陳濤
（中冶華天工程技術有限公司鋼鐵設計研究總院，江蘇南京210019）
摘要：高爐生產過程中，不可避免會出現高爐爐缸侵蝕，侵蝕速度決定高爐壽命。基于高爐爐缸侵蝕機理，從高爐設計角度出發，著重闡述高爐長壽技術的設計依據，以供同行參考。
關鍵詞：高爐長壽；爐缸侵蝕；等溫線；熱流強度；傳熱體系
高爐長壽設計，應按照長壽設計技術要求，選用冷卻設備結構形式,材質、冷卻介質、耐火材料、砌筑結構及監控技術，可有效減少大中修費用，避免停產帶來的經濟損失。高爐大型化以后，新建高爐要求1 000 m3以上，各企業高爐數量減少明顯，停產帶來的經濟損失更明顯。國外高爐壽命最長已超過24年，國內寶鋼、武鋼高爐壽命最長超過15年，跟國外長壽水平仍有一定差距，本文從高爐爐缸侵蝕機理談起，以髙爐設計角度闡述高爐長壽技術的關鍵要素，供同行參考。
1爐缸侵蝕機理
優質炭磚與合理冷卻相結合，形成理想的凝固線。爐缸工作面形成穩定的凝固殼是高爐長壽的保證。爐缸結構設計雖然利用水冷方式將耐材溫度降到凝固線以下，在耐材熱面形成渣鐵凝固殼實現耐材與高溫渣鐵在空間上的分開，以延長耐材使用壽命達到高爐長壽的目的，但是實際生產過程中的渣鐵凝固殼厚度并不是一成不變，是建立在不斷熔化與凝固的動態平衡中，當爐缸熱流波動導致凝固線往外推移，并推移至炭磚熱面或者炭磚內時，炭磚不可避免地要與高溫鐵水直接接觸從而使炭磚發生脆裂，脆裂是通過以下四種方式實現[1]。
1.1鐵水滲透
鐵水滲透是鐵水通過炭磚氣孔滲透，滲鐵后的炭磚體積膨脹,導致炭磚結構破壞而形成脆裂，脆裂到一定程度會造成耐材砌體局部上浮，給高爐操作帶來極大的安全隱患。
鐵水滲透程度與耐材溫度有關。目前降低耐材溫度提高抗鐵水滲鐵的方式有三種行之有效的方式：加強易侵蝕區域冷卻器冷卻強度，當鐵水與炭磚直接接觸時能盡快帶走多余熱量，達到降低耐材內部溫度的目的；改善爐缸侵蝕區耐火材料綜合導熱系數；降低爐缸內熱流強度。
1.2爐缸漏水滲入
目前各種高爐用耐火材料都無法抵擋高爐高溫鐵水的侵蝕，因此高爐爐缸設計理念普遍采用在耐材冷面增加冷卻壁，通過水冷方式降低耐材內部溫度。然而當冷卻器受損向爐缸內發生滲漏的時候應該引起高度重視，爐缸漏水滲入會導致竄進傳熱體系縫隙的高溫煤氣迅速降溫，并在水蒸汽的作用下，生成大量炭黑和氧化炭磚，增加爐缸傳熱體系的熱阻，使侵蝕線往外推移造成耐材侵蝕。由于這一過程不可逆，因此設計工作者有必要在高爐水系統設計中充分考慮檢漏與報警的效用，盡早使高爐操作者知道漏水的位置以及漏水量，為操作者制定處理方案提供便捷。
如果條件允許，建立全國高爐專家系統實時數據庫，實現會員高爐漏水及時檢測與報警功能，并及時將優化的處理方案實時推送給高爐操作者，將極大減少爐缸漏水對高爐長壽的影響。
1.3堿金屬破壞
堿金屬與耐火材質中Al2O3、SiO2生成硅酸鹽低熔物，使耐火材料損壞，在傳統爐缸耐火材料中，碳質耐火磚的抗堿性大于陶瓷質耐火磚。堿金屬在高爐內富集造成透氣性變壞，生產低熔點化合物黏結爐襯，造成黏結物頻繁脫落，風口破損嚴重影響高爐生產及順行，不利于爐缸長壽。爐內鋅蒸汽順著冷卻設備縫隙進入風口區，使風口組合磚體積膨脹或損壞；當鋅蒸汽進入爐缸炭磚縫隙將造成炭磚脆化，炭磚中脆裂帶大都是堿金屬對炭磚侵蝕造成。
1.4熱應力破壞
炭磚傳熱性能變差,炭磚內部熱應力增大，產生微裂紋，給水蒸氣、煤氣、堿金屬蒸汽裂化爐襯提供溫床。一般認為，炭磚在870℃左右溫度區間發生熱應變，造成耐火磚向上折斷進而產生縫隙，因此在高爐爐缸設計過程中，應盡量將870℃等溫線推離炭磚熱面，減少熱應力對爐缸炭磚的破壞，達到高爐長壽爐缸設計的目的。
2高爐長壽設計關鍵要素
2.1延長耐材使用壽命的機理研究
目前高爐爐缸設計理念普遍采用在耐材冷面增加冷卻壁，通過水冷方式降低耐材內部溫度，以利用在耐材熱面形成渣鐵凝固殼延緩耐材的侵蝕速度，達到延長高爐使用壽命的目的。該理念可用圖1方式表示。
