CN1204270C - 用于炼铁的高炉及操作这种高炉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于炼铁的高炉以及一种操作该高炉的方法，该高炉包括一块在其内侧安置了至少一层耐火砖砌体(15，16，17)的钢衬板(2)，所述钢衬板(2)通过砂浆接缝(5)和/或捣打配混料接缝(7)与砖砌体层相连以形成一种紧密粘合的结构，其中设有在钢衬板(2)内沿周向延伸且伸入壁中的金属型材(11)，该型材通过穿过钢衬板的连接部件(20)与钢衬板的外侧相连，每个组件包括一个金属型材(11)及其连接部件(20)以及钢衬板(2)，它们在垂直方向上形成了一个其弹性足以在工作中沿金属型材(11)与耐火砖(15、16、17)之间的水平面保持面对面接触的单元。在操作该高炉的方法中，根据散热量大于从壁散发的总散热量的50%来设定流经型材(11)的液体循环的流速。

Description

用于炼铁的高炉及操作这种高炉的方法
本发明涉及一种容器壁在热侧接触液态金属和/或液体炉渣的冶金容器的壁结构且尤其是用于竖炉的炉膛的壁结构，它包括一块在其内侧设有至少一层耐火砖砌体的钢衬板，所述钢衬板通过砂浆接缝和/或捣打的配混料接缝与耐火砖砌体层相连以形成一个紧密粘结的结构。已知的壁结构通常配备有一个外部冷却系统。本发明还涉及一种竖炉且尤其是一种高炉，它尤其是在炉膛区内具有这种壁结构，并且本发明还涉及用于这种新型的壁结构中的金属型材。
在其中在升高的气压下获得了更高的铁产量的现代大型高炉中，耐火砖砌体两次整修之间的时间尽可能地长是很重要的。这尤其在炉膛区中可能引起问题。
特别是在炉膛中，砖砌体暴露在炉内的气体保护气氛和存在于该区域内的液态金属和/或液体炉渣的作用下。炉内的气体保护气氛可能导致在耐火砖砌体上出现化学侵蚀而且通常是碱侵蚀，而铁水可能对耐火砖砌体产生高温、化学侵蚀和机械侵蚀的综合影响。这种侵蚀部分是由于铁水通常没有饱含碳并因而会溶解砖砌体中的碳而引起的。
就炉膛砖砌体的结构而言，重要的是，砖砌体在热侧不应该在高温下因其热膨胀的趋势而碎散。有人发现，含碳的材料如石墨和半石墨在这种环境下是最耐碎散的，但是这些材料的混合物意味着它们也容易受到可能或可能没有饱含碳的铁水的侵蚀。通过这些含碳材料溶解在铁水中这一事实充分证明了这种易蚀性。
已经发现，如果能够在砖砌体的内侧上形成一层基于一种以不同的混合比例由凝固的铁、渣和焦炭颗粒构成的混合物的固体层，则砖砌体不受铁水的影响。这种所谓的“渣壳”在低于1100℃-1150℃的温度下成型于砖砌体上。另外，渣壳的形成也取决于铁水流入炉膛的速度。由于铁水只在高炉的几个出铁口所在的部位定期地流出炉膛，所以铁水不仅具有垂直的流动分量，还在高炉的周向上具有流动分量，这导致了铁水更快速地沿砖砌体流动。流经的铁水会重新溶解掉这个区域中的渣壳。只有当砖砌体的热侧可以通过足够强的砖砌体散热而保持充分冷却的时候，在砖砌体上形成的渣壳将总是足以保护砖砌体免受侵蚀。
应该注意地是，积铁现象经常出现在高炉中，即主要基于焦炭和铁的固体炉渣在炉膛内形成。尤其是如果“积铁”的范围很大并具有低的孔隙度时，铁水沿砖砌体壁的循环速度将增大并因而加强了对渣壳的侵蚀。这种现象还要求更强烈的经由砖砌体产生的散热，以便使砖砌体热侧的温度保持足够低，从而使渣壳仍然保持在原位。
炉膛砖砌体通过深插入砖砌体中的且使水流经其中的冷却板或设置在钢衬板中的所谓“板式冷却器”的散热不是优选的。如果渣壳发生掉落或熔化并且部分砖砌体在该区域内熔解，则铁水可能接触到例如深插入砖砌体中的这种水冷的铜冷却板。在这种情况下，冷却板的铜可能被熔化，于是流入高炉中的水可能导致爆炸，接着使炉壁坍塌。为此，通常最好使壁结构的钢衬板具有一外冷却特征，以便冷却炉膛。这种冷却特征一般是一种喷水冷却系统，可以利用该系统将钢衬板的温度保持在大约50℃左右。在钢衬板的温度大约为50℃的情况下，不可能总是保持砖砌体的热侧低于大约1100℃，即使采用的是由具有优良导热性能的石墨和/或半石墨制成的耐火砖。在这种情况下，应该注意的是，砖砌体必须具有足够的厚度以使偶然渗透的危险性足够低。
