鄒忠平，項鐘庸，胡顯波

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司)

摘 要：結(jié)合高爐生產(chǎn)后爐缸不定形耐材的破損狀況，分析了不定形耐材對爐缸傳熱體系乃至高爐長壽的影響，并提出了不定形耐材的選擇、施工、烘爐到生產(chǎn)維護中應該引起注意的事項。

關(guān) 鍵 詞：高爐長壽；爐缸；不定形耐材

高爐爐缸長壽是一項系統(tǒng)工程，爐缸采用的不定形耐材在爐缸長壽鏈上也起著舉足輕重的作用。本文將從高爐生產(chǎn)后爐缸不定形耐材的破損調(diào)研、爐缸耐材溫度記錄數(shù)據(jù)及爐缸傳熱體系等著手進行分析，對爐缸不定形耐材的選擇、施工、烘爐和生產(chǎn)維護等進行闡述，為避免爐缸意外事故的發(fā)生和實現(xiàn)爐缸的長壽提供建設性意見。

1  爐缸破損調(diào)查中不定形材料的表現(xiàn)形態(tài)

鞍鋼高爐爐缸破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1]，部分小塊炭磚間磚縫是空的，部分磚縫中的C34膠泥是粉狀、沒有黏結(jié)強度的，冷卻壁前面的大多數(shù)小塊炭磚在不借助工具的情況下用手就能很容易將其解體，部分磚縫達到7mm，部分磚縫中發(fā)現(xiàn)有鐵片，磚縫有滲鐵現(xiàn)象。調(diào)查表明，C34膠泥在使用過程中出現(xiàn)了問題，沒有有效地固結(jié)，沒有能夠?qū)⑿K炭磚黏結(jié)為整體來保證爐墻的傳熱體系，因而導致了爐缸長壽努力的失敗。侵蝕后的小塊炭磚斷面無粉化現(xiàn)象，除被侵蝕側(cè)外，磚的棱角分明，無變形和粉化現(xiàn)象，但磚縫松散，已失去黏結(jié)作用(如圖1、2所示)。

武鋼4號高爐第三代爐役爐缸炭素搗打料使用后的性能檢測結(jié)果見表1[2]。表1的數(shù)據(jù)測試表明，使用后的炭素搗打料導熱系數(shù)較低，在冷卻壁和炭磚間將形成隔熱作用，降低了爐墻的傳熱能力，不利于在爐缸爐墻形成凝固保護層，從而導致爐缸炭磚快速侵蝕。因此，炭素搗打料也需要足夠的溫度烘干，保證不被煤氣侵蝕。

2 異常磚縫形成機理，磚縫膠泥的粉化及消失機理

小塊炭磚體系是靠C34膠泥良好的導熱和密封作用來保證爐墻傳熱的。烘爐使膠泥固化并具備烘干強度至關(guān)重要。在高爐內(nèi)壓作用下，爐墻中始終存在出現(xiàn)氣隙的可能，墻體是不連續(xù)介質(zhì)，煤氣會在墻體中穿行。如果沒有能夠及時將膠泥固化并具備足夠的強度，就會被穿行的煤氣所氣蝕而形成氣隙，破壞墻體的傳熱體系，導致墻體異常侵蝕。這就是為何破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分磚縫是空的，部分磚縫中的C34膠泥是粉狀的、沒有強度的重要原因。出現(xiàn)該問題的原因是烘爐和開爐初期，靠近冷卻壁側(cè)爐墻的溫度過低，不足以使膠泥固化和達到足夠的干燥強度，在開爐快速達產(chǎn)過程中，在較強的煤氣氣蝕作用下，使膠泥過早消失和粉化所致。要解決這一問題的有效措施是，熱水烘爐和開爐初期提高水溫運行，讓膠泥盡快固化和具備足夠的強度。本鋼5號高爐爐缸供水溫度長期維持55～60℃，昆鋼6號高爐爐缸供水溫度也長期在50℃以上，這可能就是這兩座高爐爐缸得以安全運行12—13年而不出現(xiàn)異常侵蝕的重要原因之一。爐墻溫度不夠，未能及時將膠泥固化而被煤氣侵蝕，破損了墻體傳熱體系，是當前小塊炭磚爐缸出現(xiàn)問題的重要原因之一。

