吳強(qiáng)國(guó)
（河南煜華科技有限公司 ）
摘 要：高爐爐缸下部特變是象腳區(qū)側(cè)壁溫度過(guò)高時(shí)，普遍采取封堵高溫點(diǎn)上部數(shù)個(gè)風(fēng)口的處理措施。堵風(fēng)口后下部高溫點(diǎn)的溫度會(huì)明顯下降。現(xiàn)有理論對(duì)這一過(guò)程機(jī)理闡釋為：堵風(fēng)口以后，冶煉強(qiáng)度降低，鐵水環(huán)流減輕，因此側(cè)壁溫度降低。但是這種解釋顯然與實(shí)質(zhì)不符。在此提出對(duì)這一最常規(guī)技術(shù)措施機(jī)理的質(zhì)疑，并從另一種角度來(lái)解釋這一現(xiàn)象，進(jìn)而引申到鐵水環(huán)流、冶煉強(qiáng)度對(duì)于爐缸炭磚侵蝕影響的質(zhì)疑，供大家交流探討。
關(guān)鍵詞：側(cè)壁溫度升高；堵風(fēng)口；冶煉強(qiáng)度；鐵水環(huán)流；風(fēng)口燃燒輻射；煙氣對(duì)流傳熱
1 對(duì)現(xiàn)有理論闡釋的質(zhì)疑
當(dāng)高爐爐缸側(cè)壁（特別是爐缸下部象腳區(qū)側(cè)壁）溫度嚴(yán)重升高時(shí)，高爐操作人員往往都會(huì)選擇封堵溫度升高部位上方對(duì)應(yīng)數(shù)個(gè)風(fēng)口的技術(shù)措施，一般都能夠?qū)崿F(xiàn)快速降低側(cè)壁溫度的效果。
這是一項(xiàng)司空見(jiàn)慣的常規(guī)措施，現(xiàn)有理論對(duì)這一過(guò)程的機(jī)理闡釋為：堵風(fēng)口以后，冶煉強(qiáng)度降低，鐵水環(huán)流減輕，因此側(cè)壁溫度降低。
這一觀念在煉鐵屆根深蒂固，成為共識(shí)，幾乎從未聽(tīng)到過(guò)質(zhì)疑的聲音。
側(cè)壁溫度升高，如果封堵對(duì)面相同數(shù)量的風(fēng)口，能否實(shí)現(xiàn)降低高溫點(diǎn)的側(cè)壁溫度呢？答案顯然是否定的！高溫點(diǎn)的側(cè)壁溫度不但不會(huì)降低，反而繼續(xù)升高！（見(jiàn)竇力威先生《高爐爐缸圓周工作狀態(tài)對(duì)側(cè)壁炭磚壽命的影響》）
同樣是堵相同數(shù)量的風(fēng)口，同樣降低了冶煉強(qiáng)度，同樣降低了鐵水環(huán)流，高溫點(diǎn)的側(cè)壁溫度為什么不降低，甚至繼續(xù)升高！
顯然，從冶煉強(qiáng)度高低、鐵水環(huán)流強(qiáng)弱的角度解釋這一現(xiàn)象的形成機(jī)理是不符合實(shí)際的！
由此可以得出如下推論：影響象腳區(qū)側(cè)壁溫度的主要因素不是鐵水環(huán)流；象腳侵蝕的主要因素也不是鐵水環(huán)流和鐵水熔蝕；高冶強(qiáng)造成爐缸壽命縮短，但不是因?yàn)槌鲨F量增加、鐵水環(huán)流加劇造成的，而是通過(guò)其他橋梁因素實(shí)現(xiàn)的。
2 堵風(fēng)口降低側(cè)壁溫度的機(jī)理探討
高爐爐缸側(cè)壁溫度升高后，堵高溫點(diǎn)上部風(fēng)口能夠快速降低側(cè)壁溫度，但堵其他部位相同數(shù)量的風(fēng)口無(wú)法降低高溫點(diǎn)的溫度。兩種情況的區(qū)別在于高溫點(diǎn)上部風(fēng)口燃燒情況存在巨大差異，從風(fēng)口燃燒狀況方面入手，也許可以解釋高溫點(diǎn)降溫過(guò)程的機(jī)理。
2.1 堵風(fēng)口大幅度降低了該區(qū)域的熱輻射
風(fēng)口正常送風(fēng)燃燒時(shí)，劇烈燃燒區(qū)域的溫度顯著高于周?chē)鷾囟龋瑥亩鴮?duì)周?chē)鷧^(qū)域形成輻射傳熱，風(fēng)口下部爐缸側(cè)壁耐火材料也會(huì)受到強(qiáng)烈的輻射傳熱。
