高爐爐缸安全的幾個問題探討

1、高爐爐缸安全的幾個問題探討前言近年來，為數(shù)不少的高爐在投產不久即出現(xiàn)爐缸耐材溫度異常升高，有的高爐甚至短時間被燒穿。導致高爐爐缸快速侵蝕的原因見仁見智。爐缸安全涉及到設計、施工、設備及耐材、操作維護等方面，任何一個環(huán)節(jié)都能對爐缸安全產生重大影響。本文針對涉及爐缸安全的陶瓷杯結構、爐墻氣隙、炭素搗打料、冷卻強度、堿金屬、烘爐，以及操作維護等熱點問題予以了初步探討，并提出了相應的改進建議。1.    陶瓷杯對爐缸安全的影響盡管高爐爐缸有全炭磚和炭磚加陶瓷杯兩種不同的結構形式，但獲得爐缸長壽的根本機理是相同的，都是為了保護炭磚免遭鐵水的侵蝕，而采取不同的措施避

2、免鐵水與炭磚的直接接觸。全炭磚爐墻通過炭磚的高導熱性能使熱面溫度降到1150以下，依靠炭磚熱面溫度較低的、流動性較小的“粘滯保護層”來隔離鐵水，陶瓷杯結構則是人為采用陶瓷質磚襯來隔離鐵水，避免炭磚與鐵水的直接接觸。有觀點將爐缸磚襯溫度異常甚至燒穿的主要原因歸咎于炭磚熱面的陶瓷杯，認為陶瓷杯阻礙了爐渣在炭磚表面形成保護層、鐵水會滲透到炭磚熱面，對炭磚產生所謂的“熔洞”侵蝕。長期的高爐實踐中，全炭磚爐缸、炭磚加陶瓷杯爐缸這兩種結構均有長壽實例，也均有爐缸磚襯溫度異常甚至燒穿的事故發(fā)生。這些客觀實例證明這兩種形式的爐缸結構都是可行的，但要實現(xiàn)有效隔離鐵水進而獲得高爐長壽，都是需要條件的。陶瓷杯存在時

3、，其對炭磚的保護作用是毋容置疑的；陶瓷杯侵蝕后，即轉變?yōu)槿看u爐缸結構。只要炭磚質量好，爐墻傳熱體系有效，爐缸仍是安全的。采用炭磚加陶瓷杯結構的爐缸，其關鍵點是陶瓷杯必須具有穩(wěn)定性和密封性的合理結構1，盡可能提高陶瓷杯的壽命。陶瓷杯材質、結構不合理，以及陶瓷杯熱應力過大都會導致陶瓷杯破損甚至垮塌。在結構設計方面，小塊陶瓷杯設計、制造與施工均比較簡便，磚縫能夠吸收一定的膨脹以釋放熱應力，但需防止磚縫鉆鐵，并提高其結構穩(wěn)定性。大塊陶瓷杯的互鎖結構，以及較少的磚縫等使其具有較好的穩(wěn)定性、密封性，但結構相對復雜，對設計要求很高。在炭磚和陶瓷杯之間設置隔熱層，既可以保證陶瓷杯的自由膨脹，還可以通過提高陶

4、瓷杯冷面的溫度，降低炭磚熱面溫度，減小了陶瓷杯和炭磚冷熱面溫差，降低了爐墻的熱應力，有利于陶瓷杯結構的穩(wěn)定和炭磚的安全。陶瓷杯侵蝕后，還是要靠炭磚來維持生產。因此，無論是采用全炭磚結構，還是炭磚加陶瓷杯結構，炭磚需要具備高的導熱性能。炭磚還須具有良好的抗沖刷能力（強度高）、抗?jié)B透性（微孔、超微孔）和抗堿性等。同時爐缸要有良好的傳熱體系，高爐操作要穩(wěn)定，爐缸要活躍，盡可能減緩爐缸渣鐵環(huán)流，否則炭磚熱面也是難以形成穩(wěn)定的“粘滯保護層”。2.     爐墻氣隙對爐缸安全的影響爐墻氣隙對爐缸傳熱特性的破壞日益引起重視，一些高爐的生產實踐發(fā)現(xiàn)：高爐休風過

