高爐爐缸整體澆注技術，相較于傳統的砌磚襯，是真正意義上的“杯”結構，起到良好的隔離和隔熱的作用，實踐證明，該技術更有助于高爐長壽。而其所涉及的澆注料設計和新澆注襯的結構設計，是整體澆注技術的關鍵。

　　高爐爐缸整體澆注優勢明顯

　　現代高爐大修，陶瓷杯一般為砌磚或澆注體構造。運行幾年以后，為改善氣流分布或降低燃料比，鐵廠會短期停爐，做內襯及風口帶修復，不處理陶瓷杯而開爐復產。這種不放殘鐵短期修復的方式，在開爐以后，會遇到以下常見問：

　　首先，爐缸降溫后，澆注體出現裂紋、或磚襯縫隙變大，不加處理，則開爐后會有滲鐵風險；

　　第二，爐底死鐵層凝固過程，與周圈耐材脫離，夾入雜物，開爐初期熱膨脹作用，傳遞至爐殼，造成爐殼開裂；

　　第三，碳磚與冷卻壁之間搗打層、冷卻壁與爐殼之間填充層，出現一定疏松，造成“間隙隔熱”和竄氣。

　　陶瓷杯構造是以上所提問題的核心。停爐檢修，處理爐缸渣料過程，若陶瓷杯表面覆蓋均勻的粘滯渣層，則避免了開爐滲鐵的風險，且烘爐過程，粘滯層的保護，能有效分布爐缸陶瓷杯應力，提高開爐效率。磚陶瓷杯容易出現滲鐵而逐步瓦解的情況，且導熱系數較低，無法形成有效的粘滯層保護陶瓷杯；一般情況下，砌筑陶瓷杯，開爐前會在工作層表面砌筑黏土磚作為保護，而這種檢修方式在不放殘鐵的高爐上無法實現。

　　爐缸整體澆注技術具有下列優勢：

　　爐缸整體澆注技術，如圖1所示的工藝流程，其主要特點有：修復方式簡單快捷；澆注體整體性強、助于爐缸長壽。近幾年，最初整體澆注高爐的良好使用效果，改善了人們對該技術的認知；而且，其滿足了當代高爐快速檢修節奏要求。使用越來越普遍、發展前景廣闊。具體說，爐缸整體澆注優勢有以下幾點：

　　圖1 陶瓷杯整體澆注示意

　　一是陶瓷杯澆注材料：高致密、高強度、優良的抗鐵水熔蝕、抗渣侵蝕及抗堿侵蝕性能，同時其導熱系數適中，配合碳磚構成穩定的傳熱模型，更有利于爐缸渣鐵粘滯層形成；

　　二是對新砌碳磚的高爐，陶瓷杯整體澆注設計合理，對鐵口區和象腳區重點考慮，使得澆注體無薄弱點；

　　三是對中修高爐，能最大程度的保留殘余合格碳磚、風口組合磚、鐵口組合磚，大大降低了爐缸清理難度，降低綜合成本、人工成本；

　　四是陶瓷杯整體澆注設計：符合薄壁爐缸理論，將1150℃凝鐵等溫線設置于陶瓷杯中，有效保護碳磚、隔離鐵水，并能有效保存熱量，節能降耗。

　　爐缸澆注材料特點鮮明

　　首先，爐缸澆注材料具有下列抗侵蝕性能：

　　爐缸澆注料，系硅溶膠結合材料，由剛玉與碳化硅按合適的比例組成，是傳統剛玉莫來石質材料的改革。為提高材料抗侵蝕能力，前期做了大量試驗，通過調整骨料和微粉比例、結合劑匹配度等，形成目前效果較理想的材料體系。采用兩種方式分別驗證材料抗渣侵蝕和抗鐵侵蝕性能，分別如下：

　　一是材料抗渣侵蝕性能。圖2為澆注料抗渣鐵侵蝕試驗結果，渣鐵混合物于1500℃條件下在澆注料所制成的坩堝里面浸泡7天后，分析橫縱剖面，觀察試塊被浸潤情況。可以很清楚看到，澆注料與渣鐵界面清晰分離，且無任何物理和化學反應情況。該材料用于風口帶整體澆注，高爐運行過程，能在澆注體表面形成穩定的渣鐵粘滯層作為保護，因此材料具備既能抗渣鐵侵蝕又能利用渣鐵形成保護的特點。