人们发现，砂浆接缝和捣打的配混料接缝明显阻碍了通过砖砌体的散热。砖的外层通常被放置成贴靠在钢衬板上，并且砂浆或捣打的配混料位于其间，在这种情况下，砂浆接缝的厚度例如可以是3毫米-5毫米，而捣打的配混料接缝的厚度例如可以是30毫米-120毫米。这种接缝一方面用于补偿钢衬板的尺寸偏差并在另一方面用于形成钢衬板与外砖砌体层之间的热接触。如果在壁结构中沿径向铺设了许多层耐火砖，则还需要在这些砖层之间搭设接缝，并且通常为此而采用捣打的配混料。在任何情况下，象直接位于钢衬板后的接缝那样，该接缝也可以用作一个膨胀缝。例如，这种接缝可以有50毫米宽。已经发现，如果砖砌体是由λ＞20w/m℃的砖构成的，则砂浆接缝和/或捣打的配混料接缝可能在砖砌体对钢衬板外侧的总热阻中起到50％-80％的作用。如果壁结构略微通气，则这个问题可能变得更加严重。例如，如果在钢衬板中存在明显的温差，则砂浆接缝可能张开，结果形成一个气体的绝热层。如果各耐火砖的热作用造成含捣打配混料的接缝不够严密的话，则可能出现类似现象。
本发明的目的是要提供一种解决上述问题的方案，尤其是要改善从砖砌体的热侧的散热情况，以致可以连续地在那里形成渣壳。本发明的要点在于以下事实，即在已知的壁结构中，设置了在圆周方向上分布于钢衬板内且伸入炉壁中的金属型材，这些型材都通过穿过钢衬板的连接部件与钢衬板的外侧相连，每个组件包括一个金属型材及其连接部件以及钢衬板，它们在垂直方向上形成了一个其弹性足以在工作中沿金属型材与耐火砖之间的水平表面保持面与面的接触的单元。通过金属型材而得到改善的导热性能与因弹性地固定金属型材而导致的外层砖与金属型材沿水平表面的直接面对面接触的综合方案在很大程度上减小了部分接缝的热阻。应该注意的是，如果热膨胀会使耐火砖略微垂直地移动的话，则需要垂直地弹性固定金属型材，以便确保在装配完壁结构后保持耐火砖与型材之间有面对面的接触。
根据本发明，如果型材还可以在径向上相对钢衬板活动且其活动程度足以在工作中沿垂直表面保持与耐火砖的面对面的接触，则将进一步减小壁结构的热阻。因此，可以将任何存在的接缝缩小到实际为零的宽度，在这种情况下，该接缝的热阻也很低。尤其是如果设置了拉紧件以便在机械预应力下保持型材沿径向压贴在耐火砖上，则可以获得上述效果。应该注意的是，垂直地弹性连接金属型材可以在金属型材和通过缩孔力支承在其上的耐火砖之间获得机械预应力。
显然，在金属型材与钢衬板之间也存在热阻。但是，如果金属型材根据本发明地受到冷却，则其作用可以忽略不计。根据本发明，一种可行方案的要点在于金属型材和/或其连接部件被至少部分地设计成所谓的“导热管”。导热管是众所周知的结构件，其中液体和这种液体的蒸汽存在于该构件内的一个封闭的孔腔中。这允许热量强烈地流过导热管。根据本发明的另一个实施例，金属型材配有一个导管以及与一条冷却剂环路相连的供给和排放装置。直接冷却金属型材意味着不再需要通过钢衬板从金属型材中散热。最好，采用由主要包含铜的金属制成的金属型材。这保证了良好的导热性，同时可以很容易地由铜制出带导管的型材。型材具有一定的独立活动性是很重要的。由于必须要由上述的弹性活动吸收掉的热变形是很小的，所以这不会造成任何主要的设计麻烦。在本发明的一个可行的实施例中，在钢衬板内的型材被布置成破碎环和/或以偏置的方式布置。根据另一个实施例，在钢衬板内的型材形成了具有至少10个型材且优选地具有30-50个型材的环。根据新型壁结构的一个可行的实施例，型材在热壁侧具有一个对应于壁的局部曲率半径的弯曲表面。根据另一个实施例，型材在热壁侧可具有共同形成一个规则多边形的平面。于是，这可以使耐火砖也在其外径向侧上具有平坦的边界面。结果，可以在型材和沿径向压在其上的耐火砖之间获得良好的热接触水平。
为了沿型材与耐火砖之间的水平表面获得良好的面对面接触并且出于其它的设计原因，最好使型材在径向上伸离钢衬板15厘米-30厘米。另外，根据本发明，型材最好以40-80厘米的距离垂直地定位。
假设砖砌体具有相等厚度，则本发明可以散发明显更多的热量，结果可以在砖砌体的热侧上获得比较低的温度。推荐根据散热量大于从壁散发的总热量的50％地设定循环流经型材的液体流速。
