高炉炉缸碳砖利旧浇注修复应用实践

2021-02-11赵满祥贾国利张海滨

中国钢铁业 2021年10期

赵满祥张勇贾国利张海滨

炉缸整体浇注，是基于传统砌砖修复的一种新技术。它采用不定形自流浇注料，以支模浇注的方式，还原陶瓷杯。脱模后整体无缝，形成一个真正的“杯”结构。近年来，随着耐材质量的提升和施工技术的进步，高炉炉缸浇注技术得到广泛应用。

2014年4月，唐钢不锈钢4#高炉在大修过程中采用外侧砌筑碳砖，内侧整体浇注的方式，构建了新型炉缸结构，达到了增加炉缸砌体结构强度，加快施工进度的目的[1]。2015年2月，罗源闽光1#高炉（500m³）在大修时，采用了与唐钢不锈钢4#高炉类似的结构，环碳砌筑至铁口框上沿，在碳砖内侧，包括风口组合砖和铁口组合砖区域均进行整体浇注[2]。2017年6月，包钢3#高炉（2200m³）在底部基座砌筑的基础上进行了炉缸整体浇注，浇注时在残留碳砖与浇注料之间埋设了14支热电偶监测炉缸工作状态[3]。上述高炉主要是在大修后，在碳砖砌体内部增加整体浇注层，以提高炉缸抗渣铁侵蚀渗透性，加快施工进度。

1.首钢股份2#高炉炉缸保护性清理及破损调研

2018年8月，首钢股份2#高炉因炉缸侧壁局部侵蚀严重停炉，进行了炉缸整体浇注修复。此次修复未开扒渣门，未彻底拆除炉缸与炉底碳砖，而是在放出残铁和清理炉缸残余碳砖侵蚀催化层后，在残余碳砖的基础上进行浇注修复。首钢股份2#高炉是我国首座2500m³以上在炉缸碳砖利旧基础上实施整体浇注修复的高炉。

2019年6月，在借鉴2#高炉成功浇注修复经验，并进一步优化相关工艺技术的基础上，首钢股份1#高炉也以碳砖利旧整体浇注的方式进行了炉缸修复。

停炉前首钢股份2#高炉已连续生产运行11年，单位炉容产铁量达9816t/m3，最高冷却壁水温差1.4℃，对应侧壁温度626℃，热流强度34622 kcal/m2·h，测算炉缸残厚最薄处680mm。停炉前考虑到该高炉为典型的象脚区侵蚀，炉底及炉缸侧壁上部等区域热电偶温度基本处于正常水平，故制定了最大限度实现碳砖利旧，通过支模浇注的方式修复炉缸的方案。

为了在停炉及清理炉缸过程中最大限度保护碳砖及其结构强度，在停炉、凉炉、炉缸清理及浇注修复、烘炉、送风恢复炉况等阶段，首钢股份公司在充分借鉴其他炉缸成功浇注案例和基础调研、数学模拟的基础上，开发实施了氮气降温凉炉、烘炉流场数值模拟、炉缸内型优化、异形浇注模具、炉皮排水防铁口喷溅、铁口区域一体化浇注、热风炉“小循环”保温及高炉热风管系保温等工艺技术升级，取得了快速安全凉炉、在碳砖利旧前提下的炉缸保护性快速清理、精准测量侵蚀炉型和浇注炉型、缩短烘炉时间、开炉过程铁口稳定无喷溅、高炉浇注后快速送风恢复等良好业绩，总工期压缩至36天以内，并基于三维激光扫描的浇注炉型，实现了复合耐材复杂炉型下的炉缸侵蚀模型重构，为持续监控炉缸工作状态提供了可靠且丰富的基础数据。

在首钢股份2#高炉的炉缸清理过程中，同步开展了炉缸破损机理调研，发现炉缸陶瓷垫及碳砖缝隙中存在严重的渗铁现象。同时显微分析发现碳砖本体渗铁深度也达30mm以上，渗透的Fe元素主要富集在碳砖中的SiO2颗粒周边。此外，炉缸侧壁象脚区侵蚀情况远比预想的严重。炉缸碳砖残存最薄处位于26#风口方位，标高7.7m处，残余厚度仅340mm。距离该部位最近的热电偶分别在标高7.2m和标高8.1m处，因此导致侵蚀计算出现偏差。在炉底死铁层发现有古铜色碳氮化钛沉淀物，但未在炉缸侧壁区域发现类似碳氮化钛粘结物。

