（鞍鋼股份公司）

1 前言

近幾年以來我國高爐壽命得到大幅度地提高，出現(xiàn)批10-19年的長壽高爐，為國民經(jīng)濟建設和節(jié)能減排做出了巨大的貢獻。但發(fā)展不平衡，還有很多高爐達不到設計壽命，甚至不斷發(fā)生爐缸燒穿事故，給企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營帶來嚴重的損失。筆者在下面提出一些關于延長高爐壽命的認識問題，與同仁共同討論，想起到引玉的作用。

2 高爐壽命的現(xiàn)狀

2.1 長壽的范例

巴西Tubarao廠1號高爐，一代爐役實現(xiàn)了28.4年壽命，應當是目前世界高效長壽高爐的典范。寶鋼3號高爐實現(xiàn)19年的高壽命，而且其效率更高，代表我國的最好水平。見表1。他們的高爐生產(chǎn)穩(wěn)定，即運行成本很低，壽命長其建設投資成本更優(yōu)秀。應當成為煉鐵工作者瞄準的目標

表1 國內(nèi)外兩座長壽高爐典范

2.2 高爐爐缸燒穿事故頻發(fā)

然而我國當前1480座高爐平均爐容僅580m³，除了爐容小生產(chǎn)集中度低、效益差外，顯著的差距是高爐壽命過低，平均不足10年，制約高爐安全生產(chǎn)和成本降低。圖1例舉出2000年以來筆者所了解到的部分高爐爐缸燒穿的座數(shù)，尚有沒統(tǒng)計到的和沒達到設計壽命就提前大修的數(shù)量，從圖上看出燒穿呈拋物線升高的趨勢，且多多發(fā)生在開爐不足4年內(nèi)，狀況不容樂觀，它帶來安全，生產(chǎn)平衡穩(wěn)定、成本升高等一系列不利。

3 一些問題的探討

高爐爐缸損壞機理和近年爐缸燒穿的持點，己有很多研究，筆者頭幾年的文章中己也表述過觀點。高爐長壽是一系統(tǒng)工程，下面介紹一些新出現(xiàn)的和自己尚有凝惑的問題。

3.1 爐缸磚襯結構問題

某企業(yè)有6座1080m³高爐，2012-2013年有3座1080m³高爐爐缸燒穿，余下3座也因爐缸溫度高被迫停下來大修，壽命都不到2年。還有一些1080m³高也出現(xiàn)爐缸環(huán)炭溫高或燒穿的現(xiàn)象。一批1780m³高爐，開爐2年多就出現(xiàn)環(huán)炭溫度升高到800-900 ⁰C以上，采取緊急措施維持生產(chǎn)，有的發(fā)現(xiàn)晚了燒穿了，壽命4年左右。

（1）1080m³爐子，都是750m³爐子把爐襯變薄過來的，爐缸爐殼風口以下為直上直下等徑圓柱體，風口以上的爐腹就擴徑了，這種結構對耐材向上漂浮沒有受到約束，靠磚與磚間的相互磨擦力，難于控制磚襯在鐵水中的漂浮和鐵水占入磚縫，鐵水比重比耐材堆比大2.5-4.7倍，象油要漂浮在水面一樣。這種結構高爐爐缸很難長壽，見圖2。

（2）炭磚厚度有的只有550mm厚，加之炭磚質量不達標，投產(chǎn)兩年就燒穿應當不足為怪了。因此建議炭厚度還應控制在0.9-1.3m，而且應用焙燒合格的磚。

（3）很多大于1780m³高爐，爐殼收縮捌點放到風口以下，也會出現(xiàn)1）中現(xiàn)象。且爐缸環(huán)壁采用大塊炭磚環(huán)砌，且根據(jù)環(huán)炭磚襯厚度， 每環(huán)用等長大塊環(huán)狀砌筑，其結果是全為水平通縫。有的大高爐環(huán)炭從滿輔炭磚往上是2.8m—1.2m不同徑的環(huán)砌，且高度多為400mm的豎向收縮砌筑，只是水平通縫的深度不同而以，加之我國磚縫多控制在1mm左右，造成水平高度縫中占鐵、鋅鉛氣體等占入。見圖3.任何砌磚建筑也是不允許通縫的，何況是高溫液態(tài)的冶金爐。建議采用合格的微孔小塊和微孔大塊炭磚組合砌筑，消除通縫，原炭磚與冷卻壁之間的炭搗料層往中心遷移200-300mm，強化搗料層施工質量或采用與炭磚導熱能力相同的澆注料。

