吳強(qiáng)國  

鄭州燁化燃?xì)夂鏍t有限公司   

摘  要：高爐爐缸上部、中部、下部炭磚侵蝕速度存在巨大差異，爐缸下部象腳區(qū)炭磚的異常侵蝕是高爐短壽及爐缸燒穿事故的主要原因。對(duì)比分析鐵水環(huán)流、鐵水溶蝕等侵蝕因素的影響，否定鐵水環(huán)流是象腳侵蝕的主要原因這一業(yè)界共識(shí)，推斷出象腳侵蝕主要原因的可能形式。

關(guān)鍵詞：高爐  爐缸  侵蝕  對(duì)比

    高爐爐缸的壽命決定了高爐一代爐齡的長短，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。對(duì)比分析爐缸豎向侵蝕的不同狀況，可能有助于找到象腳狀侵蝕的成因。

1. 高爐爐缸的豎向區(qū)域劃分

    根據(jù)高爐爐缸不同部位的功能及工作狀況，自上而下將將爐缸劃分為鐵水未充盈帶（上部）、鐵口帶（中部）、死鐵層帶（下部）。高爐生產(chǎn)過程中，出鐵前鐵水最高液面與出鐵后鐵水最低液面之間為鐵口帶（爐缸中部），鐵口帶以上為鐵水未充盈帶（爐缸上部），鐵口帶以下為死鐵層帶（爐缸下部）。

2. 高爐爐缸常見侵蝕狀況

    不同爐容、不同設(shè)計(jì)、不同結(jié)構(gòu)、不同耐材、不同施工質(zhì)量、不同烘爐效果、不同操作制度、不同冶煉強(qiáng)度、不同冷卻效果、不同原燃料條件、不同護(hù)爐方式等因素都會(huì)對(duì)爐缸侵蝕造成一定的影響，從而造成單體高爐侵蝕的一些差異。但對(duì)于大多數(shù)一代爐齡終結(jié)的高爐而言，其爐缸炭磚侵蝕狀況呈現(xiàn)出許多共性：爐缸上部炭磚熱面侵蝕較輕但環(huán)狀裂縫較寬；鐵口帶炭磚熱面侵蝕加重但環(huán)狀裂縫較窄；死鐵層帶炭磚熱面侵蝕最嚴(yán)重，有的高爐該部位炭磚幾乎完全消失，但環(huán)狀裂縫最窄。

    高爐爐缸常見侵蝕狀況如圖1所示。

                                         圖  1

    顯然，爐缸死鐵層區(qū)的炭磚侵蝕最嚴(yán)重，是高爐長壽的致命因素。具體到不同高爐，可能表現(xiàn)為象腳狀侵蝕、蒜頭狀侵蝕、蘑菇狀侵蝕等。

3. 高爐爐缸炭磚侵蝕因素分析

    目前已知的影響高爐爐缸炭磚侵蝕的因素有爐缸設(shè)計(jì)、耐材性能、耐材質(zhì)量、鐵水環(huán)流、鐵水溶蝕、有害元素侵蝕、熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)性應(yīng)力、冷卻強(qiáng)度、環(huán)狀裂縫影響、死鐵層深度、渣（鐵）皮保護(hù)、鈦礦護(hù)爐情況、冶煉強(qiáng)度等?；跔t缸炭磚熱面侵蝕存在巨大的豎向差異，本文重點(diǎn)選取與此關(guān)聯(lián)性較高的影響因素進(jìn)行探討。

    目前爐缸結(jié)構(gòu)分為全炭爐缸和陶瓷杯加炭磚的復(fù)合爐缸。陶瓷杯消失后復(fù)合爐缸也可以看做全炭爐缸。在對(duì)比爐缸炭磚熱面侵蝕的豎向差異時(shí)，都以陶瓷杯消失后的狀況為參考，因?yàn)樘沾杀Ш鬆t缸炭磚仍然要使用很長時(shí)間。

