吳強(qiáng)國(guó)
（河南煜華科技有限公司 ）
摘 要：高爐爐缸下部炭磚普遍存在異常侵蝕，目前的侵蝕理論存在重大缺陷，業(yè)界總結(jié)的侵蝕因素遺漏了隱形水侵蝕這一重要因素，因此一直以來象腳侵蝕的治理效果不佳，高爐短壽成為普遍現(xiàn)象。隱形水由高爐風(fēng)口串煤氣產(chǎn)生，伴隨高爐生產(chǎn)全過程持續(xù)不斷。隱形水沉積到爐缸下部后，獨(dú)特作用于高爐爐缸象腳區(qū)炭磚，持續(xù)不斷侵蝕爐缸下部，是造成象腳侵蝕的重要因素。目前在高爐設(shè)計(jì)、耐材性能、耐材質(zhì)量、施工技術(shù)、冷卻強(qiáng)度、操作維護(hù)等方面都比較完備的情況下，爐缸下部侵蝕仍然普遍存在。這源于對(duì)隱形水侵蝕的認(rèn)識(shí)水平較低，對(duì)隱形水侵蝕的防治措施幾乎空白?；陔[形水侵蝕的機(jī)理和過程，開發(fā)爐缸象腳侵蝕防治的產(chǎn)品和方法。實(shí)現(xiàn)在高爐正常生產(chǎn)的情況下，進(jìn)行象腳侵蝕的在線治理。克服鈦礦護(hù)爐、強(qiáng)化冷卻、壓漿等措施的缺點(diǎn)，為高爐長(zhǎng)壽、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造條件。
關(guān)鍵詞：象腳侵蝕；在線治理；隱形水侵蝕
高爐爐缸的壽命決定了高爐一代爐齡的長(zhǎng)短，而爐缸的壽命則大多取決于爐缸、爐底交界區(qū)域（俗稱象腳區(qū)）的侵蝕狀況。由于爐缸炭磚熱面豎向呈現(xiàn)不均勻侵蝕，象腳區(qū)域的侵蝕往往最為嚴(yán)重。
目前的侵蝕理論從設(shè)計(jì)、施工、耐材性能、耐材質(zhì)量、鐵水環(huán)流、鐵水熔蝕、熱應(yīng)力、有害雜質(zhì)、操作制度、冶煉強(qiáng)度、冷卻效果、原燃料條件等不同角度對(duì)象腳侵蝕的成因進(jìn)行分析解釋，并針對(duì)性地采取相應(yīng)的防治措施[1-9]。但長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐表明，爐缸下部的異常侵蝕仍然普遍存在，現(xiàn)有的侵蝕理論并不完善，仍然存在業(yè)界并未發(fā)現(xiàn)的侵蝕因素。而隱形水應(yīng)該是造成高爐爐缸下部異常侵蝕的重要因素[10-11]。
隱形水主要指風(fēng)口區(qū)域串煤氣在炭磚冷面及爐殼內(nèi)壁之間產(chǎn)生的過飽和冷凝水，其次也包括冷卻設(shè)備滲漏到炭磚冷面及爐殼內(nèi)壁之間不易被發(fā)現(xiàn)的滲漏水。這些隱形水沿炭磚冷面及爐殼內(nèi)壁之間的縫隙沉積到爐缸下部炭磚冷面，再從炭磚冷面沿磚縫進(jìn)入到炭磚熱面，氣化成高溫水蒸汽后與高溫炭磚發(fā)生水煤氣反應(yīng)，對(duì)炭磚造成持續(xù)不斷的侵蝕。
過飽和冷凝水伴隨高爐生產(chǎn)的全過程持續(xù)產(chǎn)生，但高爐休風(fēng)后即自行終止，比較難以發(fā)現(xiàn)，因此稱其為“隱形水”。
