对高炉长寿的几个问题的认识与剖析

1、对高炉长寿的几个问题的认识与剖析 作者 : 王筱留 | 张建良 | 祁成林文章来 源 : 中 国 炼 铁 网 更 新 时 间:2013-09-29前言高炉长寿技术的进步推动了高炉炼铁技术的进步，换句话说高炉长寿技术进步 是炼铁技术进步的动力之一。当前高炉 长寿的目标是：一代炉龄 1520 年，每 m3 高 炉 有 效 容 积 ， 一 代 产 铁 1300015000t/m3 或每 m2炉缸面积一代 产铁（ 300450） 103t/m2 。达到长寿 是一个系统工程，它涉及设计、选材、 验材、筑炉安装、仪表监测、生产操作与管理等多个方面，哪一方面不到位， 都会影响高炉寿命。高炉至今仍然属于黑箱，

2、虽然冶金过程 热力学与动力学、传输原理、电子技术 等先后应用于生产实践，也有相当长的 时间，对几十座大小高炉进行了解剖， 使炼铁工艺原理和生产技术的进步起了 很大作用。但是，对高炉内反映机理、 传热和流体运动、炉子破损机理等仍然 有不少问题没有彻底搞清楚。生产者、 研究者、专家、技术人员根据自己的实 践、研究对高炉内的现象作出不同的解 析形成不同的观点、流派。不同流派的 观点对我们深入了解高炉过程和对问题 的解决有不少帮助。但也有观点在不同 流派间有着完全相反的认识，给我们， 特别是现场生产者造成了迷惑，甚至在 生产实践中出现问题：炉况失常，严重 时发生事故。这要求我们提高自己的基 础知识 -

3、 热力学与动力学规律、 传输学 规律等来加强观察，分析得出符合生产 实际的科学结论避免误判，采取有效先 进技术措施延长高炉寿命。本文就几个 长寿方面的重要问题，提出我们的认识 与剖析，供诸位参考。不对的地方请提 出指正。2 防止铁水流对炉缸侧壁砖衬侵蚀 技术问题现在对炉缸侵蚀甚至烧穿的共识机理基 本是：出铁过程中，铁水环流对侧壁砖 衬的机械冲刷和不完全饱和碳的铁水对 炭砖的溶蚀。要防止这种侵蚀的发生最 根本的技术措施是隔离铁水与炭砖的接 触，对隔离技术上出现两种完全不同的 技术观点： 利用冷却将铁水与炭砖接触表面温度降 到 1150以下，使铁水在炭砖表面形成 薄铁皮层来隔离铁水与炭砖的接触，某

4、 些专家还认为不仅可形成铁皮层，还可 以形成渣层来保护。这种观点采用全炭 微孔，甚至超微孔炭砖，而且努力提高 其导热系数，以使表面温度降到 1150 以下。利用陶瓷质砖衬来隔离铁水与炭砖的接 触，认为炭砖抗铁水溶蚀是难于实现的， 只有人为地在炭砖表面砌一层陶瓷砖来 代替前一观点的凝固层是可靠的，这就 是陶瓷杯壁，只要炭砖的抗铁水溶蚀性 能达到陶瓷质耐材时， 陶瓷杯是有用的。 应该说这两种技术观点支撑的炉缸炉底 结构都有长寿的记录，但是采用任何一 种技术措施到长寿都是有条件的，不是 在任何条件下都能达到长寿，有的高炉 不仅不长寿，反而短期内出现渗铁，漏 铁甚至烧穿，就支撑上述两种技术措施 的观点