關(guān)于過大磚縫的形成機理分析，在磚縫間的膠泥受到煤氣的氣蝕而消失后，在過高的灌漿壓力作用下，磚發(fā)生了松動和位移而導致了局部磚縫過大的現(xiàn)象。灌漿料揮發(fā)分高，不易固化，在煤氣氣蝕作用下消失，致使爐墻氣隙嚴重，導熱體系受到很大的傷害，從而使墻磚受到快速異常侵蝕。

某高爐爐缸H3銅冷卻壁前耐材溫度與其上的H4鑄鐵冷卻壁前耐材溫度歷史記錄對比如圖3所示。圖3顯示，在開爐初期的1年左右時間內(nèi)，銅冷卻壁前耐材溫度一直在50℃左右。在這樣的溫度條件下，C34膠泥得不到進一步的固化和達到足夠的干燥強度，不足以抵抗氣蝕；在爐墻中的煤氣和水蒸氣的氣蝕作用下，逐步被氣蝕和腐蝕而產(chǎn)生氣隙，使爐墻的傳熱能力受到傷害；在高爐強化、凝固層的脫落情況下，不能及時將熱量傳遞給水系統(tǒng)而導致爐墻溫度異常升高。而鑄鐵冷卻壁前面的耐材溫度，在開爐初期的1年左右的時間內(nèi)，一直處于90℃左右，較銅冷卻壁前面的耐材溫度高約40℃。在這樣的條件下，C34膠泥固化和具備干燥強度的條件大大改善，在被煤氣和水蒸氣氣蝕前就已經(jīng)具備了足夠的強度，不易產(chǎn)生氣隙。因此，鑄鐵冷卻壁前面的爐墻在高爐強化和凝固層脫落時的傳熱能力顯著加強，其耐材溫度不易出現(xiàn)異常升高的情況。這一事實充分說明，烘爐及開爐初期膠泥的固化對保證爐缸爐墻傳熱體系及爐缸長壽的重要性。

3 不定形材料的特性

爐缸常用的不定形耐火材料的性能見表2、3。不定形材料只有在足夠溫度的干燥和焙燒條件下才具有足夠的導熱性和強度，才能夠不被煤氣氣蝕和保證爐墻的傳熱體系。

在常溫下對C34膠泥黏結(jié)強度的測試結(jié)果如圖4所示，在自然環(huán)境中養(yǎng)護60天以后的膠泥強度僅為3．9MPa。在不同干燥溫度下對C34膠泥黏結(jié)強度的測試結(jié)果如圖5所示，在60℃下，膠泥的黏結(jié)強度只有100℃條件下黏結(jié)強度的約45％。溫度對C34膠泥及時同化和具備強度起著至關(guān)重要的作用。

4 不定形材料的施工、操作維護的要求

GrafTech公司對C34膠泥的使用要求：

(1)膠泥黏結(jié)縫應在開始服役之前預固化。除非正常的使用溫度超過130℃，否則要將炭或石墨(磚)加熱至100℃，并保持于該溫度4h，然后在120～130℃保溫16h使之固化。固化溫度低于100℃，會導致固化時間的延長。而加熱過快，會使膠泥在固定之前從縫里擠出來。在預固化操作開始之前，砌筑部件不得移動。對于大的炭塊，如爐缸壁，來自于冶金過程的熱通常將使之恰當?shù)毓袒虼藷o須預固化(與陶瓷杯配合將不滿足該要求)。

(2)隨著適當?shù)念A固化，膠泥黏結(jié)的炭或石墨體之間形成了一種強的炭鍵。這種組合的結(jié)構(gòu)已可用于高溫的操作，在高溫下，該(膠泥)縫炭化而使固化完全。

根據(jù)上述條件，要求施工時要嚴格按C34膠泥使用說明書調(diào)配黏結(jié)劑和骨料的比例，要達到合適的膠泥黏稠度，使其具有良好的施工性能，保證其在施工過程中既能夠使磚縫密實均勻，又不會在養(yǎng)護期間產(chǎn)生流失。在烘爐期間嚴格控制烘爐溫度，減少冷卻水的冷卻強度，讓冷卻壁前面的耐材溫度能夠維持110℃的干燥溫度，保證膠泥的固化性能。在高爐投產(chǎn)初期，也應適當提高冷卻水的供水溫度，提高冷卻壁前耐材溫度，促使膠泥獲得進一步同結(jié)，使爐墻中部的耐材能夠達到850℃的焙燒溫度，使爐墻具有良好的傳熱能力和抵抗渣鐵侵蝕能力。