目前在高爐設(shè)計(jì)、耐材性能、耐材質(zhì)量、施工技術(shù)、冷卻強(qiáng)度、操作維護(hù)等方面都比較完備的情況下，爐缸下部侵蝕仍然普遍存在。究其原因，由于對(duì)隱形水侵蝕的認(rèn)識(shí)水平較低，對(duì)隱形水侵蝕的防治措施幾乎空白。隱形水侵蝕是象腳侵蝕防治的主要短板。
1 現(xiàn)有侵蝕理論的矛盾
現(xiàn)有侵蝕理論羅列諸多爐缸各區(qū)域都存在的共性侵蝕因素來解釋象腳侵蝕的成因。
對(duì)比這些共性侵蝕因素在不同區(qū)域的作用效果，可以推斷他們都不是象腳侵蝕的主要因素：
① 冷卻強(qiáng)度及冷卻效果 象腳區(qū)比爐底的冷卻強(qiáng)度大，但侵蝕比爐底快；
象腳區(qū)與爐缸中部的冷卻強(qiáng)度接近，但侵蝕比爐缸中部快；
爐缸中部存在環(huán)裂，極大破壞傳熱，但炭磚侵蝕并不快；
② 耐材性能及質(zhì)量 爐底陶瓷墊、爐缸中部陶瓷杯的壽命明顯比象腳區(qū)陶瓷杯的壽命長(zhǎng)，象腳區(qū)同一層炭磚上、下部侵蝕速度明顯不同；
③ 鐵水環(huán)流 象腳區(qū)鐵水環(huán)流速度不是最大，但侵蝕最快
④ 鐵水熔蝕 鐵水液面以下都可能存在鐵水熔蝕的情況，象腳區(qū)沒有特殊性
⑤ 熱應(yīng)力 象腳區(qū)在爐役前期、中期、后期，同爐缸中部相比，無論熱應(yīng)力是大還是小，侵蝕速度都是最快；
⑥ 浮力 爐缸各部位根本不存在持續(xù)的浮力；即使瞬間存在浮力，鐵水液面以下各部位的浮力是相同的；瞬間的浮力不足以破壞炭磚；
⑦冶煉強(qiáng)度 冶煉強(qiáng)度大與炭磚侵蝕加劇只是表觀聯(lián)系，不是侵蝕的主因。因?yàn)橐睆?qiáng)增高并不會(huì)導(dǎo)致凝鐵層破壞周期縮短。高冶強(qiáng)使象腳侵蝕加劇的觀點(diǎn)誤導(dǎo)太久、太深
其他諸如設(shè)計(jì)、施工、操作制度、原燃料條件、堿金屬侵蝕、烘爐效果等等，都不是只有象腳區(qū)存在的侵蝕因素。
象腳侵蝕是獨(dú)特的侵蝕形式，侵蝕速度數(shù)倍于其他區(qū)域。上述諸多共性侵蝕因素，無法合理解釋象腳侵蝕的成因，甚至是自相矛盾。
雖然象腳侵蝕是多因素作用的結(jié)果，但象腳區(qū)一定存在獨(dú)特的侵蝕因素。目前業(yè)界遺漏了象腳區(qū)獨(dú)特的獨(dú)特因素，因此象腳侵蝕的防治效果普遍不佳。
2 炭磚熱面凝鐵層真正的破壞形式和破壞過程
對(duì)于爐缸炭磚熱面是否存在凝鐵層，煉鐵屆爭(zhēng)論了很久，這是非?？杀?。否認(rèn)炭磚熱面存在凝鐵層違背基本的傳熱學(xué)原理。僅僅承認(rèn)炭磚熱面存在粘滯層也不符合傳熱學(xué)原理。拿萊鋼小高爐冷態(tài)解剖的結(jié)果否認(rèn)高爐生產(chǎn)過程中存在凝鐵層是不科學(xué)的。
高爐生產(chǎn)過程中，炭磚熱面必然存在凝鐵層，否則任何一座高爐都不可能長(zhǎng)壽。
對(duì)于凝鐵層的破壞形式，目前業(yè)界認(rèn)定的有熔化和脫落。并認(rèn)為凝鐵層脫落是炭磚侵蝕的主要原因。
