高爐爐缸長壽現狀分析與技術研究

孫小東，何海熙，趙 寬，徐 燦，張大偉

(1.中冶賽迪信息技術(重慶)有限公司，重慶 401122；2.重慶電力高等專科學校，重慶 400053)

高爐煉鐵是鋼鐵工業全流程的源頭，裝滿礦石原料的爐身內部呈高溫、高壓狀態，爐缸里充滿的高溫熔融液態鐵水和爐渣，溫度高達1 500 ℃左右，氣體壓力超過300 kPa，因此，爐缸是高爐冶煉過程中最容易破損的區域，爐缸燒穿等事故嚴重影響高爐的生產作業率和長壽成本。

高爐爐缸長壽是一項具有綜合性技術特點的系統工程，高爐爐缸壽命與爐型設計、耐材質量、施工安裝、操作冶煉等多種因素都存在較大的影響。

1 爐缸長壽現狀

隨著世界高爐煉鐵生產技術的進步，目前我國高爐長壽技術也得到了長足的進步，高爐壽命也隨之大幅度地延長，部分達到10～15年，甚至更長的壽命，為鋼鐵工業的高質量發展做出了巨大的貢獻，但是我國高爐的長壽和先進國家相比，尚有一定的差距。

1.1 爐缸長壽案例

世界上的爐缸長壽示范案例較多，本文以巴西圖巴朗鋼廠1號高爐和我國的寶鋼3號高爐為例，圖巴朗鋼廠1號高爐一代爐役壽命為28.4年，屬于目前全球范圍內長壽高爐的典范。我國的寶鋼3號高爐一代爐役壽命為19年，且其高效的生產效率，代表了我國高爐長壽的最高水平(見表1)。

表1 爐缸長壽案例表

1.2 爐缸事故案例

爐缸事故是最嚴重的高爐生產事故之一，不僅有可能造成生產人員傷亡，還會給鋼廠帶來較大的經濟損失，甚至有可能會終止高爐一代爐役，給鋼鐵企業帶來不可估量的損失。

表2列出了近10年來我國發生爐缸事故的部分1 000級以上高爐。

續表

由表2可以看出，高爐爐缸破損位置和服役時間都不同，但是共同點是服役時間都比較短，大部分沒超過4年，給鋼鐵企業的安全和成本帶來了巨大的損失，同時帶來了惡劣的社會影響。爐缸破損主要原因在于爐缸自身的冷卻能力不足、爐缸自身的耐材設計不合理、入爐原料有害元素富積、爐缸熱電偶溫度點配置過少導致技術人員無法準確判斷爐缸侵蝕狀況等。

2 爐缸長壽技術

爐缸長壽技術貫穿高爐的全生命周期，主要包括爐缸的設計技術、爐缸耐材的選擇、施工與安裝質量、原燃料條件和操作模式、智能化監測與分析系統等。

2.1 爐缸設計技術

爐缸設計的理論基礎是在高爐爐缸內部建立均衡的傳熱體系，有效的協調冷卻能力和耐材結構，同時對爐缸侵蝕進行智能化的預測與分析，從而既實現較高的冶煉強度，又實現爐缸的長壽健康。

1)冷卻能力

在爐缸內部，高溫鐵水的熱量經過耐火材料(陶瓷杯、碳磚、搗打料等，見圖1)和冷卻壁進行傳輸，最終由冷卻水帶走，有學者認為“冷卻水是高爐最好的耐火材料”，因此，足夠的冷卻能力設計是實現爐缸部位長壽的有效途徑，若冷卻能力不足，將嚴重影響爐缸壽命，國內外都存在可觀的因冷卻能力不足導致的爐缸事故經驗，所以應充分保障冷卻系統的平衡能力，以達到保護爐缸耐材的目的。

2)爐缸結構

鐵水的高溫高壓特性對爐缸形成很強的靜壓力，本身就需要對爐缸結構進行抗強壓設計。此外，由于分布在各個方向的鐵口會循環間隔出鐵，引起的鐵水環流會對爐缸和爐底產生較強的侵蝕，因此，合適的爐缸死鐵層深度可以有效地保護鐵水環流帶來的侵蝕，如果死鐵層過深，鐵水形成的靜壓力就會過大，就會對爐缸和爐底形成較大的剪切應力，產生不利的侵蝕影響。在生產過程中，死鐵層深度與原燃料和操作條件都存在理論上的強相關性，因此，在設計階段，應針對原燃料和操作條件，對爐缸結構進行設計才能取得良好的長壽效果。

2.2 爐缸耐火材料

爐缸和爐底部位的耐材配置決定高爐一代爐役，一般主要包括陶瓷杯、炭磚、碳素搗打料等。

陶瓷杯的損壞原因一方面是鐵水侵蝕，另外一方面是堿金屬、鋅等有害元素與耐火磚發生化學反應，沿著氣孔或裂紋方向進行滲透，破壞了陶瓷材料的理化性能，導致陶瓷杯破損，因此，陶瓷杯(墊)材料的氣孔應越小越好。目前隨著納米技術等工藝制造的提高，陶瓷杯產品技術正向微氣孔化的方向發展。