3.1鐵水溶蝕

    在爐缸上部因鐵水未充盈，加之存在渣皮保護(hù)，鐵水不會(huì)長時(shí)間直接接觸爐缸炭磚熱面，因此該部位鐵水溶蝕的影響非常有限。

    鐵口帶的工況是不斷變化的。由于周期性出鐵，該部位鐵水液面不斷上下浮動(dòng)，周期性浸沒爐缸炭磚。而且該處鐵水為新生成鐵水，碳飽和度較低，出鐵造成該處鐵水的不斷流動(dòng)，各項(xiàng)因素疊加后，該部位的鐵水溶蝕情況較嚴(yán)重。

    死鐵層鐵水的流動(dòng)不明顯，鐵水的置換周期長，碳飽和度較高，鐵水對(duì)爐缸炭磚的溶蝕速度較慢。近年來死鐵層的深度不斷加大，象腳區(qū)的位置更低，象腳區(qū)鐵水溶蝕的速度應(yīng)該低于鐵口帶。

 3.2鐵水環(huán)流

    鐵水環(huán)流由高爐出鐵引發(fā)，受出鐵速度、死料柱的透液性及死料柱的浸沒深度等影響。出鐵速度越快、死料柱透液性越差、死料柱浸沒越深，鐵水環(huán)流的速度越大。

    爐缸上部未充盈鐵水，不存在鐵水環(huán)流。

    鐵口帶在出鐵過程中會(huì)出現(xiàn)鐵水環(huán)流，但在出鐵前期由于爐內(nèi)鐵水量較多，鐵水環(huán)流不明顯。出鐵后期，剩余鐵水量較少，鐵口標(biāo)高以上的鐵水深度減小，鐵水環(huán)流速度加大。因此鐵口帶的下半部受鐵水環(huán)流侵蝕的程度稍大。

    死鐵層的上部受鐵口帶下部鐵水環(huán)流的帶動(dòng)，會(huì)有輕微的環(huán)流現(xiàn)象。由于鐵水密度大，死鐵層的深度大，在死鐵層下部的象腳區(qū)不會(huì)有明顯的鐵水環(huán)流。

    雖然客觀上存在鐵水環(huán)流，但鐵水環(huán)流的流速極低，沒有形成沖刷的足夠動(dòng)能。根據(jù)東北大學(xué)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，鐵水環(huán)流的流速為0.005m/s，近似蝸牛的速度。即使鐵水的密度較大，也沒有足夠的動(dòng)能形成機(jī)械沖刷。只有鐵口附近的流速較大，客觀存在鐵水沖刷的情況，但這不是環(huán)流沖刷。

    由于鐵水環(huán)流的流速低，動(dòng)能小，加之爐缸炭磚熱面可能形成的粘滯層（甚至是鐵殼層）的隔離，鐵水環(huán)流無法對(duì)爐缸炭磚形成強(qiáng)烈的沖刷侵蝕。尤其在爐缸下部的象腳區(qū)，鐵水環(huán)流的沖刷侵蝕更是非常有限。雖然象腳狀侵蝕的外貌類似鐵水環(huán)流沖刷形成，但并不能據(jù)此肯定這種侵蝕就一定是鐵水環(huán)流造成的。

    鐵水環(huán)流可以造成這種外貌特征，但這種外貌特征并不一定就是鐵水環(huán)流造成，這才是科學(xué)的邏輯。

3.3有害元素侵蝕

    由于入爐原燃料條件的制約，加之高爐各部位存在氣隙及串煤氣情況，難免存在鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素的傳播和富集。有害元素主要在風(fēng)口燃燒區(qū)分解氣化，進(jìn)入煤氣，通過煤氣和高爐水冷卻系統(tǒng)漏水在爐缸或風(fēng)口區(qū)凝結(jié)和富集。如果進(jìn)入碳磚則發(fā)生碳磚氧化和粉化。