5、程中，冷卻壁水溫差不是按照常理下降，而是增加，耐材溫度下降；高爐復風生產過程中，水溫差下降，耐材溫度升高。這些“異常”現(xiàn)象充分說明了，高爐在送風期間，由于爐殼受壓膨脹，膨脹量大于耐材，爐殼帶動冷卻壁脫離了耐材，冷卻壁和耐材之間出現(xiàn)了縫隙，傳熱體系受到破壞，耐材的熱量傳不出來，導致耐材溫度異常升高，水溫差下降。休風期間，爐內泄壓，爐殼回縮，冷卻壁與耐材緊貼，耐材的熱量通過冷卻壁傳出，水溫差增加，耐材溫度下降。圖1為艾莫伊登7號高爐爐缸部位爐殼膨脹和高爐風壓記錄的關系。在內壓約0.4MPa，對應的爐殼膨脹量達到40mm2。圖1 爐殼膨脹量隨風壓的變化高爐爐缸是一個復雜的體系，準確設計計算

6、是非常困難的，施工中也難保證炭磚和冷卻壁之間寬縫的搗打料密實度達到設計要求。要解決這個問題，還需要從冷卻壁的安裝結構入手。按照常規(guī)設計，冷卻壁是固定在爐殼上的，爐殼膨脹和冷卻壁完全同步。中冶京誠采用“無間隙冷卻結構”專利技術，如圖2，將冷卻壁掛在爐殼上，爐殼和冷卻壁之間設置排斥設施（如彈簧）。安裝時，將冷卻壁固定在爐殼上，待炭磚砌筑，寬縫搗料后，適當松開螺母，再焊接煤氣密封罩。通過排斥設施的反力，將冷卻壁推向耐材，保證冷卻壁在任何時候都緊貼耐材，充分發(fā)揮冷卻作用。圖2 無間隙冷卻結構示意圖3.    冷卻壁和炭磚之間炭素搗打料對爐缸安全的影響爐

7、缸冷卻壁與炭磚之間的炭素搗打料是爐缸傳熱系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。從傳熱角度出發(fā)，需要從導熱和體積穩(wěn)定性兩個方面關注此處的炭素搗打料。提高冷卻壁和炭磚之間搗打料的導熱性能，無疑可以降低整個爐墻的熱阻，對保護炭磚是有益的，但不能過分夸大搗打料導熱性能的作用。圖3 炭素搗打料導熱系數(shù)對爐墻熱阻的影響。圖3為炭素搗打料導熱系數(shù)對于爐缸磚襯總熱阻的影響。計算考慮爐缸炭素搗打料、炭磚、陶瓷杯的厚度分別為0.1m、1.1 m和0.345 m，炭素搗打料導熱系數(shù)618 W/(m)，有陶瓷杯時，搗料層熱阻占爐缸磚襯總熱阻的比例為2%7%；無陶瓷杯時，比例為4%13%。即便是爐役后期，傳熱的限制性環(huán)節(jié)仍然在炭磚

8、，僅較厚、導熱性能較差的炭素搗打料層在炭磚較薄時才會嚴重惡化爐缸傳熱。炭素搗打料即便是導熱系數(shù)很高，在施工時未必能像實驗室作試樣那么密實，實際導熱性能會大打折扣，而且容易產生氣隙。此外在高爐投產后，由于爐內高溫高壓下爐殼與耐材膨脹量的不同，也容易導致氣隙的產生。近年來高爐大量使用“有毒”的爐料，堿金屬、鋅負荷很重，有害元素容易在風口套附近富集并沿著冷卻壁進入炭素搗打料內部，導致炭搗料失效，甚至變成疏松狀，形成極大的熱阻，這些問題需要引起足夠的重視。針對上述問題，中冶京誠公司在設計上可采取了如下措施：（1）對于炭素搗打料，其性能方面要關注其烘干而非焙燒后的導熱系數(shù)，同時要考核其體積穩(wěn)定性，避免受