針對爐缸渣鐵凝固殼生成過程是一個相對緩慢的過程，將此模型簡化為一維穩態傳熱，即：單位時間單位面積鐵水向渣鐵凝固殼傳遞的熱量加上凝固殼釋放的潛熱，等于通過爐缸側壁傳出的熱量。
式中ai為鐵水對凝固殼的換熱系數45 W/（m2·℃）；為鐵水溫度1 500℃；ts為凝固殼的凝固溫度1 150℃；Ls為凝固殼厚度，m；Lz為炭磚厚度，m；Lb 為冷卻壁熱面至冷卻水管中心的距離，m；aw為冷卻水換熱系數W/（m2·℃）；tw為冷卻水溫度30℃；ρs為致密度2 200 kg/m3；hs為熔化潛熱1 674 kJ/kg。
渣鐵凝固殼形成過程：當耐材熱面溫度低于凝固溫度1 150 ℃時，耐材熱面附近鐵水的熱量通過爐缸爐墻的傳熱體系導出，凝固殼逐漸生成，隨凝固殼厚度增大，凝固殼前沿釋放的潛熱傳遞到冷卻水的熱阻增大，即熱量導出越來越困難，因此凝固速度減慢，最終達到動態平衡，實現保護耐材的目的。
2.2長壽爐缸結構設計優化
爐缸部位擁有較厚的耐火材料，市場主流采用鑄鐵冷卻壁形式進行冷卻,亦能達到預期冷卻效果，近年普遍在爐缸鐵口區及環流侵蝕區采用銅冷卻壁形式加強冷卻，主要應對爐役后期爐缸耐材侵蝕后的強化冷卻。因此爐缸長壽設計的重點在爐缸耐材結構的優化，當前主流形式為:基于強化冷卻的凝結層理論形式和基于陶瓷杯結構的隔熱理論形式。
1） 基于凝結層理論的爐缸結構
該結構的重點在于高質量的炭磚性能及導熱體系，要求導熱體系炭磚耐火材料具有高導熱性、防滲透性、防止發生環裂等優異性能。該爐缸結構的設計重點在于投產后烘開爐方案的設計，通過優化烘開爐方案設計使導熱體系的不定性炭質材料達到預期的密度、強度及導熱性能。具體措施如提高烘開爐期間耐材工作溫度、對易形成空隙部位進行二次灌漿等。
2） 基于隔熱理論的爐缸結構
該結構在爐缸炭磚熱面附加一層抗鐵水侵蝕能力強、低導熱的優質莫來石或剛玉質的陶瓷杯將1 150 ℃鐵水凝固線和防止大塊炭磚環裂的870 ℃熱應變線控制在陶瓷杯以內，降低炭磚的工作溫度，避免炭磚過早發生脆化侵蝕達到延長高爐爐缸壽命的目的。另外該結構具有保溫作用，有利降低熱損失。
該結構的不足：陶瓷材料未經在爐缸長期工作的溫度下充分燒透，開爐使用過程中內部可能因發生晶型轉變而產生膨脹或開裂,影響使用壽命。優化措施為：合理設計陶瓷磚與炭磚之間的膨脹縫和三角縫;根據陶瓷材料晶型轉變區間及理化條件，優化烘開爐方案及達產日期天數。
2.3死腿深度設計優化
由于中心焦堆沉坐占用了一定的高爐死鐵層深度，且中心焦堆的透氣透液性下降，鐵水通過中心焦堆底部的量急劇減少，僅有的死鐵層邊緣角部仍存在狹小的無焦炭鐵水自由空間，因此在此區域便形成強烈的環流，沖刷爐缸耐火材料，使渣鐵凝固殼不易形成，因此，加深死鐵層已被公認為延長爐缸、爐底壽命的措施，目前國內設計的死鐵層深度一般取爐缸直徑的20%。
另一方面，爐缸死焦堆遠動軌跡為，部分焦炭從燃燒帶下方被擠入循環區而氣化，這部分氣化量占總量的15%~20%， 死焦堆的焦炭沿著底部自由的焦炭床表面按傾角不超過靜摩擦角。向循環區下部運動，一般更新周期約為7~10 d。如果一味加深死鐵層深度勢必造成死焦堆焦炭運動軌跡延長，更新周期變長，中心焦堆透氣透液的進一步變差和沉坐的惡性循環。
綜上分析，基于各設計機構經驗方面，當前高爐設計的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%~25%為宜。
2.4高爐內型設計優化
高爐實際操作中，生產企業往往在投產初期采取發展邊緣，盡快形成操作爐型,達到快速提高生產指標的目的；爐役后期又因耐材的不同程度侵蝕剝落,理想操作爐型難以維持，邊緣氣流過剩，往往采取壓制邊緣的操作。因此設計過程應充分考慮這一變化規律，設計爐型盡量靠近爐役中期指標理想時期的操作內型，并通過優化水系統及耐材系統設計水平使理想操作爐型維持時間不低于15年。
