气体及熔体对碳衬的化学侵蚀。

常规大炭砖与热压小炭砖的主要性能比较见表3－13。

表3－13常规大炭砖与热压小炭砖的主要性能比较

项目

体积密度，g/cm3

常温抗压强度，MPa

抗折强度，MPa

灰份，%

透气率，毫达西

热导率，W/（m•K）

600℃

800℃

1000℃

1200℃

常规大炭砖

1.6

17.9

4.1

8.0

800

10.4

10.4

10.5

10.9

热压炭砖NMA

1.62

30.5

8.1

10.0*

9

18.4

18.8

19.3

19.7

*包括为控制碱侵蚀而特意加入的9～9.5%石英和硅石。

热压炭砖的尺寸缩小为229×114×64～514×229×114mm。

它与单环大炭砖砌成的炉缸不同，热压炭砖炉缸是用多环小炭砖紧靠冷却壁或炉壳（外喷水冷）砌成，其间没有碳捣厚缝，这对于调节与缓冲差热膨胀有利，可避免因热应力而产生的环状裂缝。

小炭砖间的2mm砖缝，采用热固性炭胶（由液态酚醛树脂和石墨粉组成）粘结。

由于炭胶能在使用中碳化，粘结强度及导热率均很高，能缓冲热膨胀，既不阻碍砖的膨胀位移，又能使热面碳化形成致密的封口。

热压炭砖已在世界上数百座高炉应用，使用寿命都在10年以上。

4）法国“陶瓷杯”——隔热保温型

二十世纪八十年代初，法国Savoie耐火材料公司在蒂森钢铁公司高炉上就已开发并安装了一种新型复合式炉衬，由于其类似一个杯子，故称为“陶瓷杯”。

陶瓷杯炉底炉缸结构如图3－10所示。

炉底砌砖的下部为垂直或水平砌筑的炭砖，炭砖上部为1～2层刚玉莫莱石砖。

炉缸壁是由通过一厚度灰缝（60mm）分隔的两个独立的圆环组成，外环为炭砖，内环是刚玉质预制块。

炉底下端为循环水冷却系统，冷却管埋入碳捣层内，当冷却管安装在炉底封板上面时，为防止水泄漏后损坏炭砖，有的高炉炉底冷却介质采用油；而当冷却管安装在炉底封板下面时，冷却介质一般采用水或空气。

图3－10陶瓷杯结构及理论等温线分布图

陶瓷杯是利用刚玉砖或刚玉莫来石炉衬的高荷重软化温度和较强的抗渣铁侵蚀性能，以及低导热性，使高温等温线集中在刚玉或刚玉莫来石砖炉衬内。

陶瓷杯起保温和保护炭砖的作用。

炭砖的高导热性又可以将陶瓷杯输入的热量，很快传导出去，从而达到提高炉衬寿命的目的。

陶瓷杯炉底炉缸结构的优越性概况起来有以下几点：

①提高铁水温度。

由于陶瓷杯的隔热保温作用，减少了通过炉底炉缸的热损失，因此，铁水可保持较高的温度，给炼钢生产创造了良好的节能条件。

②易于复风操作。

由于陶瓷杯的保温作用，在高炉休风期间，炉子冷却速度慢，热损失减少，这有利于复风时恢复正常操作。

③防止铁水渗漏。

由于1150℃等温线紧靠炉衬的内表面，并且由于耐火材料的膨胀，缩小了砖缝，因而铁水的渗透是有限的，降低了炉缸烧穿的危险性。

5）热压小炭砖——陶瓷杯技术

1994年首钢1号高炉（2536m3）引进美国UCAR公司的热压炭砖和法国Savie公司的陶瓷杯技术，将“导热法”和“耐火材料法”两种炉衬设计系统结合在一起，集二者之长，以期实现高炉长寿的目标。

炉缸结构如图3－11所示。

图3－11首钢1号高炉炉底、炉缸结构

（3）炉腹、炉腰和炉身下部

从炉腹到炉身下部的炉衬要承受煤气流和炉料的磨损，碱金属和锌蒸气渗透的破坏作用，初渣的化学侵蚀以及由于温度波动所产生的热震破坏作用。

开炉后炉腹部位的砌砖很快被侵蚀掉，靠渣皮工作，一般砌一层高铝砖或粘土砖，厚度为345mm。

炉腰有三种结构形式，即厚壁炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰。

见图3－12。

图3－12炉腰结构形式

a－薄壁；b－厚壁；c－过渡式

高炉冶炼过程中部分煤气流沿炉腹斜面上升，在炉腹与炉腰交界处转弯，对炉腰下部冲刷严重，使这部分炉衬侵蚀较快，使炉腹段上升，径向尺寸亦有扩大，使得设计炉型向操作炉型转化。