（4）監(jiān)測環(huán)炭溫度變化的電偶插入爐內(nèi)深度，目前各設計采用不同的深度，100mm-400mm-700mm不等，很難判斷炭磚侵蝕狀況和比較，A與B點相距也不一致，計算侵蝕和判斷炭磚導熱也易誤導。眾多研究指出，當炭磚厚度小于300mm后，高爐爐缸應大修。為此監(jiān)測電偶插入冷卻壁熱面的深度應當在300-400mm的A、B兩點為宜。

（5）死鐵層深度問題，近年來新設計的高爐有把爐缸死鐵層加深傾向.有的甚至加深到爐缸直徑的25%--35%，理由是為減少鐵水環(huán)流，緩解象腳侵蝕，但忽略了鐵水靜壓力升高，對炭磚的的的影響。某爐缸直徑8.6m的1250m³高爐，死鐵層深度為爐缸直徑的32.5%，為2.8m深，因鋅害造成爐缸環(huán)炭溫度過高，生產(chǎn)4.5年被迫停爐大修，破損調查發(fā)現(xiàn)象腳侵蝕不在爐底炭磚與環(huán)炭交接處，而是上抬了近1.0m左右，象腳侵蝕最薄處炭磚厚度不足280mm。因此選擇20%爐缸直徑深度的死鐵層沒有10-15年壽命高爐的實際應用，不宜過份過早地提高死鐵層深度。特別是當前1000m³以上高爐都采用了多鐵口建設和生產(chǎn)，鐵水環(huán)流得以緩解，不應過渡加深死鐵層。

3.2 冷卻強度

“冷卻水是高爐最好的耐火材料”這句話筆者認為很正確， 但尚不全面， 應當認真分析高爐傳熱結構， 特別是爐缸部位， 只有把爐內(nèi)高溫熱量傳給冷卻水，冷卻水才能把熱量帶走，達到平衡后使得與渣鐵接觸部位磚襯處形成保護粘滯層或溫度平衡層，以達到保護爐襯目的。

兩種不同的供水傳熱理念：“高水溫差低水量和低水溫差大水量”。筆者認為其關健是爐內(nèi)熱量怎樣不受阻地傳給水帶出爐外，達到相對平衡，當今水冷壁的高爐爐缸結構有多層熱阻層存在，前者理念在高爐上幾乎是做不到，不宜采用的。下面簡單來介紹兩座大高爐情況，作以比較。

寶鋼3高爐（4350m³）爐缸為工業(yè)水開路冷卻，水量開爐初期由680m³/h提到960--1380m³/h，（開路水易提高水量，高時可達2700m³/h） 對應水速由1.5m/s提到2.7m/s 。鞍鋼新1、2、3高爐（3200m³），爐缸為除鹽水的閉路循環(huán)冷卻，冷卻水量960-1248m³/h，2，3高爐內(nèi)襯炭磚與寶鋼3號是同一家生產(chǎn)的，爐缸結構幾乎一樣。寶鋼已生產(chǎn)19年，（1994.8.20-2013.8.30）。鞍鋼3號卻在投產(chǎn)2年7個月（2005.12.28-2008.8.25） 時在無任何征兆下發(fā)生爐缸燒穿惡性事故。鞍鋼3號高爐利用系數(shù)平均比寶鋼3號約低0.10t/m³.d，眾多專家分析認為鞍鋼3號高爐爐缸冷卻強度小是主要原因，但有不同的看法，認為水量不少，思路是少水量高溫差來傳熱的，從水量上看兩座高爐也差不多，在鞍鋼3號爐缸燒穿后，對同樣的2號高爐緊急增加水量到1500m³/h和300多個檢測點， 和不斷釩鈦礦護爐等措施，來認真呵護這個爐子，但也因炭磚溫度和水溫差高，（2005.12.4-2011.10.17）被迫大修爐缸，更換爐缸冷卻壁和炭磚，不到6年壽命。