根据新式壁结构的一个可行实施例，砖砌体在径向上包括一层具有不同长度并分布到钢衬板附近且靠在金属型材上的耐火砖。这种设计具有不存在包含捣打的配混料的插入间隙的优点。
根据新式壁结构的另一个有利实施例，砖砌体在径向上包括两层耐火砖，在这两层砖之间，各水平耐火砖层的接缝在径向上是错开的。因此，在这种情况下，不存在连续的接缝，而是外层的耐火砖和内层的耐火砖沿水平表面以面对面接触的方式依次地相互支承。结果，热量直接通过这些水平面从内层砖(沿径向靠内的砖)传递到外层砖(沿径向靠外的砖)。
在接缝仍然存在于所提出的壁结构中例如在钢衬板和型材之间、在钢衬板和耐火砖之间以及在沿径向彼此相邻的耐火砖之间的情况下，根据本发明，这些接缝可被填充以一种导热性能优良的塑性配混料。但是，耐火砖也可以干燥地贴靠在钢衬板上。如果配混料含有只在高温下蒸发的焦油成分，则可也可获得相同的效果。通常，在其之间涂抹薄薄一层砂浆地铺设耐火砖，但是砂浆层接着也形成了热桥。尤其是，如果热流不是只沿径向行进的话，例如当高炉只通过数目有限的出铁口出铁时，在砖砌体的周向上不存在明显的热阻是很重要的。
本发明现在允许砖砌体几乎永久地受到渣壳的保护。结果，极明显地降低了与使用石墨和/或半石墨和/或具有≤1微米的孔且其导热系数λ＞15w/m℃的含碳材料做的耐火砖有关的危险性，因此也最好采用这种耐火砖，因为由这些材料制成的耐火砖只在比其它耐火材料高许多的温度下因热应力的影响而破碎并且它还具有很高的导热性。
本发明还涉及一种高炉的操作方法，假定砖砌体具有相同的厚度，则该方法可以散发出更多的热量，结果可以在砖砌体的热侧获得比较低的温度。推荐根据散热量大于从壁散发的总热量的50％地设定流经型材的液体循环的流速。
以下将参见几张附图来解释本发明。
图1是常用高炉中壁结构的示意图。
图2以纵向截面图示出了本发明壁结构的细节。
图3以不同的比例示出了沿图2的III-III线的剖视面。
图4示出了图1中根据本发明的细节。
图1以纵向的截面图示出了高炉炉膛的部分壁的示意图。参考标号1表示炉膛的轴线，标号2表示钢衬板。借助来自一个喷水冷却系统4的水流3来冷却钢衬板2。在钢衬板2的后面，按顺序地设置了接缝5、外层耐火炉壳6(沿径向靠外)、第二接缝7、内层炉壳砖8(沿径向靠内)和渣壳9。图1还示意地示出了焦炭的固体和凝固的铁10，这在专业领域中被称为“积铁”。当高炉出铁时，液态的生铁沿向下的方向a和周向b流过炉膛，液态生铁之所以周向流动是因为只在环绕高炉圆周的几个部位出铁的缘故。所谓的渣壳包括主要含有焦炭和铁的凝固材料。
为了便于图示起见并且与本发明无关地，在图1的底部示出了一个温标，它示出了温度分布图是如何经过钢衬板2的水冷外侧之间的壁结构而进入渣壳9与积铁10之间的液态金属的。
示炉膛的轴线，标号2表示钢衬板。借助来自一个喷水冷却系统的水流3来冷却钢衬板2。在钢衬板2的后面，按顺序地设置了接缝5、外层耐火炉壳6(沿径向靠外)、第二接缝7、内层炉壳砖8(沿径向靠内)和渣壳9。图1还示意地示出了焦炭的固体和凝固的铁10，这在专业领域中被称为“积铁”。当高炉出铁时，液态的生铁沿向下的方向a和周向b流过炉膛，液态生铁之所以周向流动是因为只在环绕高炉圆周的几个部位出铁的缘故。所谓的渣壳包括主要含有焦炭和铁的凝固材料。
为了便于图示起见并且与本发明无关地，在图1的底部示出了一个温标，它示出了温度分布图是如何经过钢衬板2的水冷外侧之间的壁结构而进入渣壳9与积铁10之间的液态金属的。
尽管在实际中试图使砂浆接缝5和含捣打配混料的接缝7尽可能地薄，但可以从该温标中看出，冷却水与铁水之间温差在相当大的部分上是由接缝5和7引起的。为了能够在渣壳9的位置获得足够低的温度，本发明的目的是尽可能大地提高通过壁结构的散热并且为此减小由接缝5、7引起的明显温降。
