炉缸部位几乎没有侵蚀
铁口部位有轻微侵蚀
高炉健康长寿是冶炼企业的永恒追求。无论新材料、新技术、新装备，还是创新工艺的应用，其最终目标都是要保证高炉具备良好的炉体状况，能够高效、低耗、安全工作，且连续运行周期越长越好。
伴随相关技术的发展与进步，近年来，影响高炉寿命的限制性环节越来越集中在高炉的炉底炉缸部位。
长期以来，高炉炉底炉缸内衬主要采用各类炭砖及陶瓷杯材料，通过不断提升它们的质量性能以达到延长高炉寿命的要求。但高强度的冶炼和入炉原料品位的不断下降，导致高炉内碱金属、锌等杂质成分大量富集，炉缸环境愈发恶劣，对炉缸炉底部位的内衬材料提出了更严酷的挑战。
北京科技大学张建良教授在长期研究中总结发现，要适应日益复杂的炉缸环境，所用的内衬材料须具备较好的导热性能、优良的抗铁水溶蚀性、优良的抗碱性、优良的抗渣性能、较好的抗锌侵蚀性以及较好的抗氧化性。
而炭砖和陶瓷杯材料却在性能上存在不同程度的短板，比如炭砖的导热、抗渣、抗碱等性能优异，但抗铁水溶蚀性比较差，一些高炉发生的‘老鼠洞’形式的烧穿就是因为炭砖在局部失去粘滞层的隔离保护后直接接触铁水而造成的，同时在风口套下方的炭砖会因为风口套漏水而受到氧化，其抗氧化性又是其致命的弱点，因此炭砖在炉缸的使用虽然可以发挥冷却系统的作用，但其仍然存在严重的不足和安全隐患。而陶瓷材料虽然拥有优良的抗铁水溶蚀性、抗碱性和较好的抗氧化性，却因较低的导热性被限制了冷却系统作用的发挥。它们已经跟不上高炉大型化、高效化对安全长寿的需求。因此，一种综合性能优异、能够提高高炉下部操作安全性和长寿性的新材料，亟待出现。
针对这一情况，张建良教授带领团队与河南五耐集团实业有限公司、山西建邦集团、柳州钢铁集团股份有限公司等单位开展了联合攻关。最终，他们在微孔刚玉陶瓷杯中引入炭进行了试验，得到了一种新型碳复合砖，综合了优良炭砖和陶瓷杯材料的优点，其主要性能指标与国内外优质炭砖及陶瓷杯相比，具有明显优势。
碳复合砖很好的结合了炭砖和陶瓷杯材料的优点，又同时克服了它们各自存在的不足，特别是很好地解决了炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和抗锌侵蚀性差的问题，并满足了所述炉缸区域内衬材料的基本性能要求，同时其导热性从低温到高温呈下降的特性比炭砖材料更符合炉底炉缸内衬设计的原则，完全有能力成为高炉炉底炉缸内衬的换代产品。
为了更好的发挥碳复合砖的性能优势，研究团队又针对传统炉底炉缸结构设计存在的问题，结合碳复合砖的性能，提出了新的设计方案，即炉缸部位全部应用碳复合砖，炉底上部应用碳复合砖，下部应用高导热炭砖。
通过这一技术方案，顺利解决了以下几个问题——
1）炉底炉缸内衬的导热系数从冷面到热面是一个降低的趋势，这一趋势符合冷却系统设计的需要，也符合高炉炉底炉缸内衬设计的原则；
2）用碳复合砖作为炉缸材料，由于其含有一定的炭成分，其热膨胀系数比陶瓷杯材料大大降低，可以避免风口上翘、炉壳开裂的现象；
3）由于碳复合砖具有较好的导热性，同时既有陶瓷结合又有碳结合，因此极易在工作面形成渣铁壳保护层，渣铁壳保护是形成永久型炉底炉缸结构的重要条件，也符合武钢宋木森高工永久型炉衬的理论。即使在异常情况下暂时失去了保护层的保护，碳复合砖优良的抗铁溶蚀性也可为再次形成保护层赢得时间。