爐缸侵蝕的普遍情況大致如下圖：
扒爐時(shí)發(fā)現(xiàn)象腳區(qū)炭磚被幾乎完全侵蝕是普遍情況！這可以得出兩個(gè)結(jié)論：
①爐役后期炭磚熱面凝鐵層沒有發(fā)生過脫落（其實(shí)爐役各階段都極少發(fā)生脫落），否則必然發(fā)生燒穿事故；炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的！
②炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的，造成炭磚消失的因素不會(huì)是鐵水環(huán)流、應(yīng)力、堿金屬、浮力等業(yè)界強(qiáng)調(diào)的侵蝕因素。能夠使炭磚消失的是隱形水侵蝕（象腳區(qū)不存在持續(xù)的二氧化碳、氧侵蝕）。
隱形水侵蝕造成凝鐵層破壞的形式大多是軟化、外推，極少情況下是脫落。
2.1隱形水造成象腳侵蝕過程簡(jiǎn)述
新高爐或者大修后的高爐投產(chǎn)后，由于多種因素的共同作用，在冷卻壁熱面和冷面、爐殼內(nèi)壁必然形成氣隙。風(fēng)口串煤氣形成的隱形水將沿著這些氣隙沉積到爐缸下部的縫隙中，水位不斷上升。
爐缸、爐底靠近冷卻壁的炭磚磚縫在高爐投產(chǎn)一定周期后也將產(chǎn)生縫隙及通道。沉積到爐缸下部的隱形水沿著這些縫隙和通道向環(huán)炭?jī)?nèi)部滲透，隨著溫度的升高轉(zhuǎn)化為水蒸汽。
在爐底下部，由于內(nèi)部、外部炭磚的溫度都較低，不具備發(fā)生水煤氣反應(yīng)的溫度條件，因此隱形水繼續(xù)以液態(tài)水或水蒸汽的形式存在。
隨著水位的上升并向環(huán)炭?jī)?nèi)部滲透，必將達(dá)到具備發(fā)生水煤氣反應(yīng)溫度條件（約為715℃）的部位。根據(jù)高爐爐缸的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)，這個(gè)部位就在象腳區(qū)。
具備發(fā)生水煤氣反應(yīng)條件后，隱形水的水位將保持穩(wěn)定不再上升，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)隱形水的產(chǎn)量較小。但是隱形水伴隨高爐生產(chǎn)持續(xù)產(chǎn)生，水位穩(wěn)定在象腳區(qū)持續(xù)侵蝕爐缸炭磚。由于炭磚溫度、隱形水產(chǎn)量等因素的共同影響，隱形水將獨(dú)特作用于象腳區(qū)，是象腳侵蝕的主要因素。
加深死鐵層深度后，爐底溫度降低，具備發(fā)生水煤氣反應(yīng)溫度條件的位置抬升，侵蝕位置升高，象腳侵蝕變化為寬臉型侵蝕。因此隱形水也是造成寬臉型侵蝕的主要因素。
隱形水造成象腳侵蝕的過程示意：
風(fēng)口串煤氣 → 冷卻壁前后產(chǎn)生冷凝水 → 冷凝水沉積到爐缸下部 → 水位上升至象腳區(qū) → 隱形水自炭磚冷面向炭磚熱面滲透 → 隱形水轉(zhuǎn)化為水蒸汽 → 高溫水蒸汽與高溫炭磚反應(yīng) → 炭磚粉化、消失。
