D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.036 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 传热法炉缸和隔热法陶瓷杯复合炉缸炉底分析 赵宏博)程树森)赵民革 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)首钢集团总公司技术研究院，北京100041 摘要从传热学的角度出发，利用VC编制炉缸炉底温度场计算软件，对国内某些高炉进行了实例建模·模型计算结果和 实际高炉热电偶温度数据吻合较好.据此对目前流行的“传热法”的高导热压小块炭砖炉缸和“隔热法”的陶瓷杯复合炉缸炉 底的各自特点进行了分析，以实例为基础阐明了这两种结构的炉缸炉底延长高炉寿命的不同方法·指出在铁水和耐火材料之 间低导热系数的“保护壳”存在，是不同设计延长炉缸炉底寿命的相同本质，并分析了这两种结构的炉缸炉底的不足 关键词炉缸炉底：高炉寿命：长寿实质：传热学：温度场 分类号TF573.1 炉缸炉底的寿命是高炉长寿的限制性环节之 绝热 恒温 一，在高炉生产中如果全部内衬保持在低温状态，就 能够减缓或防止侵蚀，延长炉缸炉底的使用寿 钢板 命)，因此，高炉设计者们从传热学的角度不断 填料层 铁水 冷却壁 地提升炉缸炉底材料和结构设计的合理性·从最初 冷却 水管 陶瓷垫 养 的高铝砖或粘土砖无冷却炉缸炉底，到大块焙烧炭 冷却壁 砖和高铝砖结合的有冷却综合炉底，炉缸炉底耐火 肉资 炭砖 材料的导热性、耐氧化性及强度性能逐渐提高，当 陶瓷杯和高导热压小块炭砖技术出现后，“传热 一导料 法]高导热压小块炭砖炉缸和“隔热法]陶瓷杯 钢板 对流换热 复合炉缸炉底成为目前最流行的两种炉缸炉底结 构.两者在炉底都已经有了一个共性，就是炉底的 图1基础物理模型 内衬材料以炭砖和石墨砖为主，并在炉底炭砖上部 Fig-1 Basic physical model 采用1~2层陶瓷或高铝质砖作为保护层，即所谓的 “陶瓷垫”，本文通过对国内某些炼铁厂的上述两种 2“传热法”炉缸分析 结构的炉缸炉底进行实际建模计算分析，从传热学 对于采用高导热压小块炭砖的“传热法”炉缸来 的本质上阐明这两种不同结构炉缸炉底的长寿途径 说，普遍认为其优点是由于发挥了炭砖的高导热性， 和各自特点，进而得出它们共同的延长寿命的实质， 使铁水的热量很快传入炭砖，再由炭砖很快地传出 并分析其存在的不足. 炉缸而被冷却水带走，进而使靠近炭砖热面的铁水 1炉缸炉底温度场计算模型简介 凝固形成渣铁壳，高温等温线大部分集中在低导热 系数的渣铁壳内，使炭砖能处于安全的工作温度，以 本文中的炉缸炉底温度场计算软件所采用的基 达到保护炉缸炉底的目的，这和炉腰炉腹部位采用 础物理模型和边界条件如图1所示、此炉缸炉底的 铜冷却壁，迅速吸收并传递高温煤气热量，以降低热 物理模型具有很强的通用性，能够满足实际高炉炉 面温度使渣铁液凝固结壳的理念是相同的]，因 缸炉底的结构和所选用耐火材料的多样性，建立柱 此，“传热法”炉缸的长寿理念是快速吸收并传递铁 坐标系下带有凝固潜热的二维非稳态数学模型，以 水热量，使其降温结壳，但要注意炭砖的导热系数远 计算不同结构炉缸炉底的温度场分布)]. 比铜的要小（石墨炭砖导热系数虽然可达100 收稿日期：2005-12-27修回日期：2006-12-01 Wm1K以上，但由于其耐侵蚀性差，“传热法” 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。:60472095) 炉缸不可能都采用石墨炭砖，炉缸热阻必然远大于 作者简介：赵宏博(1981一)，男，博士研究生：程树森(1964一)，男， 教授，博士 铜冷却壁热阻)，通过炉缸的热流强度也远小于铜冷
“传热法”炉缸和“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底分析 赵宏博1） 程树森1） 赵民革12） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 首钢集团总公司技术研究院北京100041 摘 要 从传热学的角度出发利用 VC 编制炉缸炉底温度场计算软件对国内某些高炉进行了实例建模．模型计算结果和 实际高炉热电偶温度数据吻合较好．据此对目前流行的“传热法”的高导热压小块炭砖炉缸和“隔热法”的陶瓷杯复合炉缸炉 底的各自特点进行了分析以实例为基础阐明了这两种结构的炉缸炉底延长高炉寿命的不同方法．指出在铁水和耐火材料之 间低导热系数的“保护壳”存在是不同设计延长炉缸炉底寿命的相同本质并分析了这两种结构的炉缸炉底的不足． 