高炉炉缸安全的几个问题探讨

1、高炉炉缸安全的几个问题探讨前言近年来，为数不少的高炉在投产不久即出现炉缸耐材温度异常升高，有的高炉甚至短时间被烧穿。导致高炉炉缸快速侵蚀的原因见仁见智。炉缸安全涉及到设计、施工、设备及耐材、操作维护等方面，任何一个环节都能对炉缸安全产生重大影响。本文针对涉及炉缸安全的陶瓷杯结构、炉墙气隙、炭素捣打料、冷却强度、碱金属、烘炉，以及操作维护等热点问题予以了初步探讨，并提出了相应的改进建议。1.    陶瓷杯对炉缸安全的影响尽管高炉炉缸有全炭砖和炭砖加陶瓷杯两种不同的结构形式，但获得炉缸长寿的根本机理是相同的，都是为了保护炭砖免遭铁水的侵蚀，而采取不同的措施避

2、免铁水与炭砖的直接接触。全炭砖炉墙通过炭砖的高导热性能使热面温度降到1150以下，依靠炭砖热面温度较低的、流动性较小的“粘滞保护层”来隔离铁水，陶瓷杯结构则是人为采用陶瓷质砖衬来隔离铁水，避免炭砖与铁水的直接接触。有观点将炉缸砖衬温度异常甚至烧穿的主要原因归咎于炭砖热面的陶瓷杯，认为陶瓷杯阻碍了炉渣在炭砖表面形成保护层、铁水会渗透到炭砖热面，对炭砖产生所谓的“熔洞”侵蚀。长期的高炉实践中，全炭砖炉缸、炭砖加陶瓷杯炉缸这两种结构均有长寿实例，也均有炉缸砖衬温度异常甚至烧穿的事故发生。这些客观实例证明这两种形式的炉缸结构都是可行的，但要实现有效隔离铁水进而获得高炉长寿，都是需要条件的。陶瓷杯存在时

3、，其对炭砖的保护作用是毋容置疑的；陶瓷杯侵蚀后，即转变为全炭砖炉缸结构。只要炭砖质量好，炉墙传热体系有效，炉缸仍是安全的。采用炭砖加陶瓷杯结构的炉缸，其关键点是陶瓷杯必须具有稳定性和密封性的合理结构1，尽可能提高陶瓷杯的寿命。陶瓷杯材质、结构不合理，以及陶瓷杯热应力过大都会导致陶瓷杯破损甚至垮塌。在结构设计方面，小块陶瓷杯设计、制造与施工均比较简便，砖缝能够吸收一定的膨胀以释放热应力，但需防止砖缝钻铁，并提高其结构稳定性。大块陶瓷杯的互锁结构，以及较少的砖缝等使其具有较好的稳定性、密封性，但结构相对复杂，对设计要求很高。在炭砖和陶瓷杯之间设置隔热层，既可以保证陶瓷杯的自由膨胀，还可以通过提高陶

4、瓷杯冷面的温度，降低炭砖热面温度，减小了陶瓷杯和炭砖冷热面温差，降低了炉墙的热应力，有利于陶瓷杯结构的稳定和炭砖的安全。陶瓷杯侵蚀后，还是要靠炭砖来维持生产。因此，无论是采用全炭砖结构，还是炭砖加陶瓷杯结构，炭砖需要具备高的导热性能。炭砖还须具有良好的抗冲刷能力（强度高）、抗渗透性（微孔、超微孔）和抗碱性等。同时炉缸要有良好的传热体系，高炉操作要稳定，炉缸要活跃，尽可能减缓炉缸渣铁环流，否则炭砖热面也是难以形成稳定的“粘滞保护层”。2.     炉墙气隙对炉缸安全的影响炉墙气隙对炉缸传热特性的破坏日益引起重视，一些高炉的生产实践发现：高炉休风过

