陳 濤

（中冶華天工程技術(shù)有限公司鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院， 江蘇 南京 210019）

高爐長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)，應(yīng)按照長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選用冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，材質(zhì)、冷卻介質(zhì)、耐火材料、砌筑結(jié)構(gòu)及監(jiān)控技術(shù)，可有效減少大中修費(fèi)用，避免停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。高爐大型化以后，新建高爐要求1 000 m3以上，各企業(yè)高爐數(shù)量減少明顯，停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失更明顯。國(guó)外高爐壽命最長(zhǎng)已超過24年，國(guó)內(nèi)寶鋼、武鋼高爐壽命最長(zhǎng)超過15年，跟國(guó)外長(zhǎng)壽水平仍有一定差距，本文從高爐爐缸侵蝕機(jī)理談起，以高爐設(shè)計(jì)角度闡述高爐長(zhǎng)壽技術(shù)的關(guān)鍵要素，供同行參考。

1 爐缸侵蝕機(jī)理

優(yōu)質(zhì)炭磚與合理冷卻相結(jié)合，形成理想的凝固線。爐缸工作面形成穩(wěn)定的凝固殼是高爐長(zhǎng)壽的保證。爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)耐材與高溫渣鐵在空間上的分開，以延長(zhǎng)耐材使用壽命達(dá)到高爐長(zhǎng)壽的目的，但是實(shí)際生產(chǎn)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(dòng)態(tài)平衡中，當(dāng)爐缸熱流波動(dòng)導(dǎo)致凝固線往外推移，并推移至炭磚熱面或者炭磚內(nèi)時(shí)，炭磚不可避免地要與高溫鐵水直接接觸從而使炭磚發(fā)生脆裂，脆裂是通過以下四種方式實(shí)現(xiàn)[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(dǎo)致炭磚結(jié)構(gòu)破壞而形成脆裂，脆裂到一定程度會(huì)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(guān)。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(qiáng)易侵蝕區(qū)域冷卻器冷卻強(qiáng)度，當(dāng)鐵水與炭磚直接接觸時(shí)能盡快帶走多余熱量，達(dá)到降低耐材內(nèi)部溫度的目的；改善爐缸侵蝕區(qū)耐火材料綜合導(dǎo)熱系數(shù)；降低爐缸內(nèi)熱流強(qiáng)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(shè)計(jì)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(nèi)部溫度。然而當(dāng)冷卻器受損向爐缸內(nèi)發(fā)生滲漏的時(shí)候應(yīng)該引起高度重視，爐缸漏水滲入會(huì)導(dǎo)致竄進(jìn)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(shè)計(jì)工作者有必要在高爐水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮檢漏與報(bào)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(guó)高爐專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)會(huì)員高爐漏水及時(shí)檢測(cè)與報(bào)警功能，并及時(shí)將優(yōu)化的處理方案實(shí)時(shí)推送給高爐操作者，將極大減少爐缸漏水對(duì)高爐長(zhǎng)壽的影響。

1.3 堿金屬破壞

堿金屬與耐火材質(zhì)中Al2O3、SiO2生成硅酸鹽低熔物，使耐火材料損壞，在傳統(tǒng)爐缸耐火材料中，碳質(zhì)耐火磚的抗堿性大于陶瓷質(zhì)耐火磚。

堿金屬在高爐內(nèi)富集造成透氣性變壞，生產(chǎn)低熔點(diǎn)化合物黏結(jié)爐襯，造成黏結(jié)物頻繁脫落，風(fēng)口破損嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)及順行，不利于爐缸長(zhǎng)壽。

爐內(nèi)鋅蒸汽順著冷卻設(shè)備縫隙進(jìn)入風(fēng)口區(qū)，使風(fēng)口組合磚體積膨脹或損壞；當(dāng)鋅蒸汽進(jìn)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(duì)炭磚侵蝕造成。