关键词 炉缸炉底；高炉寿命；长寿实质；传热学；温度场 分类号 TF573∙1 收稿日期：2005－12－27 修回日期：2006－12－01 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60472095） 作者简介：赵宏博（1981－）男博士研究生；程树森（1964－）男 教授博士 炉缸炉底的寿命是高炉长寿的限制性环节之 一在高炉生产中如果全部内衬保持在低温状态就 能够减缓或防止侵蚀延长炉缸炉底的使用寿 命［1－2］．因此高炉设计者们从传热学的角度不断 地提升炉缸炉底材料和结构设计的合理性．从最初 的高铝砖或粘土砖无冷却炉缸炉底到大块焙烧炭 砖和高铝砖结合的有冷却综合炉底炉缸炉底耐火 材料的导热性、耐氧化性及强度性能逐渐提高．当 陶瓷杯和高导热压小块炭砖技术出现后“传热 法” ［3］高导热压小块炭砖炉缸和“隔热法” ［3］陶瓷杯 复合炉缸炉底成为目前最流行的两种炉缸炉底结 构．两者在炉底都已经有了一个共性就是炉底的 内衬材料以炭砖和石墨砖为主并在炉底炭砖上部 采用1～2层陶瓷或高铝质砖作为保护层即所谓的 “陶瓷垫”．本文通过对国内某些炼铁厂的上述两种 结构的炉缸炉底进行实际建模计算分析从传热学 的本质上阐明这两种不同结构炉缸炉底的长寿途径 和各自特点进而得出它们共同的延长寿命的实质 并分析其存在的不足． 1 炉缸炉底温度场计算模型简介 本文中的炉缸炉底温度场计算软件所采用的基 础物理模型和边界条件如图1所示．此炉缸炉底的 物理模型具有很强的通用性能够满足实际高炉炉 缸炉底的结构和所选用耐火材料的多样性．建立柱 坐标系下带有凝固潜热的二维非稳态数学模型以 计算不同结构炉缸炉底的温度场分布［4－6］． 图1 基础物理模型 Fig．1 Basic physical model 2 “传热法”炉缸分析 对于采用高导热压小块炭砖的“传热法”炉缸来 说普遍认为其优点是由于发挥了炭砖的高导热性 使铁水的热量很快传入炭砖再由炭砖很快地传出 炉缸而被冷却水带走进而使靠近炭砖热面的铁水 凝固形成渣铁壳高温等温线大部分集中在低导热 系数的渣铁壳内使炭砖能处于安全的工作温度以 达到保护炉缸炉底的目的．这和炉腰炉腹部位采用 铜冷却壁迅速吸收并传递高温煤气热量以降低热 面温度使渣铁液凝固结壳的理念是相同的［7－8］．因 此“传热法”炉缸的长寿理念是快速吸收并传递铁 水热量使其降温结壳但要注意炭砖的导热系数远 比铜的要小 （石墨炭砖 导 热 系 数 虽 然 可 达 100 W·m －1·K －1以上但由于其耐侵蚀性差“传热法” 炉缸不可能都采用石墨炭砖炉缸热阻必然远大于 铜冷却壁热阻）通过炉缸的热流强度也远小于铜冷 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．036
608 北京科技大学学报 第29卷 却壁未结壳时的热流强度，因而“传热法”炉缸是否 程度时，才可能形成渣铁壳，炉缸温度及热流随之减 能够满足渣铁壳的生成，需要根据炉缸炭砖的导热 小.但由于生产过程中入炉原料条件、冶炼强度、死 系数对其温度场进行计算，以判断是否可把1150℃ 料柱等因素发生变化]，炉缸内铁水的流动情况也 侵蚀线推出炭砖热面.对国内大部分高炉来说，炉 随之改变，当炉缸铁水流动加快或环流加强后，铁水 缸炭砖平均导热系数在30Wm1K-以上就可称 和炉缸的换热增大，炉缸温度场分布将发生变化，如 作高导热系数的炉缸，对炉缸厚1.5m、炭砖导热系 图3所示，生产波动引起铁水流动变快后，即使采 数40Wm1,K-1的“传热法”炉缸炉底进行建模计 用较深死铁层，降低了炉缸炉底拐角处的环流，但在 算，温度场分布如图2所示 铁口下方，炉缸的中上部，高导热性炭砖炉缸的侵蚀 铁口中心线 受铁水流动变快影响较大，容易吸收热量，因此不能 等温线分布 再把1150℃侵蚀线推出热面，虽然拐角部位依然 800C 可以有渣铁壳存在，但炉缸中上部侵蚀将会继续进 600℃ 400℃ 200 行，给炉缸长寿带来隐患，这也是实际高炉生产过 程中炉缸热电偶温度在下降后还会回升及可能出现 “腮腺炎状[10]侵蚀的重要原因之一 铁口中心线 等温线分布 I150℃ 1000℃ 009 3.0 径向m 200 图2炉缸炭砖导热系数均为40Wm1K的温度场分布 1.9 Fig.2 Temperature distribution of hearth with 40 W.mK carbon bricks 自炉缸热面至冷面的6条等温线分别对应 1150~200℃六个由大到小的温度，1150℃侵蚀线 1.5 6.0 径向m 未被推出炭砖热面之外，没有渣铁壳形成，侵蚀较严 重，由于炭砖的高导热系数，炉缸砖层内的温度梯度 图3铁水流动加快后炭砖导热系数均为60Wm1.K的温度 小，等温线间距大，炭砖温度过高，1000℃和800℃ 场分布 等温线都已经进入到炉缸炭砖内，使部分炭砖达到 Fig.3 Temperature distribution of hearth with 60 W.m.K carbon bricks 其脆化温度，更给长寿带来了隐患，同时由于炉缸 部位靠近冷却系统的炭砖温度较高，达到200℃左 “传热法”的核心是炉缸总热阻越小越利于阻止 右，和冷却水对流换热大，热损失过多 侵蚀，但如图4.