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东北大学陈良玉机械工程与自动化学院教授机械设计及理论国家重点学科博士生导师教育部机械基础国家教学基地主任教育部机械基础课程教学指导委员会委员辽宁省安全生产监督管理局技术专家组成员024-83681950(O)13604046187(M)clysd@sina.com(E)0、背景●近10年多来,笔者研究炉缸侵蚀诊断与结构安全评估的理论、方法和技术,2012年10月通过了国家安全生产监督管理总局科技成果鉴定,并列入国家安全生产监督管理总局安全科技推广项目,先后完成了50多座高炉的侵蚀诊断与安全评估,取得了很好的技术经济效益.技术核心:多维冗余侵蚀诊断+热工和强度结合的评估准则.在侵蚀诊断和安全评估工作中,陆续发现陶瓷杯+碳砖结构的炉缸存在严重早期损伤和寿命短的问题.●对这一问题,我进行了较长时间的思考、计算和研究,在此向大家简要报告研究结果和心得.●炉缸存在的早期侵蚀过快和寿命短的问题,原因是多方面的,其中砌体结构形式和砖自身品质是一个重要方面.●高炉炉缸内衬的一般工作过程(1)新高炉开炉后,初期一般情况下由于内衬热阻大,铁水不能在内衬热面凝固,炉缸处于牺牲内衬材料的工作状态.这个阶段主要依赖内衬材料的抗性工作.(2)进入中期,当经侵蚀内衬剩余厚度达到砖的结厚自保护厚度时内衬热面具有了铁水凝固的动力,铁水凝层会减轻和避免内衬侵蚀。(3)之后,炉缸内衬再经历凝层脱落-侵蚀-凝层重生-再脱落的反复减薄过程,直到炉缸寿命的最后期.一、现象和观察炉缸内衬热面结厚的问题,实际上,这是一个有外部冷却的中心稳定给热的熔融铁水--热液体的散热问题,只要条件具备(铁水放热,内衬热阻,冷却强度等条件),铁水便可在内衬热面凝固.这是一个物理问题.炉缸向凉和冻结是其特殊情况.冶炼炼钢用铁水,炉缸一般不出现大量C的析出.一、现象和观察●基于上述炉缸内衬工作过程的观察,提出炉缸内衬长寿和安全的理念和对策(1)内衬材料性能:同时具有好的铁水抗性和较高的导热性能.好的铁水抗性——尽量延长牺牲材料服役时间,延长前期和中期寿命较高导热系数——与适当的较高的有效的冷却强度结合,实现好的结厚自保护性(2)进入中期,要使内衬结厚自保护厚度大于内衬安全厚度.实现炉缸的长寿和安全有机结合.结厚自保护厚度——与炉内铁水放热,内衬导热系数,冷却强度有关.内衬安全厚度——结构和操作参数一定时,由内衬材料的强度、导热性能和冷却强度决定.二、一种安全和长寿结合的设计和评估方法冷却结厚保护厚度Lc安全厚度Ls牺牲厚度Lx安全线临界结厚线L为服役的内衬剩余厚度;L0为内衬热面变质厚度(渗铁层+脆化层的厚度)。][,:)1(00SLLLSLLLscsc评估选择用砖和操作参数的●设计和操作上尽可能减小安全厚度Ls,增大结厚保护厚度Lc.●选材上,努力提高牺牲材料阶段的寿命,应选择铁水抗性高的砖,尽管目前的砖尚不能不被铁水磨损和侵蚀.●安全线或安全厚度Ls:由内衬结构强度和冷却壁热稳定强度确定.●临界结厚线和结厚保护厚度Lc:铁水放热、内衬导热性能和冷却强度确定.][,:)2(00SLLLSLLLss评估服役中的炉缸结构安全侵蚀状态:123炉内放热炉外散热内衬二、一种安全和长寿结合的设计和评估方法炉外散热冷却结厚保护厚度Lc安全厚度Ls牺牲厚度Lx安全线临界结厚线0LLLsc●情况1:结厚保护厚度Lc大于安全厚度Ls.内衬牺牲一段后,结厚,炉缸有一定的靠结厚工作期,利于延长寿命.炉内放热冷却结厚保护厚度Lc安全厚度Ls牺牲厚度Lx安全线临界结厚线0LLLsc●情况2:结厚保护厚度Lc小于安全厚度Ls.内衬牺牲,尚未达到结厚状态,便到安全线,停炉.炉缸只靠内衬牺牲工作.显然,实现情况1是好的,能发挥了材料牺牲和自保护两个作用.情况2是不好的,只能发挥材料牺牲一个作用.