進一步分析， 寶鋼3號的冷卻壁是仿日本高爐臥式排列結構，每塊冷卻壁是10根直徑DN60.3X6.3mm水管， 水管間距達到了130mm， 冷卻比面積平均是1.29， 大的部位是1.3以上，是分段式橫排串聯(lián)方式，爐缸冷卻水系統(tǒng)是獨立的系統(tǒng)。長期運行是：宏觀上的少水量，微觀上高水速，以達到冷卻強度最大。表2 是寶鋼同志自己的比較^[4]。可看出，水流密度達到119t/m.h，橫排臥式冷卻壁的水量1380m³/h，2.72m/s流速， 而立式冷卻壁水量則應達到6250m³/h， 水速4.0m/s。寶鋼同志也認為1380m³/h水量在高冶強和爐役末期也遠遠不夠，爐缸側壁溫度頻繁升高，冷卻效果也是有限的，水量不斷增力，因為是開路工業(yè)水較易實現(xiàn)。

表2 臥式冷卻壁與立式冷卻壁的比較

鞍鋼3號高爐的冷卻壁是立式布罝的分段冷卻，每塊冷卻壁為4根DN50x6.0mm水管，水管間距260mm， 冷卻面積比0.604，為寶鋼3號高爐的一半。全爐總水量雖也在5000m³/h多， 因為是分段式冷卻 ， 分到爐缸1-5段冷卻壁的水量只有1248m³/h， 水管的流速只有1.59m/s， 比寶鋼3號高爐水速低42%，燒穿后水量加到1500m³/h時流速也只有1.91m/s，相比水流速還小了30%，如果鞍鋼3高爐的冷卻壁冷卻強度提到寶鋼3號高爐的水平， 按表2，寶鋼同志計算結果表明，同樣達到水流密度119（t/m.h）， 在水管直徑76x6mm、冷卻表面比0.75時的爐缸冷卻水應是6250m³/h，而鞍鋼3號爐冷卻壁的管徑DN50x6， 6250m³/h水量其水管流速要達到7.6m/s才行，這樣的水速管道系統(tǒng)的阻力提升，系統(tǒng)難于承受， 也難于達到。也就是說鞍鋼3號爐燒穿冷強低是主要原因， 而造成冷強低是冷卻比面積小和水量少而造成的。也就是鞍鋼的1-3號高爐爐缸的分段冷卻都是在宏觀上低水量， 微觀上低水速，結果上是低冷強。熱量不能快速傳給水帶走，造成炭磚溫度高，形不成渣鐵保護層，加之高導熱的石墨炭磚不耐鐵水熔損，燒穿也就必然的。

這樣鞍鋼3座高爐爐缸大修也就必須更換冷卻壁，且冷卻壁的冷卻比面積應大于0.9，水的聯(lián)接也只能改串連，來盡量利用這一己建成的供水系統(tǒng)。

同樣鞍鋼鲅魚圈2008年開爐的2座4000m³高爐，采取亡羊補牢，緊急新建一個水站以增加水量，但仍然不行，冷卻比表面小，高爐利用系數(shù)只能控制1.8-1.9t/m³.d，一高環(huán)炭溫度就超過600 ⁰C，只有待大修更換爐缸冷卻壁，提高冷卻壁的比表積。
對此應有討論

（1）水量:如果像寶鋼3高爐冷卻面積比能達到1.2以上側可采用分段冷卻， 即宏觀上的小水量，微觀上高冷強。我國高爐這種豎排水管的冷卻壁冷卻的薄爐襯結構，爐缸冷卻水量應大于高爐的有效容積一定倍數(shù)，如3200m³高爐爐缸冷卻水量應在5000m³/h以上，小高爐爐缸冷卻水應兩倍及以上的爐容水量。同時要留有爐役后期強化冷卻需增加的水量。

（2）分段冷卻耗水量各段加起來總水量不比全爐串聯(lián)冷卻的水量少，有的還要多。對爐體的冷卻應做到微觀上的高冷強，即集中力量去冷卻高爐每一點，分散力量去冷卻，則其冷強就顯然較低，提高水溫差也達不到大傳熱量，這種小冷卻比表面水溫差根本也提不上來，目前這種存在多層熱阻層的爐缸結構這難于實現(xiàn)的，建議不采用分段冷卻的供水冷卻方式。

（3）水速：水管中水速超過2.0m/s后要再提速其傳熱效果不是線性關系，應考慮提速后的阻損。同時應考慮水管中局部過熱的氣泡排出和水平水管及冷卻板結構的排汽需求，因此水速應在2.0m/s左右。