5、程中，冷却壁水温差不是按照常理下降，而是增加，耐材温度下降；高炉复风生产过程中，水温差下降，耐材温度升高。这些“异常”现象充分说明了，高炉在送风期间，由于炉壳受压膨胀，膨胀量大于耐材，炉壳带动冷却壁脱离了耐材，冷却壁和耐材之间出现了缝隙，传热体系受到破坏，耐材的热量传不出来，导致耐材温度异常升高，水温差下降。休风期间，炉内泄压，炉壳回缩，冷却壁与耐材紧贴，耐材的热量通过冷却壁传出，水温差增加，耐材温度下降。图1为艾莫伊登7号高炉炉缸部位炉壳膨胀和高炉风压记录的关系。在内压约0.4MPa，对应的炉壳膨胀量达到40mm2。图1 炉壳膨胀量随风压的变化高炉炉缸是一个复杂的体系，准确设计计算

6、是非常困难的，施工中也难保证炭砖和冷却壁之间宽缝的捣打料密实度达到设计要求。要解决这个问题，还需要从冷却壁的安装结构入手。按照常规设计，冷却壁是固定在炉壳上的，炉壳膨胀和冷却壁完全同步。中冶京诚采用“无间隙冷却结构”专利技术，如图2，将冷却壁挂在炉壳上，炉壳和冷却壁之间设置排斥设施（如弹簧）。安装时，将冷却壁固定在炉壳上，待炭砖砌筑，宽缝捣料后，适当松开螺母，再焊接煤气密封罩。通过排斥设施的反力，将冷却壁推向耐材，保证冷却壁在任何时候都紧贴耐材，充分发挥冷却作用。图2 无间隙冷却结构示意图3.    冷却壁和炭砖之间炭素捣打料对炉缸安全的影响炉

7、缸冷却壁与炭砖之间的炭素捣打料是炉缸传热系统的重要环节。从传热角度出发，需要从导热和体积稳定性两个方面关注此处的炭素捣打料。提高冷却壁和炭砖之间捣打料的导热性能，无疑可以降低整个炉墙的热阻，对保护炭砖是有益的，但不能过分夸大捣打料导热性能的作用。图3 炭素捣打料导热系数对炉墙热阻的影响。图3为炭素捣打料导热系数对于炉缸砖衬总热阻的影响。计算考虑炉缸炭素捣打料、炭砖、陶瓷杯的厚度分别为0.1m、1.1 m和0.345 m，炭素捣打料导热系数618 W/(m)，有陶瓷杯时，捣料层热阻占炉缸砖衬总热阻的比例为2%7%；无陶瓷杯时，比例为4%13%。即便是炉役后期，传热的限制性环节仍然在炭砖

8、，仅较厚、导热性能较差的炭素捣打料层在炭砖较薄时才会严重恶化炉缸传热。炭素捣打料即便是导热系数很高，在施工时未必能像实验室作试样那么密实，实际导热性能会大打折扣，而且容易产生气隙。此外在高炉投产后，由于炉内高温高压下炉壳与耐材膨胀量的不同，也容易导致气隙的产生。近年来高炉大量使用“有毒”的炉料，碱金属、锌负荷很重，有害元素容易在风口套附近富集并沿着冷却壁进入炭素捣打料内部，导致炭捣料失效，甚至变成疏松状，形成极大的热阻，这些问题需要引起足够的重视。针对上述问题，中冶京诚公司在设计上可采取了如下措施：（1）对于炭素捣打料，其性能方面要关注其烘干而非焙烧后的导热系数，同时要考核其体积稳定性，避免受

9、热收缩；施工方面严格要求，确保捣实不留气隙。（2）炉缸最好采用斜炉壳结构，既可以保证象脚侵蚀区域安全的炭砖厚度，还可以借炭砖热膨胀向外向上运动进一步压实捣打料.（3）采取“无间隙冷却结构”专利技术，解决炉壳与耐材膨胀不同步的问题，减少捣打料区域出现气隙的可能性.（4）通过相关措施做好风口、铁口带密封，阻断有害元素往炉缸渗透的通道。（5）在炉缸冷却壁上设置热面压浆孔，便于炉缸出现气隙时对冷却壁热面和捣打料之间进行压浆，消除间隙，维持完整的传热体系。4.     冷却强度对炉缸安全的影响良好的炉缸传热体系以及合适的冷却强度是保障炉缸长寿的关键。但高