厚壁炉腰的优点是热损失少，但侵蚀后操作护型与设计炉型变化大，等于炉腹向上延长，对下料不利。

径向尺寸侵蚀过多时会造成边缘煤气流的过分发展。

薄壁炉腰的热损失大些，但操作炉型与投计炉型近似，可避免厚壁炉腰的缺点。

过渡式炉腰结构处于两者之间。

设计炉型与操作炉型关系复杂，做炉型设计时应全面考虑。

炉身砌砖厚度通常为690～805mm，目前趋于向薄的方向发展，有的炉衬厚度采用575mm。

炉腹、炉腰和炉身下部较长时间采用粘土砖或高铝砖砌筑。

包钢冶炼含氟矿石，炭砖砌到炉身三分之二处；宝钢一号高炉采用体积密度为2.9t/m3、AL2O3≥88％的刚玉砖；欧美等国以及鞍钢高炉采用碳化硅砖砌筑炉身中下部，取得良好效果。

用镶砖冷却壁冷却炉腹、炉腰及炉身下部，砌砖紧靠冷却壁，缝隙填浓泥浆。

也有的厚墙炉身，采用冷却水箱冷却，这时砌砖与冷却水箱之间侧面和上面缝隙为5～20mm，下面为40～80mm，缝间填充浓泥浆。

水箱周围的两块砖紧靠炉壳砌筑，间隙为10～15mm。

炉腹、炉腰砌砖砖缝应不大于lmm，炉身下部不大于1.5mm，上下层砌缝和环缝均应错开。

炉身倾斜部分按三层砖错台一次砌筑。

（4）炉身上部和炉喉。

炉身上部温度较低，主要受煤气流冲刷与炉料磨擦而破损。

该部位一般采用高铝砖或粘土砖砌筑。

宝钢一号高炉炉身上部以高铝砖砌筑，砖缝小于2mm，目前趋于采用整个炉身厚度向上逐渐减薄的结构。

炉身上部砌砖与炉壳间隙为100～150mm，填以水渣——石棉隔热材料。

为防止填料下沉，每隔15～20层砖，砌二层带砖即砖紧靠炉壳砌筑，带砖与炉壳间隙为10～15mm。

炉喉除承受煤气冲刷、炉料摩擦外，还承受装料时温度急剧波动的影响，有时受到炉料的直接撞击作用。

炉喉衬板一般以铸铁、铸钢件制成，称为炉喉钢砖或条状保护板，见图3－13。

炉喉有几十块保护板，在炉喉的钢壳上装有吊挂座，座下装有横的挡板，板之间留20mm间隙，保证保护板受热膨胀时不相互碰挤，条状保护板是较为合理的炉喉装置。

图3－13炉喉钢砖

1－炉喉钢砖；2－钢轨形吊挂；3－炉壳

[课堂小结]

高炉各部分砌筑方式

[布置作业]

P37五段式高炉砌筑方法？

[课后体会]

举例说明

图示

图示

图示

图示说明

列表说明

图示

图示

图示

图示

3．2．3高炉炉衬的设计与砌筑

2.炉缸

1）结构形式：

（1）粘土砖或高铝砖炉底——小高炉

（2）碳砖炉缸——大中型高炉

2）炉缸砌筑：

（1）粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑：

①炉缸各层皆平砌；

②同层相邻砖环的放射缝应错开；

③上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；

（2）碳砖炉缸砌筑

①每层厚400mm;

②每层块数为整数；

③同层相邻砖环的放射缝应错开；

④上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；

⑤在碳砖炉缸的内表面设有保护层。

过去砌一层高铝砖，近来用涂料代替高铝砖，涂料层厚5～8mm。

炉缸厚度：

一般规定铁口水平面处的厚度为

小高炉：

575mm（230＋345）；

中型高炉：

920mm（230＋345×2）；

大型高炉：

1150mm（230×2+345×2）

或更厚些。

（3）美国UCAR热压小碳砖炉缸——散热型

特点：

提高炉衬的导热性能，又称导热炉衬。

缺点：

增大了炉缸的热损失。

（4）法国“陶瓷杯”——隔热保温型

概念：

陶瓷杯作用：

保温和保护碳砖。

碳砖的高导热性可以将陶瓷杯输入的热量，很快传导出去。

陶瓷杯炉底炉缸结构的优越性：

①提高铁水温度；②易于复风操作；

③防止铁水渗漏。

3.炉腹、炉腰和炉身下部

（1）炉腹：

一般砌一层高铝砖或粘土砖，厚度为345mm。

（2）炉腰

炉腰有三种结构形式：

厚壁炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰。

厚壁炉腰结构：

优点是热损失少，但侵蚀后操作炉型与设计炉型变化大。

薄壁炉腰结构：

热损失大些，但操作炉型与设计炉型近似。

过渡式炉腰结构：

处于两者之间。

（3）炉身下部

炉身下部砌砖厚度为690～805mm，目前趋于向薄的方向发展，有的炉衬厚度采用575mm或345mm。

倾斜部分按三层砖错台一次砌筑。

4.炉身上部和炉喉：

炉身上部：

一般采用高铝砖或粘土砖砌筑。

砌砖与炉壳间隙为100～150mm，填以水渣——石棉隔热材料。

为防止填料下沉，每隔15～20层砖，砌二层带砖即砖紧靠炉壳砌筑，带砖与炉壳间隙为10～15mm。

炉喉：

炉喉钢砖或条状保护板：

为铸铁或铸钢件。

炉喉圆周有几十块保护板，板之间留20～40mm膨胀缝。

炉喉高度方向只有一块。

小结：

作业：