高爐爐缸結(jié)構(gòu)上一些問題的討論
湯清華
（鞍鋼股份公司）
1 前言
高爐爐缸壽命的長短決定了高爐一代爐役的周期。高爐生產(chǎn)中只要爐缸不出現(xiàn)險情就可繼續(xù)生產(chǎn)，爐缸以上干區(qū)無論出現(xiàn)冷卻壁燒壞或爐皮開裂等毛病都可以通過短期的搶修來繼續(xù)生產(chǎn)，有的還可修舊如新。而爐缸出問題則不行，一旦溫度超限，采取措施不見效果，就必須停爐大修。因此，高爐大修周期由爐缸壽命來決定。
近年來我國高爐爐缸壽命得到大幅度地提高,出現(xiàn)一批10-19年的長壽高爐,也是以爐缸壽為評價的。長壽命為國民經(jīng)濟建設(shè)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(shè)計壽命,甚至不斷發(fā)生爐缸燒穿事故，給企業(yè)安全、生產(chǎn)經(jīng)營帶來嚴重的損失。結(jié)合鞍鋼新3高爐和國內(nèi)外一些高爐爐缸燒穿的實際，提出延長高爐爐缸壽命結(jié)構(gòu)上的一些的問題，與同仁共同討論。
2 爐缸爐殼結(jié)構(gòu)
2.1 一批1080m3高爐,開爐不久環(huán)炭溫度急速升高,兩年內(nèi)多座高爐爐缸燒穿,數(shù)座被迫2年多一點就大修爐缸。圖1是這批高爐的爐缸結(jié)構(gòu)圖，由圖看出，這種爐缸是在早年低冶強低壽命的750高爐結(jié)構(gòu)上，減薄爐襯演變而成的，爐缸爐殼是直圓柱筒，到風口上擴徑成爐腹，這種結(jié)構(gòu)極易造成炭磚上浮和磚縫變大，一旦占入鐵水和Zn蒸氣,進而環(huán)炭溫度開爐不久就升高。究其原因，是個常識問題，炭磚的比重為1.55t/m3,而鐵水比重是7.6t/m3,相差近5倍,這樣鐵水對炭磚起到向上浮動的推力作用, 炭磚不往上浮就得靠磚與冷卻壁之間的磨擦力,這種磨擦力與鐵水浮力方向相反,且那種力較大是顯然可見的，好象一塊輕質(zhì)木頭漂在水上一樣。上世紀八、九十年代曾數(shù)次遇到高爐爐底炭磚整體漂浮而爐底燒穿的事故。正確的結(jié)構(gòu)應(yīng)從爐底板開始爐缸爐殼是個圓錐型,向上縮小,爐殼給炭磚一斜面的約束力，來限制炭磚上浮。大型高爐爐缸殼體基本上是圓錐型,中小高爐勿視了這個問題。
2.2 另一個問題是爐缸爐殼有一個內(nèi)縮捌點來收縮,但收縮位置在風口段下方，太高，起不到作用,曾有數(shù)座1780m3高爐,開爐2.5年后溫度急烈攀升近900℃或者燒穿，此結(jié)構(gòu)如圖2。有的同志認為:a.炭磚質(zhì)量不好,b.施工質(zhì)量差,c.冶煉強度過高,d.有害雜質(zhì)超標。筆者認為不全面,這種爐殼結(jié)構(gòu)不佳也應(yīng)是原因之一。
為此建議凡新建或大修高爐,爐殼收縮變徑只少應(yīng)從爐底滿輔炭磚中上部開始采取收縮，風口段有一段直段后至爐腹處再擴徑,如果風口段磚襯太薄又易燒壞爐腹冷卻壁冷面水管。很多實例讓人們引起了重視。
3 爐缸炭磚磚襯結(jié)構(gòu)
3.1 炭磚厚度
