馮曉軍

(山西中興鑄業(yè)集團有限公司）

摘要：筆者從一線高爐操作者的視角出發(fā)，結(jié)合近30年的高爐生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，從設計、施工、日常維護和操作幾個方面，對影響高爐長壽的部分因素進行分析。提出了鐵口冷卻壁水管熱流強度的科學計算方法、爐缸磚襯氣隙的判斷辦法及國內(nèi)爐缸死鐵層深度設計應該采用的經(jīng)驗數(shù)值。針對高爐的日常維護和爐役后期的操作，指出了需要注意的事項，以期引起大家的重視，避免在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生不必要的損失。

關鍵詞：長壽；熱流強度；氣隙；死鐵層深度

1  前言

高爐長壽可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)市場競爭力。雖然近年來我國煉鐵技術取得了長足的發(fā)展，高爐壽命大幅提高，但發(fā)展很不平衡，高爐長壽問題依然面臨很大的不確定性。今年就有兩座大型高爐（一座1800m³、一座3200m³）發(fā)生爐缸燒穿惡性事故。爐缸側(cè)壁炭磚溫度偏高、冷卻壁燒損，也時常困擾著高爐操作者。筆者近幾年有幸走訪了一些企業(yè)，發(fā)現(xiàn)了一些影響高爐長壽的因素，總結(jié)出來謹供大家參考。

2  冷卻比表面積的重要性

高爐內(nèi)部冶煉環(huán)境是高溫高壓，特別是高熱負荷區(qū)爐缸、爐腹、爐腰、爐身下部是高爐長壽的限制性環(huán)節(jié)。爐腹、爐腰、爐身下部采用了銅冷卻壁等先進的冷卻方式后，使用壽命大大延長。爐缸是高爐的重要組成部分，爐缸運行情況對于高爐的安全生產(chǎn)及長壽具有重要意義。爐缸長壽問題依然是重點和難點。

爐缸冷卻系統(tǒng)是保證爐缸安全生產(chǎn)的關鍵。合適的冷卻壁結(jié)構對爐缸的安全穩(wěn)定運行其及重要。西歐提出的冷卻壁設計原則是水管的比表面積大于冷卻壁受熱表面積。依據(jù)這一原則，冷卻比表面積成為衡量冷卻壁熱工效率的重要參數(shù)。冷卻壁比表面積是冷卻水管外周長與冷卻水管間距的比值。郭光勝等人基于ANSYS軟件，建立鑄鐵冷卻壁三維傳熱模型，分析了冷卻比表面積對冷卻壁傳熱的影響。結(jié)果表明：冷卻壁比表面積在0.5增加至1.1時對冷卻壁傳熱影響較大，比表面積在1.1以上時對冷卻壁傳熱影響較小。結(jié)合數(shù)值計算分析結(jié)果，建議將爐缸冷卻壁比表面積控制在1.1以上。^[1]

爐缸冷卻壁結(jié)構較多，冷卻能力差距較大。生產(chǎn)實踐證明爐缸冷卻比表面積小于1.0，對高爐爐缸長壽危害較大。鞍鋼新3號高爐（3200m³）冷卻比表面積0.604，寶鋼3號爐（4350m³）冷卻比表面積平均是1.29。兩座高爐爐缸炭磚是同一家生產(chǎn)的，爐缸結(jié)構幾乎一樣。鞍鋼新3號高爐比寶鋼3號高爐的利用系數(shù)還低大約0.1t/m³d,兩座高爐爐缸冷卻水量相差不大。鞍鋼新3號高爐在投產(chǎn)2年7個月發(fā)生了爐缸燒穿的惡性事故。寶鋼3號高爐一代爐齡19年。^[2]爐缸冷卻比表面積小，即使加大水量高爐也不會長壽。這有力的佐證爐缸冷卻比表面積對高爐爐缸安全運行的重要性。

3  鐵口冷卻壁水管熱流強度的計算方式

爐缸冷卻壁熱流強度是判斷爐缸是否安全運行的重要參數(shù)。國內(nèi)高爐現(xiàn)在使用較多的是某公司開發(fā)爐缸侵蝕模型，該模型計算鐵口冷卻壁水管熱流強度的方式，筆者認為值得商榷。