2.2隱形水侵蝕造成保護(hù)層破壞
保護(hù)層包括爐缸陶瓷杯、陶瓷杯消失后炭磚熱面形成的凝鐵層及鈦合物保護(hù)層等。
隱形水侵蝕炭磚是在保護(hù)層穩(wěn)定存在的情況下仍然持續(xù)發(fā)生的，是保護(hù)層破壞的主要原因。
2.2．1隱形水侵蝕造成陶瓷杯坍塌、漂浮
對(duì)于炭磚+陶瓷杯復(fù)合結(jié)構(gòu)的爐缸，普遍存在象腳區(qū)陶瓷杯過早消失的情況，而上部陶瓷杯及爐底陶瓷墊侵蝕很輕。陶瓷杯耐材的抗渣鐵侵蝕性能較好，渣鐵侵蝕不是象腳區(qū)陶瓷杯過早消失的主要原因。
采用炭磚+陶瓷杯復(fù)合結(jié)構(gòu)爐缸的高爐投產(chǎn)初期，隱形水就不斷向爐缸下部炭磚冷面沉積，最先侵蝕象腳區(qū)炭磚熱面，造成爐缸炭磚熱面粉化甚至產(chǎn)生空腔。由于砌筑陶瓷杯每塊磚之間缺乏整體結(jié)合性，在鐵水靜壓的作用下，象腳區(qū)陶瓷杯必然局部坍塌。由于鐵水與陶瓷杯材料密度差較大，象腳區(qū)坍塌的陶瓷杯將漂浮，失去對(duì)炭磚的保護(hù)作用。象腳區(qū)炭磚將直接面對(duì)鐵水，在炭磚熱面將逐漸形成凝鐵層。
2.2．2隱形水侵蝕對(duì)凝鐵層的破壞
對(duì)于全碳爐缸及陶瓷杯消失的復(fù)合結(jié)構(gòu)爐缸，炭磚熱面將形成凝鐵層。穩(wěn)定的凝鐵層是爐缸長(zhǎng)壽的保證，但高爐運(yùn)行的實(shí)踐證明，凝鐵層不斷遭到破壞。
目前煉鐵屆普遍認(rèn)為由于冷卻效果不佳，造成凝鐵層破壞，進(jìn)而發(fā)生鐵水侵蝕炭磚，因此認(rèn)為通過改善傳熱、強(qiáng)化冷卻就能夠使凝鐵層穩(wěn)定存在。但冷卻效果僅僅是影響凝鐵層穩(wěn)定的一個(gè)因素，隱形水侵蝕對(duì)凝鐵層的破壞更大。即使傳熱良好、冷卻強(qiáng)度足夠大、凝鐵層穩(wěn)定存在的情況下，依然會(huì)發(fā)生隱形水先侵蝕炭磚，進(jìn)而影響傳熱，繼而破壞凝鐵層的情況。
高爐生產(chǎn)過程中，隱形水不斷向爐缸下部炭磚冷面沉積，從炭磚冷面不斷向炭磚熱面滲透，逐步變?yōu)楦邷厮羝?。即使炭磚熱面存在穩(wěn)定的凝鐵層 ，只要炭磚溫度達(dá)到715℃，水蒸汽就與炭磚發(fā)生水煤氣反應(yīng)，造成炭磚的粉化、氣化，在凝鐵層及炭磚熱面交界處形成粉化層，甚至形成空腔。這將逐步惡化傳熱效果，使凝鐵層溫度上升、熱面融化、厚度減薄。在這個(gè)破壞過程中，由于炭磚熱面存在粉化層，導(dǎo)熱系數(shù)小，爐缸側(cè)壁溫度不會(huì)上升，熱流強(qiáng)度也不會(huì)加大，這兩個(gè)重要參數(shù)表現(xiàn)正常甚至更好，讓高爐操作者難以發(fā)現(xiàn)侵蝕的存在。
當(dāng)凝鐵層厚度減薄到一定程度，在鐵水靜壓的作用下，凝鐵層將發(fā)生最終破壞。破壞形式有三種：裂縫、軟化外推及脫落漂浮。