（4）冷卻比表面積:不論是那種冷卻方式，冷卻壁內(nèi)水管間距應盡量小， 豎排串聯(lián)方式，目前這種計算方法其冷卻面積比應做到不小于1.0，沙鋼5800m³高爐冷卻比表面積是0.98。

行業(yè)中所通用的冷卻壁的冷卻面積比是: 在相等長度下 冷卻比表積=（每塊冷卻壁水管外徑×3.14×水管數(shù)）/ 每塊冷卻壁寬度，或=水管直徑x3.14/管間距。 一般這個數(shù)越大越好， 冷卻壁冷卻能力或傳熱能力越強。這里計算是水管外徑的周長，如考慮熱面冷面受熱情況，冷卻比表面積應×0.5。都習慣了這樣的比較，也是直得進一步探討。

（5） 熱流強度:高爐冷卻結構確定后應當應用傳熱計算來提出正常生產(chǎn)，非正常生產(chǎn)，侵蝕嚴重時的分別熱流強度控制值，事先讓操作者掌握，鞍鋼3200m³高爐事先設計沒有計算，投產(chǎn)后無監(jiān)測手段，稀里湖涂往下干。

武鋼生產(chǎn)中規(guī)定他們的熱強度如下

爐缸熱流強度報警值≤29.3MJ/m².h（7000 kcal/m².h）；

爐缸熱流強度警戒值≤37.67MJ/m².h（9000 kcal/m².h）；

爐缸熱流強度事故狀態(tài)≤50.23MJ/m².h（12000 kcal/m².h）；

熱流強度超過報警值后必須采取措施把熱流強度降低到安全范圍以內(nèi)。

設計時應根據(jù)爐缸結構與耐材等計算為正常生產(chǎn)的熱流強度，并配備必要的在線撿測手段，高爐投產(chǎn)后實測與設計值對照，實現(xiàn)高爐在線實時受控。

3.3 制造與施工質量

當前這種爐缸結構，爐缸內(nèi)的熱量傳給冷卻水而帶出高爐，其傳熱受到了多個熱阻層的影響，水管中水流動邊界層、水管壁與壁體之間防滲碳層的熱阻層、冷卻壁熱面與炭磚間搗料等造成的熱阻層、耐材本身熱阻等，這些熱阻投產(chǎn)前應盡一切力量降到最低，使鐵水1150 ⁰C等溫線推到炭磚熱面的爐內(nèi)，或陶瓷壁內(nèi)，所謂保護層，達到傳熱平衡，保證爐襯安全。高爐投產(chǎn)后是無法對此改善的。應當是怎樣來提高冷卻壁的制造質量、耐材生產(chǎn)質量、施工質量。

（1）進一步提高鑄造冷卻壁質量，減薄防滲碳層厚度。

（2）碳磚生產(chǎn)應強化高溫電煅無煙煤的生產(chǎn)水平，靠提高煅燒溫度來提高石墨化程度而不是靠添加電極石墨來提高導熱系數(shù)，人造石墨易于滲入鐵液中，使炭磚熔蝕加快。

炭磚焙燒溫度要均勻達到1400⁰C以上，使加入的Si等超微粉真正與碳素發(fā)生反應生成SiC等新物質，生產(chǎn)出真正的微孔或超微孔炭磚。

提高碳素搗打料的導熱能力，或研發(fā)易于施工的導熱系數(shù)與炭磚導熱系數(shù)相近的澆注料。改善爐殼與冷卻壁之間的搗料或自流澆料的材質選擇與生產(chǎn)，防止新的氣隙產(chǎn)生。

提高炭磚加工精度，先真正做到1.0mm的磚縫。

（3）強化施工管理和砌筑水平的提高，達到規(guī)范要求，特別是冷卻壁與炭磚間搗料層的實密度，防止形成氣體熱阻層。

提高冷卻壁的安裝質量，真正做到固定點、滑動點、浮動點的各自應起的作用。

3.4 生產(chǎn)操作和維護

3.4.1 放棄高冶強的生產(chǎn)，尋求經(jīng)濟冶強

產(chǎn)能嚴重過剩成本壓力巨大的條件下，一味提高產(chǎn)量對高爐壽命帶來的損害無疑是嚴重的，數(shù)十年來實際已證明了的，前述兩例長壽典范其利用系數(shù)都在2.0-2.3之間，其成本和經(jīng)濟上是最優(yōu)的，早在上世紀五十年代，大辦鋼鐵時期煉鐵前輩們就己探索出，高爐在一定的冶煉條件下，冶煉強度與燃料比有一個較佳的經(jīng)濟區(qū)間。我們應遵循這一科學規(guī)律。某廠6座1080m³高爐，開爐僅兩年內(nèi)爐缸燒穿3座，另外3座被迫提前大修，無一達到2年以上壽命，這6座爐子除設計及娘胎帶來的天生不足外，與高冶強不無關系。

