分享：本钢新1号高炉渣沟钢筋预制块应用实践

高炉渣沟是高温炉渣及时排放的通道，它是高炉生产工序中的一个极为重要的部分，必不可少。本钢新1号4747 m3高炉设计共有4个出铁口，两套INBA法水冲渣系统和两个小冲渣系统，渣沟设计为两个出铁口共用一条公共渣沟，渣沟衬均采用Al2O3、SiC、C、水泥等一次浇筑成型[1]。随着高炉冶炼的强化，出铁量迅速增加，炉渣温度提高，渣沟衬耐火材料的使用环境日益恶劣，尤其是渣沟交汇处是熔渣的回旋区域，损毁更快；另外，出铁间歇，渣沟因温度骤降而发生收缩炸裂现象，需频繁进行修补才能维持生产，给高炉生产带来极大影响。针对上述情况，对高炉渣沟进行局部改造创新，采取分段先行预制存储，并且，预制块内增加钢筋龙骨，钢筋会阻碍渣沟浇注料硬化时的自由收缩，在渣沟浇注料中会引起拉应力，阻碍渣沟浇注料开裂和炸裂[2]。解决了渣沟局部放炮致使渣沟浇注料层变薄，需频繁地进行热态修补，甚至烧穿渣沟等严重影响高炉正常生产的问题。

1.   高炉渣沟的布置及结构性能

1.1   布置

高炉渣沟分为主渣沟、公共渣沟、小冲渣沟，1#出铁口的炉渣和2#出铁口的炉渣通过1号和2号主渣沟汇集到西侧公共渣沟流入西侧水渣处理装置；3#出铁口的炉渣和4#出铁口的炉渣通过3号和4号主渣沟汇集到东侧公共渣沟流入东侧水渣处理装置，（如图1所示）。高炉出铁场平台东、西两侧各设有一套INBA法水渣处理装置，并配置小冲渣事故处理设施。INBA法水冲渣是保尔沃特公司的专利技术，具有布置紧凑占地面积小，可以实现整个流程自动化机械化，水渣质量好，冲渣水闭路循环，渣中含铁度高时，该系统也能安全进行炉渣的粒化。

在正常情况下100%冲水渣，水渣设备出故障或检修时采用小冲渣工艺，水渣经胶带机送至水渣装车槽通过火车或汽车外运。

1.2   结构及性能

高炉渣沟设计为长方体箱体结构，如图2所示，箱体外壳钢板厚度为30 mm，箱体内镶嵌耐火砖，最外层渣沟衬采用Al2O3、SiC、C、水泥等一次浇筑成型每条主渣沟长度为36 m、公共渣沟长度为24 m、小冲渣沟长度为18 m，高炉渣沟总长度为228 m。渣沟浇筑后宽度为700 m、深度为420 m、坡度为6°。渣沟浇筑料的理化技术指标见表1。

图  2  高炉渣沟截面图

2.   高炉渣沟的破坏原因

2.1   内部应力和温差应力

高炉渣沟在浇筑过程中，由于耐火浇注料中混有大量空气，浇注料硬化期间放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力；后期在降温过程中，由于受到基础或老浇注料的约束，又会在浇注料内部出现拉应力；当这些拉应力超出浇注料的抗裂能力时，即会出现裂缝（如图3所示）。许多浇注料的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，如养护不充分、急于烘烤，表面干缩形变受到内部浇注料的约束，也往往导致炸裂。另外，由于浇注料原材料不均匀，水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一条高炉渣沟浇注料中其抗拉强度也是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位[3]。

气温的降低也会在高炉渣沟表面引起很大的拉应力，高炉内熔渣由炉内流出时温度大于1450 °C，出铁间隔期间，高炉渣沟裸露在大气中，特别是寒冷的北方冬季生产，出渣过程中积蓄的热量由表及里逐渐散失，产生温差应力，使浇注料产生裂纹或裂缝，加剧侵蚀，甚至烧穿渣沟。内部应力和温差应力是高炉渣沟损坏的主要原因，危害极大。