对原始炭砖导热系数均为40 可见采用“传热法”炉缸时，为了把1150℃侵蚀 Wm,K的炉缸，只增大炉缸靠近铁水的第1层 线推出炭砖热面以外，炉缸热阻必须满足一定的要 炭砖的导热系数到80Wm1.K-1,发现侵蚀不但 求.在其他条件不变的情况下，逐渐增大图2所选 没有减缓，反而更加深入· 炉缸的炭砖的导热系数计算其温度场分布；可知在 可见并不是炉缸总热阻减小，侵蚀线就相应被 炭砖导热系数增至60Wm-1,K1后，1150℃侵蚀 推向炭砖热面，这是由于铁水凝固潜热的存在，如 线才基本被推出炭砖热面（靠近铁口处侵蚀线依然 果不考虑凝固潜热，炭砖导热系数越高，侵蚀线越容 在炭砖内部)，但此时炉缸炭砖的温度很高，870℃ 易被推出炭砖热面；但由于铁水凝固潜热的存在，侵 炭砖脆化线进入炉缸较深，即使此后能够形成渣铁 蚀线的移动和炭砖导热系数的变化趋势在炭砖导热 壳，由于炭砖脆化较严重，渣铁壳也不易稳定存在； 系数增大到一定程度时并不相同，这是“传热法”炉 可见“传热法·炉缸要形成渣铁壳，并使炭砖的脆化 缸存在问题的根本原因. 线也保持在渣铁壳之内是很困难的，对炭砖的导热 综上所述，“传热法”炉缸的目的就是利用炭砖 系数要求将更高，因此，采用“传热法”的高炉炉缸， 的高导热性，在铁水和炭砖间形成低导热系数的“自 在生产中炉缸炭砖往往要被先侵蚀到一定厚度，造 保护”渣铁壳，但这种设计是存在不足的.因为此设 成炭砖温度升高，热流变大，当炉缸热阻减小到一定 计对于炉缸炭砖的导热系数要求高达60Wm1.K1
却壁未结壳时的热流强度因而“传热法”炉缸是否 能够满足渣铁壳的生成需要根据炉缸炭砖的导热 系数对其温度场进行计算以判断是否可把1150℃ 侵蚀线推出炭砖热面．对国内大部分高炉来说炉 缸炭砖平均导热系数在30W·m －1·K －1以上就可称 作高导热系数的炉缸对炉缸厚1∙5m、炭砖导热系 数40W·m －1·K －1的“传热法”炉缸炉底进行建模计 算温度场分布如图2所示． 图2 炉缸炭砖导热系数均为40W·m －1·K －1的温度场分布 Fig．2 Temperature distribution of hearth with 40W·m －1·K －1 carbon bricks 自炉缸热面至冷面的6条等温线分别对应 1150～200℃六个由大到小的温度1150℃侵蚀线 未被推出炭砖热面之外没有渣铁壳形成侵蚀较严 重由于炭砖的高导热系数炉缸砖层内的温度梯度 小等温线间距大炭砖温度过高1000℃和800℃ 等温线都已经进入到炉缸炭砖内使部分炭砖达到 其脆化温度更给长寿带来了隐患．同时由于炉缸 部位靠近冷却系统的炭砖温度较高达到200℃左 右和冷却水对流换热大热损失过多． 可见采用“传热法”炉缸时为了把1150℃侵蚀 线推出炭砖热面以外炉缸热阻必须满足一定的要 求．在其他条件不变的情况下逐渐增大图2所选 炉缸的炭砖的导热系数计算其温度场分布；可知在 炭砖导热系数增至60W·m －1·K －1后1150℃侵蚀 线才基本被推出炭砖热面（靠近铁口处侵蚀线依然 在炭砖内部）．但此时炉缸炭砖的温度很高870℃ 炭砖脆化线进入炉缸较深即使此后能够形成渣铁 壳由于炭砖脆化较严重渣铁壳也不易稳定存在； 可见“传热法”炉缸要形成渣铁壳并使炭砖的脆化 线也保持在渣铁壳之内是很困难的对炭砖的导热 系数要求将更高．因此采用“传热法”的高炉炉缸 在生产中炉缸炭砖往往要被先侵蚀到一定厚度造 成炭砖温度升高热流变大当炉缸热阻减小到一定 程度时才可能形成渣铁壳炉缸温度及热流随之减 小．但由于生产过程中入炉原料条件、冶炼强度、死 料柱等因素发生变化［9］炉缸内铁水的流动情况也 随之改变当炉缸铁水流动加快或环流加强后铁水 和炉缸的换热增大炉缸温度场分布将发生变化如 图3所示．生产波动引起铁水流动变快后即使采 用较深死铁层降低了炉缸炉底拐角处的环流但在 铁口下方炉缸的中上部高导热性炭砖炉缸的侵蚀 受铁水流动变快影响较大容易吸收热量因此不能 再把1150℃侵蚀线推出热面．虽然拐角部位依然 可以有渣铁壳存在但炉缸中上部侵蚀将会继续进 行给炉缸长寿带来隐患．这也是实际高炉生产过 程中炉缸热电偶温度在下降后还会回升及可能出现 “腮腺炎状” ［10］侵蚀的重要原因之一． 图3 铁水流动加快后炭砖导热系数均为60W·m －1·K －1的温度 场分布 Fig．3 Temperature distribution of hearth with 60W·m －1·K －1 carbon bricks “传热法”的核心是炉缸总热阻越小越利于阻止 侵蚀但如图 4．