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，目前的侵蝕理論及業(yè)界總結(jié)的侵蝕因素難以完整詮釋這種狀況。隱形水由高爐風(fēng)口串煤氣產(chǎn)生，伴隨高爐生產(chǎn)全過(guò)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。

關(guān)鍵詞：隱形水  高爐  爐缸  象腳侵蝕  

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(guò)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?gòu)奶看u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(guò)飽和冷凝水伴隨高爐生產(chǎn)的全過(guò)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. 水造成炭磚侵蝕的化學(xué)機(jī)理

水侵蝕高爐爐缸炭磚是典型的水煤氣反應(yīng)過(guò)程：水受熱變成水蒸汽，遇到高溫的炭磚，發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生成CO和H₂。

C ＋ H₂O  CO ＋ H₂

水煤氣反應(yīng)的溫度條件為980K（707℃），在此溫度條件下水以蒸汽形態(tài)參與反應(yīng)。

壓力升高，反應(yīng)所需的溫度條件也升高。根據(jù)高爐的運(yùn)行壓力，水侵蝕炭磚的溫度條件約為715℃。

爐缸炭磚熱面持續(xù)保持高溫，遇到自冷面進(jìn)入的水蒸汽必然發(fā)生水煤氣反應(yīng)，爐缸炭磚氣化、粉化甚至消失。

如果少量熾熱的炭磚遇到大量的液態(tài)水而迅速冷卻，水煤氣反應(yīng)也將迅速終止，炭磚也不會(huì)繼續(xù)發(fā)生侵蝕。這也是炭磚制造廠家利用水進(jìn)行炭磚冷卻的原理。

2. 隱形水的來(lái)源及產(chǎn)量

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(guò)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。

冷卻設(shè)備的滲漏水是局部的、偶發(fā)的，通過(guò)加強(qiáng)設(shè)備管理可以消除，本文不做詳細(xì)討論。

高爐鼓風(fēng)從大氣環(huán)境中帶入水蒸汽；噴煤帶入的水分在爐內(nèi)氣化為水蒸汽；噴煤中的氫組分燃燒轉(zhuǎn)化為水蒸汽。這三部分水蒸汽是風(fēng)口區(qū)域煤氣中水蒸汽的主要來(lái)源。風(fēng)口漏水也產(chǎn)生水蒸汽，但屬于間歇、偶發(fā)來(lái)源，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提高該風(fēng)口區(qū)域煤氣的含濕量。高爐頂部裝料、頂部打水、上部冷卻設(shè)備漏水等因素也會(huì)使高爐上部煤氣濕度提高，但鑒于煤氣向上流動(dòng)和水蒸汽密度較小，這些水分對(duì)風(fēng)口區(qū)域煤氣含濕量的影響非常有限。

高爐中部焦炭大量過(guò)剩，溫度較高，沒(méi)有氧氣來(lái)源，呈現(xiàn)強(qiáng)還原性氣氛。水蒸汽將被還原為CO 和 H₂。高爐中部串出煤氣的測(cè)試結(jié)果也顯示，其含濕量極低，幾乎為零。

爐缸下部沉積的隱形水主要來(lái)自風(fēng)口區(qū)域串出的煤氣 。高爐鼓風(fēng)從大氣環(huán)境中帶入一部分水蒸汽；噴煤燃燒產(chǎn)生大量的水蒸汽，大大提高了風(fēng)口煤氣的含濕量。在風(fēng)口高溫狀態(tài)下，風(fēng)口熱煤氣呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)，但當(dāng)串出的煤氣到達(dá)炭磚冷面至爐殼內(nèi)壁之間的低溫區(qū)域時(shí)，在低溫及壓力（該區(qū)域的氣壓略低于高爐鼓風(fēng)壓力）的雙重作用下，將達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生過(guò)飽和冷凝水。

高爐生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)口區(qū)域串煤氣無(wú)法根治，因此隱形水的產(chǎn)生也將伴隨高爐生產(chǎn)的全過(guò)程。這部分隱形水必將沉積到爐缸下部區(qū)域，如果無(wú)法將這些隱形水排放到爐外，那么這些隱形水只能有一條出路，就是從炭磚冷面滲透到炭磚熱面，高溫條件下氣化并與熱面炭磚發(fā)生水煤氣反應(yīng)，從而對(duì)炭磚造成侵蝕。