2.2   机械侵蚀

高炉渣沟具有一定的坡度，因高炉内具有一定的压力，因此当高温熔渣进入渣沟时具有一定的动能，直接冲刷高炉渣沟周围部位耐火材料，如图4（a）所示。为了满足高炉高产的要求，常常两个出铁口同时出铁，炉渣量增加，炉渣温度提高，渣沟浇注料的使用环境日益恶劣，尤其是高温熔渣在主渣沟、公共渣沟、小冲渣沟交汇处形成涡流，该位置由于受高温熔渣的长时间、不间断冲刷，损毁更快，如图4（b）所示，需及时采用高炉渣沟浇注料对此处进行重新浇筑，机械侵蚀是高炉渣沟损坏的次要原因，危害较大。

2.3   化学侵蚀

因高炉渣沟浇注料中含有Al2O3、SiC、C，而在炼铁过程中造碱性炉渣，碱性炉渣与渣沟浇注料中酸性氧化物反应生成低熔点化合物，在高温作用下形成熔融状态被冲刷掉或变为液态，进入炉渣中，使渣沟浇注料失去结构强度，形成化学侵蚀。化学侵蚀不可避免，但是侵蚀速度极小，危害不大。

3.   高炉渣沟的改造

3.1   高炉渣沟U型钢筋预制块创新与应用

公共渣沟实际长度为24 m，它是两个相邻主渣沟的高温熔渣交汇后通往水冲渣池的必经之路，由于受高温熔渣的侵蚀长时间、不间断冲刷，损毁更快。

为了避免对公共渣沟重复修补和浇筑，经过现场实地勘察，根据公共渣沟原始图纸研制一种高炉渣沟U型钢筋预制块，它的长度为2000 mm；宽度为1200 mm；高度为760 mm；凹槽深度为420 mm；重量为1.5 t。由Al2O3、SiC、C和少量水泥，利用模具振动浇筑成型，内部设置钢筋龙骨，吊装环与钢筋龙骨焊接成一体，预制块本体为长方体形状，等腰梯形凹槽纵向贯通钢筋预制块本体，等腰梯形凹槽为熔渣通道。

需要更换渣沟钢筋预制块时，首先把旧渣沟钢筋预制块从渣沟槽依次吊出，清理渣沟槽残渣，然后，把新的渣沟钢筋预制块依次吊入渣沟槽内，首尾相连，各个渣沟钢筋预制块衔接处拍上石英砂，即可使用，如图5所示。

3.2   高炉渣沟钢筋“四岔口”预制块的研制与应用

以往，高炉各个出铁口渣沟交汇处的施工，采用的是浇注料加水在搅拌机中搅匀，运输到该位置上方倾倒，先用振动棒将底部振实，然后对侧壁进行涂抹施工。由于此处形状不规则，再加上渣沟浇注料有自流性，因此，施工特别困难。另外，浇筑施工总耗时约4.5 h，自然养护时间至少12 h，施工完成后以小火烘烤72 h，然后用中火和大火各烘烤6 h，才能投入使用。

有时，为了争取时间，渣沟浇注料未干透就急于使用，造成局部放炮，渣沟浇注料层侵蚀快，容易烧穿，需频繁地进行热态修补，严重影响高炉正常生产。

为了解决上述技术问题，经过反复实践，研制一种高炉渣沟钢筋“四岔口”预制块，先行预制存储，需要时可以直接投入使用，免去了浇筑、养护、烘烤时间。以解决现有技术中渣沟局部放炮、渣沟浇注料层变薄需频繁地进行热态修补甚至烧穿渣沟等严重影响高炉正常生产的问题。