对原始炭砖导热系数均为 40 W·m －1·K －1的炉缸只增大炉缸靠近铁水的第1层 炭砖的导热系数到80W·m －1·K －1发现侵蚀不但 没有减缓反而更加深入． 可见并不是炉缸总热阻减小侵蚀线就相应被 推向炭砖热面这是由于铁水凝固潜热的存在．如 果不考虑凝固潜热炭砖导热系数越高侵蚀线越容 易被推出炭砖热面；但由于铁水凝固潜热的存在侵 蚀线的移动和炭砖导热系数的变化趋势在炭砖导热 系数增大到一定程度时并不相同这是“传热法”炉 缸存在问题的根本原因． 综上所述“传热法”炉缸的目的就是利用炭砖 的高导热性在铁水和炭砖间形成低导热系数的“自 保护”渣铁壳但这种设计是存在不足的．因为此设 计对于炉缸炭砖的导热系数要求高达60W·m －1·K －1 ·608· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第6期 赵宏博等：“传热法”炉缸和“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底分析 .609 铁口中心线. 7.5a,炉身下部炉壳多处开裂，炉内耐火材料侵蚀 等温线分布 11150℃ 严重，出现这种情况的原因是很明显的：开炉后炉 10009r 800℃ 缸炉底温度场分布如图5,600℃以上高温线全部集 600℃ 400 200℃ 中在陶瓷杯内，炉缸炉底的自焙烧炭砖无法达到其 2.9 焙烧温度，自焙烧炭砖导热系数都在10Wm1K-1 以下；而且由于自热面至冷面自焙烧炭砖的温度逐 渐降低，其导热系数也越来越小，相当于在冷却系统 与炉缸炉底炭砖之间有一绝热层，使冷却系统难以 发挥作用，大量的热量都集中在陶瓷杯内（如图5）， 0 1.5 3.0 4.5 6.0 径向m 1350℃等温线都进入了陶瓷杯之内，由于长时间直 接被炙热的铁水冲刷，陶瓷杯以不可逆转的速度被 图4炉红靠近铁水的炭砖导热系数80W·m1.K-1、其余40 侵蚀；即使在陶瓷杯被侵蚀光后，由于炉底自焙烧炭砖 WmK时的温度场 未能达到焙烧要求，平均导热系数只在6Wm1K-1 Fig.4 Temperature distribution of hearth with 80 W.m.K- 左右，1150℃侵蚀线一直在炭砖热面以内，也无法 carbon bricks near hot metal and the rest 40 W-m-.K 形成“自保护”的渣铁壳，在炉役后期炉缸炉底温度 以上（在“传热法”理念下，如炉缸侧壁铁水环流加强 场分布如图6所示，图中炉底自上而下第2条等温 则要求炭砖导热系数更大才能形成渣铁壳)，而高导 线即1150℃侵蚀线 热系数的炭砖成本也较高，一旦炉缸的炭砖达不到 5.5 铁口中心线」 要求，则无法将1150℃侵蚀线推出炭砖热面而生成 团陶瓷杯 口摸砖 渣铁壳，这时炭砖的高导热系数的作用将适得其反， 加剧炉缸侵蚀并造成热损过大.“传热法”炉缸之所 3.5 等温线分布 11350℃ 以存在这样的问题，是由于片面地夸大了冷却水的 1150℃ 1000℃ 冷却作用，忽视了铁水对高导热系数炭砖的高传热， 800℃ 600℃ 炉缸各层炭砖被视为一个整体来提升导热系数降低 400℃ 200℃ 热阻，因此在非稳态过程中，提高炉缸炉底冷却水 带走热量的同时也过多地增大了铁水传入炭砖的热 量，铁水在降温过程中释放了大量凝固潜热，增加了 3.5 5.5 渣铁壳生成的难度和炉缸的热负荷.即使炉缸炭砖 径向m 导热系数满足要求，能够形成渣铁壳；但由于形成渣 图53高炉开炉后炉缸炉底的温度场分布 铁壳前高导热系数的炭砖过于容易接收铁水的热 Fig.5 3BF temperature distribution after blowingin 量，很快达到其脆化温度，易发生渗碳反应，渣铁壳 不易稳定存在，炉缸长寿仍存在隐患 铁口中心线」 3“隔热法”炉缸炉底分析 原始炉型 “隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底的设计理念是以 g WWwwWww 低导热系数的陶瓷杯直接接触铁水为基础，利用其 等温线分布 1350℃ 抗铁水侵蚀能力强、耐高温的特性把铁水和炭砖隔 1150℃ 离起来，阻止过多的热量传入炭砖中，使炭砖处于安 1001 150心侵蚀线 800℃ 全工作温度，“隔热法”炉缸炉底的陶瓷杯虽然起到 600℃ 400℃ 了延长高炉寿命的作用，但陶瓷杯能否长期存在和 1200℃ 陶瓷杯被侵蚀掉后剩余炭砖能否保证“自保护”渣铁 壳的形成，必须结合计算陶瓷杯和所选用的不同炭 3.5 砖的温度场分布来进行分析判断· 径向m 对于陶瓷杯搭配自焙烧炭砖的复合炉缸炉底， 图63高炉炉役后期炉缸炉底温度场分布 以北方某钢铁企业3#高炉为例山.该高炉运行 Fig-63 BF Temperature distribution at the end of campaign