炭磚是爐缸和爐底部位最關鍵的耐火材料。良好的炭磚可以將高導熱系數與強抗侵蝕性能集成為一體。如果忽視炭磚的抗侵蝕性能，一味地追求高導熱系數，則不僅達不到爐缸長壽的效果和要求，還會導致資源浪費，因此，超微孔化、強抗侵蝕、高導熱能力是未來炭磚的性能發展方向。

碳素搗打料一般情況下會用于填充炭磚與冷卻壁之間的縫隙。雖然用量很少，但卻是均衡熱傳導體系中的關鍵一環。就目前國內爐缸事故的經驗分析看，碳搗料層是很多爐缸燒穿的核心原因。碳素搗打料的砌筑位置貼爐缸冷卻壁，生產過程中溫度比較低，因此碳搗料在常溫或超常溫下的導熱系數就非常關鍵。

2.3 施工與安裝

爐缸和爐底部位的耐材要承受高溫、高壓渣鐵的沖刷，因此對耐火材料的施工安裝具有嚴格的高質量需求。從國內外的爐缸事故案例分析可以看出，爐缸耐火材料的磚縫較大、較多，在生產過程從爐缸內部滲入了高溫高壓的液態渣鐵，造成爐缸燒穿等嚴重的生產安全事故，與施工安裝過程中的砌筑質量有巨大的關系。

因此，是施工安裝的重點是盡可能的減少磚縫，減少爐缸侵蝕的薄弱環節，將磚縫控制在不高于0.5 mm，甚至是0.3 mm，這樣的砌筑規范才能很好地保障爐缸的長壽安全。

尤其是高爐的大修爐缸質量管理，應建立一支質檢過硬的隊伍，并記錄詳細的施工安裝檔案，便于未來的爐缸安全分析和查詢。

2.4 原燃料與操作

對高爐來說，首先要樹立高爐長壽的生產和操作理念。基于爐型結構、原燃料特點這些基礎條件，找出冶煉強度和高爐長壽相匹配的操作模式。

原燃料條件對爐缸的長壽有著巨大的影響。Zn、Pb、K、Na等有害物質隨著氣流滲入陶瓷杯和炭磚等耐材中，導致耐火材料的粉化與破損。而如果焦炭的質量不高，則爐缸容易堆積，死料堆隨之變大，液態渣鐵的環流能力變強，加劇了爐缸內部“象腳”部位的侵蝕狀況。原燃料條件對大型高爐的爐缸侵蝕影響較大，尤其是現代高爐容積向大型化方向發展，更應該重視精料原則，努力地呵護爐缸壽命。

不同的操作模式會造成不同的爐缸活躍度，爐缸活躍度影響死料堆的形狀，死料堆的形狀影響爐缸液態渣鐵的環流能力，最終影響爐缸的長壽效果。因此，爐缸的長壽需要合理的爐缸活躍度和適當的死料堆孔隙度，既保證液態渣鐵的流動特性，又保證焦炭充分地向鐵水滲碳，降低對爐缸炭磚的侵蝕。如果死料堆的形狀不合理，液態渣鐵會對爐缸形成嚴重的“象腳”侵蝕，當氣流分布不順時，甚至會出現燒壞風口冷卻壁的情況。因此，高爐操作模式對爐缸長壽安全的影響非常重大。此外，鐵口的維護情況，也影響著爐缸耐火材料的使用壽命，應選擇合理的炮泥質量，科學地組織出鐵生產。

2.5 智能化監測和分析

爐缸長壽是安全生產的基礎條件，除了保證原燃料和操作條件以外，實時監測和智能分析爐缸耐材的安全厚度至關重要。傳統方法下只能依靠基礎自動化系統，對耐材和冷卻壁熱電偶溫度進行直接監控。

目前，隨著智能化技術的發展，出現了爐缸侵蝕模型、水溫差監測等一批服務于爐缸安全的系統，對爐缸運行的監測與診斷也越來越全面，越來越系統。良好的爐缸長壽智能化系統應具備足夠的溫度和流量監測儀表，并進行合理的布局，儀表數據作為監測和分析的基礎輸入，必須足夠準確，才具備系統診斷的依據。圖2是某公司的爐缸侵蝕模型畫面。

通過模型軟件，不僅可以在線實時監測爐缸溫度變化情況，對異常數據進行自動預警，還可以提供爐缸縱向和圓周方向的分區分層耐材溫度分布云圖，便于操作人員分析爐缸侵蝕狀況。同時，系統自動對爐缸耐材的殘厚進行分析，并以趨勢圖的方式，展示碳磚殘厚的變化情況，保障爐缸的生產安全。

3 結 語

高爐爐缸的安全和長壽一直是煉鐵從業人員研究的關鍵核心技術，爐缸長壽的影響因素貫穿高爐的全生命周期，涉及爐缸的設計水平、施工和安裝質量、原燃料和操作條件以及智能化監測和分析手段等諸多方面。爐缸設計以構建均衡的熱傳導體系為核心，在生產過程中結合原燃料條件和操作模式，控制有害元素入爐，形成合理的死料堆和穩定的凝鐵層，同時借助先進成熟的爐缸長壽智能化系統，保障爐缸的安全長壽。