高爐冷卻壁熱流強度基于冷卻水參數(shù)計算的標準公式為：

q=c*mt/s

q:熱流強度   單位：kcal/m.h

c:水的比熱   單位：1kca/kg.℃

m:冷卻水量  單位：kg/h

s:冷卻面積   單位：m²

高爐鐵口冷卻壁為異形冷卻壁，冷卻壁內(nèi)幾根水管長度不一，如圖（一）所示。結(jié)合高爐鐵口工作狀況，高爐鐵口冷卻壁熱流強度計算時，必須要考慮鐵口孔道側(cè)受熱面的冷卻壁側(cè)面積。計算鐵口冷卻壁水管的冷卻強度時，冷卻面積應根據(jù)水管長度占鐵口冷卻壁水管總長度的百分比來分配鐵口冷卻壁受熱面面積。而某公司開發(fā)的爐缸侵蝕模型，計算鐵口冷卻壁水管熱流強度時，簡單的把鐵口冷卻壁熱面面積按管根數(shù)等分。兩者計算結(jié)果差別較大，會對爐缸安全狀況產(chǎn)生誤判，造成不必要的恐慌和損失。

圖1

4  爐缸內(nèi)襯氣隙的危害、判斷

高爐爐缸的傳熱結(jié)構是炭磚+炭素搗打料+鑄鐵冷卻壁+自流灌漿料+爐殼。高爐正常生產(chǎn)的過程中，爐缸傳熱結(jié)構受波動熱荷載、爐內(nèi)壓力的作用以及炭素搗打料的揮發(fā)和氣化，使炭素搗打料會出現(xiàn)龜裂和間隙?；旌蠚怏w就會進入后，爐缸傳熱熱阻增大，導致炭磚溫度異常升高，促使爐缸凝鐵層減薄甚至脫落，鐵水可能直接接觸炭磚，使爐缸磚襯承受爐缸鐵水環(huán)流的能力減弱,加速炭磚侵蝕。[3]爐缸內(nèi)襯氣隙形成后，混合氣體攜帶著要害元素氣體進入通道，加速對炭磚的劣化，使炭磚剝落。

氣隙影響爐缸傳熱效果，產(chǎn)生氣隙對爐缸炭磚危害很大，因此氣隙的判斷就顯得尤為重要。特別是爐缸炭碳磚正在發(fā)生侵蝕時，氣隙的判斷較為復雜，一定要綜合分析。

爐缸內(nèi)襯出現(xiàn)氣隙的征兆：

（1）同一支熱電偶上的兩個測溫點溫度同時升高但溫差變小。

（2）爐缸側(cè)壁炭磚溫度升高，對應位置的冷卻水管熱流強度降低或不變。

（3）休風后爐缸側(cè)壁炭磚溫度降低，對應位置的冷卻水管熱流強度升高。

（4）休風后爐缸側(cè)壁炭磚溫度快速升高或降低。

（5）爐缸熱流強度基于熱電偶溫度場的計算法得出的結(jié)果大于基于冷卻水參數(shù)計算方法的結(jié)果。

（6）打開爐缸熱電偶在爐殼上的密封蓋或爐缸灌漿孔安裝的閥門有氣體排出，點火后燃燒火焰很長。

冷卻壁和爐殼之間串煤氣的征兆：

爐缸側(cè)壁炭磚溫度基本穩(wěn)定，冷卻水管熱流強度和爐殼溫度升高。

5  爐腹角、風口長度對高爐長壽的影響

長期以來，國內(nèi)外高爐工作者對于爐腹角的認識，存在著很大的差異。小的爐腹角不足 70°，而大的爐腹角超過85°。這些差別很大的爐腹角并沒有造成冶煉行程的破壞。但是，將爐腹角維持在 74～78°之間對于冷卻設備的正常工作看來是有利的。[4]筆者發(fā)現(xiàn)，有一部分公司風口小套長度的選定沒有通過等效爐腹角（見圖二）來計算，而是幾家爐容相近的公司相互參考，來確定風口小套的長度。大型高爐等效爐腹角控制在71°到73°，中小型高爐等效爐腹角控制在73°到75°。在生產(chǎn)中不難發(fā)現(xiàn)，爐容相同或相近的高爐，爐腹角有時相差很大；高爐中套前端面有和風口砌磚平齊的，有在風口砌磚內(nèi)的；不同風口小套生產(chǎn)廠家，風口小套外沿長度也不相同；以上因素都會影響風口小套長度的選定。

