高炉炉衬的设计与砌筑优化方案

高炉炉衬设计的内容是选择各部位炉衬的材质，确定炉衬的厚度，说明砌筑方法以及材料计算。炉衬设计的合理可以延长高炉寿命，并获得良好的技术经济指标。

做炉衬设计时要考虑到以下3点：

（1）高炉各部位的工作条件及其破损机理；

（2）冷却设备形式及对砖衬所起的作用；

（3）要预测侵蚀后的炉型是否合理。

3.2.3.1　砖型与砖数

砖型设计的合理才能保证砌筑质量。厚度一致可以获得最小的水平缝，长度选230mm和345mm两种可以使错缝方便，除需要直形砖外，宽度不等的楔形砖可以砌出环形炉衬。我国高炉用黏土砖和高铝砖形状及尺寸见表3-12。

表3-12　高炉用黏土砖和高铝砖形状及尺寸

砖数计算：炉底部位可按砌砖总容积除以每块砖的容积来计算。求每层的砖数时，可以用炉底砌砖水平截面积除以每块砖的相应表面积来计算。一般还要考虑2%～5%的损耗。如果需要计算砖的重量，则用每块砖的重量乘砖数。高炉其它部位都是环形圆柱体或圆锥体，不论上下层或里外层，都要砌出环圈来，而砌成环圈时必须使用楔形砖。若砌任意直径的环圈，则需楔形砖和直形砖配合使用，一般以G-1直形砖与G-3或G-5楔形砖配合，G-2直形砖与G-4或G-6楔形砖相配合。由于要求的环圈直径不同故直形砖和楔形砖的配合数目也不同。

如果单独用G-3、G-4、G-5、G-6楔形砖砌环圈可列出下式

式中　ns——砌一个环圈的楔形砖数，块；

a——砖长度，mm；

b——楔形砖大头宽度，mm；

b1——楔形砖小头宽度，mm；

由上式得知：每个环圈使用的楔形砖数ns只与楔形砖两头宽度和砖长度有关，而与环圈直径无关。由此得出：

同时得到单独用上述4种楔形砖所砌环圈的内径依次是4150mm、3450mm、1840mm、1897mm。如果要砌筑任意直径的圆环，需要直形砖与楔形砖配合使用，直形砖砖数可由下式计算：

式中　nz——直形砖数；

ns——楔形砖数，砖型确定后，是一常数；

b1——楔形砖小头宽度，mm；

b——直形砖宽度，mm；

d——环圈内径，mm。

计算例题：试用G-3与G-1砖砌筑内径为7.2m的圆环，求所需楔形砖数及直形砖数。

3.2.3.2　高炉各部位炉衬设计与砌筑

综合分析高炉炉衬的破损机理发现，高温是炉衬破损的根本条件，其次是渣铁液、碱金属的侵蚀，机械冲刷、渗漏、胀缩开裂、磨损等的动力作用也不可忽视，但就主次来说，应着重从传热学来分析，其次也要从化学侵蚀、动力学来研究，才能得到合理的炉衬结构。

A　炉底

炉底、炉缸承受高温、高压、渣铁冲刷侵蚀和渗透作用，工作条件十分恶劣。过去较长一段时间，炉底炉缸一律采用黏土砖或高铝砖砌筑，近数十年来大中型高炉广为采用炭砖砌筑。只有中小型高炉现在仍多采用黏土砖或高铝砖砌筑。

图3-3　综合炉底结构示意图

1—冷却壁；2—炭砖；3—碳素填料；4—水冷管；5—黏土砖；6—保护砖；7—高铝砖；8—耐热混凝土

1964年，鞍钢7号高炉首次采用综合炉底结构，它是在风冷管炭捣层上满铺3层400mm炭砖，上面环形炭砖砌至风口中心线，中心部位砌6层400mm高铝砖，环砌炭砖与中心部位高铝砖相互错台咬合，其寿命达到了12.4年，每1m3高炉容积产铁6471t。以后又在鞍钢多座高炉使用，不过在高铝砖和炭砖的厚度上有所调整，总的趋势是炉底减薄了。在使用综合炉底之前，高炉黏土砖炉底厚度要大于炉缸直径的0.6倍，综合炉底厚度可以降到炉缸直径的0.3倍。综合炉底结构见图3-3。

武钢也曾采用综合炉底结构，在生产中发现在高铝砖和炭砖咬砌部位产生环形裂缝，经分析认为是由于高铝砖和炭砖膨胀系数不同造成的，所以后来采用全炭砖炉底。宝钢1号4063m3高炉在大修前采用全炭砖炉底，全炭砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。目前大型高炉普遍采用全炭砖炉底。包钢实践证明，冶炼含氟矿石应采用全炭砖炉底。