9、熱收縮；施工方面嚴格要求，確保搗實不留氣隙。（2）爐缸最好采用斜爐殼結構，既可以保證象腳侵蝕區(qū)域安全的炭磚厚度，還可以借炭磚熱膨脹向外向上運動進一步壓實搗打料.（3）采取“無間隙冷卻結構”專利技術，解決爐殼與耐材膨脹不同步的問題，減少搗打料區(qū)域出現(xiàn)氣隙的可能性.（4）通過相關措施做好風口、鐵口帶密封，阻斷有害元素往爐缸滲透的通道。（5）在爐缸冷卻壁上設置熱面壓漿孔，便于爐缸出現(xiàn)氣隙時對冷卻壁熱面和搗打料之間進行壓漿，消除間隙，維持完整的傳熱體系。4.     冷卻強度對爐缸安全的影響良好的爐缸傳熱體系以及合適的冷卻強度是保障爐缸長壽的關鍵。但高

10、爐一旦出現(xiàn)險情或者燒穿，往往把主要原因歸結于冷卻水速過低、水量少、冷卻強度不夠。提高水量就成了處理爐缸耐材溫度過高的首選措施。在實際生產中，加強爐缸冷卻的同時，往往還采取降低冶煉強度、加鈦礦護爐以及爐缸壓漿等措施，經過處理后耐材溫度得到控制。于是容易讓人混淆甚至過分夸大水量增加產生的效果。爐缸冷卻壁、風口套、爐身冷卻壁工作環(huán)境是不同的。爐缸有較厚的爐墻，依靠冷卻壁冷卻耐材，傳熱的限制性環(huán)節(jié)在爐襯；風口套則直面高溫氣流和渣鐵流，依靠銅的高導熱性能和高速水流帶走熱量，同時避免局部沸騰導致設備燒毀；爐腹到爐身下部冷卻壁磚襯較薄，容易脫落，傳熱的限制性環(huán)節(jié)在冷卻壁自身，主要完全依賴于高冷卻強度快速形成

11、渣皮實現(xiàn)自身保護。一些觀點認為爐缸冷卻壁可以像風口套一樣，水速還有大幅度增加的空間和必要，甚至需要采用銅冷卻壁加強鐵口附近和象腳部位的冷卻強度，主要是沒有考慮冷卻設備的工作環(huán)境差異、傳熱的限制性環(huán)節(jié)，以及自身結構特點。（1）水速、水量對冷卻壁換熱能力的影響3表1 水速對冷卻壁換熱能力的影響根據(jù)某廠冷卻壁傳熱試驗數(shù)據(jù)（見表1）可以看出，在爐內溫度基本不變的情況下，水速由0.74m/s增加至2.4m/s，提高近3倍，只是顯著的改變進出口冷卻水的水量和溫差，但冷卻水帶走的總熱量增加很少。因此想通過提高水速，增加換熱系數(shù)，降低換熱熱阻來降低整個體系熱阻，提高冷卻效果的作用是微乎其微的。只要超

12、過紊流狀態(tài)的水流速，再增加水量，意義就不大了。對于爐缸冷卻壁而言，其前端有較厚的耐材，冷卻壁傳熱熱阻并非限制性環(huán)節(jié)，冷卻水速對其傳熱能力的影響將比熱態(tài)試驗的冷卻壁小得多。以下為京唐2#高爐處理爐缸溫度異常時的爐襯溫度與冷卻水量的對應關系圖44。圖4 京唐2#高爐爐缸爐襯溫度趨勢與護爐措施對照圖圖中A 點，檢修送風后溫度開始小幅爬升；B 點，增加水量100m3/h；C 點，增加水量450m3/h；D 點，富氧率由3.6%降至2.5%，4天后逐步恢復至3.6%；E 點，增加水量250m3/h，同時降低冷卻水入水溫度5到41±1；F

13、0;點增加水量200 m3/h，退焦炭負荷0.2到5.22；G 點，逐步回負荷至5.40水平；H 點，檢修16 小時，替換斜8°風口為斜5°共14 個，改造高溫區(qū)部分冷卻壁為高壓工業(yè)水強制冷卻，負荷退回至5.25水平；I 點，開始實施加鈦礦護爐1.5 噸/批；J 點，鈦礦逐步加至4.5噸/批；K 點，負荷逐步回到5.47水平；L 點，溫度回到正常水平，走勢趨穩(wěn)。京唐2#高爐的實踐也證明單純提冷卻水量和降冷卻水溫度對控制爐缸耐材溫度的快速上升并無明顯效果4。冷卻水量也不是越小越好，水量過