5、谈谈我们的看法。2.1 生产高炉的炉缸侧壁上有无凝 固保护层 回答是生产中的高炉侧壁炭砖上是没有 凝固保护层的，尤其是铁口周边地区， 但是存在着含石墨碳高和含 TiC，TiN， Ti （C，N）（用含 TiO2 护炉时）的粘滞 层。这一粘滞层起到了隔离铁水主流与 炭砖的接触，减弱了主流铁水对炭砖的 侵蚀，但不能消除侵蚀作用，如果因某 些原因粘滞层遭到冲击而进入铁水主 流，不饱和碳铁水流才会进而对炭砖机 械冲刷和溶解形成象脚形侵蚀。 生产者和研究者发表论文声称有凝固层 存在，他们在高炉停炉大修破损调查， 折炉时见到了凝固层，不仅有铁而且还 有渣。我们认为，这种凝固层是在放残 铁时或放残铁后上部料

6、柱中残余渣铁下 滴遇到低温侧壁凝固在上面的，而不是 生产时凝结在上面的， 我们在莱钢 12 高炉解剖过程中，在炉缸内没有见到一 些生产者和研究者们见到的凝固层。从 凝固的炉缸炉底大铁砣最外边看到薄 层，其颜色与其他铁层不一样。我们认为是粘滞层在停炉冷却后凝固的，它与整个铁砣是一个整体无法分离，上面没有粘任何耐材或炉渣，我们认为炉缸部 位铁口以下侧壁是没有形成凝固层 u 的 条件实验室测定石墨坩埚表面不能粘结铁和炉渣（1）运动的渣铁与坩埚间无粘结物（2）炉缸中铁水环流强劲，特别是死料 柱的透液性差，死铁层深度不足的情况 更严重（3）铁口周边由于泥包的存在，产生铁 水涡流冲刷粘滞层和侧壁炭砖（4）

7、延长炉缸寿命的根本点是保护粘滞 层。有效的措施是维持足够深的死铁层 （h0=0.25d 缸左右）；提高焦炭质量， 使 进入炉缸的死料柱有足够好的透液性。减少出铁次数（大高炉应在6-8 次 / 日）降低出铁速度以降低铁水在环流速度， 采用优质泥炮保护铁口等。2.2 炉缸炉底使用的耐材质量 不论是全炭砖还是陶瓷杯结构都用优质 炭砖作为主要砖衬。目前的共识是要用焙烧好的微孔炭砖， 国内外在研制微孔炭砖上取得很大的成 绩，为延长高炉炉缸寿命提供了基础。 在陶瓷杯结构中除了炭砖以外，还有陶 瓷垫，陶瓷杯壁用得以刚玉为主制成的 砖，其主要种类和性能列于表 4。为什么有好的微孔炭砖，高炉炉缸炉底 仍然出现问

8、题，甚至事故，我们认为是： 生产炭砖厂家（尤其是国内的）的产品 质量并没有达到要求，高炉使用低质炭 砖后很快出现问题，优质炭砖要用电煅 烧无烟煤作为原料添加超微金属粉压块 焙烧而成，一些厂家为降低成本，赶工 期在电煅烧，无烟煤质量，添加超微粉 等都偷工减料，焙烧也是达不到要求， 有的炭砖，严格地说是自焙型的。一些 厂家生产的炭砖外型不规范，砌筑时出 现很大细缝，成为传热过程的热阻造成 炭砖工作热面温度过高等。炭砖中人工石墨过多，它抗铁水熔蚀性 能差，一旦炭砖成为工作热面与铁水直 接接触，较快地被铁水溶蚀而出现炉缸 侧壁侵蚀过快，造成这种现象是由于追 求炭砖的高导热系数，在上世纪 50-60 年

9、代，不重视或不注意炭砖的导热系数， 认为他比陶瓷质高。后来研究表明导热 系数很重要，要使炭砖表面形成凝固层 就得提高炭砖导热系数。在这一观点的 支撑下，生产厂要求炭素厂生产高导热 系数炭砖、 炭素厂就漏加人工石墨制造。 本来炭砖中的石墨应该是无烟煤电煅烧 过程中炭转化成石墨，因此炭砖称为半 石墨化、石墨化。但电煅烧的过程中因 温度、时间的限制，石墨化程度是有限 的，炭素厂为达到客户要求就只有添加 人工石墨。所以现在的炭砖应叫半石墨 砖、石墨砖。因为它不是炭砖生广过程 “石墨化”的产品，而是外添加石墨的 产品。这类产品导热系数很高，但它并 没有起到应有的作用，因为炉缸侧壁内 存在很大高热阻的气隙