炉衬砌筑质量和炉衬材质具有同等的重要性，因此，对砌筑砖缝的厚度、砖缝的分布等都有严格要求。

炉底砌筑：

（1）黏土砖和高铝砖炉底的砌筑。黏土砖或高铝砖炉底均采用立砌，层高345mm，砌筑由中心开始，成十字形，结构如图3-4所示。为了错开上下两层砖缝，上下两层的十字中心线成22.5°～45°；为了防止两层砖中心缝相通，上下两层中心点应错开半块砖。最上层砖缝与铁口中心线成22.5°～45°。

图3-4　黏土砖和高铝砖炉底砌砖

a—十字形砌砖；b—砌砖中心线
1—出铁口中心线；2—单数层中心线；3—双数层中心线

（2）满铺炭砖炉底砌筑。满铺炭砖炉底的结构见图3-5，炭砖砌筑在水冷管的炭捣层上。有厚缝和薄缝两种连接形式，薄缝连接时，各列砖砌缝不大于1.5mm，各列间的垂直缝和两层间的水平缝不大于2.5mm。厚缝连接时，砖缝为35～45mm，缝中以炭素料捣固。目前的砌法是炭砖两端的短缝用薄缝连接，而两侧的长缝用厚缝连接。相邻两行炭砖必须错缝200mm以上。两层炭砖砖缝成90°，最上层炭砖砖缝与铁口中心线成90°。

（3）综合炉底砌筑。综合炉底的砌筑见图3-6，炉底中心部位的高铝砖砌筑高度必须与周围环形炭砖高度一致，高铝砖与环砌炭砖间的连接为厚缝，环砌炭砖与冷却壁之间膨胀缝填以碳素填料。环砌炭砖为薄缝连接，炉底满铺炭砖侧缝为厚缝连接，端缝为薄缝连接。

图3-5　满铺炭砖炉底砌筑

a—薄缝；b—厚缝；c—炉壳；d—冷却壁；e—炭砖与冷却壁间填料缝

环砌炭砖为楔形炭砖，大小头尺寸由计算而定，厚度为400mm，第一层应能盖上3块半满铺炭砖，以上每层与高铝砖交错咬砌200～300mm，死铁层处炭砖比其下层炭砖长250～300mm。上下两层砖之间的垂直缝和环缝要错开，并且采用薄缝连接。

图3-6　综合炉底的砌筑

1—满铺炭砖；2—薄缝；3—厚缝；4—环砌炭砖；5—高铝砖；6—内环缝；7—外环缝；8—炭捣层；9—水冷管

B　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。

中小型高炉多采用黏土砖或高铝砖炉缸。

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，并且炭砖和黏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，因炉渣对黏土砖侵蚀强烈，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。

图3-7　炉缸砌砖(www.xing528.com)

1—砖环；2—碳素填料；3—冷却壁

炉缸砌筑：

（1）黏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（230mm+345mm）；中型高炉为920mm（230mm+345mm×2）；大型高炉为1150mm（230mm×2+345mm×2）或更厚些。

（2）炭砖炉缸砌筑。炉缸炭砖砌筑以薄缝连接。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。

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。

图3-8　渣口、风口和铁口的砌筑

1—炭砖；2—碳素填料；3—侧砌盖砖；4—异型砖；5—出铁口框；6—冷却壁

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黏土砖，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、挤压成型、800～1400℃烧成及机械加工而成。烧成中结合剂碳化，将炭颗粒黏结并部分挥发逸散，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，还与大炭砖热导率较低（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。

法国“陶瓷杯”与美国UCAR热压小炭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，美国提出了选用高热导率、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。其结构示意图如图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热导率比常规大炭砖几乎高一倍，因此有利于炉缸炭砖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炭砖的化学侵蚀。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

①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229mm×114mm×64mm～514mm×229mm×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（外部喷水冷却）砌成，其间没有炭捣厚缝，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，黏结强度及热导率均很高，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。20世纪80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层刚玉莫来石砖。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。

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。

图3-10　陶瓷杯结构及理论等温线分布图

（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Savoie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。

C　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黏土砖，厚度为345mm。

炉腰有3种结构形式，即厚壁炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰，见图3-12。

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，但侵蚀后操作炉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，但操作炉型与设计炉型近似，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黏土砖或高铝砖砌筑。包钢冶炼含氟矿石，炭砖砌到炉身三分之二处；宝钢1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。

图3-11　首钢1号高炉炉底、炉缸结构

图3-12　炉腰结构形式

a—薄壁；b—厚壁；c—过渡式

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1mm，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3层砖错台一次砌筑。

D　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摩擦而破损。该部位一般采用高铝砖或黏土砖砌筑。宝钢1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