高炉渣沟钢筋“四岔口”预制块，包括预制块本体，由Al2O3、SiC、C和少量水泥，利用模具振动浇筑烘干成型，内部设置钢筋龙骨，吊装环与钢筋龙骨焊接成一体。预制块本体为不规则立方体，处在高炉相邻两个出铁场渣沟和一个小冲渣渣沟通往水冲渣渣沟的交汇处。该预制块本体每个岔口的剖截面均相等，且熔渣通道均为倒等腰梯形凹槽结构，四个岔口熔渣通道凹槽相互贯通预制块本体。预制块本体耐火浇注料整体性好，无贯穿裂纹；渣沟整体性能提高，有效防止渣沟渗漏生产事故；预制块本体具有良好的热震稳定性，能承受反复升温和降温的考验，较好的保温性能，避免炉渣熔液通过时温降过快（如图6所示）。

3.3   高炉渣沟钢筋预制块热强度

当熔渣通过渣沟时，渣沟浇注料衬受到高温作用，水泥收缩，而Al2O3和SiC随着温度升高产生微小膨胀，两者变形不协调使渣沟产生裂缝，强度降低。当温度达到400 °C以后，水泥中的Ca（OH）2脱水生成CaO，渣沟开裂，由常温瞬时加热到570 °C以上时渣沟浇注料体积发生突变，强度急剧下降产生炸裂。

渣沟浇注料内加入钢筋制造出高炉渣沟钢筋预制块，在钢筋预制块中钢筋能承受由于弯矩作用而产生的拉力和压力，能承受剪切力，能承受因渣沟浇注料收缩和温度变化产生的压力。钢筋预制块是钢筋与渣沟浇注料共同承受压力，而渣沟浇注料仅渣沟浇注料本身单一承受压力，相同体积的钢筋预制块与渣沟浇注料，钢筋预制块承受的压力要大得多，这是因为钢筋的强度比渣沟浇注料要大得多，而且致密性极高，一级钢筋的强度是235 MPa，而渣沟浇注料凝固后一般强度为30 MPa，实践证明这种钢筋预制块抗冲刷破坏（内部应力和温差应力、机械侵蚀）能力极强。

4.   高炉渣沟钢筋预制块改造的效果

改造后，由于有足够的时间自然养护，预制块致密度较高，透气性好，使用过程中不易发生炸裂。制作方便，劳动强度低；高温强度大，耐冲刷，抗侵蚀，抗氧化；抗热震性好，不剥落和开裂。更换时节省浇筑、养护、烘烤时间，方便质量控制，节能环保，可延长高炉渣沟整体使用寿命，满足生产要求，节约成本。高炉渣沟故障率大幅下降，对新一号高炉高炉渣沟2020年以前（改造前）和2020年以后（改造后）平均故障率进行分析，明显看出，改造后高炉渣沟故障率大幅下降，如图7所示。

改造前，高炉渣沟平均每7 d（其间需经过无数次小修补）大修1次；改造后，高炉渣沟平均每21 d（其间无特殊情况不需要修补）大修1次，极大的保证了生产的顺行。

5.   结束语

1）高炉渣沟钢筋预制块的改造与应用，可延长高炉渣沟整体使用寿命，满足生产要求。

2）高炉渣沟钢筋预制块制作方便，有足够的时间自然养护，预制块致密度较高，透气性好，使用过程中不易发生炸裂，避免渣沟烧穿，为高炉生产的稳定顺行和经济效益的提高，提供了保障。

3）可以分段更换，吊装方便，避免了热态修补时人工通过风镐、大锤、钢钎等原始方法清理热渣沟；交叉作业，减轻工人劳动强度，避免了热态修补过程中安全事故的发生。

参考文献

[1]李亚伟. 耐火浇注料自损毁机理探讨. 北京:冶金工业出版社,2018:35

[2]李红霞. 耐火材料手册. 北京:冶金工业出版社,2017:23

[3]过镇海,时旭东. 钢筋混凝土原理和分析. 北京:清华大学出版社,2019:73

文章来源——金属世界