孫小東，何海熙，趙 寬，徐 燦，張大偉

(1.中冶賽迪信息技術(shù)(重慶)有限公司，重慶 401122；2.重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053)

高爐煉鐵是鋼鐵工業(yè)全流程的源頭，裝滿礦石原料的爐身內(nèi)部呈高溫、高壓狀態(tài)，爐缸里充滿的高溫熔融液態(tài)鐵水和爐渣，溫度高達1 500 ℃左右，氣體壓力超過300 kPa，因此，爐缸是高爐冶煉過程中最容易破損的區(qū)域，爐缸燒穿等事故嚴重影響高爐的生產(chǎn)作業(yè)率和長壽成本。

高爐爐缸長壽是一項具有綜合性技術(shù)特點的系統(tǒng)工程，高爐爐缸壽命與爐型設(shè)計、耐材質(zhì)量、施工安裝、操作冶煉等多種因素都存在較大的影響。

1 爐缸長壽現(xiàn)狀

隨著世界高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)的進步，目前我國高爐長壽技術(shù)也得到了長足的進步，高爐壽命也隨之大幅度地延長，部分達到10～15年，甚至更長的壽命，為鋼鐵工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展做出了巨大的貢獻，但是我國高爐的長壽和先進國家相比，尚有一定的差距。

1.1 爐缸長壽案例

世界上的爐缸長壽示范案例較多，本文以巴西圖巴朗鋼廠1號高爐和我國的寶鋼3號高爐為例，圖巴朗鋼廠1號高爐一代爐役壽命為28.4年，屬于目前全球范圍內(nèi)長壽高爐的典范。我國的寶鋼3號高爐一代爐役壽命為19年，且其高效的生產(chǎn)效率，代表了我國高爐長壽的最高水平(見表1)。

表1 爐缸長壽案例表

1.2 爐缸事故案例

爐缸事故是最嚴重的高爐生產(chǎn)事故之一，不僅有可能造成生產(chǎn)人員傷亡，還會給鋼廠帶來較大的經(jīng)濟損失，甚至有可能會終止高爐一代爐役，給鋼鐵企業(yè)帶來不可估量的損失。

表2列出了近10年來我國發(fā)生爐缸事故的部分1 000級以上高爐。

續(xù)表

由表2可以看出，高爐爐缸破損位置和服役時間都不同，但是共同點是服役時間都比較短，大部分沒超過4年，給鋼鐵企業(yè)的安全和成本帶來了巨大的損失，同時帶來了惡劣的社會影響。爐缸破損主要原因在于爐缸自身的冷卻能力不足、爐缸自身的耐材設(shè)計不合理、入爐原料有害元素富積、爐缸熱電偶溫度點配置過少導致技術(shù)人員無法準確判斷爐缸侵蝕狀況等。

2 爐缸長壽技術(shù)

爐缸長壽技術(shù)貫穿高爐的全生命周期，主要包括爐缸的設(shè)計技術(shù)、爐缸耐材的選擇、施工與安裝質(zhì)量、原燃料條件和操作模式、智能化監(jiān)測與分析系統(tǒng)等。

2.1 爐缸設(shè)計技術(shù)

爐缸設(shè)計的理論基礎(chǔ)是在高爐爐缸內(nèi)部建立均衡的傳熱體系，有效的協(xié)調(diào)冷卻能力和耐材結(jié)構(gòu)，同時對爐缸侵蝕進行智能化的預(yù)測與分析，從而既實現(xiàn)較高的冶煉強度，又實現(xiàn)爐缸的長壽健康。

1)冷卻能力

在爐缸內(nèi)部，高溫鐵水的熱量經(jīng)過耐火材料(陶瓷杯、碳磚、搗打料等，見圖1)和冷卻壁進行傳輸，最終由冷卻水帶走，有學者認為“冷卻水是高爐最好的耐火材料”，因此，足夠的冷卻能力設(shè)計是實現(xiàn)爐缸部位長壽的有效途徑，若冷卻能力不足，將嚴重影響爐缸壽命，國內(nèi)外都存在可觀的因冷卻能力不足導致的爐缸事故經(jīng)驗，所以應(yīng)充分保障冷卻系統(tǒng)的平衡能力，以達到保護爐缸耐材的目的。