    基于高爐內(nèi)部的實(shí)際工況，爐缸上部比較容易受到鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素的侵蝕。實(shí)際的高爐破碎調(diào)查也證實(shí)在爐缸炭磚環(huán)形裂縫中富集有害元素。

鐵口帶也存在環(huán)形裂縫，因此也存在鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素的侵蝕。

由于有渣（鐵）皮的保護(hù)，鐵口帶及爐缸上部炭磚熱面受鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素的侵蝕程度有限。

    在死鐵層區(qū)域，爐缸環(huán)形裂縫較窄，；在象腳區(qū)環(huán)形裂縫幾乎沒有。因此鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素通過環(huán)形裂縫到達(dá)并侵蝕象腳區(qū)炭磚的程度很輕。由于死鐵層鐵水的隔離，鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素對(duì)爐缸下部炭磚熱面的侵蝕程度非常有限。

3.4結(jié)構(gòu)性應(yīng)力

    對(duì)于新投產(chǎn)的高爐，爐缸上部、中部、下部的耐材厚度差別較大。特別是復(fù)合結(jié)構(gòu)的爐缸，爐缸與爐底陶瓷墊相結(jié)合。由于不同材質(zhì)的耐材相互交錯(cuò)，在高爐投產(chǎn)后的高溫環(huán)境中，熱膨脹系數(shù)的差異將產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力。徑向的、軸向的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力交叉作用，對(duì)爐缸、爐底交界處的耐材產(chǎn)生巨大的損害。因此雖然該部位的耐材厚度很大，但侵蝕速度也快得多，使用壽命并不長。

    高爐使用一定周期后，爐缸上部、中部、下部的耐材厚度將趨于接近。這時(shí)候陶瓷杯基本消失，爐缸上部、中部、下部的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力趨于一致。但爐缸上部、中部、下部的炭磚侵蝕速度仍然存在巨大差異，特別是象腳區(qū)的爐缸炭磚繼續(xù)以較快的速度被侵蝕，這時(shí)結(jié)構(gòu)性應(yīng)力的影響應(yīng)該比較有限。

3.5熱應(yīng)力

    高爐爐缸的熱應(yīng)力由爐內(nèi)、爐外的巨大溫差產(chǎn)生。溫度梯度差越大，熱應(yīng)力也隨之增大。

    對(duì)于新投產(chǎn)的高爐，爐缸上部、中部、下部的耐材厚度差別較大。上部厚度最小，下部厚度最大。

    雖然爐缸各部位接觸的介質(zhì)不同，但就高爐內(nèi)部溫度場(chǎng)而言，爐缸上部、中部、下部沒有太大差別。爐缸外部環(huán)境是冷卻壁，爐缸外部各部位的溫度場(chǎng)基本相同。因此爐缸上部、中部、下部內(nèi)外溫差基本相同，基于耐材厚度的差異，爐缸上部的溫度梯度最大，鐵口帶爐缸的溫度梯度較小，死鐵層帶爐缸的溫度梯度最小。與之對(duì)應(yīng)的是，爐缸上部的熱應(yīng)力最大，鐵口帶的熱應(yīng)力較小，死鐵層帶的熱應(yīng)力最小。

    當(dāng)高爐生產(chǎn)一定周期后，爐缸上部、中部、下部的厚度將趨于接近，熱應(yīng)力狀況也趨于接近。

    由于爐缸下部的侵蝕速度更快，高爐壽命后期，爐缸下部厚度最小，熱應(yīng)力最大。

    但從高爐爐缸的整個(gè)侵蝕過程看，無論熱應(yīng)力是最大還是最小，象腳區(qū)的侵蝕速度都是最快的，因此熱應(yīng)力不是象腳區(qū)異常侵蝕的主要因素。