2.1風(fēng)口氣氛

高爐風(fēng)口氣氛決定了鼓風(fēng)帶入的水蒸汽是否能夠繼續(xù)存在，也決定了噴煤裂解產(chǎn)生的H₂ 是否轉(zhuǎn)化為水蒸汽。

如果風(fēng)口區(qū)域呈現(xiàn)氧化性氣氛，那么鼓風(fēng)帶入的水蒸汽能夠繼續(xù)存在，噴煤裂解產(chǎn)生的H₂ 將轉(zhuǎn)化為水蒸汽，風(fēng)口區(qū)域煤氣的含濕量將保持較高水平。

如果風(fēng)口區(qū)域呈現(xiàn)缺氧的還原性氣氛，那么鼓風(fēng)帶入的水蒸汽無(wú)法繼續(xù)存在，而是被C還原成CO 和 H₂。 噴煤裂解產(chǎn)生的H₂ 也不會(huì)轉(zhuǎn)化為水蒸汽。風(fēng)口區(qū)域煤氣的含濕量將非常低。

風(fēng)口區(qū)域有連續(xù)不斷的新風(fēng)鼓入，在較大的空間內(nèi)進(jìn)行大負(fù)荷燃燒，以提供高爐冶煉所需要的熱量。風(fēng)口區(qū)域雖然有煤粉和塊狀焦炭，但鑒于這兩種固態(tài)燃料自身的特性，燃燒只在燃料顆粒的表面進(jìn)行。焦炭和煤粉的燃燒速度較慢，而高爐鼓風(fēng)的流速極快，因此在燃料顆粒之間充滿了富裕的O₂ 。

風(fēng)口是助燃空氣進(jìn)入高爐的始發(fā)端，含氧量最高。高爐鼓風(fēng)壓力大，流速高，風(fēng)口區(qū)域存在空氣的射流及回流，因此風(fēng)口四周的含氧量都較高。

雖然高爐內(nèi)部大部分部位是還原性氣氛，但風(fēng)口區(qū)域及燃燒帶必然是氧化性氣氛。否則燃燒將無(wú)法繼續(xù)，高爐冶煉也無(wú)法進(jìn)行。

實(shí)際測(cè)定風(fēng)口煤氣成分如圖一^[9]，也證實(shí)風(fēng)口區(qū)域呈現(xiàn)氧化性氣氛。因此風(fēng)口區(qū)域空氣帶入的水蒸汽能夠存在，噴煤將產(chǎn)生更多的水蒸汽。

圖1 沿風(fēng)口中心線燃燒帶內(nèi)氣相成分的變化

通過(guò)檢測(cè)風(fēng)口以下壓漿孔串出煤氣中CO₂及H₂的濃度，也可以粗略判斷風(fēng)口區(qū)域是否為氧化性。如果CO₂濃度較高，H₂濃度較低，則可以判定爐內(nèi)呈現(xiàn)氧化性。反之，如果CO₂濃度較低，H₂濃度較高，則可以判定爐內(nèi)呈現(xiàn)還原性。

2.2鼓風(fēng)帶入的水蒸汽量

大氣環(huán)境的含濕量是變化的。大部分地區(qū)夏秋季節(jié)空氣濕度大，含濕量高。

不同高爐的運(yùn)行參數(shù)有差異，在此我們?nèi)」娘L(fēng)壓力0.35MPa（表壓），噸鐵耗風(fēng)1200m³/t，煤比150kg/t。

空氣在不同溫度、不同壓力下的飽和含濕量見(jiàn)表1：

                  表1   空氣飽和含濕量表   

（表中壓力為絕對(duì)壓力）     含濕量單位：g(水）/ kg(空氣)  