5 對高爐初期爐缸供水溫度及冷卻強度的建議

采用鑄鐵冷卻壁方案(水速2m／s，水管直徑70mm×6．5mm)，開爐初期爐缸爐墻傳熱通量、冷卻水的對流換熱系數(shù)、耐材冷端溫度隨冷卻水溫度變化的模型計算結(jié)果如圖6所示。水是黏性流體，根據(jù)黏性流體傳熱原理，隨水溫的提高，水的對流換熱系數(shù)明顯升高。水溫的提高會降低爐墻的熱通量，但由于爐墻冷熱端溫差大，水溫的提高對爐墻熱通量的降低很有限，而對爐缸冷端耐材溫度的提高、幫助膠泥等不定形材料的固化卻有很大的幫助作用。因此，建議在烘爐時將冷卻壁的供水關(guān)閉，盡可能提高冷卻壁前耐材的溫度；在開爐初期的2—3個月內(nèi)，提高爐缸供水溫度，使爐墻中的不定形材料進一步干燥和固化，以達到足夠的強度，保障爐墻的傳熱體系和為長壽打下良好的基礎。建議，烘爐時將水溫控制在80℃以上，讓耐材溫度達到110℃的烘干溫度；開爐初期將水溫提高到60℃左右運行[3]。

根據(jù)新日鐵提供的烘爐手冊中明確要求，寶鋼1號高爐(第一代爐役)在爐缸爐殼溫度達到65℃后才能開始爐缸灑水。這無疑對爐缸不定形材料的干燥發(fā)揮了重要作用，是爐缸在10幾年的爐役期未發(fā)生異常侵蝕的重要保障。

鐵口泥炮和開口機對鐵口區(qū)域砌體穩(wěn)定性是有較大的傷害的，特別是對膠泥焙燒不理想的鐵口區(qū)域。現(xiàn)代大型高爐的泥炮推力很大，堵炮時，如果鐵口區(qū)域膠泥焙燒溫度不夠，黏結(jié)強度不理想，將難于抵抗泥炮強大的推力而導致磚縫的開裂。鐵水會沿裂縫向下滲透進入冷卻壁前面焙燒和固化條件更差并易受到氣蝕傷害的區(qū)域，從而導致爐缸燒穿事故的發(fā)生，這是鐵口下部容易出現(xiàn)異常侵蝕的重要原因。因此，烘爐期間和開爐初期要重點加強鐵口區(qū)域耐材的烘烤、焙燒和溫度監(jiān)控，使膠泥等不定形材料達到固化和焙燒溫度，以防止意外情況的發(fā)生。

6 結(jié)語

高爐烘爐和開爐初期，要提高冷卻水的水溫，降低爐墻的冷卻強度，讓膠泥等不定形材料及時固化和具備足夠的抗氣蝕強度，這可能是當前解決爐缸長壽問題的關(guān)鍵。在投產(chǎn)初期，爐缸的冷卻強度并非越高越好，冷卻水溫并非越低越好。當前高爐爐缸問題頻發(fā)，在一定程度上可能與烘爐不徹底、開爐初期爐缸冷卻強度過大、水溫過低、不定形材料固化不良、受到煤氣氣蝕、在爐墻中形成了氣隙破壞了爐墻的傳熱體系等不無關(guān)系。

無論爐缸采用什么樣的耐材及冷卻配置方案，都有成功的先例，也有失敗的教訓，關(guān)鍵是要認識清楚每種配置方式實現(xiàn)長壽的關(guān)鍵要素。只有將其長壽規(guī)律認識清楚了，根據(jù)其內(nèi)在規(guī)律要求，合理控制每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)爐缸的長壽也就不難了。足夠的爐墻溫度使C34膠泥及時固化并具有足夠抵抗煤氣和水蒸氣氣蝕的能力，足夠的焙燒溫度使C34膠泥具備足夠的焙燒強度并具備足夠的抵抗鐵水滲透和侵蝕的能力，這將是小塊炭磚方案實現(xiàn)長壽的關(guān)鍵。

7 參考文獻

[1]   王寶海，謝明輝．鞍鋼新3號高爐爐缸爐底破損調(diào)查[C]∥中國金屬學會煉鐵分會．2012年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議及煉鐵學術(shù)年會文集．無錫：中國金屬學會，2012：32—37．

[2]   張壽榮．于仲潔．武鋼高爐長壽技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2009：103—104．

[3]   鄒忠平，郭憲臻．高爐爐缸氣隙的危害及防治[J]．鋼鐵，2012．(6)：9—13．