图4 炉缸靠近铁水的炭砖导热系数80W·m －1·K －1、其余40 W·m －1·K －1时的温度场 Fig．4 Temperature distribution of hearth with 80W·m －1·K －1 carbon bricks near hot metal and the rest40W·m －1·K －1 以上（在“传热法”理念下如炉缸侧壁铁水环流加强 则要求炭砖导热系数更大才能形成渣铁壳）而高导 热系数的炭砖成本也较高一旦炉缸的炭砖达不到 要求则无法将1150℃侵蚀线推出炭砖热面而生成 渣铁壳这时炭砖的高导热系数的作用将适得其反 加剧炉缸侵蚀并造成热损过大．“传热法”炉缸之所 以存在这样的问题是由于片面地夸大了冷却水的 冷却作用忽视了铁水对高导热系数炭砖的高传热 炉缸各层炭砖被视为一个整体来提升导热系数降低 热阻．因此在非稳态过程中提高炉缸炉底冷却水 带走热量的同时也过多地增大了铁水传入炭砖的热 量铁水在降温过程中释放了大量凝固潜热增加了 渣铁壳生成的难度和炉缸的热负荷．即使炉缸炭砖 导热系数满足要求能够形成渣铁壳；但由于形成渣 铁壳前高导热系数的炭砖过于容易接收铁水的热 量很快达到其脆化温度易发生渗碳反应渣铁壳 不易稳定存在炉缸长寿仍存在隐患． 3 “隔热法”炉缸炉底分析 “隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底的设计理念是以 低导热系数的陶瓷杯直接接触铁水为基础利用其 抗铁水侵蚀能力强、耐高温的特性把铁水和炭砖隔 离起来阻止过多的热量传入炭砖中使炭砖处于安 全工作温度．“隔热法”炉缸炉底的陶瓷杯虽然起到 了延长高炉寿命的作用但陶瓷杯能否长期存在和 陶瓷杯被侵蚀掉后剩余炭砖能否保证“自保护”渣铁 壳的形成必须结合计算陶瓷杯和所选用的不同炭 砖的温度场分布来进行分析判断． 对于陶瓷杯搭配自焙烧炭砖的复合炉缸炉底 以北方某钢铁企业3＃ 高炉为例［11］．该高炉运行 7∙5a炉身下部炉壳多处开裂炉内耐火材料侵蚀 严重．出现这种情况的原因是很明显的：开炉后炉 缸炉底温度场分布如图5600℃以上高温线全部集 中在陶瓷杯内炉缸炉底的自焙烧炭砖无法达到其 焙烧温度自焙烧炭砖导热系数都在10W·m －1·K －1 以下；而且由于自热面至冷面自焙烧炭砖的温度逐 渐降低其导热系数也越来越小相当于在冷却系统 与炉缸炉底炭砖之间有一绝热层使冷却系统难以 发挥作用大量的热量都集中在陶瓷杯内（如图5） 1350℃等温线都进入了陶瓷杯之内由于长时间直 接被炙热的铁水冲刷陶瓷杯以不可逆转的速度被 侵蚀；即使在陶瓷杯被侵蚀光后由于炉底自焙烧炭砖 未能达到焙烧要求平均导热系数只在6W·m －1·K －1 左右1150℃侵蚀线一直在炭砖热面以内也无法 形成“自保护”的渣铁壳．在炉役后期炉缸炉底温度 场分布如图6所示图中炉底自上而下第2条等温 线即1150℃侵蚀线． 图5 3＃高炉开炉后炉缸炉底的温度场分布 Fig．5 3＃ BF temperature distribution after blowing-in 图6 3＃高炉炉役后期炉缸炉底温度场分布 Fig．6 3＃ BF Temperature distribution at the end of campaign 第6期 赵宏博等： “传热法”炉缸和“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底分析 ·609·
,610 北京科技大学学报 第29卷 由上可知，自焙烧炭砖一陶瓷杯复合炉缸炉底 4.5 ▣炭砖 的设计是不合理的，考虑到陶瓷杯被侵蚀光后，炉 ●热电偶 缸炉底要靠“自保护”渣铁壳来阻止铁水的侵蚀，目 1350℃ 前“隔热法”炉缸炉底的设计逐渐采用导热系数更高 的炭砖和陶瓷杯搭配使用， 2.5 110: 0 国内某炼铁厂的5高炉采用普通炭砖结合高 60 铝砖的“隔热法”炉缸炉底，仍达到了长寿目的.下 面对此高炉炉缸炉底的长寿原因进行分析，此高炉 2 开始投产时，炉缸炉底温度场分布如图7所示. 3.0 6.0 径向m 铁口中心线 田高铝砖 等温线分布 图8高铝砖被侵蚀光而未加钒钛矿时的温度场分布 口炭砖 Fig-8 Temperature field of 5 BF without the protection of Ti ore after high alumina bricks had corraded 1200元 33 2.5 45 铁口中心线 四钒钛化合物 ●热电偶 130t 2.5 I150℃ 3.0 6.0 -1000t 径向m 00 610℃ 图7某钢厂5高炉开炉初期温度场分布 400E