取夏秋季節(jié)平均環(huán)境溫度25℃，平均濕度70%，空氣密度1.29 kg/m³，噸鐵鼓風(fēng)帶入的水蒸汽量為：

1200×1.29×20.36×70%﹦22062（g/t）

2.3噴煤產(chǎn)生的水蒸汽量

噴煤產(chǎn)生的水蒸汽由物理水及燃燒生成的化學(xué)水兩部分構(gòu)成。

煤粉的含水量約1.5%，氫含量約3%。煤比取150kg/t。

煤粉帶入的物理水量（噸鐵）為：150×1.5%×1000﹦2250（g/t）

煤粉中的氫裂解、燃燒以后轉(zhuǎn)化為水蒸汽，氫與水的質(zhì)量比為1:9。

噴煤產(chǎn)生的化學(xué)水量（噸鐵）為：150×（1-1.5%）×3%×1000×9 =39893（g/t）

2.4風(fēng)口煤氣含濕量

從風(fēng)口鼓入的空氣，其中的氮?dú)獠粎⑴c化學(xué)反應(yīng)，只有氧氣助燃后生成CO₂和CO。1kg空氣將生成1.08~1.15kg的風(fēng)口煤氣，風(fēng)口煤氣的密度約為1.40kg/m³。

根據(jù)2.2及2.3兩項(xiàng)的計(jì)算，噸鐵對(duì)應(yīng)的水蒸汽量為：

22062+2250+39893 = 64205（g/t）。

噸鐵耗風(fēng)量1200m³,生成的風(fēng)口煤氣約為：

1200×1.29×1.15 = 1780（kg/t）

風(fēng)口熱煤氣的絕對(duì)含濕量為：64205÷1780 = 36.1（g水/kg風(fēng)口煤氣）。

其中噴煤產(chǎn)生的水蒸汽量比較穩(wěn)定，保持在23.7g（水）/ kg（風(fēng)口煤氣）左右，高爐鼓風(fēng)帶入的水蒸汽量隨大氣環(huán)境中空氣濕度的變化而波動(dòng)。

2.5風(fēng)口串煤氣產(chǎn)生的冷凝水量

由于結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件的影響，高爐風(fēng)口串氣無(wú)法避免，并將伴隨高爐生產(chǎn)的全過(guò)程持續(xù)保持。風(fēng)口串氣的流動(dòng)方向最明顯的是流向鐵口排出，也可能沿冷卻壁前后的氣隙向上流動(dòng)。風(fēng)口串出的煤氣只要到達(dá)冷卻壁附近的低溫區(qū)域，將持續(xù)產(chǎn)生過(guò)飽和冷凝水。

目前尚沒(méi)有精確的高爐煤氣飽和含濕量數(shù)據(jù)，但鑒于風(fēng)口煤氣與空氣的分子量比較接近，可以參考空氣的飽和含濕量數(shù)據(jù)進(jìn)行類比、估算。

高爐風(fēng)口及爐缸區(qū)域冷卻水的溫度約保持在35℃左右，高爐鼓風(fēng)壓力約0.35MPa（表壓），實(shí)測(cè)爐缸區(qū)域串煤氣的壓力約0.25MPa（表壓，絕對(duì)壓力應(yīng)為0.35MPa）。根據(jù)表一的數(shù)據(jù)，這種溫度及壓力狀況下空氣的飽和含濕量約為8.0 g(水）/ kg(空氣)。鑒于風(fēng)口煤氣密度稍大，風(fēng)口煤氣在35℃、0.35MPa（絕對(duì)壓力）的飽和含濕量約為7.8 g(水）/ kg(風(fēng)口煤氣)。

根據(jù)2.4的計(jì)算數(shù)據(jù)，風(fēng)口熱煤氣的絕對(duì)含濕量為36.1g（水）/ kg（風(fēng)口煤氣）。其組成部分中噴煤產(chǎn)生的水蒸汽量穩(wěn)定在23.7g（水）/ kg（風(fēng)口煤氣）左右。

以上含濕量數(shù)據(jù)均基于質(zhì)量單位，因此可以不考慮溫度變化及體積變化的影響。顯然，風(fēng)口煤氣（高溫狀況）的含濕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在35℃、0.25MPa（表壓）時(shí)的飽和含濕量。因此，風(fēng)口煤氣流動(dòng)到冷卻壁前后的低溫區(qū)域時(shí)，必然產(chǎn)生過(guò)飽和冷凝水。僅僅噴煤產(chǎn)生的水蒸汽就可以產(chǎn)生持續(xù)不斷的隱形水，空氣帶入的水蒸汽使隱形水產(chǎn)量更大。空氣濕度越高，隱形水量越大。