　　圖2 渣鐵浸泡與材料內試驗結果

　　二是材料抗鐵侵蝕性能。如圖3所示，按照國家檢測標準要求，將兩種爐缸澆注料試塊（RLG-SC屬替代碳磚用的高導熱澆注料、RLG-SA屬陶瓷杯澆注料）做成標準試塊且在鐵水中可旋轉，形成對流。在1500℃條件下旋轉3個小時，材料冷卻后觀察表面浸潤情況和增重情況。檢測數據如表1所示，相較于定形磚，爐缸澆注料顯示出極好的抗鐵侵蝕效果。

　　圖3 兩種澆注材料浸泡于鐵水內試驗結果

　　表1 材料浸潤后增重情況

　　從上面兩個試驗可以看出，剛玉碳化硅體系材料，在匹配合理的情況下，在高溫狀態下不與渣鐵發生化學反應，因此單從化學侵蝕角度來看，澆注體不會受到損壞。硅溶膠結合材料，高溫性能優于傳統低水泥澆注料，材料燒結后形成高強的硅-氧化學鍵，保障了其高溫強度，且液相極少。

　　爐缸澆注結構:從“厚”到“薄”，認知轉變

　　爐缸整體澆注設計，摒棄掉傳統的砌筑陶瓷杯磚縫，形成真正的“杯”結構，從而使得鐵水無縫可入。更重要的是，從爐缸傳熱模型來看，更加優化和合理。人們對爐缸結構設計的認知，是從“厚”到“薄”的轉變過程。過去爐缸碳磚和陶瓷杯磚砌筑很厚，傳熱受阻，造成陶瓷杯使用壽命很低。近些年，薄壁爐缸理論徹底改變了這些傳統思維，人們才意識到傳熱模型的重要性，以及其理論特點。

　　如何認識凝鐵等溫線？

　　凝鐵等溫線，即1150℃鐵水固液兩相的界線。界線以內的陶瓷杯“泡”在鐵水環境內，更容易受到侵蝕；而鐵水外側的耐材，受到保護。如果1150℃等溫線持續外移，就說明耐材被持續侵蝕。圖4是對爐缸整體澆注所做的數值模擬，陶瓷杯側壁澆注僅280mm、爐底陶瓷墊澆注厚度600mm，而陶瓷杯材料導熱系數可達到6W/K·m，比剛玉莫來石磚高3倍。這種有效的傳熱，可在澆注體表面形成穩定的粘滯保護層，因此可將凝鐵等溫線內推至澆注體表面，從而長久的保護陶瓷杯不受鐵水侵蝕，這也是薄壁爐缸的理論依據。

　　圖4爐缸傳熱模型和凝鐵等溫線分布

　　利舊碳磚結構有何特點？為何要利舊碳磚？

　　對一個中修的高爐來說，一般情況下高爐運行不超過10年，陶瓷杯雖侵蝕殆盡，但碳磚仍保存一部分。而這部分碳磚，實際已經自我形成穩定的傳熱模型，因此也會呈現側壁殘存較厚、象腳區殘存薄、爐底呈“鍋底狀”等特點。因此，爐缸澆注技術，在前期設計方案過程，將這種情況充分考慮，停爐清理過程，將這些“有效”的碳磚，盡可能完整保留，然后再整體澆注陶瓷杯，即“利舊碳磚”。圖5是爐缸澆注前環碳保護性清理效果。一般情況下，運行不超過5年的高爐，碳磚利舊率可達到70%以上；而運行10年左右的高爐，碳磚利舊率可達50%以上。

　　圖5 環碳保護性清理效果

　　利舊碳磚需解決以下問題

　　“利舊”碳磚整體澆注高爐爐缸，替代了傳統的重砌筑模式，通過大量的澆注實踐，在高爐運行跟蹤過程，需要解決的問題，通常有以下幾點：

　　一是舊碳磚與冷卻壁之間的搗打層松動，出現間隙隔熱；

　　二是短時間的烘烤（一般5天左右）即開爐運行，鐵口部位因“潮氣”噴濺；

　　三是冷卻壁壁后壓漿封堵不利，出現竄氣現象。

　　以上所遇到的問題，可在高爐運行過程，通過專業且精確的“診斷”和新技術應用解決，這也是不定型耐材技術的魅力所在。其中搗打層松動，可通過冷卻壁熱面壓漿填充，這是對高爐中修運行后最先提出的專業化建議；鐵口噴濺源于烘烤過程控制不利，通過烘爐導管的合理安裝、烘烤過程鐵口通道的合理處置以及壓漿孔的合理分布解決；而爐殼與冷卻壁之間竄氣，則可使用新型的液體壓漿料封堵。