高爐投產以后，爐腰直徑受氣流沖刷擴大，爐內阻損減小，高爐順行改善。擴大后的爐腰直徑促使順行改善的同時，保證高爐下部有充足儲熱，能有效降低噸鐵燃料消耗。設計工作者在爐型設計過程必須對生產企業未來爐料結構及高爐操作水平進行合理預估，結合該企業已有高爐生產數據確定高爐爐型合理區間。根據過去經驗，我國大多數企業爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7-0.8范圍內阻損最小，適合于強化冶煉。隨著高爐操作時間延續，爐腰內襯侵蝕逐步向上推移，當爐身中上部磚襯脫落形成凹凸不平的剖面或階梯狀剖面，在爐身邊緣形成爐料的混合層，邊緣氣流難以控制。易發生邊緣管道，侵蝕后的爐身角希望在80。以上，不應小于78°，不使大量煤氣從邊緣通過，而導致操作指標惡化[2]。
實踐表明，內型要有平滑的剖面，使爐料順利下降。因此,高爐設計過程，在不斷優化設計爐型外形尺寸無限接近合理操作爐型的同時，應重點優化爐殼及耐材折點設計，尤其耐材熱面折點在考慮熱面構造同時，還應結合冷卻系統設計實現生產過程等溫線的平滑過渡。
2.5爐缸侵蝕情況在線監測
高爐爐缸在生產過程中，不可避免出現侵蝕，而爐缸侵蝕速度決定高爐壽命，為及時應對生產過程爐缸異常侵蝕，降低爐缸侵蝕速度，冶金技術工作者采用爐缸在線監測手段輔助生產操作，當前市場在線爐缸監測手段主要有三種途徑；分別為：1）利用儀表對爐缸耐材殘余厚度進行直接測量；2）利用爐缸爐底熱電偶溫度，根據傳熱學原理，利用有限元推算爐缸侵蝕建立爐缸侵蝕模型，推測和掌握爐缸渣鐵殼生成與脫落狀況；3）利用精密熱電偶對爐缸冷卻壁進出水管溫度差進行在線監測，根據水量及冷卻水管覆蓋面積計算熱流強度，反算爐缸側壁熱阻。為使操作人員能及時了解高爐爐缸爐底各部位的運行情況，各生產企業引進高爐專家系統幫助操作人員獲取正確的操作方法，延長高爐壽命。不足之處，現有高爐專家系統在爐缸爐底侵蝕計算的基礎是施工過程預埋的熱電偶，其圓周方向大約4~6m 才能有一個監控點，且一旦熱電偶出問題不可在線修復，而爐缸異常侵蝕加劇期大都在爐役后期，施工期預留的熱電偶難免出現個別故障，因此現有專家系統有關爐缸侵蝕的模塊實用性不高，有待高爐工作者進一步完善，建議可將直接測量和精密電偶測水溫手段綜合進現有專家系統，真正實現在線監測無盲區，為高爐專家系統更好地服務生產做好基礎工作。
在做好爐缸爐底測溫熱電偶在線監測和維護工作的同時,實現爐缸區域冷卻設備細分區域水量變化在線檢測并及時將數據輸送給專家系統，由專家系統向操作人員及時提供冷卻器檢漏依據也尤為重要。
3結論
1） 長壽爐缸結構技術：提高耐火磚質量；減少炭磚與冷卻壁之間碳導料熱阻;合理控制水冷系統，有效杜絕1 150℃渣鐵凝固線和870℃熱應變線進入炭磚熱面保證爐墻有效的傳熱體系是高爐爐缸長壽的關鍵。
2） 合理的死鐵層深度設計：當前高爐設計的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%~25%為宜，對活躍爐缸有利，達到減少鐵水環流延長爐缸壽命的目的。
3） 合理的高爐內型設計：高爐設計內型盡可能接近高生產指標時期的操作內型，爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7-0.8范圍內；爐身角希望在80°以上，不應小于78°；優化爐殼及耐材折點設計，消除各種應力，延長高爐合理操作爐型的維持時間，達到高爐長壽設計的目的。
4） 在線監測技術：通過將可在線維護和監測的精密熱電偶測水溫技術和直接殘厚測量技術整合進現有耐材熱電偶測溫法的高爐專家系統爐缸監測模塊,增加專家系統爐缸在線監測手段的實用性，切實降低爐役后期耐材侵蝕速度，實現高爐長壽的目的。
參考文獻
[11 張壽榮.延長高爐壽命是系統工程高爐長壽技術是綜合技術[J].煉鐵,2000,19（1）:1-4.
[2] 項鐘庸，王筱留.高爐設計煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京:冶金工業出版社,2007.