圖1、圖2中炭磚厚度有的僅550mm，應(yīng)當說太薄,薄爐襯是相對于傳統(tǒng)的綜合爐缸爐底來說的,不應(yīng)只顧降低建設(shè)費用,15年壽命保證值與措施不對稱。筆者認為微孔或超微孔材質(zhì)的爐缸環(huán)炭炭磚厚度最薄處不應(yīng)小于1000mm，爐底炭磚不能小于2000mm。某兩企業(yè)的1780m3高爐,一張圖紙下來的結(jié)構(gòu),同一家的超微孔炭磚,陶瓷墊處即象腳區(qū)炭磚厚200mm的爐子投產(chǎn)5年多出現(xiàn)該處溫升高至600℃,而薄200mm的高爐開爐僅2.5年就升至近900℃。因此，減簿要有度。
3.2 大塊炭磚砌筑的爐缸環(huán)炭應(yīng)消除水平通縫
圖1、圖2大小兩種結(jié)構(gòu)的爐缸環(huán)炭結(jié)構(gòu)的高爐,其大塊炭磚無一例外都是水平通縫,這就造成鐵水和Zn蒸氣易占到靠近冷卻壁處,插入300mm的電偶溫度升高,或無先兆跡象的爐缸燒穿，這種結(jié)構(gòu)的爐子我國居多,加之炭磚不斷減薄,應(yīng)引起行業(yè)的重視。無論那種砌筑建筑通縫都是不允許的，回頭看似乎見怪不怪了，尤其是高爐這一高溫高壓容器必須高度重視。
圖3是鞍鋼10高爐(2580m3)1995年2月12日投產(chǎn)時的設(shè)計圖紙。這座爐子于2008年11月因金融危機被迫停下來,共生產(chǎn)了14年,單位爐容產(chǎn)鐵10800t/m3.代,算是長壽高爐,冶強不低,前8年入爐品位僅56%，其后大修破損調(diào)查時,爐缸環(huán)炭最簿處仍有300mm。14年生產(chǎn)中爐缸沒有任何溫度升高等險情。由圖可看出,20年前的炭磚質(zhì)量遠不如當今的好，但10高爐采用大塊與小塊炭磚復(fù)合砌筑,小塊半石墨磚靠冷卻壁砌筑，炭搗料層移至大、小塊炭磚之間,進而消除了水平通縫，為鞍鋼高爐長壽開創(chuàng)了好局面。因此當前全大塊炭磚砌筑的水平通縫問題應(yīng)加以優(yōu)化。
3.3 堅持好傳熱的順序
在炭磚等耐材結(jié)構(gòu)上應(yīng)堅持爐底磚襯由下至上,導(dǎo)熱系數(shù)由大到小,環(huán)爐缸耐材應(yīng)當冷面至熱面導(dǎo)熱系數(shù)也應(yīng)由大到小，防止中間層的熱量積累。目前尚有不少高爐做不到這點,有的甚至存在熱阻層，爐內(nèi)熱量不能順利導(dǎo)出,應(yīng)切實做好。
3.4 高度關(guān)注炭搗料的材質(zhì)與施工質(zhì)量
我國采用大炭磚砌筑的高爐為消除三角縫，多在炭磚與冷卻壁之間用炭素搗料搗實來實現(xiàn)熱量傳遞，炭磚導(dǎo)熱系為15w左右,鑄鐵冷卻壁導(dǎo)熱系多在35w水平,如果在冷卻壁與炭磚之間的搗料層其導(dǎo)熱系數(shù)小于15w,則形了阻熱層,熱量導(dǎo)不出去,炭磚層內(nèi)溫度就升高,應(yīng)注意：1)炭搗料一定要做到在100-200℃時的導(dǎo)熱系數(shù)大于其熱面炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)。2)十分注重炭搗層的施工質(zhì)量,400mm厚磚層搗料每次添加厚度應(yīng)在100-120mm,搗實了驗收了再添加上一層,再搗實。
有一企業(yè)6座1080m3爐子兩年內(nèi)燒穿3座,余磚襯溫度攀升不敢再生產(chǎn),大修時又無法調(diào)整爐殼收徑問題,最終炭素搗料層改為澆注料,才解決這一問題，應(yīng)努力開發(fā)高導(dǎo)熱、價格低、易施工的澆注料。