10、，阻碍了热量的 传递，炭砖具有再高的导热系数也无济 于事。反而因气隙热阻使炭砖工作表面 温度升高，在强烈的铁水流作用下，快 速地被冲刷和侵蚀，造成事故，缩短炉 缸寿命O在炭砖使用中存在着争论：使用大块炭砖还是小块炭砖？产生的原因是在炭砖使用过程中出现了环裂，这是炭砖的一种固有特性，即在 800900的部位出现脆性带在应力作用下产生裂缝，炉内炉 缸侧壁温度带分布较均匀的情况下出现 环裂，为抑制、消除环裂，将炭砖做成 小块。这是 ucka 制造小块砖的来由。小 块砖在世界炼铁界并没有完全认同。欧 洲、日本、俄罗斯很少用或不用。 但中 国在 ucka 和一些生产商的宣传下风靡一 时，但是应该说它并没

11、有解决实质性问 题，而带来很多负面影响。在小块砖质 量优秀、砌筑规范、操作管理到位的情 况下，对炉缸侧壁寿命有延长的实例 但是它并没有彻底解决炭砖产生裂缝的 问题。在小块炭砖通过铁水的高温作用 而形成一个杯状整体时，仍然发现炉缸 侧壁有环裂。相反没有形成整体时众多 砖缝成为传热的热阻， 不利于炉缸寿命 中国高炉出现的短命炉缸，正是在小块 炭砖或“焙烧”炭块的高炉上。彻底的 解决是让炭块中的温度场中不出现形成 脆性带的温度带。从这个问题看，陶瓷 杯是有效的措施。我们认为不论哪种结 构的全炭侧壁和陶瓷杯壁，还是使用大 块炭砖为好。有的生成者和专家质疑： 既然陶瓷杯壁隔离了铁水与炭砖的接 触，应该保

12、护好炭砖，那为什么当前多 座具有陶瓷杯高炉岀现了事故或杯壁内 侧的炭砖内岀现溶洞式侵蚀。某些专家将这样的现象归于陶瓷杯结构 认为陶瓷杯危害了高炉炉缸寿命。我们 对这样的观点是不认同。他们举出陶瓷 杯壁内出现溶洞陶瓷杯壁阻碍了炉渣在 炭砖表面形成保护层，炭砖与陶瓷杯壁 间形成认为的环裂带等，这些论点是硬 加在陶瓷杯结构上的“危害”性表现， 首先未完全饱和铁水对炭砖的溶蚀是普 遍规律，只要铁水与炭砖长时间接触都 会发生，在不用陶瓷杯壁的全炭结构上 也出现溶洞式侵蚀，甚次阻碍形成炉渣 壁保护层，这是没有科学依据的推论。 我们在前面已说过，连铁壳保护层都难 于形成更不用炉渣壁，出现问题的高炉 大部分在

13、铁口以下 1m以上的地区， 少数 在铁口以下两侧（第二风口下方） ，这里 怎么会有炉渣，什么样的炉渣，其密度 都小于铁水；铁口以下都被铁水填满， 炉渣不可能到达。既然无炉渣，怎么会 结成渣壁。再说陶瓷杯壁隔离铁水与炭 砖接触远胜于所谓渣壁。我们认为专家 们指出的使用陶瓷杯壁后出现的问题是 存在的，其原因不是陶瓷杯的问题，长 寿的陶瓷杯已超过 10 年，出问题高炉的 炉缸中残余有陶瓷杯。问题表现在：（1）设计上的缺点两个方面：陶瓷杯壁 砖没有锁住；陶瓷杯壁与炭砖间的缝未 处理好。（2）陶瓷杯壁的刚性质量差；选用的炭 砖不当，例如早期的自焙炭砖和自焙炭 块，现在的石墨炭砖和半石墨炭砖，或 供应商供