10、炉一旦出现险情或者烧穿，往往把主要原因归结于冷却水速过低、水量少、冷却强度不够。提高水量就成了处理炉缸耐材温度过高的首选措施。在实际生产中，加强炉缸冷却的同时，往往还采取降低冶炼强度、加钛矿护炉以及炉缸压浆等措施，经过处理后耐材温度得到控制。于是容易让人混淆甚至过分夸大水量增加产生的效果。炉缸冷却壁、风口套、炉身冷却壁工作环境是不同的。炉缸有较厚的炉墙，依靠冷却壁冷却耐材，传热的限制性环节在炉衬；风口套则直面高温气流和渣铁流，依靠铜的高导热性能和高速水流带走热量，同时避免局部沸腾导致设备烧毁；炉腹到炉身下部冷却壁砖衬较薄，容易脱落，传热的限制性环节在冷却壁自身，主要完全依赖于高冷却强度快速形成

11、渣皮实现自身保护。一些观点认为炉缸冷却壁可以像风口套一样，水速还有大幅度增加的空间和必要，甚至需要采用铜冷却壁加强铁口附近和象脚部位的冷却强度，主要是没有考虑冷却设备的工作环境差异、传热的限制性环节，以及自身结构特点。（1）水速、水量对冷却壁换热能力的影响3表1 水速对冷却壁换热能力的影响根据某厂冷却壁传热试验数据（见表1）可以看出，在炉内温度基本不变的情况下，水速由0.74m/s增加至2.4m/s，提高近3倍，只是显著的改变进出口冷却水的水量和温差，但冷却水带走的总热量增加很少。因此想通过提高水速，增加换热系数，降低换热热阻来降低整个体系热阻，提高冷却效果的作用是微乎其微的。只要超

12、过紊流状态的水流速，再增加水量，意义就不大了。对于炉缸冷却壁而言，其前端有较厚的耐材，冷却壁传热热阻并非限制性环节，冷却水速对其传热能力的影响将比热态试验的冷却壁小得多。以下为京唐2#高炉处理炉缸温度异常时的炉衬温度与冷却水量的对应关系图44。图4 京唐2#高炉炉缸炉衬温度趋势与护炉措施对照图图中A 点，检修送风后温度开始小幅爬升；B 点，增加水量100m3/h；C 点，增加水量450m3/h；D 点，富氧率由3.6%降至2.5%，4天后逐步恢复至3.6%；E 点，增加水量250m3/h，同时降低冷却水入水温度5到41±1；F

13、0;点增加水量200 m3/h，退焦炭负荷0.2到5.22；G 点，逐步回负荷至5.40水平；H 点，检修16 小时，替换斜8°风口为斜5°共14 个，改造高温区部分冷却壁为高压工业水强制冷却，负荷退回至5.25水平；I 点，开始实施加钛矿护炉1.5 吨/批；J 点，钛矿逐步加至4.5吨/批；K 点，负荷逐步回到5.47水平；L 点，温度回到正常水平，走势趋稳。京唐2#高炉的实践也证明单纯提冷却水量和降冷却水温度对控制炉缸耐材温度的快速上升并无明显效果4。冷却水量也不是越小越好，水量过

14、低，水温升过大，出水温度会偏高。从图55可以看出，冷却壁出水温度不宜超过50，这样既可以保证足够的欠热度，也能延缓冷却水管内壁的结垢和腐蚀。（2）冷却壁自身特性与换热能力冷却壁的冷却能力不仅取决于冷却水速、水温、水压，还取决于冷却壁本体自身特性等。表2 比表面积对冷却壁换热能力的影响冷却壁从型式1到型式3，在水速相同时，用水量逐渐减小，而比表面积逐渐增加；同时由于冷却壁水管管径减小后，水管间距缩小有利于降低冷却壁热面温度的不均匀性，和炉墙冷却的不均匀性。图6冷却水管对于对流换热系数和冷却壁热面温度的影响如图6所示为表2中3种冷却壁计算得到的水管对流换热系数和冷却壁热面最高温度。随着管

