摘要： 本文针对江苏地区高炉炉身角部透气砖在实际生产中面临的冲刷问题，深入分析当地原料特性对高炉冶炼过程的影响，通过理论分析与实际生产数据相结合的方式，探讨如何优化透气砖的抗冲刷结构设计。旨在提高透气砖的使用寿命，保障高炉生产的稳定顺行，降低生产成本，为江苏地区高炉炼铁技术的发展提供有益的参考。

一、引言

高炉炼铁是钢铁生产的重要环节，其炉身角部透气砖的工作环境极为恶劣，承受着高温、高压、高速气流以及炉料摩擦等多重作用，尤其是冲刷磨损，严重影响透气砖的使用寿命。江苏地区作为钢铁产业的重要集聚地，其高炉生产具有自身的特点，原料条件也具有一定的特殊性。因此，基于江苏地区原料特性，对高炉炉身角部整体透气砖抗冲刷结构进行优化设计，具有重要的现实意义。

二、江苏地区高炉原料特性分析

（一）铁矿石特性

江苏地区使用的铁矿石种类繁多，主要包括本地铁矿和进口铁矿。本地铁矿多为褐铁矿和赤铁矿，其品位相对较低，杂质含量较高，但具有一定的自熔性。进口铁矿则以高品位的赤铁矿和磁铁矿为主，成分相对稳定，但粒度组成和冶金性能各有差异。这些铁矿石在高炉内还原过程中，其软化特性、还原膨胀性能等会对煤气流的分布和炉料的运动产生影响，进而作用于透气砖。

（二）焦炭特性

江苏地区焦炭生产所用的煤质和炼焦工艺决定了焦炭的特性。该地区焦炭的灰分、硫分含量在一定范围内波动，焦炭的强度和反应性对高炉冶炼过程至关重要。焦炭在高炉内的燃烧和气化过程直接影响煤气流的产生和发展，其与铁矿石的相互作用也会影响炉内温度场和物质流场，从而对透气砖的冲刷情况产生影响。

（三）熔剂特性

常用的熔剂如石灰石、白云石等，在江苏地区的储量和品质有所不同。石灰石的氧化钙含量、杂质成分以及粒度等特性会影响其在高炉内的分解和参与造渣的过程。白云石的镁含量和烧减量等指标也会对炉渣的性质产生影响，而炉渣的性质又与透气砖表面的挂渣保护层形成和稳定性密切相关，进而影响透气砖的抗冲刷能力。

三、高炉炉身角部透气砖冲刷机理分析

（一）气流冲刷

高炉内煤气流在上升过程中，在炉身角部区域由于炉型的变化和炉料分布的不均匀性，容易形成局部涡流和高速气流。这些气流直接冲击透气砖表面，产生剪切力和摩擦力，导致透气砖表面的材料逐渐被剥落和磨损。特别是在风口回旋区附近，气流速度极高，对透气砖的冲刷作用更为强烈。

（二）炉料摩擦冲刷

炉料在下降过程中，与透气砖表面发生频繁的接触和摩擦。块状物料的棱角以及粉末状物料的研磨作用，都会对透气砖造成机械磨损。而且，随着炉料的运动，这种摩擦冲刷是一个持续不断的过程，尤其是在高炉操作不稳定、炉料粒度不均匀的情况下，冲刷加剧。

（三）化学侵蚀冲刷

高炉内的高温环境使得透气砖表面的材料与煤气中的酸性氧化物、碱性氧化物以及炉渣等发生化学反应。例如，在炉身下部高温区域，透气砖中的硅酸盐相可能与炉渣中的成分发生反应，导致砖体结构疏松，强度降低，从而在气流和炉料的冲刷下更容易被破坏。同时，化学反应生成的新物质可能会改变透气砖表面的性质，影响其抗冲刷能力。

四、基于原料特性的透气砖抗冲刷结构设计优化措施

（一）材料选择优化

根据江苏地区原料特性，选择合适的透气砖基材。对于铁矿石还原过程中可能产生的酸性氛围较强的区域，应选用具有较高酸性抵抗能力的耐火材料，如含锆质耐火材料，其具有良好的化学稳定性和高温强度，能够有效抵御酸性气体的侵蚀。对于焦炭燃烧产生的高温区域，透气砖材料应具备良好的耐高温性能和热震稳定性，如采用刚玉质或铬刚玉质材料，以保证在温度急剧变化的情况下不易开裂和剥落。同时，考虑到炉渣对透气砖的化学侵蚀，在透气砖表面复合一层抗渣性能优异的材料，如镁碳质或尖晶石质材料，形成一层稳定的保护层，减少化学侵蚀冲刷。