4 冷卻水與冷卻器結(jié)構(gòu)
4.1 冷卻水質(zhì)
水是最好耐火材料，這話不錯，但應(yīng)用得好。首先是水質(zhì)，黃河以北地區(qū)的地表水硬度高，受熱后暫時硬度淅出造成管壁內(nèi)結(jié)垢，冷卻器的冷卻效果降低或失去了冷卻作用，甚者水管堵塞，鞍鋼工業(yè)水開路冷卻的高爐，在上世紀八、九十年代經(jīng)常出現(xiàn)新高爐開爐半年就結(jié)垢堵塞水管，因此不能直接引用。應(yīng)變成軟水或除鹽水（工業(yè)純水。軟水應(yīng)有防腐，除鹽水要有脫氧措施）。長江、珠江流域水質(zhì)硬度低一些，但近年來硬度也上升到220左右，因此高爐冷卻水建議不再直接采用工業(yè)水,應(yīng)加以處理后才能應(yīng)用，尚有不少企業(yè)對此缺少認識和監(jiān)控。
4.2 冷卻壁與冷卻比表面
先舉例子，鞍鋼新3高爐與寶鋼3、4高爐，這3座高爐爐缸所用耐材及結(jié)構(gòu)為一家生產(chǎn)的，都是小塊炭磚結(jié)構(gòu)。寶鋼3高爐創(chuàng)造了19年長壽命的典范，而鞍鋼新3高爐開爐2.7年就發(fā)生了爐缸燒穿事故。寶鋼4高爐，它與他們廠的3高爐也是同一家的耐材及結(jié)構(gòu),且爐缸用了二段銅冷卻壁，但4高爐也只生產(chǎn)了9年，因爐缸環(huán)炭溫度高被迫在2014年9月對爐缸進整體移裝的辦法進行大修,而風口以上則不用撿修，停爐破損調(diào)查炭磚最薄處不足300mm,低于運行19年的寶鋼3高爐。
是什么原因造成這么大的差別？寶鋼3、4高爐其操作水平、冶煉強度、用料結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性、施工質(zhì)量等可以說應(yīng)當是相同的，國內(nèi)外屬一流，也找不出不足之處。差在什么地方？表1中列出三座高爐的冷卻壁結(jié)構(gòu)及冷卻比表面積
（1）寶鋼3高爐的冷卻比表面積是寶鋼4高爐第一代、鞍鋼3高爐第一代的兩倍多,表明爐缸鑄鐵冷卻壁的冷卻比表面積0.6以上是不夠的,寶鋼4高爐第一代只能運行9年應(yīng)當說這是結(jié)點,同樣某5800高爐爐缸立式冷卻壁冷卻比表面積做到0.98,雖不斷增加水量但環(huán)炭溫度仍難于控制,因此建議學寶鋼3高爐做到1.3以上，宏觀上的低水量,微觀上的高冷強。
（2）臥式冷卻壁既保證了爐殼開孔處的強度,又均勻了冷卻水溫，寶鋼4高爐第一代不單爐缸環(huán)炭溫度不能受控,壓漿還造成爐殼變形，因此，第二代則采用了寶3高爐的結(jié)構(gòu)，應(yīng)為成功的經(jīng)驗。
（3）寶鋼4高爐爐缸第一代用了2段銅冷卻壁,實踐說明爐缸用銅冷壁沒達到長壽的目的，在此再次建議若非要采銅冷壁“濕區(qū)”也不宜采用鉆孔機加工銅冷卻壁,每塊冷卻壁12-16個焊接孔,在爐內(nèi)受各種應(yīng)力一旦開焊滲水,將造成惡性事故,宜用鑄銅冷卻壁。
（4）接近20m直徑的爐殼內(nèi),每1.6m高度上安裝臥式排列20塊冷卻壁，較好地做到了每塊冷卻壁10進10出的冷卻水管,冷卻表面是當今冷卻壁結(jié)構(gòu)爐缸最大的,雖然水量偏小但流速達到1.8-2.0m/s。
