鄒忠平，項(xiàng)鐘庸，胡顯波

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司)

摘 要：結(jié)合高爐生產(chǎn)后爐缸不定形耐材的破損狀況，分析了不定形耐材對(duì)爐缸傳熱體系乃至高爐長(zhǎng)壽的影響，并提出了不定形耐材的選擇、施工、烘爐到生產(chǎn)維護(hù)中應(yīng)該引起注意的事項(xiàng)。

關(guān) 鍵 詞：高爐長(zhǎng)壽；爐缸；不定形耐材

高爐爐缸長(zhǎng)壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，爐缸采用的不定形耐材在爐缸長(zhǎng)壽鏈上也起著舉足輕重的作用。本文將從高爐生產(chǎn)后爐缸不定形耐材的破損調(diào)研、爐缸耐材溫度記錄數(shù)據(jù)及爐缸傳熱體系等著手進(jìn)行分析，對(duì)爐缸不定形耐材的選擇、施工、烘爐和生產(chǎn)維護(hù)等進(jìn)行闡述，為避免爐缸意外事故的發(fā)生和實(shí)現(xiàn)爐缸的長(zhǎng)壽提供建設(shè)性意見(jiàn)。

1  爐缸破損調(diào)查中不定形材料的表現(xiàn)形態(tài)

鞍鋼高爐爐缸破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1]，部分小塊炭磚間磚縫是空的，部分磚縫中的C34膠泥是粉狀、沒(méi)有黏結(jié)強(qiáng)度的，冷卻壁前面的大多數(shù)小塊炭磚在不借助工具的情況下用手就能很容易將其解體，部分磚縫達(dá)到7mm，部分磚縫中發(fā)現(xiàn)有鐵片，磚縫有滲鐵現(xiàn)象。調(diào)查表明，C34膠泥在使用過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題，沒(méi)有有效地固結(jié)，沒(méi)有能夠?qū)⑿K炭磚黏結(jié)為整體來(lái)保證爐墻的傳熱體系，因而導(dǎo)致了爐缸長(zhǎng)壽努力的失敗。侵蝕后的小塊炭磚斷面無(wú)粉化現(xiàn)象，除被侵蝕側(cè)外，磚的棱角分明，無(wú)變形和粉化現(xiàn)象，但磚縫松散，已失去黏結(jié)作用(如圖1、2所示)。

武鋼4號(hào)高爐第三代爐役爐缸炭素?fù)v打料使用后的性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1[2]。表1的數(shù)據(jù)測(cè)試表明，使用后的炭素?fù)v打料導(dǎo)熱系數(shù)較低，在冷卻壁和炭磚間將形成隔熱作用，降低了爐墻的傳熱能力，不利于在爐缸爐墻形成凝固保護(hù)層，從而導(dǎo)致?tīng)t缸炭磚快速侵蝕。因此，炭素?fù)v打料也需要足夠的溫度烘干，保證不被煤氣侵蝕。