高爐風(fēng)口串煤氣情況普遍存在，且無(wú)法根治。串氣情況越嚴(yán)重，產(chǎn)生的隱形水量越大，對(duì)爐缸下部的侵蝕越厲害。對(duì)于串氣情況稍輕的高爐，估算隱形水產(chǎn)量如下：

風(fēng)口熱煤氣的含濕量36.1g（水）/ kg（風(fēng)口煤氣）；風(fēng)口煤氣在35℃、0.35MPa（表壓）的飽和含濕量約為7.8 g(水）/ kg(風(fēng)口煤氣)；風(fēng)口煤氣密度1.40kg/m³。假定風(fēng)口串煤氣總量為3m³/分鐘，每天產(chǎn)生的隱形水量為：

3×1.40×（36.1－7.8）×24×60 = 171159（g）≈ 171 kg

據(jù)此推算，高爐每年生產(chǎn)330天，將產(chǎn)生約56噸的隱形水。這些隱形水將氣化掉約37.5噸的炭磚。

如果串氣情況嚴(yán)重，產(chǎn)生的隱形水量將更大，也將侵蝕掉更多的炭磚。

隱形水對(duì)高爐爐缸下部炭磚的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出業(yè)界目前的認(rèn)知程度。

3. 隱形水造成象腳侵蝕的過(guò)程

3.1隱形水造成象腳侵蝕過(guò)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炭磚內(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炭磚內(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(guò)程示意：

風(fēng)口串煤氣 → 爐殼內(nèi)壁產(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。

3.2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。保護(hù)層破壞后，鐵水短時(shí)間內(nèi)直接面對(duì)炭磚熱面，產(chǎn)生熔蝕、滲鐵、沖刷，直到形成新的凝鐵保護(hù)層，然后進(jìn)入下一個(gè)侵蝕、破壞周期。

3.2．1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(guò)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(guò)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。

3.2．2隱形水侵蝕對(duì)凝鐵層的破壞具有隱蔽性

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(guò)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(guò)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(guò)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、軟化外推及漂浮。

如果凝鐵層僅僅出現(xiàn)裂縫而沒(méi)有漂浮，鐵水將通過(guò)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(guò)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(méi)有明顯變化，高爐操作者無(wú)法感知發(fā)生的侵蝕過(guò)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(wú)法選擇和控制。高爐實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(wú)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(wú)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。

4． 隱形水侵蝕機(jī)理對(duì)一些侵蝕狀況的解釋

4.1為什么爐缸下部工況好而侵蝕速度更快

    綜合對(duì)比爐缸側(cè)壁的影響因素，象腳區(qū)的工況條件好于爐缸中部（鐵口段）的工況條件，但象腳區(qū)的侵蝕速度更快^[10]。這是因?yàn)殡[形水持續(xù)不斷向爐缸下部沉積并侵蝕象腳區(qū)炭磚。由于隱形水流量不大，來(lái)水能夠被象腳區(qū)完全消耗，因此水位穩(wěn)定在象腳區(qū)而不再上升，從而只對(duì)象腳區(qū)產(chǎn)生持續(xù)不斷的侵蝕。

4.2為什么鐵口下部區(qū)域更容易燒穿

    由于頻繁的開鐵口、堵鐵口，強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)使鐵口附近區(qū)域產(chǎn)生更多氣隙；鐵口也是串煤氣的逸出口。鐵口區(qū)域串煤氣情況更嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的冷凝水；眾多的氣隙也使得冷凝水更容易沉積到鐵口下部區(qū)域。因此鐵口下部的侵蝕更快，也更容易燒穿。

4.3冶煉強(qiáng)度與爐缸壽命的關(guān)聯(lián)性

長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，隨著冶煉強(qiáng)度的提高，爐缸炭磚的侵蝕速度明顯加快，使用壽命顯著縮短。業(yè)界目前將其歸咎于冶煉強(qiáng)度提高，出鐵量增加，更多的鐵水沖刷造成炭磚侵蝕加快。

凝鐵層的破壞是間歇性的，在大部分時(shí)間內(nèi)，凝鐵層是連續(xù)存在的。即使冶煉強(qiáng)度提高，出鐵量增加，鐵水也不會(huì)隔著凝鐵層對(duì)炭磚熱面產(chǎn)生更多的沖刷。