（5）上述所謂”冷卻比表面積”與爐缸外面噴淋冷卻、夾殼式冷卻方式不同,我國行業(yè)內(nèi)是用冷卻水管外周長再除管間距,即冷、熱表面都計算進去了,與前兩種結(jié)構(gòu)進行比較應(yīng)除以2才可相比。
因此,用此例來討論當今爐缸冷卻壁的優(yōu)化問題。
4.3 冷卻水量與水速
上述3.1-3.2中所說的水質(zhì)和冷卻比表積滿足要求后,就是水速高低和水量的匹配問題。
（1）筆者認為水速應(yīng)保證2.0±0.2m/s,這是生產(chǎn)中驗證了的,主要防止冷卻壁局部過熱而出現(xiàn)的汽塞現(xiàn)象,尤其是閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)。傳熱理論上計算上尚可低一些，但考慮爐役后期強化冷卻及安全系數(shù)余力應(yīng)不能低于這個數(shù)。
（2）水速和冷卻比表面積都做達到要求,水量就確定了，閉路循環(huán)是省水的但循環(huán)用水不省電。
（3）此時如再采用分段式冷卻,總水量是增加的,這就應(yīng)優(yōu)化匹配,學習武鋼的聯(lián)合循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
（4）表2例出臥式冷卻與豎排立式冷卻壁達到同樣水流密度的比較，這是寶鋼同志根據(jù)他們情況計算結(jié)果，供參考。表中的同樣達到119的水流密度，立式冷卻壁只能在冷卻比表面積上下功夫，4.0m/s水速其系統(tǒng)要整體升級。
5 關(guān)于死鐵層深度
死鐵層深度為爐缸直徑20%不宜繼續(xù)加深,有不少實例證明,過深不一定使爐缸長壽和減少象腳侵蝕，目標是爐缸形成鍋底型侵蝕。如某1250m3高爐,死鐵層設(shè)置為2800mm,無陶瓷杯壁，按爐缸直徑20%應(yīng)當是1600mm,開爐4.5年因鋅害環(huán)炭溫度升至1080℃,被迫停爐大修爐缸,結(jié)果爐缸侵蝕最嚴重的處僅剩280mm,且從陶瓷墊表面上移了1400mm左右,也就是說加深的死鐵層不但沒起好作,反而造爐底溫度過低，炭磚中占入大量Zn,形成Zn板,將爐底板平均抬高1200mm。建議再實踐幾年,并提出幾個討論問題。
（1）死鐵層加得過深后,鐵水高靜壓力與鐵水滲炭速度的影響，
（2）死鐵層加深理論上說明減少環(huán)流和實踐的證據(jù)有待再探討，
（3）過去高爐多為單鐵口高爐和大渣量冶煉,為了怕兩次鐵間風壓升高,而逐漸提高到20%爐缸
直徑的死鐵層深度,而當前多數(shù)高爐為多鐵口,出鐵間隔短或無間隔出鐵,其環(huán)流路經(jīng)和速度都發(fā)生變化,直得重新分析，
（4）死鐵層過深對形成鍋底形爐缸侵蝕有利與否和對加深鐵口深度維護有利與否也值得探討。
6 結(jié)語
筆者應(yīng)高爐年會的要求,為實現(xiàn)高爐爐缸高壽命,僅在爐缸結(jié)構(gòu)上就近年生產(chǎn)中遇到的一些問題,與同仁們進行探討,提供給決策和設(shè)計者作參考,個人認識不一定正確且分析較膚淺,目的是想引起爭議和引玉的作用。
7 參考文獻
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