1.4 熱應(yīng)力破壞

炭磚傳熱性能變差，炭磚內(nèi)部熱應(yīng)力增大，產(chǎn)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(rèn)為，炭磚在870℃左右溫度區(qū)間發(fā)生熱應(yīng)變，造成耐火磚向上折斷進(jìn)而產(chǎn)生縫隙，因此在高爐爐缸設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量將870℃等溫線推離炭磚熱面，減少熱應(yīng)力對(duì)爐缸炭磚的破壞，達(dá)到高爐長(zhǎng)壽爐缸設(shè)計(jì)的目的。

2 高爐長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

2.1 延長(zhǎng)耐材使用壽命的機(jī)理研究

目前高爐爐缸設(shè)計(jì)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(nèi)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(dá)到延長(zhǎng)高爐使用壽命的目的。該理念可用圖1方式表示。

圖1 爐缸侵蝕簡(jiǎn)化模型

針對(duì)爐缸渣鐵凝固殼生成過程是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，將此模型簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，即：?jiǎn)挝粫r(shí)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(cè)壁傳出的熱量。

式中：ai為鐵水對(duì)凝固殼的換熱系數(shù)45 W（/m2·℃）；tl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(shù)W（/m·2℃）；tw為冷卻水溫度30℃；ρs為致密度2 200 kg/m3；hs為熔化潛熱1674 kJ/kg。

渣鐵凝固殼形成過程：當(dāng)耐材熱面溫度低于凝固溫度1 150℃時(shí)，耐材熱面附近鐵水的熱量通過爐缸爐墻的傳熱體系導(dǎo)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(dǎo)出越來越困難，因此凝固速度減慢，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)保護(hù)耐材的目的。

2.2 長(zhǎng)壽爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

爐缸部位擁有較厚的耐火材料，市場(chǎng)主流采用鑄鐵冷卻壁形式進(jìn)行冷卻，亦能達(dá)到預(yù)期冷卻效果，近年普遍在爐缸鐵口區(qū)及環(huán)流侵蝕區(qū)采用銅冷卻壁形式加強(qiáng)冷卻，主要應(yīng)對(duì)爐役后期爐缸耐材侵蝕后的強(qiáng)化冷卻。因此爐缸長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在爐缸耐材結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，當(dāng)前主流形式為：基于強(qiáng)化冷卻的凝結(jié)層理論形式和基于陶瓷杯結(jié)構(gòu)的隔熱理論形式。

1）基于凝結(jié)層理論的爐缸結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)在于高質(zhì)量的炭磚性能及導(dǎo)熱體系，要求導(dǎo)熱體系炭磚耐火材料具有高導(dǎo)熱性、防滲透性、防止發(fā)生環(huán)裂等優(yōu)異性能。該爐缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于投產(chǎn)后烘開爐方案的設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化烘開爐方案設(shè)計(jì)使導(dǎo)熱體系的不定性炭質(zhì)材料達(dá)到預(yù)期的密度、強(qiáng)度及導(dǎo)熱性能。具體措施如提高烘開爐期間耐材工作溫度、對(duì)易形成空隙部位進(jìn)行二次灌漿等。

2）基于隔熱理論的爐缸結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)在爐缸炭磚熱面附加一層抗鐵水侵蝕能力強(qiáng)、低導(dǎo)熱的優(yōu)質(zhì)莫來石或剛玉質(zhì)的陶瓷杯將1 150℃鐵水凝固線和防止大塊炭磚環(huán)裂的870℃熱應(yīng)變線控制在陶瓷杯以內(nèi)，降低炭磚的工作溫度，避免炭磚過早發(fā)生脆化侵蝕達(dá)到延長(zhǎng)高爐爐缸壽命的目的。另外該結(jié)構(gòu)具有保溫作用，有利降低熱損失。