炉内放热炉外散热内衬内衬(1)炉缸内衬结构受内压的安全承载厚度Lpre——内衬外缘半径;σl——内衬材料的抗拉强度;p——内衬热面压力,p=pw+pg;pg——铁水自重压力,pg=ρgh;pw——风压.prLllep21:,用的结构强度条件根据圆筒结构受内压作体对于耐火泥连接的砖砌三、内衬的几个特征厚度●在炉缸直径和内压一定条件下,提高内衬材料的抗拉强度,可减小厚度Lp(2)炉缸冷却壁本体热稳定的内衬保护厚度LT由一维径向传热理论,炉缸内衬最小保护厚度rs为热面半径,re为冷端半径,rY为冷却壁中面半径,rC为冷却壁热面半径,k1为内衬导热系数,k2为填料导热系数,k3为冷却壁导热系数,TF为水温,TC为冷却壁热稳定温度(铸铁300℃,铸钢400℃,铜150℃)1321150()CThyCFTRkRRRTT[11/exp()]TeTLrRhY为冷却壁中面对流传热系数(水管排布结构,水速有关).附加热阻填料热阻附加热阻冷却壁热阻热阻eccyyyhyrrkRrrkRhrRln1;ln1;1:2233●炉缸直径和冷却壁结构一定条件下,LT正比于内衬导热系数,反比于冷却强度.max[,]spTLLL●炉缸侧壁内衬安全厚度Ls●炉底内衬安全厚度Ls炉底内衬承载厚度应保有两层完整碳砖,防止铁水沿砖缝向下窜,危害炉底冷却系统等,砖层厚度一般400~600mm,炉底内衬安全厚度Ls=800~1200mm理论上,特定部位的Ls取Lp和LT两值的大值.实际上,多以Lp为主,炉缸冷却壁与内衬之间多有附加热阻,导致LT减小.(3)炉缸侧壁内衬结厚自保护厚度Lc123115015001150FhyhiTRRRRR111ln,1eshisirRkrRrh上式为rs的超越方程,迭代计算.123115015001150FcBhiBBBhyTLkRRRR初始值取rs=re-LcB内衬热面半径rs计算式(热阻平衡式):根据德国著名冶金学者König1970年代提出的炉缸热平衡理论,secrrL内衬自保护厚度炉内铁水对内衬的传热系数.,,1,1333222附加热阻冷却壁附加热阻填料kLRkLRhRhRyhyBihiB●炉缸直径和冷却壁结构一定条件下,LC随内衬热阻,冷却强度和炉内铁水对内衬的传热系数hi.hi为铁水放热参数,与冶炼强度和铁水环流强度等有关.●以上内衬的几个特征厚度是一维传热和一维力学下的简单计算更为精确地计算应在二维和三维理论下进行.四、用设计准则评估炉缸内衬用砖表1炉缸侧壁内衬承压安全厚度Lp(概略值)mm表2内衬保护厚度LT(无填料层L2=0,铸铁冷却壁,无附加热阻)mm导热系数k1/(W/mK)101520水速v/(m/s)2.03.04.02.03.04.02.03.04.0内衬外缘半径re/m4.0195.2176.4162.1289.2261.7240.6380.8345.1317.65.0196.7177.7163.2292.2264.2242.8385.7349.1321.16.0197.8178.6164.0294.2265.9244.3389.0351.9323.47.0198.5179.2164.5295.7267.1245.3391.4353.9325.18.0199.1179.7164.9296.8268.0246.1393.2355.4326.49.0199.5180.1165.2297.6268.8246.7394.6356.6327.5内衬外缘半径re/m风压pw/MPa液面深度h/m铁水压力pg/MPa总压力p/MPa内衬承压安全厚度Lp/mm常用碳砖9RD-N砖碳复合砖4.00.272.000.140.41190.0154.5101.15.00.302.250.15750.4575263.5214.1140.56.00.322.500.1750.495340.0276.6181.87.00.352.750.19250.5425431.3351.4231.48.00.403.000.210.61548.0447.5295.69.00.423.250.22750.6475650.4