14、低，水溫升過大，出水溫度會偏高。從圖55可以看出，冷卻壁出水溫度不宜超過50，這樣既可以保證足夠的欠熱度，也能延緩冷卻水管內壁的結垢和腐蝕。（2）冷卻壁自身特性與換熱能力冷卻壁的冷卻能力不僅取決于冷卻水速、水溫、水壓，還取決于冷卻壁本體自身特性等。表2 比表面積對冷卻壁換熱能力的影響冷卻壁從型式1到型式3，在水速相同時，用水量逐漸減小，而比表面積逐漸增加；同時由于冷卻壁水管管徑減小后，水管間距縮小有利于降低冷卻壁熱面溫度的不均勻性，和爐墻冷卻的不均勻性。圖6冷卻水管對于對流換熱系數(shù)和冷卻壁熱面溫度的影響如圖6所示為表2中3種冷卻壁計算得到的水管對流換熱系數(shù)和冷卻壁熱面最高溫度。隨著管

15、徑變細、水管個數(shù)增加、間距變小，最終反映在水管比表面積增大，在同樣冷卻水速的條件下，對流換熱系數(shù)增加，計算得到的冷卻壁熱面最高溫度也在逐漸減小，由63降低至60，因此可以看出采用小管徑密排設計的冷卻壁換熱能力比大管徑的要好。而不是水管越大、水量越大，冷卻能力越強。冷卻壁水速只要超過紊流狀態(tài)時，其冷卻能力僅僅取決于冷卻壁自身特性：如單位冷卻壁熱面面積的水管換熱面積，即比表面積，與水速、水量關系不大。寶鋼3號高爐，設計爐容4350 m3，后期耐材侵蝕成為薄壁后，爐容可能達到4800m3，但爐缸的供水量即使在爐役后期也才1380m3/h，高爐卻安全運行了19年。而一些1000m3級高爐，爐缸供水量甚

16、至達到30004000 m3/h，盡管耐材配置水平也不低，但爐缸壽命卻并不如人意。從生產實踐也充分說明了冷卻壁的冷卻能力并不在于冷卻水量。因此，要提高冷卻壁的冷卻能力，冷卻水管布置應該是小而密，其優(yōu)點在于：可以提高冷卻能力；降低冷卻壁熱面溫度的不均勻性，降低自身熱應力，提高使用壽命；減少供水量，降低運行成本；減薄冷卻壁，降低投資。（3）對爐缸冷卻壁材質的認識一些高爐在爐缸采用銅冷卻壁，以期延長高爐的壽命，但是目前部分高爐已經陸續(xù)出現(xiàn)事與愿違的情況。銅冷卻壁熱阻小，冷卻效果好，毋庸置疑。但對于爐缸而言，銅冷卻壁熱阻占爐墻熱阻的比例很小。從圖7（某廠實測數(shù)據(jù)）可以看出，兩種冷卻壁對炭磚的冷卻效果非

17、常接近。即使在磚襯較薄的爐役后期，其對爐墻的冷卻能力相對于鑄鐵冷卻壁也沒有明顯的改善。而且，銅冷卻壁材質較軟，在爐墻的擠壓以及爐前設備的沖擊下容易變形，導致冷卻壁和耐材之間出現(xiàn)氣隙。銅冷卻壁冷卻能力很強，熱面溫度低，不利于搗打料的烘干和泥漿的固化，為生產過程中出現(xiàn)氣隙留下隱患。從傳熱計算和生產實踐來看，只要爐缸爐墻結構合理，砌筑合格，使用鑄鐵冷卻壁也是能夠實現(xiàn)高爐長壽的，沒有采用昂貴的銅冷卻壁的必要。圖7 爐缸銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁的使用效果對比5.     堿金屬侵蝕及防護對爐缸安全的影響高爐煉鐵設計規(guī)范要求，K2O+Na2O3.0