如果凝鐵層僅僅出現(xiàn)裂縫而沒有漂浮，鐵水將通過裂縫進(jìn)入炭磚熱面的空腔及粉化層，迅速形成新的凝鐵層；或者鐵水將裂縫的凝鐵層擠壓向炭磚熱面，原有的粉化層及空腔被重新壓實(shí)，傳熱改善，在殘余壓裂的凝鐵層熱面生成更厚的凝鐵層。
如果凝鐵層含鐵量較高，在升溫、減薄的同時(shí)發(fā)生軟化及塑性變形。在鐵水壓力作用下向炭磚熱面推移，原有的粉化層及空腔被重新壓實(shí)，傳熱改善，在殘余塑性變形的凝鐵層熱面生成更厚的凝鐵層。
上述兩種形式凝鐵層破壞和恢復(fù)的過程中，不會(huì)出現(xiàn)爐缸鐵水持續(xù)直接面對(duì)炭磚熱面的情況，側(cè)壁溫度及熱流強(qiáng)度沒有明顯變化，高爐操作者無法感知發(fā)生的侵蝕過程。許多高爐大修停爐時(shí)發(fā)現(xiàn)，象腳區(qū)炭磚幾乎完全消失，甚至只剩下?lián)v料層，但停爐前該部位的熱流強(qiáng)度一直完全正常。這是因?yàn)樵摬课荒F層的破壞形式一直是上述兩種不完全破壞方式，每一次不完全破壞后會(huì)形成更厚的凝鐵層。
如果凝鐵層發(fā)生漂浮式破壞，爐缸鐵水會(huì)直接面對(duì)炭磚，對(duì)炭磚熱面造成熔蝕、沖刷，直到形成新的凝鐵層。當(dāng)鐵水直接面對(duì)炭磚時(shí)，爐缸側(cè)壁溫度會(huì)以較快速度升高，熱流強(qiáng)度加大。新的凝鐵層形成后，側(cè)壁溫度及熱流強(qiáng)度恢復(fù)到正常水平。
象腳區(qū)凝鐵層的破壞形式受多種因素的影響，無法選擇和控制。高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，凝鐵層大多發(fā)生裂縫、軟化外推等不完全形式的破壞，較少發(fā)生脫落漂浮式破壞。
如果炭磚厚度較大，冷卻、傳熱系統(tǒng)正常，新的凝鐵層會(huì)重新生成；如果殘?zhí)亢穸容^大，但冷卻、傳熱系統(tǒng)不正常，炭磚熱面將無法形成凝鐵層，鐵水熔蝕及沖刷將持續(xù)，側(cè)壁溫度保持高位；如果殘?zhí)亢穸群苄?，即使冷卻、傳熱系統(tǒng)正常，一旦出現(xiàn)凝鐵層漂浮破壞，當(dāng)鐵水直接面對(duì)炭磚時(shí)，熱流強(qiáng)度會(huì)急劇升高，超出冷卻系統(tǒng)的能力上限，炭磚熱面將無法形成凝鐵層，如不及時(shí)休風(fēng)停爐，就會(huì)發(fā)生爐缸燒穿事故。
良好的冷卻效果是凝鐵層形成的前提；冷卻效果不佳和隱形水持續(xù)侵蝕炭磚熱面是凝鐵層破壞的兩個(gè)主要因素。只有保證良好的冷卻效果，同時(shí)有效抑制隱形水的侵蝕，才能確保凝鐵層的穩(wěn)定、長(zhǎng)久存在，避免疊加產(chǎn)生鐵水對(duì)炭磚的熔蝕和沖刷，才能實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽。
隱形水先侵蝕炭磚熱面，然后造成凝鐵層破壞。不是原來認(rèn)為的凝鐵層破壞了才發(fā)生炭磚侵蝕。凝鐵層破壞與炭磚侵蝕的因果關(guān)系、主次關(guān)系應(yīng)該重新定位。
3 隱形水侵蝕的防治途徑