Fig-7 5BF temperature distribution after blowingin 200工 3.0 6.0 图7的温度场分布一方面说明开炉后直接面对 径向m 炙热铁水的低导热系数高铝砖起到了一定的保护炭 图9钒钛矿护炉后的炉缸炉底温度场分布 砖作用，使热量集中在高铝砖内，炭砖温度较低；另 Fig.Temperature distribution of 5BF with the protection of V 一方面说明普通炭砖在高铝砖存在情况下并不能完 一-1ioe 全地发挥冷却作用，没有渣铁壳生成，铁水直接冲刷 高铝砖，甚至使1350℃等温线都进入了高铝砖内， 了保护炭砖的作用)，也不是靠炭砖“传热”生成了 因此开炉2a后高铝砖被侵蚀光，成为了“传热法”的 “自保护”渣铁壳，而是另一种来源一“他保护”的 全炭砖炉缸炉底，剩余的普通炭砖炉缸炉底并不能 低导热系数的钒钛化合物，即在高铝砖被侵蚀光后， 满足使1150℃侵蚀线在炭砖热面以外，而如前所述 持续的钒钛矿的消耗换取了炉底的长寿。可见，此 炭砖导热系数大于高铝砖使得温度梯度减小，炭砖 炉缸炉底的长寿实质同样是在炉缸炉底炭砖和铁水 温度迅速升温，炉底中心线第1层炭砖下的热电偶 间保证低导热系数物质的存在，但它无法实现“自保 温度高达650℃，如图8所示. 护长寿. 在炉底迅速升温后，此高炉采取了持续不断的 对于“隔热法”陶瓷杯搭配“传热法”高导热系数 钒钛矿护炉，在炭砖层之上形成了低导热系数的钒 炭砖的复合炉缸炉底，取炉缸炉底炭砖导热系数 钛化合物，炭砖层才被保护起来，一直加入的钒钛矿 60Wm1K-1,建模计算其温度场分布如图10. 代替了此前高铝砖对炭砖层的保护，即此后全炭砖 如图10所示，1150℃侵蚀线未被推出耐火材 炉底长寿的实质是通过钒钛矿的消耗在铁水和炭砖 料以外，高温等温线都集中在低导热系数的陶瓷杯 之间形成了一层低导热系数的“保护壳”，使炉底热 内，即铁水和炭砖之间低导热系数的陶瓷杯的存在， 电偶的温度稳定在610℃左右，如图9所示. 阻止了铁水对炭砖的侵蚀，且高导热系数炭砖的采 综上所述，作为国内成功例子的某钢铁企业5# 用使炉缸炉底等温线整体向炉内热面移动.和采用 高炉，其炉缸炉底长寿的原因不是起到“隔热”作用 普通炭砖的“隔热法”炉缸炉底相比，炉内炭砖温度 的高铝砖的长期存在（高铝砖仅在开炉两年内起到 降低，陶瓷杯的“隔热”作用得到充分发挥，另一方
由上可知自焙烧炭砖－陶瓷杯复合炉缸炉底 的设计是不合理的．考虑到陶瓷杯被侵蚀光后炉 缸炉底要靠“自保护”渣铁壳来阻止铁水的侵蚀目 前“隔热法”炉缸炉底的设计逐渐采用导热系数更高 的炭砖和陶瓷杯搭配使用． 国内某炼铁厂的5＃高炉采用普通炭砖结合高 铝砖的“隔热法”炉缸炉底仍达到了长寿目的．下 面对此高炉炉缸炉底的长寿原因进行分析．此高炉 开始投产时炉缸炉底温度场分布如图7所示． 图7 某钢厂5＃高炉开炉初期温度场分布 Fig．7 5＃ BF temperature distribution after blowing-in 图7的温度场分布一方面说明开炉后直接面对 炙热铁水的低导热系数高铝砖起到了一定的保护炭 砖作用使热量集中在高铝砖内炭砖温度较低；另 一方面说明普通炭砖在高铝砖存在情况下并不能完 全地发挥冷却作用没有渣铁壳生成铁水直接冲刷 高铝砖甚至使1350℃等温线都进入了高铝砖内． 因此开炉2a 后高铝砖被侵蚀光成为了“传热法”的 全炭砖炉缸炉底．剩余的普通炭砖炉缸炉底并不能 满足使1150℃侵蚀线在炭砖热面以外而如前所述 炭砖导热系数大于高铝砖使得温度梯度减小炭砖 温度迅速升温炉底中心线第1层炭砖下的热电偶 温度高达650℃如图8所示． 在炉底迅速升温后此高炉采取了持续不断的 钒钛矿护炉在炭砖层之上形成了低导热系数的钒 钛化合物炭砖层才被保护起来一直加入的钒钛矿 代替了此前高铝砖对炭砖层的保护即此后全炭砖 炉底长寿的实质是通过钒钛矿的消耗在铁水和炭砖 之间形成了一层低导热系数的“保护壳”使炉底热 电偶的温度稳定在610℃左右如图9所示． 综上所述作为国内成功例子的某钢铁企业5＃ 高炉其炉缸炉底长寿的原因不是起到“隔热”作用 的高铝砖的长期存在（高铝砖仅在开炉两年内起到 图8 高铝砖被侵蚀光而未加钒钛矿时的温度场分布 Fig．8 Temperature field of5＃ BF without the protection of V－Ti ore after high alumina bricks had corraded 图9 钒钛矿护炉后的炉缸炉底温度场分布 Fig．9 Temperature distribution of5＃ BF with the protection of V －Ti ore 了保护炭砖的作用）也不是靠炭砖“传热”生成了 “自保护”渣铁壳而是另一种来源－－－“他保护”的 低导热系数的钒钛化合物即在高铝砖被侵蚀光后 持续的钒钛矿的消耗换取了炉底的长寿．