18、kg/t，Zn0.15 kg/t，但目前有些高爐入爐堿金屬和Zn的含量卻高出一個數(shù)量級，這也是高爐異常侵蝕的重要原因，日益引起一些煉鐵工作者的高度重視。爐料帶進的堿金屬、鋅等有害元素在高爐內還原后，生成蒸汽，隨著煤氣竄入砌體的磚縫或者裂紋，在砌體中液化富集。堿金屬與鋅會與炭磚、炭搗料灰分反應，引起耐材膨脹；與CO反應，生成石墨，富集在磚縫和裂紋中，導致砌體的剝離。在降低入爐堿金屬、鋅、鉛等有害元素含量的同時，還要盡可能阻擋煤氣攜帶堿金屬竄入爐墻。中冶京誠公司在設計上可采取了如下措施：（1）提高炭磚導熱性能，降低炭磚熱應力；采用“無間隙冷卻結構”專利技術，保證冷卻壁緊貼耐材，加強炭磚的冷卻；在炭

19、磚和陶瓷杯之間設置隔熱層，降低炭磚和陶瓷杯溫差，降低爐墻熱應力；通過穿壁灌漿孔對冷卻壁熱面壓漿消除氣隙。以上措施可以減少炭磚由于熱應力過大出現(xiàn)的裂紋。（2）盡可能減少砌體縫隙，減少煤氣竄入砌體的幾率。（3）鐵口通道是高爐煤氣攜帶堿金屬頻繁光顧的區(qū)域，可以在鐵口通道內側采取密封措施，避免煤氣攜帶堿金屬竄入鐵口附近磚襯。（4）風口與砌體之間的膨脹寬縫，也是堿金屬、鋅容易滲入砌體的通道，可以在風口下面采取密封措施，隔斷有害元素及煤氣進入爐缸的通道，同時還可以防止風口漏水對炭質爐墻的破壞。（5）縮短風口大套，在風口中套下設置小塊磚（中套如有上翹變形可取消）等措施，釋放爐墻遭受堿金屬侵蝕后的異常膨脹擠壓

20、力。避免爐缸爐殼變形或者底板上翹，導致爐墻磚襯錯位對傳熱體系的破壞，以及堿金屬的侵入。（6）對于堿金屬及有害元素負荷較重的高爐，應該經常采取措施排堿、鋅，降低有害元素在爐內的富集量。6.     高爐烘爐對爐缸安全的影響合理的烘爐制度對高爐長壽也很重要。冷卻壁和耐材之間的搗打料、砌磚耐材的膠泥都必須及時烘干或者固化。生產過程中，水蒸氣受熱膨脹，在爐墻中竄動，產生氣隙，破壞爐墻傳熱體系。高溫水蒸氣還會和炭素材料發(fā)生水煤氣反應，破壞爐墻結構。因此高爐烘爐過程中，可以采取冷卻壁不通水，或者通熱水等措施，保證搗打料處于烘干，泥漿處于固化溫度以上6。爐底

21、也需要設置排水管。烘爐時打開爐殼所有如灌漿孔、熱電偶孔、排水孔等孔洞，便于排出水汽。7.     爐缸操作維護對爐缸安全的影響爐缸完善的監(jiān)控有利于提前發(fā)現(xiàn)問題，并及時采取相應的維護措施，從而間接的提高高爐壽命。但由于對爐缸設計參數(shù)不了解，傳熱知識掌握不全面，缺乏經驗，很多高爐操作者對于爐缸監(jiān)測指標往往存在一定的誤區(qū)。（1）水溫差管理一些高爐操作者僅僅關注爐缸水溫差，而不考慮冷卻設備參數(shù)、配管及水量。爐缸水溫差與水量密切相關，僅僅是構成熱負荷的一個參數(shù)，水溫差的管理應該落實到爐缸熱負荷的管理上來，才能間接反映爐缸的工作狀況。（2）熱負荷管理熱負荷

22、是平均值，在爐缸傳熱體系良好的情況下，才能間接反應爐缸的侵蝕狀況。如果爐墻存在氣隙，熱量不能通過冷卻水導出，即便是熱負荷很小，但耐材溫度卻可能很高，甚至有燒穿的可能；如果冷卻壁周圍竄煤氣，冷卻水導出的不是耐材而是煤氣的熱量，熱負荷更不能反映耐材狀況；在爐缸出現(xiàn)局部侵蝕時，熱負荷即便不超標，爐墻侵蝕也可能會很嚴重。因此，需要綜合考慮多種因素來進行熱負荷管理。（3）爐缸溫度管理不了解爐缸結構，對耐材特性，爐墻厚度不清楚，也不清楚電偶的埋設深度和位置，一味套用別的企業(yè)經驗。有些企業(yè)甚至都不太關注耐材溫度，以至于導致高爐燒穿事故發(fā)生。由于爐襯溫度與電偶的埋設位置、耐材特性有一定關系，爐襯溫度與爐墻厚度

