杨恺
十一冶建设集团有限责任公司 广西 柳州 545000
摘要：延长高炉的寿命，能够提高钢铁企业的能效，降低资源的消耗，提升钢铁企业的经济效益，促进企业的生产发展。随着企业产能的增大，钢铁炼制技术不断提升，对钢铁炼制的环境也提出了更高的要求。在高炉炼铁的过程中，铁水需要存储在炉底，这对高炉底部的耐火材料的质量和炉衬结构的设计提出了很高的要求。为了进一步提高高炉的使用寿命，需要对高炉炉底炉缸的耐火材料进行结构与性能的优化。
关键词：耐火材料；高炉炉底炉缸；性能优化
前 言
钢铁是一个国家进行基础建设的原材料，象征着一个国家的工业化能力。从上世纪改革开放以来，钢铁行业发展迅猛，为我国基础建设事业做出了卓越的贡献。在钢铁产业发展的过程中，出现过许多的问题，比如，运行效率低下，生产成本高，污染严重等。经过几十年的发展，钢铁冶炼技术迭代更新，钢铁炼制的工艺越来越成熟。
在现代化的钢铁炼制工艺中，使用高炉炼铁仍然占据主导地位。为了提高高炉炼铁的产能，企业不断增大高炉容积，提升炼铁时的风温，而在钢铁炼制过程中，在炉膛内部会不断发生化学反应，反应过程中会产生铁水，炉渣，煤气等物质，使得高炉内衬的不同部位遭受到侵蚀。通过研究发现，炉缸炉底部位遭受的破损最为严重。当炉缸内衬破损严重时，只能停止生产，更换新的高炉内衬。
1高炉炉底炉缸侵蚀原理
高炉的炉底炉缸主要用来存储反应过程中产生的炉渣，铁水等物质，其位于风口的下方。在冶炼钢铁时，首先需要从风口通入预先加热好的热风，在热风的作用下，高炉内的铁矿石与焦炭发生化学反应，生成铁水，炉渣，焦炭等物质。之后生成的物质不断从炉腹滴落到炉缸中，最后当铁水存储的量达到高炉容量时，会开启出铁口与出渣口，将相应的物质排出。
高炉内衬主要用来保护高炉的内壁，防止铁水与高炉的内壁接触，目前大多数的炉衬使用的耐火材料为炭砖。在高炉运行的过程中，炭砖的背面与高炉内壁的冷却系统相连来对炉衬进行冷却，降低了炉衬表面的温度，使高炉能够稳定的运行。
在高炉连续进行高温高压的高强度运行过程中，对于高炉炉底炉缸的要求非常高。许多研究表明，如果高炉的炉底炉缸设计选材不合理，会对高炉的内衬造成严重的侵蚀。
导致炉衬损坏的原因既有物理原因也有化学原因。物理原因主要包括高温铁水和炉渣对炉衬的冲刷、温差导致的热胀冷缩产生裂缝等。化学原因包括高温铁水和炉渣造成的溶蚀、二氧化碳，水蒸气对炉衬造成的氧化等。
2高炉长寿化技术的研究
如上文所述，造成高炉内衬破损的原因多种多样。如何保护高炉炉底炉缸部位减少受到的侵蚀是提高高炉使用寿命的重要因素；如何有效延长高炉的使用时间受到了全世界炼制钢铁工作者的关注。要想延长高炉的使用寿命，是一项复杂的技术，需要综合应用许多技术。对全世界的高炉长寿化技术进行总结分析，可以从三个方面来提升高炉的寿命。1.优化结构设计。2.优化耐火材料。3.对高炉进行动态修补。
2.1高炉炉底炉缸结构优化
在钢铁炼制技术发展过程中，高炉炉底炉缸的设计理念发生过几次重大的变革。在上个世纪60年代，高炉炉底炉缸的内衬使用的耐火材料主要以黏土砖和高铝砖。由于当时对高炉炉底炉缸受到侵蚀的原理并不清楚，在设计高炉时，忽视了对炉缸炉底进行冷却，只是单纯地加深了高炉炉底耐火材料的厚度，延长炉底被烧穿的时间，这种方法并没有取得显著的成效。通过对淘汰的高炉炉底进行分析，发现高炉底部形成了异常的锅底状的侵蚀。如果依靠增加锅炉炉底厚度来防止炉底被烧穿反而会导致高炉底部的热量无法散发出去，高炉内部温度过高，加快高炉耐火材料被侵蚀的速度。随后这种技术被淘汰。