531.6351.8导热系数k1/(W/mK)101520水速v/(m/s)2.03.04.02.03.04.02.03.04.0传热系数hi/(W/m2K)90内衬外缘半径re/m4.0309.2315.5320.4479.4489.1496.4663.4676.6686.65.0305.2311.6316.4469.4479.1486.4643.3656.3666.26.0302.7309.0313.9463.3472.9480.2631.2644.2654.07.0300.9307.3312.1459.1468.7476.0623.2636.1645.98.0299.6305.9310.8456.0465.6472.9617.4630.2640.09.0298.6305.0309.8453.7463.2470.5613.0625.9635.6表3内衬临界厚度Lc(无填料层L2=0,铸铁冷却壁)mm传热系数hi/(W/m2K)80内衬外缘半径re/m4.0358.7365.1370.0559.0568.7576.2778.8792.2802.45.0353.5359.9364.8545.7555.4562.8751.1764.2774.26.0350.3356.6361.5537.6547.2554.6734.8747.8757.77.0348.0354.4359.2532.1541.7549.0724.1737.0746.98.0346.3352.7357.5528.1537.7545.0716.5729.4739.29.0345.1351.4356.3525.1534.7542.0710.8723.6733.4举例:re=8.0m,L0=0mm,v=3.0m/s,hi=90W/m2K(1)一般微孔碳砖(平均k=10W/mK):Lc=305.9LS=max[548,179.7]=548mm,Lc/Ls=0.56,安全系数过小.(2)超微孔碳砖(平均k=15W/mK):Lc=465.6LS=max[548,268]=548mm,Lc/Ls=0.85,安全系数仍不到1.0.要到达Lc=Ls,平均导热系数需要提高到17.6W/mK.(3)9RD-N砖(平均k=18W/mK):Lc=564.4LS=[447.5,320.4]=447.5mm,Lc/Ls=1.26,安全系数超过1.0,满足设计准则.(4)C复合砖(平均k=16W/mK):Lc=498.5LS=[295.6,285.5]=295.6mm,Lc/Ls=1.69,安全系数远超1.0,满足设计准则.通过对比计算,在上述相同的炉内放热和炉缸冷却条件下,(1)常用微孔碳砖或超微孔碳砖因强度低(抗压强度40MPa),安全厚度要求大,不满足设计准则,LcLs+L0,超微孔碳砖稍好.换言之,若使微孔碳砖或超微孔碳砖其满足设计准则,需要降低炉内放热,这意味着降低冶炼强度和产量.(2)9RD-N砖(抗压强度50MPa,导热系数18W/mK),强度和导热系数均较高,能满足准则.(3)C碳复合砖(抗压强度78MPa,导热系数16W/mK),强度和导热系数均较高,能很好地满足准则.与一般碳砖相比,9RD-N砖和C复合砖都能满足准则,更能适应更高冶炼强度和生产率.C复合砖较9RD-N砖更好一些.四、用设计准则评估炉缸内衬用砖五、关于炉缸内衬用砖的性能指标●下面提出几个综合指标:(1)强胀比和模胀比—承载安全厚度有关对于受热结构用材料,希望力学强度高,热膨胀系数低,弹性模量低.但是强度高,往往弹性模量和热膨胀系数伴随升高.因此,要协调。●常用单项指标:抗压、抗折、抗拉强度,弹性模量,热膨胀系数,导热系数,抗铁水熔蚀指数,抗氧化,抗渣性,抗有害金属性,显气孔率,微孔率,等.,,,bwlbwlEE
本文标题:高炉炉缸热工设计准则及其他--XXXX年大高炉年会-酒钢
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