23、的對應關系比較復雜，僅對爐襯溫度的管理是不夠的，因此往往將爐襯溫度的管理轉化為爐墻厚度的管理。此外由于爐襯溫度容易隨著高爐冶煉的狀況的不同而變化，因此對爐襯溫度的監(jiān)控還必須進行長期、動態(tài)管理，觀察溫度的走勢及規(guī)律，僅觀察瞬時溫度是不夠的。爐缸耐材溫度能夠直接反映該點前端耐材的侵蝕情況，但對離熱電偶較遠區(qū)域的局部侵蝕卻不敏感；熱負荷能夠間接反映爐墻的厚度，但對于爐墻氣隙、竄煤氣以及局部侵蝕等情況會存在誤判；水溫差僅僅是構成熱負荷的一個參數(shù)。因此爐缸應該按照爐襯溫度>熱負荷>水溫差的優(yōu)先級進行管理。爐襯溫度、熱負荷、水溫差與爐墻侵蝕都有密切的關系，而且爐墻氣隙、竄煤氣、遠離熱電偶的局部

24、侵蝕，或者電偶溫度漂移都會對爐缸判斷帶來風險，因此，僅靠單一方式進行爐缸管理容易導致誤判，必須對爐襯溫度、熱負荷、水溫差等進行綜合分析。高爐爐缸關鍵區(qū)域應該盡可能密集設置熱電偶，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。盡可能采用自動的水溫差及熱負荷監(jiān)測系統(tǒng)，有條件的可以通過相關模型預測爐缸侵蝕狀況，通過預測爐墻厚度進行直接管理。高爐操作者根據(jù)企業(yè)自身情況，建立爐墻厚度、爐襯溫度、熱負荷、水溫差等指標的管理制度，設置這些參數(shù)的報警值，及時發(fā)現(xiàn)高爐異常，做好高爐維護。8.冶煉強度、出鐵次數(shù)對爐缸壽命的影響爐缸耐材溫度超標后，普遍的做法是降低冶煉強度（同時降低出鐵次數(shù)）、鈦礦護爐，以及堵風口等措施齊上陣。從多廠的實踐來看

25、，降低冶煉強度對控制耐材溫度的上升起到了非常很重要作用，這充分說明過高的冶煉強度與爐缸安全的確是一對矛盾。因此，應該提出一個安全冶煉強度的概念，即保證高爐長期安全、穩(wěn)定運行的最大冶煉強度。過高強度冶煉在鋼鐵暴利時代是有利可圖的，高產量帶來的盈利掩蓋了高爐短壽帶來的負面效果。但是，在目前的微利時代，短壽帶來的實際折舊成本就凸顯出來了，甚至成為了是否盈利的關鍵環(huán)節(jié)。無限制追求高強度冶煉到底還有多少意義，確實值得鋼鐵企業(yè)領導們的深思。結論1.      爐缸采用全炭磚和炭磚加陶瓷杯兩種結構都是可行的。陶瓷杯設計需要考慮結構的穩(wěn)定性和密封性。無論那種結構的爐缸都需要優(yōu)質的炭磚、穩(wěn)定的操作，活躍的爐缸，盡可能減緩鐵水環(huán)流的影響。2.      當爐墻存在間隙時，耐材不能得到有效的冷卻，爐缸安全面臨嚴重威脅?！盁o間隙冷卻結構”能有效消除爐墻間隙，確保系統(tǒng)傳熱效率，延長高爐壽命。3.      炭素搗打料應具有較好的導熱性，僅較厚、導熱性能較差的炭素搗打料層在炭磚較薄時才會嚴重惡化爐缸傳熱。應重視炭素搗打料的施工和熱收縮特性，同時采取措施避免炭搗料遭受堿金屬及鋅的破壞而失效。4. &#