提高冶煉強(qiáng)度時(shí)，鼓風(fēng)壓力提升，串煤氣情況隨之加劇，單位時(shí)間內(nèi)串出更多的煤氣。壓力升高使得單位質(zhì)量熱煤氣降溫后，產(chǎn)生更多的過(guò)飽和冷凝水。因此，隨著冶煉強(qiáng)度的提高，隱形水的產(chǎn)出量明顯增加。這就必然加快象腳區(qū)的侵蝕速度，縮短爐缸的使用壽命。

有一點(diǎn)令業(yè)界普遍迷惑不解，隨著耐材性能及質(zhì)量的提高，卻出現(xiàn)了高爐爐缸壽命縮短的反常局面，目前業(yè)界將此歸咎于冶煉強(qiáng)度的大幅提升、施工搶工期、高爐過(guò)早快速達(dá)產(chǎn)等。其實(shí)自上世紀(jì)末開始噴煤量的大幅提升使隱形水的產(chǎn)量成倍增加，也是造成這種局面的重要因素。

4.4爐缸側(cè)壁溫度的周期性大幅波動(dòng)

眾多高爐出現(xiàn)側(cè)壁溫度周期性大幅波動(dòng)現(xiàn)象，在沒(méi)有采取其他護(hù)爐措施的情況下，側(cè)壁溫度能夠自發(fā)恢復(fù)到前期正常水平。具體表現(xiàn)如圖二所示。其過(guò)程可以描述為：

較長(zhǎng)的溫度穩(wěn)定期 → 溫度驟升期 → 短暫的高溫期 → 平滑降溫期 → 下個(gè)溫度穩(wěn)定期。

                  圖2   爐缸側(cè)壁溫度周期性波動(dòng)示意圖

爐缸側(cè)壁溫度周期性大幅升高并能夠自行降低復(fù)原表明：

    炭磚熱面能夠自發(fā)形成新的保護(hù)層（表現(xiàn)為側(cè)壁溫度能夠自發(fā)降低復(fù)原）；

    冷卻系統(tǒng)是有效的（表現(xiàn)為能夠自發(fā)形成新的保護(hù)層）；

    傳熱系統(tǒng)是可靠的（表現(xiàn)為能夠自發(fā)形成新的保護(hù)層）；

    即使具備有效的冷卻、可靠的傳熱，也有新生成的保護(hù)層隔離鐵水和炭磚，但炭磚仍然繼續(xù)發(fā)生侵蝕，并進(jìn)入下一個(gè)侵蝕及波動(dòng)周期。顯然強(qiáng)化冷卻無(wú)法根治象腳侵蝕。

這種爐缸側(cè)壁溫度周期性大幅升高并能夠自行降低復(fù)原的情況是隱形水侵蝕過(guò)程的典型表現(xiàn)。這種狀況是由于該部位的凝鐵層周期性以漂浮的形式遭到破壞。凝鐵層漂浮后，鐵水直接面對(duì)炭磚，側(cè)壁溫度急劇上升；由于冷卻及傳熱系統(tǒng)有效，炭磚熱面逐步形成新的凝鐵層，側(cè)壁溫度逐漸下降、復(fù)原；雖然側(cè)壁溫度保持穩(wěn)定，但隱形水的侵蝕仍在持續(xù)；當(dāng)凝鐵層減薄到一定程度時(shí)，再次漂浮，側(cè)壁溫度又一次急劇升高；然后進(jìn)入到下一個(gè)凝鐵層的修復(fù)、侵蝕周期。

4.5無(wú)征兆燒穿是隱形水侵蝕的正常表現(xiàn)形式

象腳區(qū)凝鐵層的破壞形式（裂縫、軟化或者漂浮）受多種因素的影響，無(wú)法選擇和控制。燒穿部位的侵蝕較快，但爐役前期、中期如果該部位凝鐵層破壞均屬于裂縫、軟化外推（不漂?。┬问?，業(yè)界依賴的側(cè)壁溫度、熱流強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)將完全正常，那么高爐操作者就很難發(fā)現(xiàn)侵蝕狀況。如果該部位殘?zhí)亢穸群苄?，即使冷卻、傳熱系統(tǒng)正常，一旦出現(xiàn)凝鐵層漂浮性破壞，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(wú)法形成凝鐵層。如果休風(fēng)停爐不夠及時(shí)，就會(huì)發(fā)生爐缸燒穿事故。而燒穿前該部位的側(cè)壁溫度、熱流強(qiáng)度并無(wú)異常，屬于無(wú)征兆燒穿。