圖2

不結(jié)合本高爐實際情況，盲目的參照，選定的風口長度很難合適。河北某公司三座1400m3高爐，爐腹角75.375°，風口小套長度（500mm）偏長。高爐爐況長期不順，幾乎半年要扒一次爐，然后重新開爐。扒爐前，爐缸大量打水，這對爐缸炭磚形成的異常破壞不容小覷。山西某座高爐中套前端面在風口砌磚內(nèi)40mm，風口小套偏短了100mm，導致爐缸不活，加劇爐缸鐵口方向的環(huán)流，開爐不到一年爐缸側(cè)壁炭磚溫度高達760℃。高爐長期偏行，爐襯侵蝕嚴重，危及高爐安全生產(chǎn)。

6  高爐設計和施工細節(jié)對長壽的影響

高爐操作人員的通病是重視高爐日常操作，輕視高爐的設計及建設。設計人員和施工人員長期不在生產(chǎn)一線，對一些設計和施工細節(jié)注意不到位，造成高爐裝備先天性不足，可能影響一代甚至幾代爐齡。

6.1死鐵層深度

高爐死鐵層深度的設計依據(jù)是：高爐出盡渣鐵時，料柱能浮起來。國內(nèi)經(jīng)驗值是選取爐缸直徑的20%到25%。

假設料柱是靜止，則存在以下的受力平衡：F=G-P-f

F:鐵水浮力

G：料柱重力

P:煤氣浮力

f：壁摩擦力

依據(jù)阿基米德定律，鐵水的浮力決定了爐缸死鐵層深度。^[5]分析上面公式可知，影響鐵水浮力的因素包含物料條件、高爐操作參數(shù)等。如果不結(jié)合高爐具體的生產(chǎn)情況，只套用經(jīng)驗公式，結(jié)果會失之偏頗。對于中、小高爐一般往往數(shù)值會偏大。爐缸死鐵層并不是越深越好，過度加深死鐵層，鐵水對爐缸炭磚的靜壓力增大，加劇炭磚熱應力，導致脆化侵蝕。同時不利于鐵口泥包維護和凝鐵層的形成。通過長期生產(chǎn)實踐，結(jié)合武鋼幾座高爐的死鐵層深度設計，建議國內(nèi)大中型高爐爐缸死鐵層深度可取爐缸直徑的18%到21%，巨型高爐取爐缸直徑的23%到25%。由于精料水平和操作理念不同，不可盲目模仿歐洲和日本的死鐵層深度經(jīng)驗值。

6.2  軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)

高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)的設計原則是：圓周分區(qū)冷卻，保證進水量均勻，配管方式是步步高一串到頂，同時保證各回路阻損基本一致。有不少公司在設計前期和設計院溝通時，提出高爐本體要分段冷卻，設置環(huán)管及旁通分水管，實際這種方式根本達不到預期的效果。爐墻結(jié)厚可通過氣流分布解決，水量調(diào)節(jié)的作用非常微弱。旁通總管與各冷卻支管的阻損相差非常大，一旦旁通開啟，冷卻水大量通過旁通，導致冷卻壁水量劇減，從而加速冷卻壁的破損。[6]更有甚者，部分設計院為順應業(yè)主要求，把爐缸、爐腹，爐腰分為一段，爐身分為一段，爐身旁通分水管上不設置閥門。完全違背了提出分段冷卻的目的。爐身下部為高熱負荷區(qū)，開爐兩年后爐身下部冷卻壁開始損壞。

水量分配不均，容易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，危及高爐長壽。山西某座高爐，設計和施工過程中出現(xiàn)水量分配不均的實例：