輻射傳熱受溫差、間距、輻射角度等因素的影響。正上方的風(fēng)口燃燒對(duì)其下部爐缸側(cè)壁的輻射傳熱最強(qiáng)烈，兩側(cè)風(fēng)口的輻射傳熱受到間距、輻射角度的影響顯著降低。
爐缸側(cè)壁溫度升高時(shí)，往往采取封堵正上部若干個(gè)風(fēng)口的處理措施。這就消除了正上方風(fēng)口的輻射傳熱，兩側(cè)風(fēng)口燃燒的輻射傳熱量比較小，因此相當(dāng)于大幅削減了該部位爐缸側(cè)壁接受的輻射傳熱。因此側(cè)壁溫度應(yīng)該降低。
2.2 堵風(fēng)口降低了該區(qū)域的對(duì)流傳熱和傳導(dǎo)傳熱
堵風(fēng)口以后，該區(qū)域的燃燒幾乎停止，但上部落下的焦炭仍然源源不斷，因此該區(qū)域的焦炭不斷積累，渣鐵液面以上焦炭厚度不斷增加，直到達(dá)到一種平衡狀態(tài)，焦炭厚度達(dá)到最大值。
焦炭厚度增加，一定程度遮擋了爐缸側(cè)壁，大幅降低熱煙氣對(duì)該區(qū)域爐缸側(cè)壁的沖刷和對(duì)流傳熱。
焦炭厚度增加，相當(dāng)于增加了熱阻，爐缸側(cè)壁接收的熱煙氣的傳導(dǎo)傳熱量也降低了。
焦炭厚度增加遮擋爐缸側(cè)壁，也同時(shí)削弱了兩側(cè)風(fēng)口的輻射傳熱。
2.3 堵風(fēng)口降低其下部爐缸側(cè)壁溫度是傳熱量顯著減少的結(jié)果
基于上述分析可以看出，堵風(fēng)口以后，其下部爐缸側(cè)壁接收的輻射熱大幅降低，接收的熱煙氣的對(duì)流傳熱和傳導(dǎo)傳熱也相應(yīng)減少。在冷卻強(qiáng)度、爐內(nèi)鐵水傳熱等因素相對(duì)穩(wěn)定的情況下，爐缸下部側(cè)壁溫度降低是一種合理的結(jié)果。
2.4 堵風(fēng)口造成對(duì)面?zhèn)缺跍囟壬叩臋C(jī)理
堵風(fēng)口治理爐缸側(cè)壁溫度升高時(shí)，冶煉強(qiáng)度降低，單位時(shí)間內(nèi)加入的焦炭及噴煤量相應(yīng)減少。
堵風(fēng)口后，對(duì)應(yīng)的風(fēng)口噴煤中止，但是該部位仍然有焦炭從上部落下。由于該部位燃燒中止，這些焦炭就不斷富集、不斷積累。
入爐焦炭量對(duì)應(yīng)于高爐供風(fēng)量，被堵風(fēng)口區(qū)域焦炭過(guò)剩富集，其他風(fēng)口區(qū)域的焦炭就相應(yīng)有所欠缺。根據(jù)爐缸圓周工作均勻性，對(duì)面風(fēng)口焦炭欠缺量最為明顯。在這種工作條件下，高爐運(yùn)行一段時(shí)間后，渣鐵液面上部焦炭積累厚度出現(xiàn)明顯偏差：被堵風(fēng)口區(qū)域焦層加厚，對(duì)面風(fēng)口區(qū)域焦層明顯減薄。
根據(jù)以上燃燒、傳熱分析，焦層減薄以后，該區(qū)域爐缸側(cè)壁承受的輻射傳熱量、煙氣對(duì)流傳熱量、傳導(dǎo)傳熱量將增加。因此該區(qū)域爐缸側(cè)壁溫度將有所升高。
3 引申思考
堵風(fēng)口降低爐缸側(cè)壁溫度是煉鐵屆長(zhǎng)期以來(lái)采取的常規(guī)技術(shù)措施，效果明顯，司空見(jiàn)慣。探究其形成機(jī)理貌似沒(méi)有多大意義。但是通過(guò)重新探索這一技術(shù)常識(shí)的背后機(jī)理，對(duì)于我們認(rèn)識(shí)冶煉強(qiáng)度及鐵水環(huán)流對(duì)象腳侵蝕的影響、客觀認(rèn)識(shí)鐵水環(huán)流理論的正確與否，具有重要意義。
3.1 業(yè)界過(guò)分夸大了鐵水環(huán)流對(duì)于象腳侵蝕的影響
業(yè)界把鐵水環(huán)流、鐵水熔蝕作為象腳侵蝕的重要因素，甚至是主要因素。認(rèn)為炭磚侵蝕的本質(zhì)是鐵水熔蝕。認(rèn)為鐵水環(huán)流造成凝鐵層頻繁破壞，進(jìn)而沖刷炭磚、熔蝕炭磚。但有證據(jù)表明，許多炭磚的侵蝕過(guò)程中根本沒(méi)有發(fā)生與鐵水接觸的情況，炭磚侵蝕是在有保護(hù)層的情況下被侵蝕的，侵蝕因素不是鐵水。