2)爐缸結(jié)構(gòu)

鐵水的高溫高壓特性對爐缸形成很強的靜壓力，本身就需要對爐缸結(jié)構(gòu)進行抗強壓設(shè)計。此外，由于分布在各個方向的鐵口會循環(huán)間隔出鐵，引起的鐵水環(huán)流會對爐缸和爐底產(chǎn)生較強的侵蝕，因此，合適的爐缸死鐵層深度可以有效地保護鐵水環(huán)流帶來的侵蝕，如果死鐵層過深，鐵水形成的靜壓力就會過大，就會對爐缸和爐底形成較大的剪切應(yīng)力，產(chǎn)生不利的侵蝕影響。在生產(chǎn)過程中，死鐵層深度與原燃料和操作條件都存在理論上的強相關(guān)性，因此，在設(shè)計階段，應(yīng)針對原燃料和操作條件，對爐缸結(jié)構(gòu)進行設(shè)計才能取得良好的長壽效果。

2.2 爐缸耐火材料

爐缸和爐底部位的耐材配置決定高爐一代爐役，一般主要包括陶瓷杯、炭磚、碳素搗打料等。

陶瓷杯的損壞原因一方面是鐵水侵蝕，另外一方面是堿金屬、鋅等有害元素與耐火磚發(fā)生化學反應(yīng)，沿著氣孔或裂紋方向進行滲透，破壞了陶瓷材料的理化性能，導致陶瓷杯破損，因此，陶瓷杯(墊)材料的氣孔應(yīng)越小越好。目前隨著納米技術(shù)等工藝制造的提高，陶瓷杯產(chǎn)品技術(shù)正向微氣孔化的方向發(fā)展。

炭磚是爐缸和爐底部位最關(guān)鍵的耐火材料。良好的炭磚可以將高導熱系數(shù)與強抗侵蝕性能集成為一體。如果忽視炭磚的抗侵蝕性能，一味地追求高導熱系數(shù)，則不僅達不到爐缸長壽的效果和要求，還會導致資源浪費，因此，超微孔化、強抗侵蝕、高導熱能力是未來炭磚的性能發(fā)展方向。

碳素搗打料一般情況下會用于填充炭磚與冷卻壁之間的縫隙。雖然用量很少，但卻是均衡熱傳導體系中的關(guān)鍵一環(huán)。就目前國內(nèi)爐缸事故的經(jīng)驗分析看，碳搗料層是很多爐缸燒穿的核心原因。碳素搗打料的砌筑位置貼爐缸冷卻壁，生產(chǎn)過程中溫度比較低，因此碳搗料在常溫或超常溫下的導熱系數(shù)就非常關(guān)鍵。

2.3 施工與安裝

爐缸和爐底部位的耐材要承受高溫、高壓渣鐵的沖刷，因此對耐火材料的施工安裝具有嚴格的高質(zhì)量需求。從國內(nèi)外的爐缸事故案例分析可以看出，爐缸耐火材料的磚縫較大、較多，在生產(chǎn)過程從爐缸內(nèi)部滲入了高溫高壓的液態(tài)渣鐵，造成爐缸燒穿等嚴重的生產(chǎn)安全事故，與施工安裝過程中的砌筑質(zhì)量有巨大的關(guān)系。

因此，是施工安裝的重點是盡可能的減少磚縫，減少爐缸侵蝕的薄弱環(huán)節(jié)，將磚縫控制在不高于0.5 mm，甚至是0.3 mm，這樣的砌筑規(guī)范才能很好地保障爐缸的長壽安全。