可见此 炉缸炉底的长寿实质同样是在炉缸炉底炭砖和铁水 间保证低导热系数物质的存在但它无法实现“自保 护”长寿． 对于“隔热法”陶瓷杯搭配“传热法”高导热系数 炭砖的复合炉缸炉底取炉缸炉底炭砖导热系数 60W·m －1·K －1建模计算其温度场分布如图10． 如图10所示1150℃侵蚀线未被推出耐火材 料以外高温等温线都集中在低导热系数的陶瓷杯 内即铁水和炭砖之间低导热系数的陶瓷杯的存在 阻止了铁水对炭砖的侵蚀且高导热系数炭砖的采 用使炉缸炉底等温线整体向炉内热面移动．和采用 普通炭砖的“隔热法”炉缸炉底相比炉内炭砖温度 降 低陶瓷杯的“隔热”作用得到充分发挥．另一方 ·610· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第6期 赵宏博等：“传热法”炉缸和“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底分析 .611. 铁口中心线 表示1150℃侵蚀线在炉底炭砖的内部，绝对值代表 等温线分布 四陶瓷杯 09T 1150℃侵蚀线到第1层炭砖热面的平均距离. 四高导炭砖 50 009 0 2.9 -10 -40 -70外 -1006 20406080100120 炭砖导热系数(W,m.K-) 0 1.5 3.0 4.5 6.0 径向m 图11全炭砖炉底侵蚀线距炭砖热面的平均距离和炭砖导热系 图10炭砖导热系数为60Wm1K的陶瓷杯复合炉缸炉底 数的关系 温度场分布 Fig.11 Relationship between the thermal conductivity of carbon Fig-10 Temperature distribution of ceramic cup synthetic hearth bricks and the average distance from 1150C erosion line to the hot bottom with 60 WmK carbon bricks surface of carbon bricks at the bottom 面，由于陶瓷杯的高热阻，铁水的热量很难传入炉缸 由图11可知，当炭砖的导热系数高达70 炉底的炭砖，炭砖只是被暂时保护起来，其高导热性 Wm-1K-以上时，1150℃侵蚀线才被推出炭砖 的作用被抑制，冷却系统发挥不了应有的作用，无法 热面以外，而且在炭砖导热系数从70Wm-1.K-1 把1150℃侵蚀线推出陶瓷杯热面，陶瓷杯长期暴露 升高到100Wm1K-1时，侵蚀线被推出炭砖热面 在流动的铁水下，其保护属于一种不可逆转的“消耗 的距离依然很小，渣铁壳较薄，而且由于采用高导热 保护”，由于陶瓷质材料具有较炭砖更好的耐热强 系数的全炭砖炉底，接近铁水的最上层炭砖太过容 度，其被消耗掉的时间才会更长一些，所以在陶瓷杯 易接收铁水的热量；因此靠近铁水的炭砖在未形成 下采用高导热性的炭砖并不经济，达不到“隔热”和 渣铁壳之前就具有较高的温度，甚至靠近铁水的炭 “传热”的双重效果，形不成“自保护”的渣铁壳.对 砖己达到其脆化温度，即使形成“自保护”渣铁壳，渣 于高成本的陶瓷杯和高导热系数炭砖结合的炉缸炉 铁壳仍然难以稳定存在，侵蚀可能进一步加剧，综 底来说，高炉寿命的延长是以大的投入消耗为代价 上所述，可以从以下两方面总结“隔热法陶瓷杯复 的，同时，从热应力的角度看，“隔热法”和“传热法” 合炉缸炉底的特点，在成本方面，陶瓷杯本身的成 的结合使陶瓷杯内高温等温线更加密集，陶瓷杯中 本就高，而且为了在陶瓷杯很薄或不存在时，剩余的 热应力增大，恶化了陶瓷杯的工作环境，随着陶瓷 炭砖能发挥冷却系统的作用，继续延长炉缸炉底的 杯侵蚀减薄，高导热的炭砖会使陶瓷杯内的高温等 寿命，在陶瓷杯下又使用了高导热系数的炭砖，而高 温线更集中，使陶瓷杯内热应力变大，更加容易破 导热系数的炭砖成本也很高，从生产过程方面来 损，在未达到一个侵蚀平衡厚度前陶瓷杯的侵蚀是 看，陶瓷杯复合炉缸炉底虽然利用了陶瓷杯的耐高 一直进行的，而且这个过程是不可逆的，经过计算 温性能保护了炭砖，但过度的隔热也使靠近热面的 当炉缸陶瓷杯剩余100mm时，1150℃侵蚀线才会 铁水很难传出使其降到1150℃凝固线的热量，即很 被推至陶瓷杯热面，但由于此时陶瓷杯较薄且热应 难存在可再生的“自保护”渣铁壳，由于炙热铁水的 力很大，在炉缸铁水环流加强时，渣铁壳易脱落，陶 一直冲刷，陶瓷杯即使有较高的耐热度，但仍会被侵 瓷杯仍会被继续侵蚀，当陶瓷杯被完全侵蚀掉后， 蚀，而且这个过程是不可逆的，即陶瓷杯复合炉缸炉 将转变为高导热系数的“传热法全炭砖炉底”. 底属于“消耗延寿”；同时由于高温等温线都集中在 “全炭砖炉底”为了把1150℃侵蚀线推出炭砖 陶瓷杯内，使炉底始终流动的冷却水在陶瓷杯较厚 热面以外，炉底热阻也必须满足一定的要求，取炉底 时几乎成为一种浪费，冷却作用很难发挥，给高炉长 炭砖总厚度为2.4m,炭砖导热系数从20Wm1.K1 寿带来了隐患 递增到100W·m-1·K-1,计算温度场分布，得到 4结论 1150℃侵蚀线距炉底第1层炭砖热面的平均距离 和炭砖导热系数的关系如图11.纵坐标为正，表示 (1)不同结构的炉缸炉底长寿实质是相同的， 1150℃侵蚀线被推出炭砖热面以外；纵坐标为负， 在炙热铁水和耐火材料间形成一层低导热系数的