（二）结构形状优化

1. 倾斜角度设计

针对江苏地区高炉炉身角部的气流和炉料运动特点，对透气砖的安装倾斜角度进行优化。通过计算流体动力学模拟和实际生产经验总结，适当调整透气砖的倾斜角度，使其与气流方向和炉料运动轨迹更加匹配，减少气流和炉料对透气砖的正冲作用，将冲刷力分解为沿透气砖表面的切向力，从而降低冲刷强度。例如，根据原料的粒度分布和煤气流速度，将透气砖的倾斜角度调整在一个最佳范围内，使透气砖能够更好地适应当地的高炉操作条件。

2. 凹凸结构设计

在透气砖表面设计合理的凹凸结构，可以改变气流和炉料的运动状态，增强透气砖的抗冲刷能力。例如，在透气砖表面设置一定深度和间距的凹槽，当气流经过时，凹槽能够产生涡流，消耗气流的动能，减少对透气砖表面的直接冲刷。同时，凹槽还可以容纳部分炉料粉末，起到一定的缓冲作用，减轻炉料摩擦冲刷。对于凸出部分，可以设计成一定的形状和分布，如半球形或梯形，增加透气砖与炉料和气流的接触面积，提高散热效果，降低透气砖表面温度，从而减少因高温导致的材料性能下降和冲刷加剧。

（三）复合结构设计

采用复合结构透气砖，充分发挥不同材料的优势。例如，在透气砖的芯部采用具有良好透气性和较高强度的耐火材料，如莫来石质材料，以保证透气砖的基本性能和结构稳定性。在透气砖的外层，根据原料特性和冲刷环境，复合一层抗冲刷性能优异的材料，如上述提到的含锆质、刚玉质或镁碳质材料。这种复合结构可以在保证透气砖整体性能的同时，针对不同的冲刷因素提供有效的防护。此外，还可以在复合层之间设置过渡层，通过控制过渡层的材料成分和烧结制度，使各层之间结合紧密，避免因热膨胀系数差异过大而导致的分层剥落现象，提高透气砖的整体抗冲刷能力和使用寿命。

五、实际应用效果与展望

（一）实际应用效果

通过对江苏地区多座高炉采用基于原料特性的透气砖抗冲刷结构设计优化后，取得了显著的效果。透气砖的使用寿命较优化前得到了大幅延长，平均使用寿命提高了[X]%。高炉炉身角部的冷却壁温度波动减小，表明透气砖对炉内的隔热和保护作用增强，减少了因透气砖损坏导致的冷却壁过热风险。同时，高炉操作的稳定性得到提高，煤气流分布更加合理，炉料下降顺畅，减少了因透气砖冲刷损坏而引起的炉况波动和悬料等事故的发生频率，降低了生产成本，提高了高炉的生产效率和经济效益。

（二）展望

虽然目前基于原料特性的透气砖抗冲刷结构设计优化取得了一定的成果，但仍有进一步提升的空间。未来，随着江苏地区钢铁行业对高炉长寿、高效、节能要求的不断提高，需要进一步深入研究原料特性与透气砖冲刷磨损之间的内在关系，建立更加精确的数学模型和模拟方法，实现透气砖结构的个性化定制设计。同时，加强新型耐火材料的研发和应用，探索更加先进的复合结构和制造工艺，提高透气砖的综合性能。此外，还应注重高炉操作制度的优化与透气砖结构设计的协同配合，通过智能化的高炉操作系统，实时监测透气砖的工作状态，及时调整操作参数，最大限度地发挥透气砖的抗冲刷能力，为江苏地区高炉炼铁技术的可持续发展提供有力支撑。

综上所述，基于江苏地区原料特性的高炉炉身角部整体透气砖抗冲刷结构设计优化是一项系统性、综合性的工作，通过深入分析原料特性、冲刷机理，采取合理的材料选择、结构形状设计和复合结构设计等优化措施，可以有效提高透气砖的抗冲刷能力，延长使用寿命，保障高炉生产的稳定顺行，对江苏地区钢铁产业的发展具有重要的推动作用。