3.6 環(huán)狀裂縫與冷卻強(qiáng)度

    高爐生產(chǎn)一定周期后，爐缸炭磚內(nèi)部大多形成環(huán)形裂縫。裂縫自上而下達(dá)到鐵口帶，也有達(dá)到象腳區(qū)的。裂縫上寬下窄，到達(dá)象腳區(qū)的寬度非常有限。

環(huán)形裂縫的存在造成鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素的富集，進(jìn)而對(duì)炭磚造成進(jìn)一步的侵蝕。

    環(huán)形裂縫的存在形成較大的熱阻，極大影響爐缸的冷卻效果。由于環(huán)形裂縫上寬下窄，因此爐缸熱阻上大下小。就環(huán)形裂縫對(duì)爐缸冷卻效果的影響而言，爐缸上部冷卻效果最差，鐵口帶的冷卻效果較差，死鐵層區(qū)的冷卻效果較好。

   相對(duì)而言死鐵層區(qū)的冷卻效果最好，但死鐵層區(qū)炭磚的侵蝕速度卻最快。提高冷卻強(qiáng)度可以緩解象腳區(qū)的侵蝕速度，但不能阻止侵蝕的持續(xù)發(fā)生，冷卻效果不是影響象腳區(qū)異常侵蝕的主要因素。

3.7 渣（鐵）皮、粘滯層保護(hù)及鈦礦護(hù)爐

    鐵口以上爐缸內(nèi)壁存在渣皮，能夠?qū)t缸炭磚起到保護(hù)作用。對(duì)于鐵口以下爐缸內(nèi)壁是否存在凝固的鐵皮，學(xué)界一直分歧嚴(yán)重，但都認(rèn)為存在粘滯層，一定程度起到隔離鐵水與爐缸炭磚接觸的作用。

    根據(jù)對(duì)象腳侵蝕狀況非常嚴(yán)重高爐的分析，有的爐缸炭磚幾乎完全被侵蝕，但高爐仍在正常生產(chǎn)，并未發(fā)生爐缸燒穿事故。據(jù)此可以推斷死鐵層區(qū)域爐缸內(nèi)壁客觀存在相當(dāng)厚的鐵皮，否則在炭磚幾乎完全消失的情況下高爐是不可能繼續(xù)生產(chǎn)的。

    爐缸實(shí)際的運(yùn)行狀況可能是：陶瓷杯消失后，炭磚熱面逐步形成一定厚度的鐵皮和粘滯層，阻斷了鐵水與爐缸炭磚的直接接觸，中斷了鐵水對(duì)炭磚的溶蝕，也阻斷了鐵水環(huán)流的沖刷。但是炭磚熱面仍然發(fā)生其他原因引起的持續(xù)侵蝕，并誘發(fā)已經(jīng)形成的鐵皮周期性脫落。如果炭磚厚度較小，鐵皮的脫落將引起局部爐缸溫度升高，這時(shí)往往采取鈦礦護(hù)爐、降低冶煉強(qiáng)度、堵風(fēng)口等措施，使該處爐缸溫度恢復(fù)到正常狀態(tài)。爐缸溫度恢復(fù)的過程實(shí)際上也是該部位新的鐵皮（或鈦合物保護(hù)層）形成的過程。

    鈦礦護(hù)爐是利用鈦合物熔點(diǎn)更高、更容易凝結(jié)的特性，對(duì)爐缸局部溫度升高部位采取的快速制造凝固層的過程。鈦礦護(hù)爐有一定效果，但只是在創(chuàng)面上貼膏藥，并不能根本阻止象腳侵蝕的繼續(xù)發(fā)展。鈦礦護(hù)爐成本很高，許多民營鋼企寧可放棄。依靠持續(xù)鈦礦護(hù)爐實(shí)現(xiàn)的高爐長壽不是真正意義的長壽，而目前的長壽高爐大多依賴持續(xù)的鈦礦護(hù)爐。

3.8 爐缸炭磚侵蝕因素與侵蝕程度的豎向?qū)Ρ?/B>