尤其是高爐的大修爐缸質(zhì)量管理，應(yīng)建立一支質(zhì)檢過硬的隊伍，并記錄詳細的施工安裝檔案，便于未來的爐缸安全分析和查詢。

2.4 原燃料與操作

對高爐來說，首先要樹立高爐長壽的生產(chǎn)和操作理念?；跔t型結(jié)構(gòu)、原燃料特點這些基礎(chǔ)條件，找出冶煉強度和高爐長壽相匹配的操作模式。

原燃料條件對爐缸的長壽有著巨大的影響。Zn、Pb、K、Na等有害物質(zhì)隨著氣流滲入陶瓷杯和炭磚等耐材中，導致耐火材料的粉化與破損。而如果焦炭的質(zhì)量不高，則爐缸容易堆積，死料堆隨之變大，液態(tài)渣鐵的環(huán)流能力變強，加劇了爐缸內(nèi)部“象腳”部位的侵蝕狀況。原燃料條件對大型高爐的爐缸侵蝕影響較大，尤其是現(xiàn)代高爐容積向大型化方向發(fā)展，更應(yīng)該重視精料原則，努力地呵護爐缸壽命。

不同的操作模式會造成不同的爐缸活躍度，爐缸活躍度影響死料堆的形狀，死料堆的形狀影響爐缸液態(tài)渣鐵的環(huán)流能力，最終影響爐缸的長壽效果。因此，爐缸的長壽需要合理的爐缸活躍度和適當?shù)乃懒隙芽紫抖?，既保證液態(tài)渣鐵的流動特性，又保證焦炭充分地向鐵水滲碳，降低對爐缸炭磚的侵蝕。如果死料堆的形狀不合理，液態(tài)渣鐵會對爐缸形成嚴重的“象腳”侵蝕，當氣流分布不順時，甚至會出現(xiàn)燒壞風口冷卻壁的情況。因此，高爐操作模式對爐缸長壽安全的影響非常重大。此外，鐵口的維護情況，也影響著爐缸耐火材料的使用壽命，應(yīng)選擇合理的炮泥質(zhì)量，科學地組織出鐵生產(chǎn)。

2.5 智能化監(jiān)測和分析

爐缸長壽是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，除了保證原燃料和操作條件以外，實時監(jiān)測和智能分析爐缸耐材的安全厚度至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法下只能依靠基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，對耐材和冷卻壁熱電偶溫度進行直接監(jiān)控。

目前，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了爐缸侵蝕模型、水溫差監(jiān)測等一批服務(wù)于爐缸安全的系統(tǒng)，對爐缸運行的監(jiān)測與診斷也越來越全面，越來越系統(tǒng)。良好的爐缸長壽智能化系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的溫度和流量監(jiān)測儀表，并進行合理的布局，儀表數(shù)據(jù)作為監(jiān)測和分析的基礎(chǔ)輸入，必須足夠準確，才具備系統(tǒng)診斷的依據(jù)。圖2是某公司的爐缸侵蝕模型畫面。

通過模型軟件，不僅可以在線實時監(jiān)測爐缸溫度變化情況，對異常數(shù)據(jù)進行自動預(yù)警，還可以提供爐缸縱向和圓周方向的分區(qū)分層耐材溫度分布云圖，便于操作人員分析爐缸侵蝕狀況。同時，系統(tǒng)自動對爐缸耐材的殘厚進行分析，并以趨勢圖的方式，展示碳磚殘厚的變化情況，保障爐缸的生產(chǎn)安全。

3 結(jié) 語

高爐爐缸的安全和長壽一直是煉鐵從業(yè)人員研究的關(guān)鍵核心技術(shù)，爐缸長壽的影響因素貫穿高爐的全生命周期，涉及爐缸的設(shè)計水平、施工和安裝質(zhì)量、原燃料和操作條件以及智能化監(jiān)測和分析手段等諸多方面。爐缸設(shè)計以構(gòu)建均衡的熱傳導體系為核心，在生產(chǎn)過程中結(jié)合原燃料條件和操作模式，控制有害元素入爐，形成合理的死料堆和穩(wěn)定的凝鐵層，同時借助先進成熟的爐缸長壽智能化系統(tǒng)，保障爐缸的安全長壽。