長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界一直過(guò)分夸大了鐵水環(huán)流、鐵水熔蝕在象腳侵蝕形成中的作用。
雖然無(wú)法直觀觀察象腳區(qū)鐵水環(huán)流的破壞能力，但我們可以從鐵水在沙溝的流動(dòng)情況得到一些啟示。原先出鐵前，在鐵溝中鋪上沙子并整理成沙溝。出鐵時(shí)流動(dòng)的鐵水在沙溝中形成近似半圓形的管狀鐵殼，鐵水在中間部分快速流動(dòng)。由于流量波動(dòng)的影響，上表面的鐵殼會(huì)出現(xiàn)反復(fù)熔化、凝固的情況，但與沙子接觸的下部鐵殼極少被破壞。
對(duì)比沙溝出鐵與象腳區(qū)炭磚的工況條件：沙子是疏松的，沒(méi)有強(qiáng)度（抗壓、抗剪能力極低），沒(méi)有強(qiáng)化冷卻，導(dǎo)熱系數(shù)極低，鐵水溫度相差無(wú)幾，鐵水流速是象腳區(qū)的百倍以上。這種條件下接觸沙子的凝鐵殼能夠穩(wěn)定存在不被快速流動(dòng)的鐵水破壞，工況條件非常好的象腳區(qū)凝鐵層為什么就被近乎靜止的鐵水沖刷破壞了？象腳區(qū)鐵水流動(dòng)的剪應(yīng)力近乎為零（計(jì)算結(jié)果顯示，還沒(méi)有我們鼻孔出氣的剪應(yīng)力大），卻極力夸大它的破壞力！
3.2 業(yè)界應(yīng)該努力走出鐵水環(huán)流理論的誤區(qū)，補(bǔ)齊侵蝕理論的短板
鐵水環(huán)流理論根深蒂固，影響深遠(yuǎn)且廣泛，長(zhǎng)期誤導(dǎo)煉鐵屆。象腳侵蝕的治理始終沒(méi)有實(shí)質(zhì)性改善，就是因?yàn)榍治g理論與實(shí)際不符，在此理論指導(dǎo)下的治理措施無(wú)異于隔靴搔癢。
如果一直受困于鐵水環(huán)流理論，爐缸長(zhǎng)壽只能寄希望于耐火材料性能的突破。
只要采用炭磚耐材，受困于目前的侵蝕理論，爐缸象腳侵蝕就無(wú)法避免，將一直困擾煉鐵屆。
鐵水環(huán)流理論建立在錯(cuò)誤的假設(shè)條件之上，把死料柱設(shè)想成正圓錐形，并且死料柱下沉到象腳區(qū)，這違背基本的浮力學(xué)原理。這種假設(shè)的計(jì)算結(jié)果是象腳區(qū)鐵水環(huán)流速度比其它區(qū)域更大。
鐵水比焦炭的密度大得多，即使死料柱是一個(gè)穩(wěn)固的整體，在浮力的作用下，正圓錐形的死料柱在鐵水中必然翻轉(zhuǎn)。
死料柱主要是由焦炭組成的，焦炭顆粒之間沒(méi)有結(jié)合力，在浮力的作用下，正圓錐形死料柱下部邊緣部分的焦炭必然分散上浮，改變死料柱形狀，形成上部大、下部小的倒圓錐形或者鍋底形。這樣象腳區(qū)的環(huán)流通道就大幅加寬了，計(jì)算的鐵水環(huán)流速度應(yīng)該是象腳區(qū)比其它區(qū)域更小。
死料柱的下沉深度很難到達(dá)象腳區(qū)。如果死料柱長(zhǎng)期下沉到鐵口以下，出鐵時(shí)應(yīng)該頻繁出現(xiàn)卡焦、噴焦的情況。
如果死料柱本來(lái)就沒(méi)有下沉到象腳區(qū)，那么象腳區(qū)就不存在環(huán)流。
我曾反復(fù)做一些簡(jiǎn)單的模擬試驗(yàn)，結(jié)果如下：
密度較小的固體顆粒，始終無(wú)法在密度較大的液態(tài)中形成正圓錐形的組團(tuán)；
即使在容器中放置類似死料柱，從容器標(biāo)高的中間部位出液，容器底部的液體根本沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的環(huán)流。