5． 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，減少隱形水的來(lái)源；

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． 結(jié)語(yǔ)

6.1 高爐風(fēng)口煤氣呈現(xiàn)氧化性氣氛。在風(fēng)口區(qū)域，高爐鼓風(fēng)帶入的水蒸汽能夠繼續(xù)存在；高爐噴煤將產(chǎn)生更多的水蒸汽；風(fēng)口煤氣的含濕量較高。

6.2 隱形水伴隨高爐生產(chǎn)的全過(guò)程持續(xù)產(chǎn)生；隱形水獨(dú)特作用于爐缸象腳區(qū)炭磚，產(chǎn)生持續(xù)不斷的侵蝕，是象腳侵蝕的重要因素；提高冶煉強(qiáng)度、增加煤比使隱形水產(chǎn)量大幅度提高，加劇了象腳侵蝕的速度。

6.3 隱形水是在爐缸保護(hù)層完好的情況下侵蝕炭磚的，側(cè)壁溫度、熱流強(qiáng)度等參數(shù)表現(xiàn)正常，侵蝕具有較強(qiáng)的隱蔽性，因此高爐容易發(fā)生無(wú)征兆燒穿。

6.4 新建、大修的高爐應(yīng)該從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考慮采取防治隱形水侵蝕的技術(shù)措施。

6.5 對(duì)于在用高爐，宜及早采取防治隱形水侵蝕的措施，確保保護(hù)層的穩(wěn)定存在。特別是新投產(chǎn)的有砌筑陶瓷杯的高爐，抑制隱形水的侵蝕，將避免象腳區(qū)陶瓷杯的坍塌、漂浮，大大延長(zhǎng)陶瓷杯的壽命。對(duì)于爐役中后期的高爐，盡早采取措施，抑制隱形水的侵蝕，將避免凝鐵保護(hù)層的周期性破壞，大大延長(zhǎng)爐缸炭磚的使用壽命。

6.6 只有確保良好的冷卻效果，同時(shí)必須對(duì)隱形水侵蝕進(jìn)行有效的抑制，才能實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽。

6.7 象腳侵蝕的影響因素眾多，就目前的裝備、原燃料及操作狀況而言，許多高爐象腳侵蝕的主要原因是隱形水侵蝕，但缺乏必要的防水設(shè)計(jì)及防治措施。隱形水侵蝕是目前爐缸下部侵蝕防治的主要短板。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒中平  郭憲臻  高爐爐缸氣隙的危害及防治  鋼鐵  2012.06   P9-13

[2]湯清華  關(guān)于延長(zhǎng)高爐爐缸壽命的若干問(wèn)題  煉鐵 2014.10  P7-11

[3]黃曉煜  孫金鐸  高爐爐缸破損的原因與控制   2014全國(guó)煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集 P916-921

[4]張壽榮  于仲杰  《武鋼高爐長(zhǎng)壽技術(shù)》

[5]張壽榮  高爐長(zhǎng)壽技技術(shù)展望  煉鐵  2009.08  P1-5

[6]項(xiàng)鐘庸  國(guó)外高爐爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)研究  中國(guó)冶金  2013.07  P1-10

[7]張福明  程樹森  《現(xiàn)代高爐長(zhǎng)壽技術(shù)》

[8]王筱留  2004-《鋼鐵冶金學(xué) 煉鐵部分 （第二版）》

[9]姜  華  蔡九菊  在役高爐爐缸狀態(tài)的辨析、診斷與維護(hù)  中國(guó)冶金  2015.11  P33-39

[10]吳強(qiáng)國(guó)  另一種視角探索象腳侵蝕的成因   第2屆全國(guó)高爐長(zhǎng)壽及高風(fēng)溫技術(shù)研討會(huì)論文集P79-104

[11]吳強(qiáng)國(guó)  高爐爐缸象腳侵蝕成因的再思考   2016年全國(guó)高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)論文集P59-62。