2 異常磚縫形成機(jī)理，磚縫膠泥的粉化及消失機(jī)理

小塊炭磚體系是靠C34膠泥良好的導(dǎo)熱和密封作用來(lái)保證爐墻傳熱的。烘爐使膠泥固化并具備烘干強(qiáng)度至關(guān)重要。在高爐內(nèi)壓作用下，爐墻中始終存在出現(xiàn)氣隙的可能，墻體是不連續(xù)介質(zhì)，煤氣會(huì)在墻體中穿行。如果沒(méi)有能夠及時(shí)將膠泥固化并具備足夠的強(qiáng)度，就會(huì)被穿行的煤氣所氣蝕而形成氣隙，破壞墻體的傳熱體系，導(dǎo)致墻體異常侵蝕。這就是為何破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分磚縫是空的，部分磚縫中的C34膠泥是粉狀的、沒(méi)有強(qiáng)度的重要原因。出現(xiàn)該問(wèn)題的原因是烘爐和開(kāi)爐初期，靠近冷卻壁側(cè)爐墻的溫度過(guò)低，不足以使膠泥固化和達(dá)到足夠的干燥強(qiáng)度，在開(kāi)爐快速達(dá)產(chǎn)過(guò)程中，在較強(qiáng)的煤氣氣蝕作用下，使膠泥過(guò)早消失和粉化所致。要解決這一問(wèn)題的有效措施是，熱水烘爐和開(kāi)爐初期提高水溫運(yùn)行，讓膠泥盡快固化和具備足夠的強(qiáng)度。本鋼5號(hào)高爐爐缸供水溫度長(zhǎng)期維持55～60℃，昆鋼6號(hào)高爐爐缸供水溫度也長(zhǎng)期在50℃以上，這可能就是這兩座高爐爐缸得以安全運(yùn)行12—13年而不出現(xiàn)異常侵蝕的重要原因之一。爐墻溫度不夠，未能及時(shí)將膠泥固化而被煤氣侵蝕，破損了墻體傳熱體系，是當(dāng)前小塊炭磚爐缸出現(xiàn)問(wèn)題的重要原因之一。

關(guān)于過(guò)大磚縫的形成機(jī)理分析，在磚縫間的膠泥受到煤氣的氣蝕而消失后，在過(guò)高的灌漿壓力作用下，磚發(fā)生了松動(dòng)和位移而導(dǎo)致了局部磚縫過(guò)大的現(xiàn)象。灌漿料揮發(fā)分高，不易固化，在煤氣氣蝕作用下消失，致使?fàn)t墻氣隙嚴(yán)重，導(dǎo)熱體系受到很大的傷害，從而使墻磚受到快速異常侵蝕。

某高爐爐缸H3銅冷卻壁前耐材溫度與其上的H4鑄鐵冷卻壁前耐材溫度歷史記錄對(duì)比如圖3所示。圖3顯示，在開(kāi)爐初期的1年左右時(shí)間內(nèi)，銅冷卻壁前耐材溫度一直在50℃左右。在這樣的溫度條件下，C34膠泥得不到進(jìn)一步的固化和達(dá)到足夠的干燥強(qiáng)度，不足以抵抗氣蝕；在爐墻中的煤氣和水蒸氣的氣蝕作用下，逐步被氣蝕和腐蝕而產(chǎn)生氣隙，使?fàn)t墻的傳熱能力受到傷害；在高爐強(qiáng)化、凝固層的脫落情況下，不能及時(shí)將熱量傳遞給水系統(tǒng)而導(dǎo)致?tīng)t墻溫度異常升高。而鑄鐵冷卻壁前面的耐材溫度，在開(kāi)爐初期的1年左右的時(shí)間內(nèi)，一直處于90℃左右，較銅冷卻壁前面的耐材溫度高約40℃。在這樣的條件下，C34膠泥固化和具備干燥強(qiáng)度的條件大大改善，在被煤氣和水蒸氣氣蝕前就已經(jīng)具備了足夠的強(qiáng)度，不易產(chǎn)生氣隙。因此，鑄鐵冷卻壁前面的爐墻在高爐強(qiáng)化和凝固層脫落時(shí)的傳熱能力顯著加強(qiáng)，其耐材溫度不易出現(xiàn)異常升高的情況。這一事實(shí)充分說(shuō)明，烘爐及開(kāi)爐初期膠泥的固化對(duì)保證爐缸爐墻傳熱體系及爐缸長(zhǎng)壽的重要性。

3 不定形材料的特性

爐缸常用的不定形耐火材料的性能見(jiàn)表2、3。不定形材料只有在足夠溫度的干燥和焙燒條件下才具有足夠的導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，才能夠不被煤氣氣蝕和保證爐墻的傳熱體系。