該結(jié)構(gòu)的不足：陶瓷材料未經(jīng)在爐缸長(zhǎng)期工作的溫度下充分燒透，開爐使用過程中內(nèi)部可能因發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生膨脹或開裂，影響使用壽命。優(yōu)化措施為：合理設(shè)計(jì)陶瓷磚與炭磚之間的膨脹縫和三角縫；根據(jù)陶瓷材料晶型轉(zhuǎn)變區(qū)間及理化條件，優(yōu)化烘開爐方案及達(dá)產(chǎn)日期天數(shù)。

2.3 死鐵層深度設(shè)計(jì)優(yōu)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(qū)域便形成強(qiáng)烈的環(huán)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(rèn)為延長(zhǎng)爐缸、爐底壽命的措施，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)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(yuǎn)動(dòng)軌跡為，部分焦炭從燃燒帶下方被擠入循環(huán)區(qū)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(huán)區(qū)下部運(yùn)動(dòng)，一般更新周期約為7～10 d。如果一味加深死鐵層深度勢(shì)必造成死焦堆焦炭運(yùn)動(dòng)軌跡延長(zhǎng)，更新周期變長(zhǎng)，中心焦堆透氣透液的進(jìn)一步變差和沉坐的惡性循環(huán)。

綜上分析，基于各設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)方面，當(dāng)前高爐設(shè)計(jì)的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%～25%為宜。

2.4 高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)優(yōu)化

高爐實(shí)際操作中，生產(chǎn)企業(yè)往往在投產(chǎn)初期采取發(fā)展邊緣，盡快形成操作爐型，達(dá)到快速提高生產(chǎn)指標(biāo)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(shè)計(jì)過程應(yīng)充分考慮這一變化規(guī)律，設(shè)計(jì)爐型盡量靠近爐役中期指標(biāo)理想時(shí)期的操作內(nèi)型，并通過優(yōu)化水系統(tǒng)及耐材系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平使理想操作爐型維持時(shí)間不低于15年。

高爐投產(chǎn)以后，爐腰直徑受氣流沖刷擴(kuò)大，爐內(nèi)阻損減小，高爐順行改善。擴(kuò)大后的爐腰直徑促使順行改善的同時(shí)，保證高爐下部有充足儲(chǔ)熱，能有效降低噸鐵燃料消耗。設(shè)計(jì)工作者在爐型設(shè)計(jì)過程必須對(duì)生產(chǎn)企業(yè)未來爐料結(jié)構(gòu)及高爐操作水平進(jìn)行合理預(yù)估，結(jié)合該企業(yè)已有高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定高爐爐型合理區(qū)間。根據(jù)過去經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)大多數(shù)企業(yè)爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7～0.8范圍內(nèi)阻損最小，適合于強(qiáng)化冶煉。隨著高爐操作時(shí)間延續(xù)，爐腰內(nèi)襯侵蝕逐步向上推移，當(dāng)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(fā)生邊緣管道，侵蝕后的爐身角希望在80°以上，不應(yīng)小于78°，不使大量煤氣從邊緣通過，而導(dǎo)致操作指標(biāo)惡化[2]。

實(shí)踐表明，內(nèi)型要有平滑的剖面，使?fàn)t料順利下降。因此，高爐設(shè)計(jì)過程，在不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)爐型外形尺寸無限接近合理操作爐型的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化爐殼及耐材折點(diǎn)設(shè)計(jì)，尤其耐材熱面折點(diǎn)在考慮熱面構(gòu)造同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程等溫線的平滑過渡。

2.5 爐缸侵蝕情況在線監(jiān)測(cè)