14、应的炭砖质量差。（3）砌筑质量差， 尤其是使用小块炭砖， 砖缝很多。（4）某种原因水漏到炭砖层发生水煤气 反应， C+H2OCO+H2将炭砖溶蚀。 实践表明在解决上述问题后，陶瓷杯对 延长炉缸炉底寿命是起好作用的。 现在出现用高质量高 Al 质耐火砖代替普 通粘土砖作为全炭炉缸侧壁的保护层， 而且厚度也在增加。我们认为这是亚陶 瓷杯结构。因此只要在设计解决了第一 个问题，陶瓷质杯壁砖质量有保证，砌 筑严格规范陶瓷杯将是在新型耐火材料 (既抗未完全饱和铁水的溶蚀和机械冲 刷具有良好和导热性能)成功前，陶瓷 杯结构是好的选择。 在炉缸炉底结构上有了优质耐材，就不 宜过厚，现在炉底采用水冷高导热炭砖

15、 与普通炭砖和陶瓷垫结构，大型高炉有 2000mm足够。在死铁层达到 (0.20.25 ) 缸的情况下，有好的焦炭保证死料柱 有良好的透液性时，炉底是安全的。但 是使用含 Pb、Zn、K、Na 高的原燃料时 要特别重视炉底管理，炉缸侧壁维持在 14001600mm也足够了，企图用增加厚度 来延长其寿命是不科学的，只能是浪费 昂贵的耐材。铁口周边的寿命决定于出 铁状况和铁口维护管理。出铁状况是指 出铁次数和出铁速度的控制， 铁口维护 管理指的是铁口深度、炮泥质量等 ，这 些已经有专家阐明，这里不再重复。2.3 炉缸冷却 冷却是高炉寿命比任何火法冶金炉寿命 长的有力保证。同样有效的冷却也是炉 缸寿

16、命长短的决定性因素之一。冷却系 统运行状况、水温差等是生产中判断炉 缸砖衬厚度等的有效依据。炼铁工作者 历来重视冷却，其技术也在传热和热工 基础知识的帮助下有了很大的进步。由 工业水开路或闭路发展到现在的软水密 闭循环冷却，既安全又节能。 由于炉缸出现问题和事故后的分析中， 对冷却作了不同评述，在炼铁界中产生 了分歧：即小水量大温差与大水量小温 差的分歧。从传热的基本原理来说在相 同的炉墙结构下两种制度带走的额热量Q=V 水 ts 是基本相同的，众多的计 算， 包括本人参与的计算都说用冷却水 量大小来说明冷却好坏，认为加大水量 可以是炉墙工作热面上形成凝固保护层 等观点是片面的。 冷却水在冷却

17、器内流 动通过对流传热，将热带走，因此冷却 效果好坏是水的流动状态紊流，说 的更明确一点是水在水管内的流速和水 管排列状况。 Mcadams和 Augohed 的研 究，我们在包头做的研究都说明了这个 问题。 从炉缸侧壁冷却带走热量的多少，关键 是炉衬中是否存在气隙，气隙是冷却传 热过程中热阻最大的地方。在设计模拟 计算式都没有考虑。在筑炉和球墨铸铁 和普通铸铁冷却壁内都出现气隙，而其 大小又无法测定。其中尤以砖缝间隙， 炭砖与冷却壁间，冷却壁皮、无缝钢管 与铸铁本体之间、生产中炭砖产生的裂 隙等影响最大。气隙的存在影响传热， 炉衬内的温度场发生变化，给生产判断造成食物同时炉衬内高温区迅速扩大