結(jié)合隱形水的產(chǎn)生、流向及侵蝕機(jī)理，提出如下防治隱形水侵蝕的途徑：
1）采取措施抑制風(fēng)口串煤氣量，減少冷凝水的來源；采取措施，減少冷卻設(shè)備滲水、漏水；
2)采取措施抑制隱形水向爐缸下部沉積；
3)采取措施抑制隱形水自爐缸炭磚冷面向熱面的滲透；
4)設(shè)法及時(shí)排出爐缸下部沉積的冷凝水（也包括設(shè)備的滲漏水）；由于頻繁壓漿，爐缸下部的冷凝水常常難以排出；爐役后期往往只能排出蒸汽；隱形水在向下流動(dòng)的同時(shí)，也沿水平方向流向炭磚熱面；僅僅依靠排水對(duì)抑制象腳侵蝕的效果比較有限；
5)提高爐缸炭磚的抗水氧化性能；
6)新建及大修的高爐，考慮采用防隱形水侵蝕的技術(shù)措施；
7)在役高爐應(yīng)及時(shí)采取在線治理措施，抑制象腳侵蝕。爐役初期采取在線治理措施，可以保護(hù)陶瓷杯不坍塌；爐役中、后期采取在線治理措施，可以有效保護(hù)炭磚，延長(zhǎng)高爐壽命。
4 象腳侵蝕的在線治理方法
鈦礦護(hù)爐、壓漿、強(qiáng)化冷卻等措施是基于傳統(tǒng)侵蝕理論采取的措施，沒有針對(duì)象腳侵蝕的真正主因，因此對(duì)抑制象腳侵蝕作用有限。
筆者認(rèn)為，目前的裝備條件下，象腳侵蝕的主因是隱形水侵蝕！
基于隱形水侵蝕機(jī)理及侵蝕過程，研發(fā)出一號(hào)、二號(hào)炭磚保護(hù)劑，可以實(shí)現(xiàn)高爐在線治理象腳侵蝕。在高爐正常生產(chǎn)過程中，不需要休風(fēng)的情況下，進(jìn)行炭磚保護(hù)劑的壓入、治理。
治理步驟一：從爐缸下部壓漿孔注入一號(hào)保護(hù)劑
一號(hào)炭磚保護(hù)劑流動(dòng)性好，可以進(jìn)入爐底及環(huán)炭?jī)?nèi)部高溫區(qū)域，形成保護(hù)性氣氛，抑制水蒸汽繼續(xù)侵蝕炭磚；并逐步結(jié)焦、析炭，填充磚縫及炭磚熱面氣隙，改善環(huán)炭系統(tǒng)的傳熱。
治理步驟二：在象腳區(qū)壓入二號(hào)炭磚保護(hù)劑
二號(hào)保護(hù)劑壓入250℃以下區(qū)域的氣隙內(nèi)，抑制串煤氣、阻斷隱形水向熱面流動(dòng)，并改善冷卻壁熱面、冷面的傳熱。
一號(hào)、二號(hào)炭磚保護(hù)劑分批壓入，聯(lián)合作用，可以抑制隱形水繼續(xù)侵蝕炭磚，并部分修復(fù)已經(jīng)侵蝕的磚縫和炭磚熱面氣隙。
對(duì)于爐役初期的高爐，采用炭磚保護(hù)劑可以預(yù)防發(fā)生象腳侵蝕，輕松實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽；即使提高冶煉強(qiáng)度也不再加劇象腳侵蝕。
對(duì)于爐役末期的高爐，壓漿的風(fēng)險(xiǎn)極大。鈦礦護(hù)爐又惡化爐況，增加成本。特別適合采用在線治理方法抑制象腳侵蝕，從而延長(zhǎng)高爐壽命，確保爐缸安全。
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