在常溫下對(duì)C34膠泥黏結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，在自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)60天以后的膠泥強(qiáng)度僅為3．9MPa。在不同干燥溫度下對(duì)C34膠泥黏結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，在60℃下，膠泥的黏結(jié)強(qiáng)度只有100℃條件下黏結(jié)強(qiáng)度的約45％。溫度對(duì)C34膠泥及時(shí)同化和具備強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。

4 不定形材料的施工、操作維護(hù)的要求

GrafTech公司對(duì)C34膠泥的使用要求：

(1)膠泥黏結(jié)縫應(yīng)在開(kāi)始服役之前預(yù)固化。除非正常的使用溫度超過(guò)130℃，否則要將炭或石墨(磚)加熱至100℃，并保持于該溫度4h，然后在120～130℃保溫16h使之固化。固化溫度低于100℃，會(huì)導(dǎo)致固化時(shí)間的延長(zhǎng)。而加熱過(guò)快，會(huì)使膠泥在固定之前從縫里擠出來(lái)。在預(yù)固化操作開(kāi)始之前，砌筑部件不得移動(dòng)。對(duì)于大的炭塊，如爐缸壁，來(lái)自于冶金過(guò)程的熱通常將使之恰當(dāng)?shù)毓袒?，因此無(wú)須預(yù)固化(與陶瓷杯配合將不滿(mǎn)足該要求)。

(2)隨著適當(dāng)?shù)念A(yù)固化，膠泥黏結(jié)的炭或石墨體之間形成了一種強(qiáng)的炭鍵。這種組合的結(jié)構(gòu)已可用于高溫的操作，在高溫下，該(膠泥)縫炭化而使固化完全。

根據(jù)上述條件，要求施工時(shí)要嚴(yán)格按C34膠泥使用說(shuō)明書(shū)調(diào)配黏結(jié)劑和骨料的比例，要達(dá)到合適的膠泥黏稠度，使其具有良好的施工性能，保證其在施工過(guò)程中既能夠使磚縫密實(shí)均勻，又不會(huì)在養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生流失。在烘爐期間嚴(yán)格控制烘爐溫度，減少冷卻水的冷卻強(qiáng)度，讓冷卻壁前面的耐材溫度能夠維持110℃的干燥溫度，保證膠泥的固化性能。在高爐投產(chǎn)初期，也應(yīng)適當(dāng)提高冷卻水的供水溫度，提高冷卻壁前耐材溫度，促使膠泥獲得進(jìn)一步同結(jié)，使?fàn)t墻中部的耐材能夠達(dá)到850℃的焙燒溫度，使?fàn)t墻具有良好的傳熱能力和抵抗渣鐵侵蝕能力。

5 對(duì)高爐初期爐缸供水溫度及冷卻強(qiáng)度的建議

采用鑄鐵冷卻壁方案(水速2m／s，水管直徑70mm×6．5mm)，開(kāi)爐初期爐缸爐墻傳熱通量、冷卻水的對(duì)流換熱系數(shù)、耐材冷端溫度隨冷卻水溫度變化的模型計(jì)算結(jié)果如圖6所示。水是黏性流體，根據(jù)黏性流體傳熱原理，隨水溫的提高，水的對(duì)流換熱系數(shù)明顯升高。水溫的提高會(huì)降低爐墻的熱通量，但由于爐墻冷熱端溫差大，水溫的提高對(duì)爐墻熱通量的降低很有限，而對(duì)爐缸冷端耐材溫度的提高、幫助膠泥等不定形材料的固化卻有很大的幫助作用。因此，建議在烘爐時(shí)將冷卻壁的供水關(guān)閉，盡可能提高冷卻壁前耐材的溫度；在開(kāi)爐初期的2—3個(gè)月內(nèi)，提高爐缸供水溫度，使?fàn)t墻中的不定形材料進(jìn)一步干燥和固化，以達(dá)到足夠的強(qiáng)度，保障爐墻的傳熱體系和為長(zhǎng)壽打下良好的基礎(chǔ)。建議，烘爐時(shí)將水溫控制在80℃以上，讓耐材溫度達(dá)到110℃的烘干溫度；開(kāi)爐初期將水溫提高到60℃左右運(yùn)行[3]。