图2以放大的比例示出了图1所示的本发明壁结构的局部。在图中，砖砌体6的耐火砖15、16和17位于钢衬板2的内侧和接缝5的内侧。另外，带有一个通孔12的铜制型材11位于钢衬板2的内侧。该通孔与一个供水管13和一个排水管(未示出)相连。水沿箭头14的方向被供给通孔12，结果型材11承受强制冷却。耐火砖17的接触面21b压在铜制型材11上，结果形成了非常好的热接触和从耐火砖15向型材和流经型材的冷却水的散热。在构建耐火砖砌体时，要保证耐火砖16的上表面和型材11的上表面也精确地位于同一个平面内。如果适当的话，则这可能需要用例如金属箔来进行修正。结果，耐火砖15也可以在接触面21a所在的位置上紧贴着型材11。供水和排水管13以一定的间隙插入钢衬板上的一个开口中，结果型材11可以在垂直方向上有一定的运动自由度。型材11的这种运动自由度也可以由供水和排水管13与钢衬板2之间的弹性连接来提供。由于耐火砖15、16和17一个在另一个的顶部上地堆放在一起，所以它们在其水平边界处具有良好的热接触，而且在通过与型材11接触的接触面21a、21b加热壁结构时，即使在壁结构中出现了一些热膨胀，也由于型材11可以沿垂直方向弹性移动而保持了这样良好的热接触。
在装配时，将耐火砖16贴放在型材11的前表面上，由此也保证了型材11与耐火砖16之间有良好的热接触。在砖砌体受热而产生热变形的过程中，由于在管13上设置了套环18而也可保持这种良好的热接触。对该套环18施加预应力A保证了型材11在该预应力的作用下总是被压靠在耐火砖16上。应该注意的是，预应力A不必通过管13来传递，而是也可以通过钢衬板上一个单独的通孔而作用于型材的中心。示意地由颈圈19和波纹管20示出了通过钢衬板对高炉进行气封的情况，这些部件也可以提供型材11与钢衬板2之间的弹性连接。实际上，为此可以采用各种设计方案。
图3以横向视图并以缩小的比例示意地示出了沿图2的III-III线的截面。在这种情况下，两个型材11位于钢衬板2的内侧，它们在远离钢衬板的那一侧设有平面。在钢衬板2的内侧，型材形成了一个连续的环，该环在内侧成多边形。耐火砖22-25按照与图2中的耐火砖16相同的方式支承在型材11的平的内侧上。该图示出了耐火砖间的接缝26、27和28。
图4示出了在本发明实施例中的图1所示的IV局部。在这种情况下，外砖砌体层6(见图1)包括耐火砖15、16和17(也参见图2)。在这些耐火砖的内侧上是砖砌体层8的耐火砖(见图1)。这些砖是耐火砖29、30和31，它们通过单独的接缝7a、7b和7c与耐火砖15、16和17分开。在新颖的设计结构中，砖砌体层6和8仍然通过重叠的水平接触面32和33保持直接的热接触，以代替完全分开砖砌体层6和8的接缝7(见图1)。这样，显著地减少了由接缝7引起的温度突变，由此改善了提供砖砌体的强烈散热。
另外，通过在接缝5(见图2)和/或单独接缝7a、7b、7c(见图4)中设置导热性高的塑性配混料而获得了对通过壁结构的散热的进一步的改进。为此采用了一种含有在高温下蒸发的焦油成分且含有金属锡或金属锡合金的配混料。为了在周向上也获得良好的导热性，在径向接缝26、27和28中也采用作为其中一种成分地含有锡的砂浆(见图3)。当铺设耐火砖22-25时，这些接缝26、27和28要保持得尽可能地窄。

Claims (19)

1.一种用于炼铁的高炉，它至少在炉膛部分包括一块在其内侧安置了至少一层耐火砖砌体(15，16，17)的钢衬板(2)，所述钢衬板(2)通过砂浆接缝(5)和/或捣打配混料接缝与砖砌体层相连以形成一个紧密粘合的结构，其特征在于，在炉膛部分中设置了在钢衬板(2)内沿周向延伸且伸入壁中的金属型材(11)，所述型材中的每一个都通过两个水平间隔开的且分别穿过钢衬板的连接部件(13)与钢衬板的外侧相连，该连接部件(13)配备有预应力施加机构(18，19，20)，该机构用于施加预应力，以确保各型材(11)总是保持压靠在耐火砖(15，16)上，从而维持在工作中沿金属型材与耐火砖之间的垂直面和水平面的面对面接触。
2.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，金属型材(11)和/或其连接部件(13)被至少部分地设计成这种类型的所谓“导热管”，即它包括一个容纳有液体及这种液体的蒸汽的封闭腔。