　　要關注爐缸澆注工藝流程和后期跟蹤

　　爐缸澆注工藝流程如下：

　　以上介紹爐缸澆注材料特點和結構設計特點，其具備很深的理論支撐。從施工現場來看，將好的材料和設計理念還原至現場，也是至關重要的一環。爐缸澆注過程，即是清理→澆注→支模→澆注→拆模的過程，如圖6-7所示。

　　圖6 爐缸澆注與支模過程

　　考慮到象腳區保護，會根據各高爐象腳區侵蝕情況，采用不同的處理方式。爐缸澆注料體密較大，液態材料靜壓力較大，因此一般采用分段澆注的方式澆注陶瓷杯壁，由爐底分段澆注至風口帶。爐缸澆注過程，另一個關鍵點是澆注體膨脹的匹配和膨脹空間的預設。陶瓷墊澆注過程，周圈設置膨脹縫；風口帶澆注過程，中套預留膨脹空間和風套檢修空間；材料本身高溫下形成的塑形象，可有效吸收澆注體膨脹。

　　圖7拆模過程和整體澆注效果

　　爐缸澆注后期跟蹤。

　　首先，構建侵蝕模型與應用跟蹤。

　　根據高爐前期清理效果，繪制碳磚保存情況，形成侵蝕模型，便于后期運行跟蹤。現代高爐，采用爐缸澆注檢修以后，會在爐底、爐缸側壁、鐵口等區域環形分布熱電偶，通過后期數據采集并分析，來指導高爐生產，因此能保障高爐更安全可靠。這要求爐缸澆注過程，設計出更合理的侵蝕模型，包括二維數據顯示和三維動態演示，如圖8所示。高爐一旦出現局部溫度高或者冷卻壁熱流量急劇變化的情況，可快速做出應對。

　　圖8 中修高爐侵蝕模型

　　實踐是檢驗真理的標準

　　國內某鋼鐵公司1260m3高爐，2018年停爐大修，采用碳磚保護性拆除，爐缸整體澆注（未澆注爐底陶瓷墊）的快速修復方式，方案如圖8所示，爐缸采用薄壁內襯。由于側壁碳磚侵蝕嚴重，相較于前期砌筑設計尺寸，爐缸直徑擴大1000mm，爐缸容積擴大55m3，側壁澆筑厚度320mm，象腳區斜段加厚，爐底陶瓷墊保存完好，未澆注。運行至2021年4月產能置換停爐大修，爐缸清理后，材料侵蝕情況對比下右圖所示。澆注體殘存情況為：

　　一是風口帶澆注料基本上未受到嚴重的侵蝕，剩余澆注料較厚，在500mm左右，且強度較高，風口帶上沿磚襯殘存率20%，下沿殘存率80%；

　　二是高爐在運行兩年半的過程中，爐缸澆注料除泥包和1#鐵口下方高溫點侵蝕外，其他區域基本上侵蝕深度在40mm左右，側壁殘存率90%，且有部分區域象腳區斜臺還存在，殘存率80%，如圖9所示；

　　三是爐缸料與高導熱料接觸面緊密，無縫隙，在高爐運行過程中，兩者的接觸面相互滲透，形成一個整體。

　　圖9爐缸澆注方案與侵蝕殘磚對比

　　本文基于對爐缸澆注技術的大量試驗和實踐驗證，盡可能用量化的角度闡述該技術特點及其應用效果，此處總結以下幾個結論：

　　首先，相較于傳統砌筑陶瓷杯的局限性，爐缸整體澆注技術，滿足了高爐快速修復、長壽應用的要求；

　　其次，爐缸澆注材料更進一步改進，具有更好的抗侵蝕能力、熱傳導能力，可形成更穩定的傳熱模型，且結構設計更加合理，更有助于高爐長壽；

　　第三，實踐證明，高爐爐缸整體澆注技術配合后期科學的跟蹤措施，更能確保高爐安全、合理、可控、順行。（孫賽陽）