象腳區(qū)可能根本不存在鐵水環(huán)流；象腳區(qū)即使有輕微的環(huán)流，對(duì)于凝鐵保護(hù)層也不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的破壞能力；象腳區(qū)即使有輕微的環(huán)流，象腳區(qū)的環(huán)流速度比爐缸中部標(biāo)高段的環(huán)流速度應(yīng)該更小，象腳區(qū)的炭磚侵蝕速度應(yīng)該更慢。
鐵水環(huán)流理論存在明顯缺陷，矛盾重重。
煉鐵屆應(yīng)該走出鐵水環(huán)流理論的死胡同，重新認(rèn)識(shí)、探究象腳侵蝕的成因和治理措施。補(bǔ)齊侵蝕理論的短板，實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽的目的。
3.3 探究高冶強(qiáng)造成爐缸短壽的技術(shù)機(jī)理有助于找到既提高冶強(qiáng)又不影響爐缸壽命的技術(shù)途徑
高冶強(qiáng)造成爐缸短壽是不爭(zhēng)的事實(shí)，但形成機(jī)理仍然局限于鐵水環(huán)流理論。認(rèn)為冶強(qiáng)高，出鐵量大，環(huán)流加劇，侵蝕加速，壽命縮短。
鐵水環(huán)流理論的科學(xué)性非常值得懷疑，用這一理論很難正確解釋高冶強(qiáng)造成爐缸短壽問(wèn)題。
象腳區(qū)可能根本不存在鐵水環(huán)流，冶強(qiáng)增加應(yīng)該只影響爐缸中部鐵口標(biāo)高段。高冶強(qiáng)應(yīng)該是通過(guò)其他橋梁媒介作用于象腳區(qū)從而造成象腳區(qū)侵蝕加速。
我提出以下看法，供大家交流：
① 冶強(qiáng)提高，鼓風(fēng)壓力提高，高爐運(yùn)行壓力提高，串煤氣量增加，由此產(chǎn)生的隱形水產(chǎn)量大幅增加。這部分水分沉積到爐缸下部環(huán)炭冷面，固定侵蝕象腳區(qū)炭磚，造成象腳侵蝕加速；
② 冶強(qiáng)提高，高溫燃燒區(qū)范圍加大外移，爐缸側(cè)壁承受的輻射加劇，側(cè)壁溫度提升一定幅度。側(cè)壁溫度提升使得隱形水與炭磚的反應(yīng)速度加快；初始反應(yīng)位置向環(huán)炭冷面移動(dòng)，反應(yīng)范圍加大。
以上兩個(gè)因素中，隱形水產(chǎn)量大幅增加是主要因素。
基于隱形水侵蝕的技術(shù)觀點(diǎn)，很容易找到既提高冶強(qiáng)又不影響爐缸壽命的技術(shù)途徑。
不要把高冶強(qiáng)造成爐缸短壽看成是一種必然結(jié)果。
3.4 突破現(xiàn)有侵蝕理論的束縛，有利于高爐節(jié)能降本
在現(xiàn)有侵蝕理論的指導(dǎo)下，為了實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽，就需要采購(gòu)昂貴的“優(yōu)質(zhì)”耐火材料，極力提高冷卻強(qiáng)度，苛求原燃料“質(zhì)量”，約束冶煉強(qiáng)度，頻繁鈦礦護(hù)爐。這些措施大幅抬升了高爐的建造成本和煉鐵成本，而且對(duì)爐缸長(zhǎng)壽的作用非常有限。
突破現(xiàn)有侵蝕理論的束縛，我們可能發(fā)現(xiàn)如下情況：
國(guó)產(chǎn)普通炭磚也能實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽，目前要求的“優(yōu)質(zhì)”耐火材料純屬浪費(fèi)；
目前要求的冷卻強(qiáng)度極度富裕，加大了高爐能耗；
為了提高死料柱的透液性，減輕環(huán)流而對(duì)焦炭質(zhì)量提出的苛刻要求是多余的；
為了減輕有害元素侵蝕爐缸而對(duì)煉鐵原料提出的嚴(yán)格質(zhì)量要求是不必要的；
高冶強(qiáng)并不影響爐缸長(zhǎng)壽；
鈦礦護(hù)爐不但不必要，而且更容易造成無(wú)征兆燒穿。
跳出現(xiàn)有束縛，探究侵蝕機(jī)理，接受新的理念，采取新的措施，可以大幅降低高爐的建造成本和生產(chǎn)成本。