3.4.2 減少有害雜質的入爐

不論4000m³高爐爐底板上翹還是數(shù)座高爐爐缸炭磚溫度提前升高而 被迫停爐大修，其與有害元素超標入爐很相關。主要是Zn、Pb、K、Na等有害物質超標準入爐，有的甚至尚無檢驗手段。主要是

（1）沒能從源頭上控制住，達到國家標準的只有幾個特企，Zn負荷多為500-600g/t.Fe，也超標3-4倍，有的甚至10倍以上。Zn蒸氣進入上述通縫是容易的，進而炭磚溫度高。再者，滲入磚襯的Zn蒸汽，溫度下降到大約800-1000℃范圍如果遇到CO₂、水汽，就會被氧化生成ZnO，反應為Zn+ CO₂₌ZnO+CO。溫度超過1030℃， ZnO又可以與炭磚的C發(fā)生反應ZnO+C=Zn+CO反應，形成對炭磚的侵蝕，使炭磚變成疏松狀，逐漸消耗炭磚。

（2）像國外那樣開發(fā)對高爐有害雜質回收利用技術，國內(nèi)外有多種回收Zn塵泥技術，應結合本企業(yè)實際加快回收利用。

（3）市場條件下，有害物質的小循環(huán)、中循環(huán)、社會大循環(huán)的二次、三次的污染環(huán)境應引起重視。

3.4.3 保持鐵口有穩(wěn)定的足夠深度

保持高爐鐵口足夠深度對高爐爐缸壽命影響越顯其重要性，寶鋼、沙鋼4747—5800m³高爐的鐵口深度保持在4.0—4.2m的深度，其爐缸工作穩(wěn)定。興澄3200m³高爐鐵口深度3.7-3.9m，噸鐵耗泥0.3kg/t.Fe。鞍鋼3座3200m³高爐生產(chǎn)4-9年后破損調查顯示，爐缸侵蝕最嚴重的都在鐵口區(qū)域。鐵口淺環(huán)流加大了，侵蝕也加重了，噴淺歷害了、炮泥錢多花了、爐前工累多了、戲不好看了。筆者建議鐵口深度應保持在設計鐵口通道長度上再加泥包深度800mm為宜。

（4）活躍爐缸中心，減少中心呆料柱的徑向厚度，改善爐缸中心透液、透氣性，主要搞好焦炭質量，用搗固焦的高爐不宜只看強度指標，而應看配煤比。

3.4.5 減少或停止爐缸的壓漿護爐措施

（1）近幾年很多高爐出現(xiàn)爐缸炭磚溫度升高，采取冷卻壁熱面壓漿的護爐措施，個別施工質量不足或新投產(chǎn)高爐通過壓漿，堵塞縫隙短期起到某些作用。但造成的事故也太多，如某1250m³高爐，開爐僅8個月環(huán)炭溫度高，壓漿將爐缸壓漏的，某2500m³和3200m³高爐生產(chǎn)6-9年采取壓漿護爐，將己很薄的爐缸炭磚壓壞，進而造成爐缸當天燒穿，有的還帶來嚴重的傷人安全事故。因此應禁止此項工作，把力量放在設計、建設高爐的各環(huán)節(jié)中。

（2）當爐缸出現(xiàn)險情，常規(guī)護爐措施無效時，還是采用大修爐缸方式為宜。如果非要采取死馬當活馬醫(yī)的作法，則建議:

（a）投產(chǎn)3年以上高爐不宜熱面壓漿。

（b）壓入點壓力應在1.0mPa（10kg/cm²）左右。

（c）采用無水、低揮發(fā)份、高導熱炭素泥漿。

（d）壓入點周圍對應開有排氣孔。

4 結言

上述一些問題是筆者近幾年所遇到的，祥細實例從簡了，只是把問題理了一下，供同仁們來討論，以求高見。

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