（1）圓周進、回水管道不分區(qū)。

（2）高爐本體分段冷卻會產(chǎn)生水量二次分配不均。

（3）進水環(huán)管不是圓形，而是由小段管道組成的八邊形。在環(huán)管拐角處進水量小。

6.3  冷卻壁的制造尺寸和安裝

爐缸冷卻強度不足，會加劇象腳狀侵蝕。爐缸冷卻壁邊緣位置冷卻能力要弱于其它部位。冷卻壁安裝時，要求“象腳”狀侵蝕嚴重區(qū)域?qū)世鋮s壁的中部。“象腳”狀侵蝕嚴重區(qū)域應避開上下兩層冷卻壁和同層左右兩塊冷卻壁交界處。圓周“象腳”狀侵蝕嚴重區(qū)域最好對應一整塊冷卻壁。如圖（三）所示。

圖3  

6.4  噴煤支管的安裝

高爐施工過程中，每個風口對應的噴煤支管長度相近，各噴煤支管管道阻損大致相同，各風口煤量就基本均勻。在個別高爐生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)：各風口噴煤支管管線長度與離分配器距離不同而不同。一般鐵口上方風口離分配器距離較遠，鐵口上方風口的煤量較少，鐵口方位焦炭燃燒的多，增加鐵口方位料面下降速度，高爐圓周氣流分配不均，軟熔帶位置高低不同，加快了鐵口方位爐襯的侵蝕速度。

6.5  風、水總管路的布局

熱風總管三岔口區(qū)域爐缸炭磚的侵蝕經(jīng)常容易被忽視。筆者曾工作過二十年的某公司1991m³高爐，在高爐大修破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：熱風總管三岔口區(qū)域和熱風總管三岔口對面區(qū)域，比鐵口附近爐缸炭磚侵蝕還嚴重。這座高爐熱風總管垂直熱風圍管，送風系統(tǒng)結(jié)構設計不存在進風偏析。熱風總管三岔口爐缸炭磚侵蝕嚴重，可能和高爐加減風、加減氧、休送風、停送煤及熱風爐換爐風壓波動，引起熱風總管三岔口區(qū)域渦流頻繁波動有關。熱風總管三岔口對面方位爐缸炭磚侵蝕嚴重是熱風總管三岔口爐缸炭磚熱電偶溫度升高，長期堵熱風總管三岔口方位風口造成的。

高爐設計時，風、水總管三岔口布局一定要科學合理。避免高熱流強度對應低冷卻強度現(xiàn)象的出現(xiàn)。^[7]熱風總管三岔口、冷卻水進水總管三岔口、鐵口，三者所在的位置要錯開，以防進水環(huán)管入口水量偏析與熱風總管三岔口及鐵口區(qū)域產(chǎn)生的渦流重疊在一起。

高爐設計和施工對高爐長壽的影響，教授級高工湯清華已做了深入細致的研究。在此就不再贅述。

7  高爐日常維護和后期高爐操作的注意事項

7.1  及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯的氣隙，采用熱壓漿的方法和定期排水、排汽泄壓加以處理，這是爐缸日常維護的重要內(nèi)容。

部分高爐操作人員，爐缸側(cè)壁炭磚溫度升高，只要判定是氣隙造成的，就報一種無所謂的態(tài)度，其實后期爐缸側(cè)壁炭磚溫度突然升高的位置，往往是產(chǎn)生氣隙處理不及時的方位。爐缸炭素搗打料施工難度較大，質(zhì)量又參次不齊，在高爐生產(chǎn)過程中很容易形成氣隙。新開的高爐最好在烘爐結(jié)束或正常生產(chǎn)3到6個月進行一次熱面壓漿，然后定期對爐缸進行維護。某座2500m3高爐烘爐結(jié)束后一次性熱面壓入30t壓漿料，說明爐缸內(nèi)襯氣隙非常嚴重。

熱面壓漿料材質(zhì)最好選用石墨，盡量不要選用碳化硅。石墨不論是導熱性能還是流動性均優(yōu)于碳化硅。炭素搗打料的工作溫度是100℃左右，熱面壓漿料在100℃左右一定要具有良好的導熱性和流動性。殘余炭磚厚度小于500mm時，不建議熱面壓漿，壓漿有可能造成磚襯整體變形，立即發(fā)生爐缸燒穿事故。