4）炉底碳复合砖的应用，把1150℃等温线和800℃等温线完全控制在碳复合砖层内，即使将来炉底有所侵蚀，也不会侵蚀到炭砖，也就是说在整个炉役内炭砖是不接触铁水的，也就避免了炭砖抗铁溶蚀性差的问题。
而碳复合砖新材料和围绕它所提出的新设计方案，即“安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术”也在生产实践中得到了验证，不仅在中小高炉上使用，更推广到了大高炉上。
2007年，山西通才2#高炉设计方案中采用了此安全长寿技术，炉底采用4层微孔模压炭砖和两层碳复合砖陶瓷垫，炉缸则取消了炭砖而全部采用碳复合砖，风口和铁口也采用了碳复合砖。
投产后，生产指标一直良好，与未采用相关技术的1#高炉相比表现优异。所采用的碳复合砖表现出较高的导热系数，并且导热系数从冷面到热面呈降低的趋势，符合炉底炉缸传热原理，这种特性保证了高炉炉缸部位冷却系统的稳定，也间接提高了炉缸部位的寿命。同时，这一技术方案的采用，也帮助通才2#高炉扛住了高强度冶炼和原燃料种类频繁更换的考验，保证了高炉安全稳定的生产运行，节约了经济成本。
运行7年后，借着高炉炉身维修的机会，工人对炉缸进行了检查，发现炉缸内形成了约250mm厚较稳定的渣铁保护层，仅铁口区域出现轻微侵蚀，没有出现炉缸象脚状蚀损，也没有出现风口上翘、炉壳开裂等现象。炉缸稳态传热模型计算发现，炉缸热面大多能生成稳定的保护层，有效阻止了熔融铁水和炉渣对炉衬的侵蚀，延长了高炉的使用寿命。而1#高炉在投产两年半时炉缸部位就已侵蚀严重。
同样的对比出现在柳钢5号高炉（1500m3）两代炉役中。
柳钢5#高炉一代炉役采用传统的炉缸内衬结构，生产两年后，炉缸侧壁热电偶温度大范围普遍升高，热电偶插入深度为160mm的温度达到525℃。因此采取了一系列降低产量、钛矿护炉等措施，打乱了高炉正常生产节奏，大幅增加了高炉生产成本。
二代炉役采用了碳复合砖内衬结构，投产近两年后，高炉炉缸侧壁热电偶温度保持平稳的趋势，热电偶插入深度为300mm的温度最高值仅为320℃，且大部分热电偶温度均低于300℃，热电偶插入深度为200mm的温度一般在150-250℃，远低于上一代炉役同时期高炉炉缸侧壁热电偶温度，显现出高炉炉缸炉底采用碳复合砖的优越性，可以不必因高炉炉缸的安全问题而休风减产，也不必采用特殊的护炉手段增加额外成本。
两相对比，碳复合砖内衬结构的应用表现出明显优越性。
到目前为止，碳复合砖和“安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术”已在山西通才、山西高义、山西新金山、邯郸纵横及俄罗斯企业的100余座高炉中应用。
使用结果表明，碳复合砖解决了炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和抗锌侵蚀性差的问题，并且具备很好的自护炉机制，能够形成稳定的保护层体系，在低品位炉料、高强度冶炼、频繁更换原燃料种类的恶劣条件下，确保炉底炉缸部位温度梯度分布合理、热流强度适宜，使冷却系统充分发挥作用，从而保证炉底炉缸部位的安全，实现高炉操作安全、生产高效、健康长寿。
当下，我国高炉生产普遍存在生产不稳定、冶炼强度高、入炉矿品位低三大问题，形势非常严峻。碳复合砖内衬材料与结构的出现与应用，使高炉长寿迈上了一个新的台阶，也使我国距离“一代炉役寿命达20年以上”的目标更近一步。