18、， 炭砖侵蚀速度加快。3 高炉中部炉墙破损 过去高炉中部（炉身中下部、炉腰）破 损快，通过中修维护延长高炉一代寿命。 现在取消中修，因此维护中部炉墙寿命 也十分重要。在厚壁或中厚壁结构时， 造成炉衬过早的损坏主要是两大方面： 高炉边缘气流的侵蚀： 机械冲刷及磨损， 热应力和热震造成剥落，高温超过劣质 材料的荷重软化温度后的熔融；化学侵 蚀：最主要的碱金属和氟化物的侵蚀占 了 40%以上，析 C 反应占了 20%，Zn、ZnO、 SiO 作用占了 10-20%。 一般来说，高铝砖和碳化硅砖在 3 年左 右炉衬被侵蚀 50%的厚度，然后冷却作用 下达到平衡，所谓达到平衡是渣皮可稳 定地结在残余的砖

19、衬上，要冷却壁不损 坏可使高炉获得较长的寿命，但是由于 铸铁冷却壁固有的先天缺陷及生产中制 造质量差，安装不科学合理，高炉生产 中边缘气流过分强烈，冷却壁时有损坏 而造成高炉不能安全生产，而被迫中修 更换损坏的冷却壁和砖衬。 现在高炉已逐步转向薄壁，采用铜冷却 壁和 100-150mm的砖衬或喷涂层，依靠 铜冷却壁先天的优势，无气隙，热导率 高等，保证冷却正常运行，而用渣皮来 工作。人们期望这样可以获得长寿的中 部，可是在中国的生产实践中，也出现 了一些问题：渣皮不能稳定的粘结在炉 墙上频繁脱落； 有的高炉铜冷却壁过早 的损坏，甚至出现了铜冷却壁不适用与 高强化冶炼的高炉的观点：采用铜冷却 壁

20、与 SiC 质耐火材料配合，获得永久性 或长寿的高炉。对于铜冷却壁过早损坏的原因，已有专 家学者做了研究，发表了分析结果，我 们认为：高炉内对炉墙损坏的主要因素不同，使 用铜冷却壁而不起作用，他们仍然是铜 冷却壁损坏的主要因素：高炉气流的冲 刷磨损，热应力与热震，化学侵蚀特别 是 K2O、Na2O、Zn 等作用。使用铜冷却壁后薄壁高炉的炉型不够成 熟，在厚壁和中厚壁高炉上，有砖衬被 侵蚀形成操作炉型，而薄壁没有了这个 过程，设计上就要一步到位，即设计炉 型就是操作炉型。虽然高炉大修前停炉 破损调查做了很多工作，也发表了不少 文章，但是未能总结出合理的操作炉型， 因为停炉前的炉型并不是最适合的炉

21、 型，已是恶化了的炉型。就铜冷却壁烧 坏来说，现在的薄壁高炉炉型不适应的 参数，我个人认为是炉腹角，目前炉腹 角是否过大！应该减少以减少燃烧带形 成的高温煤气流对炉腹、炉腰的冲击。生产中高冶炼强度下的边缘气流过大是 根本原因，特别是在吃低价劣质矿后， 含 Fe 料及焦炭质量下降， 为保持炉况顺 行才去适当发展边缘气流的操作制度。 冷却制度不稳定，软水进入铜冷却壁时 的温度波动大，尤其是夏季，使铜冷却 壁热面温度波动。我个人为铜冷却壁过早损坏，主要不是 铜冷却壁本身的问题，是炼铁工作者操 作上的问题，需要我们来检讨和提高认 识，当然铜冷却壁也不是已达到最佳水 平，也有一些问题需要研究提高以适应 高炉生产，欢迎制造商下功夫与高炉炼 铁者合作提高质量，我个人认为不要全 盘否定过去中壁高炉， 在薄壁未成熟前， 不宜一刀切都改成薄壁，也不宜全盘否 定球墨铸铁冷却