3.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，金属型材(11)配有一个导管以及与一条冷却剂环路相连的供给和排放装置(14)。
4.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，金属型材(11)由主要包含铜的金属制成。
5.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，在钢衬板(2)内的型材(11)形成了破碎环和/或以偏置的方式布置。
6.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，在钢衬板(2)内的型材(11)形成了具有至少10个型材的环。
7.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，型材(11)在热壁侧具有一个对应于壁的局部曲率半径的弯曲表面。
8.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，型材(11)在热壁侧具有共同形成一个规则多边形的平面。
9.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，型材在径向上伸离钢衬板(2)15-30厘米。
10.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，型材以40-80厘米的距离垂直地定位。
11.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，砖砌体在径向上包括一层具有不同长度并分布到钢衬板附近且压靠在金属型材上的耐火砖。
12.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，砖砌体在径向上包括两层耐火砖，在这两层砖之间，各水平砖层的接缝在径向上是错开的。
13.如权利要求1-12之一所述的高炉，其特征在于，在钢衬板(2)与型材(11)之间、在钢衬板与耐火砖之间以及在沿径向彼此邻接的耐火砖之间的接缝被填满一种导热性高的塑性配混料。
14.如权利要求13所述的高炉，其特征在于，所述配混料含有在高温下蒸发的焦油成分。
15.如权利要求13所述的高炉，其特征在于，所述配混料含有一种熔点或熔化范围在200℃和1100℃之间的金属或金属合金。
16.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，在砖之间径向延伸的接缝含有一种熔点或熔化范围在200℃和1100℃之间的金属或金属合金。
17.如权利要求16所述的高炉，其特征在于，所述金属或金属合金为锡。
18.如权利要求1所述的高炉，其特征在于，砖砌体包括由石墨和/或半石墨制成的耐火砖和/或具有≤1微米的孔且其导热系数λ＞15w/m℃的含碳耐火砖。
19.一种操作用于炼铁的高炉的方法，该用于炼铁的高炉至少在炉膛部分包括一块在其内侧安置了至少一层耐火砖砌体(15，16，17)的钢衬板(2)，所述钢衬板(2)通过砂浆接缝(5)和/或捣打配混料接缝与砖砌体层相连以形成一个紧密粘合的结构，其中，在炉膛部分中设置了在钢衬板(2)内沿周向延伸且伸入壁中的金属型材(11)，所述型材中的每一个都通过两个水平间隔开的且分别穿过钢衬板的连接部件(13)与钢衬板的外侧相连，该连接部件(13)配备有预应力施加机构(18，19，20)，该机构用于施加预应力，以确保各型材(11)总是保持压靠在耐火砖(15，16)上，从而维持在工作中沿金属型材与耐火砖之间的垂直面和水平面的面对面接触，其中，金属型材(11)配有一个导管以及与一条冷却剂环路相连的供给和排放装置(14)，其特征在于，根据散热量大于从壁散发的总散热量的50％来设定流经型材(11)的液体循环的流速。
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