高爐爐缸在生產(chǎn)過程中，不可避免出現(xiàn)侵蝕，而爐缸侵蝕速度決定高爐壽命，為及時(shí)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過程爐缸異常侵蝕，降低爐缸侵蝕速度，冶金技術(shù)工作者采用爐缸在線監(jiān)測(cè)手段輔助生產(chǎn)操作，當(dāng)前市場(chǎng)在線爐缸監(jiān)測(cè)手段主要有三種途徑；分別為：1）利用儀表對(duì)爐缸耐材殘余厚度進(jìn)行直接測(cè)量；2）利用爐缸爐底熱電偶溫度，根據(jù)傳熱學(xué)原理，利用有限元推算爐缸侵蝕建立爐缸侵蝕模型，推測(cè)和掌握爐缸渣鐵殼生成與脫落狀況；3）利用精密熱電偶對(duì)爐缸冷卻壁進(jìn)出水管溫度差進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)水量及冷卻水管覆蓋面積計(jì)算熱流強(qiáng)度，反算爐缸側(cè)壁熱阻。

為使操作人員能及時(shí)了解高爐爐缸爐底各部位的運(yùn)行情況，各生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)高爐專家系統(tǒng)幫助操作人員獲取正確的操作方法，延長(zhǎng)高爐壽命。不足之處，現(xiàn)有高爐專家系統(tǒng)在爐缸爐底侵蝕計(jì)算的基礎(chǔ)是施工過程預(yù)埋的熱電偶，其圓周方向大約4～6 m才能有一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，且一旦熱電偶出問題不可在線修復(fù)，而爐缸異常侵蝕加劇期大都在爐役后期，施工期預(yù)留的熱電偶難免出現(xiàn)個(gè)別故障，因此現(xiàn)有專家系統(tǒng)有關(guān)爐缸侵蝕的模塊實(shí)用性不高，有待高爐工作者進(jìn)一步完善，建議可將直接測(cè)量和精密電偶測(cè)水溫手段綜合進(jìn)現(xiàn)有專家系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)無盲區(qū)，為高爐專家系統(tǒng)更好地服務(wù)生產(chǎn)做好基礎(chǔ)工作。

在做好爐缸爐底測(cè)溫?zé)犭娕荚诰€監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)爐缸區(qū)域冷卻設(shè)備細(xì)分區(qū)域水量變化在線檢測(cè)并及時(shí)將數(shù)據(jù)輸送給專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)向操作人員及時(shí)提供冷卻器檢漏依據(jù)也尤為重要。

3 結(jié)論

1）長(zhǎng)壽爐缸結(jié)構(gòu)技術(shù)：提高耐火磚質(zhì)量；減少炭磚與冷卻壁之間碳導(dǎo)料熱阻；合理控制水冷系統(tǒng)，有效杜絕1 150℃渣鐵凝固線和870℃熱應(yīng)變線進(jìn)入炭磚熱面保證爐墻有效的傳熱體系是高爐爐缸長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。

2）合理的死鐵層深度設(shè)計(jì)：當(dāng)前高爐設(shè)計(jì)的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%～25%為宜，對(duì)活躍爐缸有利，達(dá)到減少鐵水環(huán)流延長(zhǎng)爐缸壽命的目的。

3）合理的高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)：高爐設(shè)計(jì)內(nèi)型盡可能接近高生產(chǎn)指標(biāo)時(shí)期的操作內(nèi)型，爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7～0.8范圍內(nèi)；爐身角希望在80°以上，不應(yīng)小于78°；優(yōu)化爐殼及耐材折點(diǎn)設(shè)計(jì)，消除各種應(yīng)力，延長(zhǎng)高爐合理操作爐型的維持時(shí)間，達(dá)到高爐長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)的目的。

4）在線監(jiān)測(cè)技術(shù)：通過將可在線維護(hù)和監(jiān)測(cè)的精密熱電偶測(cè)水溫技術(shù)和直接殘厚測(cè)量技術(shù)整合進(jìn)現(xiàn)有耐材熱電偶測(cè)溫法的高爐專家系統(tǒng)爐缸監(jiān)測(cè)模塊，增加專家系統(tǒng)爐缸在線監(jiān)測(cè)手段的實(shí)用性，切實(shí)降低爐役后期耐材侵蝕速度，實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽的目的。