高炉炉缸热工设计准则及它.pdfVIP

第十四届全国大高炉炼铁学术年会论文集 高炉炉缸热工设计准则及其它 陈良玉1姜华2孙景冬1程锦泽1 (1．东北大学2．宝钢股份公司) 摘要本文讨论并提出高炉炉缸热工设计的一个新准则，该准则以内衬临界厚度大于等于内衬安全厚度为特征。在简化 的基础上，根据传热学理论和结构力学一强度理论，推导了内衬临界厚度、安全厚度的计算方法。通过算例讨论了新提出 的设计准则的应用，讨论了炉缸内衬选材用砖问题，探讨了评定内衬用砖的综合性能指标。 关键词 高炉炉缸 内衬临界厚度安全厚度热工设计准则 l概述 服役的高炉炉缸内衬热面与熔融铁水直接接触发生物理、化学的侵蚀，这是一种冶炼工艺性和进行 性的表层材料的流失和损伤。随内衬的侵蚀发展，内衬厚度逐步减小，内衬厚度减小到达一定程度就会 发生内衬减薄性的炉缸烧穿。炉缸烧穿是高炉安全生产的大敌，避免炉缸烧穿是高炉操作中极其重要的 任务。 从技术上看，通过炉缸的热工测量参数，再经适当的传热计算可以掌握内衬的侵蚀形貌和剩余厚度， 目前国内外已经开发了多种基于传热理论的内衬侵蚀诊断方法和技术。但是，内衬减小到何等程度应停 炉大修呢?这里有一个内衬安全厚度问题，由于炉缸结构、耐火材料、操作的条件等存在多样性和复杂 性，到目前尚没有一致的认识。而内衬的安全厚度对于实现科学停炉，避免内衬减薄性炉缸烧穿是具有 重要意义的技术指标，因此很有必要开展针对性的分析和研究。 高炉炉缸结构是在承受内部压力和热负荷下工作的，内衬安全厚度的影响因素或限制条件是：(1) 在炉壳对内衬的紧箍力不足或消失的条件下，铁水压力和操作风压力的复合压力作用下，内衬砌体产生 环向拉应力，拉应力超过其抗拉强度导致强度不足而破裂。(2)对于含有冷却壁的炉缸，服役中光面冷 却壁承受热负荷，温度升高，为使冷却壁本体保有热稳定性强度，其热面温度应低于其热稳定性温度， 需要一定的冷却强度和一定厚度的内衬及填料层。 现场操作经验和研究文献[1_4壤明，由于目前尚没有在熔融铁水接触情况下不发生侵蚀的耐火材料， 所以除了研发和选用高抗性的耐火材料以外，炉缸长寿寄予内衬热面形成结厚层。内衬热面形成铁水结 厚层的机制是明确的，就是通过选配适当的高导热系数的内衬材料和高的冷却强度促进铁水在内衬热面 的凝固结厚。这里有一个重要的观察点，即铁水在内衬热面的临界凝固条件。显然，冶炼强度和生产率、 铁水黏度(如受钛含量影响等)、内衬材料导热性能、冷却强度及炉缸结构热阻和附加热阻等是影响铁水 临界凝固条件的主要参数。铁水在内衬热面临界凝固是一种受上述诸因素和参数控制的热稳定状态，可 用内衬临界厚度来度量和表征。 新高炉开炉后，一般情况下由于内衬热阻大，铁水不能在内衬热面凝固，炉缸处于牺牲内衬的服役 状态，主要依赖内衬材料的抗性工作；进人中期，当经侵蚀内衬剩余厚度达到临界厚度时内衬热面具有 了铁水凝固的动力，铁水凝固层会减轻和避免内衬侵蚀。之后，炉缸内衬再经历凝铁脱落一侵蚀一凝铁重 生的反复减薄过程，直到服役的最后期。 从炉缸结构安全和长寿的角度，若在设计和操作中实现并保持内衬临界厚度大于内衬安全厚度的工 作状态(尤其是在炉缸服役后期)，那么就实现热工意义上的安全与长寿的结合，将其作为设计和评估准 则也就具有了科学意义和实际意义。 2圆筒炉缸内衬结构受内压的安全承载厚度【5] ·23· 第十四届全国大高炉炼铁学术年会论文集 高炉炉缸结构通常有圆筒形和锥筒形两类，为研究方便，取圆筒形结构作为对象。炉缸结构一般由 内衬、内填料、冷却壁、外填料和炉壳组成，其中片块状的冷却壁为非连续层。在内压(铁水压力和操 作风压力的复合压力)和热负荷作用下，炉缸处于热态过盈接触状态。当这种热态过盈状态是各层之间 无间隙的，炉壳的紧箍作用通过冷却壁及内外填料层对内衬产生压力。当其中的某两层之间存在间隙时， 炉壳对内衬的紧箍压力消失，内衬中的环向应力表现为拉应力。内衬的承载厚度由环向抗拉强度控制， 需要注意的是内衬使用的耐火材料是抗拉强度远小于抗压强度的强度非对称的脆性材料。取单层内衬材 料的圆筒结构(图1)，忽略热应力，内外表面受内压p和外压肛作用，其外缘不破坏的强度条件为：