根據(jù)新日鐵提供的烘爐手冊(cè)中明確要求，寶鋼1號(hào)高爐(第一代爐役)在爐缸爐殼溫度達(dá)到65℃后才能開(kāi)始爐缸灑水。這無(wú)疑對(duì)爐缸不定形材料的干燥發(fā)揮了重要作用，是爐缸在10幾年的爐役期未發(fā)生異常侵蝕的重要保障。

鐵口泥炮和開(kāi)口機(jī)對(duì)鐵口區(qū)域砌體穩(wěn)定性是有較大的傷害的，特別是對(duì)膠泥焙燒不理想的鐵口區(qū)域?，F(xiàn)代大型高爐的泥炮推力很大，堵炮時(shí)，如果鐵口區(qū)域膠泥焙燒溫度不夠，黏結(jié)強(qiáng)度不理想，將難于抵抗泥炮強(qiáng)大的推力而導(dǎo)致磚縫的開(kāi)裂。鐵水會(huì)沿裂縫向下滲透進(jìn)入冷卻壁前面焙燒和固化條件更差并易受到氣蝕傷害的區(qū)域，從而導(dǎo)致?tīng)t缸燒穿事故的發(fā)生，這是鐵口下部容易出現(xiàn)異常侵蝕的重要原因。因此，烘爐期間和開(kāi)爐初期要重點(diǎn)加強(qiáng)鐵口區(qū)域耐材的烘烤、焙燒和溫度監(jiān)控，使膠泥等不定形材料達(dá)到固化和焙燒溫度，以防止意外情況的發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

高爐烘爐和開(kāi)爐初期，要提高冷卻水的水溫，降低爐墻的冷卻強(qiáng)度，讓膠泥等不定形材料及時(shí)固化和具備足夠的抗氣蝕強(qiáng)度，這可能是當(dāng)前解決爐缸長(zhǎng)壽問(wèn)題的關(guān)鍵。在投產(chǎn)初期，爐缸的冷卻強(qiáng)度并非越高越好，冷卻水溫并非越低越好。當(dāng)前高爐爐缸問(wèn)題頻發(fā)，在一定程度上可能與烘爐不徹底、開(kāi)爐初期爐缸冷卻強(qiáng)度過(guò)大、水溫過(guò)低、不定形材料固化不良、受到煤氣氣蝕、在爐墻中形成了氣隙破壞了爐墻的傳熱體系等不無(wú)關(guān)系。

無(wú)論爐缸采用什么樣的耐材及冷卻配置方案，都有成功的先例，也有失敗的教訓(xùn)，關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)清楚每種配置方式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽的關(guān)鍵要素。只有將其長(zhǎng)壽規(guī)律認(rèn)識(shí)清楚了，根據(jù)其內(nèi)在規(guī)律要求，合理控制每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)爐缸的長(zhǎng)壽也就不難了。足夠的爐墻溫度使C34膠泥及時(shí)固化并具有足夠抵抗煤氣和水蒸氣氣蝕的能力，足夠的焙燒溫度使C34膠泥具備足夠的焙燒強(qiáng)度并具備足夠的抵抗鐵水滲透和侵蝕的能力，這將是小塊炭磚方案實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。

7 參考文獻(xiàn)

[1]   王寶海，謝明輝．鞍鋼新3號(hào)高爐爐缸爐底破損調(diào)查[C]∥中國(guó)金屬學(xué)會(huì)煉鐵分會(huì)．2012年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議及煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集．無(wú)錫：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2012：32—37．

[2]   張壽榮．于仲潔．武鋼高爐長(zhǎng)壽技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2009：103—104．

[3]   鄒忠平，郭憲臻．高爐爐缸氣隙的危害及防治[J]．鋼鐵，2012．(6)：9—13．