高炉炉底炉缸耐火材料结构与性能优化研究

摘要

高炉长寿是钢铁企业高效低耗的重要保证。随着高炉炼铁技术的发展，炉衬用耐火材料使用环境日益严苛，高炉长寿化要求对耐火材料提出了更大挑战。高炉炉缸炉底部位耐火材料长期储存炽热铁水，在高炉连续运行过程中难以及时更换破损炉衬，其寿命决定高炉一代炉役。长期实践表明，优质的耐火材料及合理的炉衬结构是高炉长寿的基础。因此，分析高炉耐火材料内衬侵蚀机理，并采取行之有效的措施改进炉衬结构与材质，对于延长高炉寿命具有重要意义。 本论文从结构设计与材质优化两方面开展研究工作。首先，通过有限元模拟方法计算不同耐火材料配置条件下炉缸炉底的温度场分布，探讨铁水“软熔层”的形成条件，为下一步炉底炉缸各部位耐火材料的开发指明方向。在此基础上，针对传统电煅煤基炭砖导热性能差的问题，系统研究影响炭砖导热系数的主要因素，并借助支持向量机(Support Vector Machine)算法求出炭砖导热系数的预报公式;针对人造石墨骨料抗铁水性能较差的缺点，在炭砖中构造陶瓷包覆炭质颗粒结构，并进一步添加活性陶瓷相，系统研究工艺参数对人造石墨基炭砖孔结构及其导热和抗铁水溶蚀性能的影响。此外，本工作中还借鉴人造石墨基炭砖设计思路，研发了新型高炉用刚玉基耐火材料，系统研究了人造石墨加入量对刚玉基耐火材料性能的影响，以期在维持高抗侵蚀性的前提下获得良好的微孔与导热性能。通过上述研究工作，可以得到以下结论: (1)高导热砌筑法炉缸易造成炉缸铁水散热过快，隔热砌筑法中炉缸工作面耐火材料热应力过大。当炉底炉缸部位使用多层砌筑结构，耐火材料导热系数由内至外从10W/(m·K)至40W/(m·K)逐步提升时有利于在炉底构筑软熔层，而炉缸部位难以通过调整温度场使铁水在工作面充分降温，仍需通过优化炉衬材质以实现长寿化目标。 (2)人造石墨的加入有助于提升电煅煤基炭砖的导热系数，并降低导热性能的各向异性，但会影响炭砖的抗铁水溶蚀性能;由支持向量机建模分析得知，人造石墨含量对导热系数提高的影响较为明显;借助该建模方法获得了炭砖导热系数的预报拟合公式，该公式具有较高精度，可用于炭砖导热系数的优化与预报。 (3)调整人造石墨骨料的临界粒度并使用原位反应技术与颗粒紧密堆积技术，可以在骨料表面构筑氧化铝与碳化硅晶须的包覆结构，可提升人造石墨基炭砖的抗铁水侵蚀性与微孔化率。 (4)使用高温反应活性较高的蓝晶石、红柱石与硅线石细粉等量替换氧化铝，可以在炭砖热处理过程中发生莫来石化反应。三石莫来石化的过程有利于碳化硅晶须的生成，进一步优化人造石墨基炭砖试样的微孔性能。横向对比三石，蓝晶石所需反应温度较低。 (5)人造石墨基炭砖添加二氧化钛微粉经1400℃埋炭焙烧可以原位生成碳氮化钛相，并有利于促进碳化硅晶须生长。外加6％TiO2时，其平均孔径低于100nm，小于1μm孔容积达到90％，室温导热系数高达53.43 W/(m·K)。抗铁水侵蚀实验表明，这种原位形成碳氮化钛的炭砖试样有利于构筑类似钛矿护炉法所形成的高粘度层，减少钛矿护炉所造成的钛资源浪费。 (6)在传统陶瓷杯基础上使用粒径≤1mm的人造石墨骨料替代对应粒度的棕刚玉骨料并加入硅微粉与沥青粉有助于在维持高抗侵蚀性的前提下优化试样的微孔化率与导热系数。这种新型耐火材料不仅可以用于炉缸部位抵御铁水的冲刷侵蚀与渗透侵蚀，还可通过改变人造石墨骨料含量以调整导热系数，砌筑于炉底，实现软熔层的构筑。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 前言

1．2 高炉炉底炉缸侵蚀机理

1．2．1 铁水渗透与冲刷侵蚀

1．2．2 碱金属与锌的化学侵蚀

1．2．3 热应力

1．2．4 氧化侵蚀

1．3 高炉长寿化技术研究现状

1．3．1 高炉炉底炉缸结构设计

1．3．2 高炉炉底炉缸材质优化

1．3．3 高炉炉底炉缸动态修补技术

1．4 本论文的提出及研究内容

第2章 炉底炉缸温度场设计与模拟计算

2．1 传热学理论

2．1．1 热量传递基本方式

2．1．2 温度场、等温线与温度梯度

2．1．3 导热系数

2．1．4 多层壁的导热

2．2 数学模型的选取

2．3 有限元计算原理与计算流程概述

2．3．1 建立炉底炉缸物理模型、数学模型与确定边界条件

2．3．2 设定材料参数与初始条件

2．4 温度场计算结果及分析

2．4．1 高导热砌筑结构

2．4．2 隔热砌筑结构

2．4．3 “扬冷避热”砌筑结构

2．5 本章小结

第3章 电锻煤基炭砖导热性能优化与预报

3．1 计算机数据处理方法在耐火材料中的应用

3．1．1 传统数据处理计算方法

3．1．2 支持向量机算法

3．1．3 使用支持向量机算法优化炭砖导热系数

3．2 实验

3．2．1 实验原料

3．2．2 配方组成

3．2．3 实验过程

3．2．4 结构与性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 物相组成与显微结构

3．3．2 导热系数

3．3．3 炭砖导热性能的分析与预报

3．3．4 常规物理性能及抗铁水侵蚀性

3．4 本章小结

第4章 人造石墨基炉缸用耐火材料性能研究

4．1 在炭砖中构筑陶瓷包覆炭质骨料结构

4．1．1 实验原料与流程

4．1．2 实验结果与讨论

4．2 添加活性陶瓷相

4．2．1 实验原料与流程

4．2．2 实验结果与讨论

4．3 原位生成高抗蚀Ti(C，N)术

4．3．1 实验原料与流程

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 本章小结

第5章 高炉陶瓷杯用刚玉基耐火材料材料性能研究

5．1 实验

5．1．1 实验原料

5．1．2 配方组成

5．1．3 实验过程

5．1．4 结构与性能表征

5．2 结果与讨论

5．2．1 物相组成与显微结构

5．2．2 微孔性能

5．2．3 其它性能变化

5．2．4 讨论

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

本论文的创新点

附录1 攻读博士期间取得的科研成果

致谢