何汝生
（北京瑞尔非金属材料-威尼斯欢乐娱人城2299(中国)官方网站）
摘 要：高炉炉缸的热损失量决定于炉缸侧壁内衬的型式，新一代整体式陶瓷杯在炉缸炭砖与陶瓷杯之间采用了低导热率的无缝工作衬，使得这种炉缸在具有安全、长寿使用效果的同时，还具有优越于其它炉缸型式的CO2减排效果。1000万吨规模的炼铁高炉群采用新一代整体式陶瓷杯炉缸时，年可降低~15万吨CO2排放量。
关键词：高炉 陶瓷杯 二氧化碳 炭砖 炉衬
高炉炉缸内盛装着高温渣铁与煤气等，是一个巨大的热消耗体。这些热量主要来自于碳和碳化合物的燃烧、高炉鼓风带入的物理热。尽管鼓风的物理热来自于鼓风与热风炉蓄热体的热交换，但热风炉蓄热体的热量还是来自于燃烧煤气中的碳化合物。寻根溯源，高炉炉缸的巨大热量主要来自于碳和碳化合物。炉缸热量的主要收支关系可以简写为：
给热项=渣铁耗热①+煤气耗热②+煤粉耗热③+直接还原耗热④+热损失⑤-------（1）
要维持高炉正常冶炼生产，（1）式中的①、②、③、④项目不可减少，第⑤项的热损失主要为冷却水带走热量与炉壳的散热损失，减少这部分热损失，即可降低高炉炉缸的CO2排放量。冷却是实现高炉炉缸安全、长寿必不可少的措施，只有在不降低冷却强度的前提下，减少传递到冷却水（包括炉壳）的热量，才能获得安全、长寿与CO2减排的双重效果，此双重效果的获得与否完全取决于炉缸侧壁的耐火材料衬体。
1 、炉缸内衬的型式与减排CO2分析
炉缸侧壁的传热链为空气-炉壳-填料-冷却壁-炉衬-热源。结合炉缸长寿机理分析炉缸侧壁的传热链可以看到，①增加冷却壁与炉衬之间的热阻可降低炉缸侧壁的传热量，但在现有技术下不能保证安全与长寿；②增加热源与炉衬之间的热阻、通过合理结构增加炉衬的热阻能降低炉缸侧壁的传热量，可保证炉缸安全与长寿。可见，炉缸侧壁炉衬的结构型式直接决定着安全长寿、减排CO2双重目标的实现。
1.1 陶瓷杯炉缸内衬
长期得到高炉广泛采用的陶瓷杯炉缸型式中，在炭砖热面砌筑有低导热的“陶瓷层”，由于“陶瓷层”的导热率一般为3~4w/m.k，该“陶瓷层”增加了前述传热链中热源-炭砖间的热阻，最终传递到冷却壁和炉壳的热量降低；铁水温度提高16~20℃、焦比降低6~8kg的资料报道也证明陶瓷杯炉缸侧壁的散热损失明显降低；刚完成大修开炉的马钢A号超大型高炉的上代炉役，采用大块陶瓷杯获得14年7个月的炉役寿命等大量高炉的长寿实绩证明，这种陶瓷杯炉缸内衬在安全与长寿方面是可靠的。可见，陶瓷杯炉缸内衬在实现安全与长寿和CO2减排的双重目标方面具有明显的效果。
进一步地，瑞尔公司在传统大块陶瓷杯获得安全、长寿与CO2减排双重效果的基础上，发明了具有更好长寿、CO2减排效能的新一代整体式陶瓷杯炉缸内衬，如图1所示。这种炉缸内衬的主要进步有：①陶瓷杯壁与炉缸炭砖之间具有极低的传热率，传递至冷却壁的热量大幅降低；②陶瓷杯壁与炉缸炭砖间夹层的主要功能由密封与应力释放升级为密封、应力释放、耐蚀兼具的多功能工作衬。
上述型式的陶瓷杯外，一些高炉在炉缸炭砖的热面还采用了由小块耐火砖形成的陶瓷砌体。当砌筑陶瓷砌体的耐火砖选择为刚玉类时，因其导热率较低，传递至炉缸炭砖和冷却壁的热量也较低，但因这种结构的传热链的总热阻明显低于上述型式的陶瓷杯炉缸内衬，故其降低CO2排放量的效果也明显低于上述的陶瓷杯炉缸内衬。当砌筑陶瓷砌体的耐火砖选择为导热率＞10w/m.k的含碳或碳化硅耐火砖时，因高的导热率导致传递至冷却壁的热量明显增加，进而不能获得降低CO2排放的效果，而且它们也不能将铁水凝固等温线、炭砖脆化等温线控制在陶瓷层内，不利于炉缸炭砖的有效保护。