7.2  高爐進入爐役后期和爐缸安全判定標準

高爐進入爐役后期和生產(chǎn)的年限無關，國際通用標準是爐缸炭磚殘余厚度小于500mm。不同的設計院設計的爐缸熱電偶插入的深度不同，因此判定爐缸安全不能簡單用爐缸熱電偶溫度類比，采用爐缸冷卻強度和炭磚殘余厚度相對科學。高爐的操作經(jīng)驗表明，冷卻壁的熱流強度＜10000w/m²屬正常操作水平。當熱流強度＞10000w/m²時的冷卻強度時必須發(fā)出報警信號。當熱流強度達到13956w/m²（12000kcal/m²·h）時，此時應該發(fā)出紅色報警。當熱流強度一旦達20840～22093w/m²（18000～19000kcal/m²·h），可以認為爐缸工作已經(jīng)達到臨界工作狀態(tài)。熱流強度將急劇上升，達到67500～70000w/m²，爐缸燒穿將是難于避免了。影響爐缸安全判定因素較多，判斷難度較大。國內(nèi)一般規(guī)定爐缸炭磚殘余厚度小于300mm必須停爐。

7.3  后期高爐操作的注意事項

高爐進入爐役后期就必須及時采取措施，減緩爐缸炭磚的侵蝕，防止爐缸燒穿。其中最有效的方法是改善原燃料質(zhì)量、控制入爐有害元素、提高死料柱透氣透液性、活躍爐缸、加強鐵口維護、控制冶煉強度和加釩鈦礦護爐。

7.3.1把爐缸炭磚熱電偶溫度高的位置上方的風口加長或斜度變小甚至堵上，這只是簡單的輔助措施，起不了很大作用。^[8]縮小爐缸炭磚熱電偶溫度高的位置上方的風口，傳統(tǒng)觀念認為會增加鼓風動能，減少鐵水環(huán)流。其實縮小個別風口會降低鼓風動能，結(jié)果適得其反。

7.3.2加釩鈦礦護爐條件下休風涼爐，效果非常明顯。單純的休風涼爐，不同時采取別的措施，停風后熱電偶溫度和熱流強度會下降，送上風又會逐步恢復到原狀。

7.3.3提高冷卻強度實際上作用非常微弱，特別是冷卻水管水速大于2.5m/s以后。之所以提高冷卻強度的作用被夸大，是因為在提高冷卻強度的同時采取了其它措施。

7.3.4爐缸側(cè)壁炭磚熱電偶溫度高堵風口時，盡量對稱堵風口，不連續(xù)堵風口。長時間只堵溫度高方位的風口會加速對面爐缸炭磚的侵蝕，使對面方位炭磚熱電偶溫度也很快升高，同時會使料面偏行。

7.3.5爐役后期縮小風口面積有利于中心氣流發(fā)展，但不是無限制的，必須要與一定的冶煉強度相匹配，過分的縮小風口面積中心氣流反而會下降，^[9]爐缸鐵水環(huán)流會加劇。

7.3.6爐役后期過分加重邊緣，會使邊緣氣流不暢，煤氣流會流向側(cè)壁溫度高的薄弱處，不利于側(cè)壁溫度降低。

7.3.7降低生鐵含硅量，有利于降低燃料比。生鐵含硅小于0.3%為超低硅冶煉。超低硅冶煉時鐵水含碳不飽和，鐵水溶解凝鐵層中的石墨，不利于凝鐵層的形成和穩(wěn)定。鐵水直接和炭磚接觸產(chǎn)生溶蝕。煉鋼鐵一般含碳5%左右，福建某高爐生鐵含碳高達8.5%，不排除生鐵含硅過低鐵水直接和炭磚接觸的可能。

                               福建某高爐生鐵成份（%）

8  結(jié)語

高爐長壽是一個系統(tǒng)工程，涉及設計、施工、操作及日常維護等多方面。高爐壽命長短是各種因素交織在一起形成的最終結(jié)果。筆者從一線高爐操作者的視角出發(fā)，對影響高爐長壽的部分因素進行分析，提高死料柱透氣、透液性是生產(chǎn)中高爐爐缸長壽的關鍵。目前高爐出鐵過程中，鐵水溫度對鐵口附近熱電偶溫度的影響幅度還不完全清楚，尚需各位專家建模研究。

參考文獻

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[6] 潘釗彬.秦涔.方明新.現(xiàn)代高爐本體設計理念探討.  

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[8] 劉云彩 杜絕高爐爐缸燒穿.

[9] 朱仁良  寶鋼大型高爐操作與管理.