在对高炉炉底炉缸被侵蚀的原理研究过程中，许多炼铁工作者发现，如果能够降低高炉内衬的温度，就能有效减低对高炉底部的侵蚀，延长高炉使用的寿命。因此在后来的改进过程中，相关设计者依据热力学原理，通过优化高炉炉底炉缸的设计结构，在高炉炉底炉缸中增加了冷却结构，有效地提升了高炉使用的寿命。
上世纪80年代，法国陶瓷杯技术和美国的热压高导热小块炭砖技术诞生。通过将高导热炭砖技术与冷却技术相结合，能够有效降低高炉内壁的温度，从而减少内衬结构受到的侵蚀，同时能形成一层渣皮状的保护层，有效地起到了保护高炉内壁的用处。采用传热法的高炉炉缸有本钢的5号高炉，宝钢的3号高炉等。隔热法能够在高炉炉底形成一层隔离层。该隔离层具有耐高温，耐腐蚀，耐冲刷的特性。隔离层能够对反应产生的铁水和炭砖起到一定的保温效果，同时隔离层与冷却系统相连，能够保障高炉的稳定运行。
2.2高炉炉底炉缸材质优化
炭砖常常用作高炉炉底炉缸的内衬材料，其具有很好的抗碱抗渣性，导热效率高。因此炭砖在高炉的建设过程中得到了广泛推广，成为了选择高炉耐火材料的首选。之后对炭砖的材质方面进行了数次的优化，针对不同需求研发出了许多种材质的耐火材料。
炭砖的评价指标主要有：导热系数，微孔化率，抗侵蚀性三个方面。针对炭砖的优化也需要从这三方面入手。
当炭砖具有较强的导热能力时，就能有效缓解炉内反应时产生的高温对缸体的破坏，同时还会改变炉内温度的分布。此外高导热率的炭砖有利于在炉衬热面形成渣皮保护层，保护墙体受到物理冲击。目前国内使用的炭砖的导热率大大增加。一方面通过选择更好的原料，另一方面改善了炭砖的制备工艺和组织结构。通过在炭砖中加入适量的添加剂，按照一定的比例加入粘接剂来提高炭砖的导热性能。通过在炭砖的混料工序中加入碳纳米管，也能有效提升炭砖的导热能力。
2.3高炉炉底炉缸动态修补技术
高炉一旦开始运行，就会持续不断运转，在冶炼过程中，无法对高炉的耐火材料进行频繁的更换。而高炉内衬的耐火材料也会在各种因素下不断损耗。当高炉寿命将近时，高炉内衬被不断侵蚀，高炉内衬的厚度不断变薄，严重影响冷却的效果，高炉内的热量会持续上升，当热量积蓄到一定程度时会对周围的安全产生威胁。为了延长高炉使用寿命，保障生产安全，经常会使用一些材料对高炉的炉底炉缸进行修补。修补用到的材料为钛物料。
钛物料修补法也存在着明显的缺点。日本的一位研究人员分析指出，通过在外部涂抹钛物料仅有少部分的原料能够沉积到炉缸外表面，大部分的钛物料会溶解在炉内的铁水和炉渣中。当铁水中的钛含量过高时，会对铁水的粘度产生影响，导致铁水与炉渣的分离变得困难。此外，使用钛物料修补法需要持续稳定地加入钛物料，当添加钛物料的操作停止时，已经添加的钛物料修补物也会被铁水和炉渣溶蚀，随着炼铁过程的循环，炉内温度会再次上升，之前的安全隐患并未被消除。
结 语
综上所述，随着钢铁需求量的增长，高炉产能的不断提升。高炉炉底炉缸部位受到的侵蚀会越来越严重，这对高炉内衬的耐火材料提出了很高的要求。要求高炉内衬的耐火材料具有良好的导热性，抗侵蚀性，耐冲刷等性能。为了延伸高炉的使用寿命，不仅需要对高炉的结构设计进行改良，对相关的材质也需要进行优化。除此之外也需要从全局出发，考虑如何优化高炉炉底炉缸的结构设计，延长高炉使用的寿命。在材料制造方面，需要研究开发新型的耐火材料，钢炉不同的部位在运行过程中温度，压力等参数并不相同，因此不同部分需要使用性质的耐火材料，研究人员需要针对钢炉不同的部位研发不同的耐火材料。最后，研究人员要从设计与制备两方面出发进行研究，提升高炉的使用寿命。
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