1-双向错台陶瓷垫，2-整体式陶瓷杯壁，3-低导热工作衬，4-风口组合砖
图1 新一代整体式陶瓷杯炉缸内衬
1.2全碳与浇注衬炉缸
炉缸侧壁采用全炭砖砌筑是可实现炉缸安全长寿的炉缸侧壁炉衬型式之一。这种型式的炉衬中，炭砖的导热率20w/m.k，依靠这种高导热材料、高冷却强度在炭砖热面形成“粘滞层”可较好地保护炭砖衬体，从而实现炉缸的安全长寿；但是，可以看到因炭砖的导热率、含有渣铁和焦炭的“粘滞层”的导热率均较高，必然导致这种型式的侧壁内衬由冷却水和炉壳带走的热量较多，不利于前述安全长寿和CO2减排的双重目标的实现。
近年来，一些高炉采用了Al2O3-SiC质浇注料浇制在炉缸炭砖热面，与炉缸炭砖一起构成炉缸侧壁内衬。由于这种形式在现代超高效率大型高炉上应用的时间较短，在炉缸的安全与长寿方面尚需现代超高效率大型高炉的实践验证；在降低炉缸散热损失方面，虽然这种Al2O3-SiC的导热率明显低于使用的主流炭砖、也低于粘滞层，但较多地高于炉缸陶瓷杯用耐火材料，所以在相似结构厚度时，传递至冷却壁和炉壳的热量也高于陶瓷杯型式的炉缸侧壁。因此，这种型式的炉缸结构在实现CO2减排方面的效果不如陶瓷杯炉缸内衬。
2 、陶瓷杯炉缸内衬的主要特点
长期以来，陶瓷杯炉缸内衬一直得到各级别高炉的广泛选用，并获得良好的使用实绩。图1所示的新一代整体式陶瓷杯也已经得到几十座大型高炉的实际应用，同样取得良好的应用效果。综合分析，这种陶瓷杯炉缸的技术特点主要有：
（1）根据炉底砖衬的侵蚀机理选用莫来石质制品，以双向错台、环形压迫砌筑形成具有持续稳定性、密封性的整体式陶瓷垫，给予炉底炭砖以良好保护。多座高炉证明这种陶瓷垫保护下的炉底炭砖，在单一的炉役周期内不会受到侵蚀，可再保留应用于下一炉役周期。
（2）从高炉对陶瓷杯壁的抗侵蚀性、导热性需求等方面出发选用刚玉质大块制品，构筑成具有持续稳定性、密闭性、耐侵蚀的整体式陶瓷杯侧壁。应用实践证明，这种陶瓷杯壁的功能有效期可达8年以上。
（3）在陶瓷杯壁与炉缸炭砖间采用由具有低导热率、可释放热应力、耐高温缓冲材与特种浇注衬体复合构成的低导热无缝工作衬，增强了对侵蚀元素的隔离、升级结构层为多功能工作衬、明显降低了传递至炭砖、冷却壁和炉壳的热量，在安全长寿的同时实现了高炉炉缸的CO2减排。
（4）以一座2500m³高炉为例，在年产200万吨生铁前提下，图1所示新一代陶瓷杯炉缸内衬的CO2减排效果为：正常生产时炉缸侧壁热通量降低2020w/㎡，吨铁CO2综合排放量约减少146kg，年可减少CO2综合排放量3万吨。一个1000万吨高炉炼铁规模的钢铁厂，年可减少的CO2排放量达到15万吨，具有较好的减排效果。
3 、结语
（1）通过炉缸侧壁内衬传递到冷却壁、炉壳的热量属于热损失。在保持炉缸安全长寿所需冷却强度的前提下，增加炉缸冷却壁、炉壳与炉缸内高温产物之间的热阻是一条降低炉缸CO2排放量的有效路径。
（2）传递到冷却壁和炉壳的热量决定于炉缸侧壁内衬的结构型式，新一代整体式陶瓷杯炉缸不但具有安全、长寿的使用效果，而且在降低CO2排放量方面优越于其它内衬型式。
（3）以2500m³高炉、年产200万吨生铁为例，采用新一代整体式陶瓷杯炉缸内衬时，CO2排放量可减少~3万吨/年，1000万吨高炉炼铁群的CO2排放量可减少~15万吨/年。