2.炉缸碳砖利旧基础上的浇注修复

在炉缸清理过程中，剔除了失去功能强度的碳砖脆化层以及可能的环裂表层碳砖，以坚固的碳砖作为浇注基准面。浇注前对炉缸及风口区域残衬进行吹扫，碳砖界面喷涂防氧化粘接剂，防止碳砖界面在烘烤过程中接触水蒸气氧化，同时增加碳砖与浇注料的贴合性。

首钢股份2#高炉的炉缸清理过程和破损调研表明，该高炉炉缸为典型的象脚区侵蚀，抗渣铁渗透侵蚀能力差是碳砖炉缸侵蚀破损的主要原因。为提高炉缸耐材抗渣铁侵蚀能力，炉缸浇注材料选用导热系数为8w/(m·k)的中等导热系数浇注料，该种浇注料以刚玉及碳化硅为主要原料（Al2O3+SiC＞82%），具有优良的耐高温(耐压强度（1400℃×3h）103MPa)、抗渣铁侵蚀、抗冲刷等应用性能，有利于渣铁凝滞层形成。

炉缸浇注料以硅溶胶作为结合剂，不仅是因为该结合剂具有良好的胶结性能，更重要的是采用该结合剂的施工体完全脱水的烘烤温度低(450℃)，可以缩短施工后的烘烤时间。低温烘烤可在碳氧化温度之前使自由结合的水蒸发掉，以减小施工体脱水过程对旧碳砖的氧化影响。

在首钢股份2#高炉浇注修复过程中，基于炉缸破损调研结果应用了多项工艺技术创新：铁口区与非铁口区采用直玄过渡，风口区采用倒角喷涂过渡修复，象脚区采用斜模浇注，炉底浇注采用双层错缝二次浇注工艺消除热膨胀应力。

在铁口中心线以下，非铁口区域加厚150mm至1293mm，铁口区域较原碳砖厚度增加500mm厚预筑泥包，浇注厚度2214mm。铁口以上非铁口区域根据侵蚀情况整体加厚80mm～1223mm。整体浇注过程分7次支模、8次浇注，每次浇注后养护8～12小时，累积耗用浇注料759吨，耗时225小时。

与碳砖砌筑相比，浇注炉缸整体性好，能与碳砖界面紧密有效贴合。因此，不存在传统陶瓷杯与碳砖间的间隙捣打料，避免了因气隙而造成“间隙热阻”的问题，使炉缸整体传热效率得以提高，1150℃凝铁等温线推移至浇注陶瓷杯的内部，碳砖得到有效隔离和保护。此外，碳砖利旧浇注修复能最大程度保留炉缸内残余合格碳砖，根据三维激光扫描测定，首钢股份2#高炉浇注修复过程中原碳砖保留了83%。对局部区域严重侵蚀碳砖，可采用高导热浇注料进行针对性修复，与拆除碳砖重新砌筑相比，维修工期短，造价低，炉缸内型可塑性强。

3.炉缸整体浇注修复后的侵蚀模型重建

首钢股份高炉炉缸采用碳砖利旧整体浇注方式修复后，炉缸的材质、结构、内型均发生了较大变化，且不同部位浇注厚度不一致、不规则，使得原基于碳砖砌筑材质构造建立的炉缸侵蚀预测模型已不能满足新型炉缸监测需要。针对这种情况，首钢股份选取三维非稳态温度场计算模型作为基础数学模型，在侵蚀计算中引入“诊断知识库”，解决耐材导热系数变化以及由侵蚀的延续引起的“边界不定”等问题，提高模型对高炉实际生产中所见异常的自适应能力，采用传热学“正问题”计算温度场和“反问题”推算侵蚀边界相结合的方法，开发了适应浇注修复炉缸的侵蚀监测模型。该模型根据首钢股份高炉三维激光扫描结果和热电偶布置图进行客户端和数据库配置，确保每个剖面计算参数均与实际炉型和材质相符。最终侵蚀模型后台计算程序将计算结果输出到客户端界面进行展示。

为了推算浇注耐材的侵蚀速率，选取首钢股份2#高炉2019年2月1日-2020年6月30日为测算周期，依据侵蚀模型测算及多种方式校正比对，炉底浇注料侵蚀速率为0.16m/a，在此期间首钢股份2#高炉产量339.34万吨。

根据位于象脚区的炉缸三、四、五层（标高8.1m～9.5m）侧壁温度判断，在浇注修复约一年半时间内，炉缸侧壁温度持续上升，之后后炉缸基本达到热平衡，进入稳定期（见图1）。