图10 炭砖导热系数为60W·m －1·K －1的陶瓷杯复合炉缸炉底 温度场分布 Fig．10 Temperature distribution of ceramic cup synthetic hearth bottom with60W·m －1·K －1carbon bricks 面由于陶瓷杯的高热阻铁水的热量很难传入炉缸 炉底的炭砖炭砖只是被暂时保护起来其高导热性 的作用被抑制冷却系统发挥不了应有的作用无法 把1150℃侵蚀线推出陶瓷杯热面陶瓷杯长期暴露 在流动的铁水下其保护属于一种不可逆转的“消耗 保护”由于陶瓷质材料具有较炭砖更好的耐热强 度其被消耗掉的时间才会更长一些所以在陶瓷杯 下采用高导热性的炭砖并不经济达不到“隔热”和 “传热”的双重效果形不成“自保护”的渣铁壳．对 于高成本的陶瓷杯和高导热系数炭砖结合的炉缸炉 底来说高炉寿命的延长是以大的投入消耗为代价 的．同时从热应力的角度看“隔热法”和“传热法” 的结合使陶瓷杯内高温等温线更加密集陶瓷杯中 热应力增大恶化了陶瓷杯的工作环境．随着陶瓷 杯侵蚀减薄高导热的炭砖会使陶瓷杯内的高温等 温线更集中使陶瓷杯内热应力变大更加容易破 损在未达到一个侵蚀平衡厚度前陶瓷杯的侵蚀是 一直进行的而且这个过程是不可逆的．经过计算 当炉缸陶瓷杯剩余100mm 时1150℃侵蚀线才会 被推至陶瓷杯热面．但由于此时陶瓷杯较薄且热应 力很大在炉缸铁水环流加强时渣铁壳易脱落陶 瓷杯仍会被继续侵蚀．当陶瓷杯被完全侵蚀掉后 将转变为高导热系数的“传热法全炭砖炉底”． “全炭砖炉底”为了把1150℃侵蚀线推出炭砖 热面以外炉底热阻也必须满足一定的要求取炉底 炭砖总厚度为2∙4m炭砖导热系数从20W·m －1·K －1 递增到100W·m －1·K －1计算温度场分布得到 1150℃侵蚀线距炉底第1层炭砖热面的平均距离 和炭砖导热系数的关系如图11．纵坐标为正表示 1150℃侵蚀线被推出炭砖热面以外；纵坐标为负 表示1150℃侵蚀线在炉底炭砖的内部绝对值代表 1150℃侵蚀线到第1层炭砖热面的平均距离． 图11 全炭砖炉底侵蚀线距炭砖热面的平均距离和炭砖导热系 数的关系 Fig．11 Relationship between the thermal conductivity of carbon bricks and the average distance from1150℃ erosion line to the hot surface of carbon bricks at the bottom 由图 11 可 知当 炭 砖 的 导 热 系 数 高 达 70 W·m －1·K －1以上时1150℃侵蚀线才被推出炭砖 热面以外而且在炭砖导热系数从70W·m －1·K －1 升高到100W·m －1·K －1时侵蚀线被推出炭砖热面 的距离依然很小渣铁壳较薄而且由于采用高导热 系数的全炭砖炉底接近铁水的最上层炭砖太过容 易接收铁水的热量；因此靠近铁水的炭砖在未形成 渣铁壳之前就具有较高的温度甚至靠近铁水的炭 砖已达到其脆化温度即使形成“自保护”渣铁壳渣 铁壳仍然难以稳定存在侵蚀可能进一步加剧．综 上所述可以从以下两方面总结“隔热法”陶瓷杯复 合炉缸炉底的特点．在成本方面陶瓷杯本身的成 本就高而且为了在陶瓷杯很薄或不存在时剩余的 炭砖能发挥冷却系统的作用继续延长炉缸炉底的 寿命在陶瓷杯下又使用了高导热系数的炭砖而高 导热系数的炭砖成本也很高．从生产过程方面来 看陶瓷杯复合炉缸炉底虽然利用了陶瓷杯的耐高 温性能保护了炭砖但过度的隔热也使靠近热面的 铁水很难传出使其降到1150℃凝固线的热量即很 难存在可再生的“自保护”渣铁壳由于炙热铁水的 一直冲刷陶瓷杯即使有较高的耐热度但仍会被侵 蚀而且这个过程是不可逆的即陶瓷杯复合炉缸炉 底属于“消耗延寿”；同时由于高温等温线都集中在 陶瓷杯内使炉底始终流动的冷却水在陶瓷杯较厚 时几乎成为一种浪费冷却作用很难发挥给高炉长 寿带来了隐患． 4 结论 （1） 不同结构的炉缸炉底长寿实质是相同的 在炙热铁水和耐火材料间形成一层低导热系数的 第6期 赵宏博等： “传热法”炉缸和“隔热法”陶瓷杯复合炉缸炉底分析 ·611·