15、径变细、水管个数增加、间距变小，最终反映在水管比表面积增大，在同样冷却水速的条件下，对流换热系数增加，计算得到的冷却壁热面最高温度也在逐渐减小，由63降低至60，因此可以看出采用小管径密排设计的冷却壁换热能力比大管径的要好。而不是水管越大、水量越大，冷却能力越强。冷却壁水速只要超过紊流状态时，其冷却能力仅仅取决于冷却壁自身特性：如单位冷却壁热面面积的水管换热面积，即比表面积，与水速、水量关系不大。宝钢3号高炉，设计炉容4350 m3，后期耐材侵蚀成为薄壁后，炉容可能达到4800m3，但炉缸的供水量即使在炉役后期也才1380m3/h，高炉却安全运行了19年。而一些1000m3级高炉，炉缸供水量甚

16、至达到30004000 m3/h，尽管耐材配置水平也不低，但炉缸寿命却并不如人意。从生产实践也充分说明了冷却壁的冷却能力并不在于冷却水量。因此，要提高冷却壁的冷却能力，冷却水管布置应该是小而密，其优点在于：可以提高冷却能力；降低冷却壁热面温度的不均匀性，降低自身热应力，提高使用寿命；减少供水量，降低运行成本；减薄冷却壁，降低投资。（3）对炉缸冷却壁材质的认识一些高炉在炉缸采用铜冷却壁，以期延长高炉的寿命，但是目前部分高炉已经陆续出现事与愿违的情况。铜冷却壁热阻小，冷却效果好，毋庸置疑。但对于炉缸而言，铜冷却壁热阻占炉墙热阻的比例很小。从图7（某厂实测数据）可以看出，两种冷却壁对炭砖的冷却效果非

17、常接近。即使在砖衬较薄的炉役后期，其对炉墙的冷却能力相对于铸铁冷却壁也没有明显的改善。而且，铜冷却壁材质较软，在炉墙的挤压以及炉前设备的冲击下容易变形，导致冷却壁和耐材之间出现气隙。铜冷却壁冷却能力很强，热面温度低，不利于捣打料的烘干和泥浆的固化，为生产过程中出现气隙留下隐患。从传热计算和生产实践来看，只要炉缸炉墙结构合理，砌筑合格，使用铸铁冷却壁也是能够实现高炉长寿的，没有采用昂贵的铜冷却壁的必要。图7 炉缸铜冷却壁与铸铁冷却壁的使用效果对比5.     碱金属侵蚀及防护对炉缸安全的影响高炉炼铁设计规范要求，K2O+Na2O3.0

18、kg/t，Zn0.15 kg/t，但目前有些高炉入炉碱金属和Zn的含量却高出一个数量级，这也是高炉异常侵蚀的重要原因，日益引起一些炼铁工作者的高度重视。炉料带进的碱金属、锌等有害元素在高炉内还原后，生成蒸汽，随着煤气窜入砌体的砖缝或者裂纹，在砌体中液化富集。碱金属与锌会与炭砖、炭捣料灰分反应，引起耐材膨胀；与CO反应，生成石墨，富集在砖缝和裂纹中，导致砌体的剥离。在降低入炉碱金属、锌、铅等有害元素含量的同时，还要尽可能阻挡煤气携带碱金属窜入炉墙。中冶京诚公司在设计上可采取了如下措施：（1）提高炭砖导热性能，降低炭砖热应力；采用“无间隙冷却结构”专利技术，保证冷却壁紧贴耐材，加强炭砖的冷却；在炭

19、砖和陶瓷杯之间设置隔热层，降低炭砖和陶瓷杯温差，降低炉墙热应力；通过穿壁灌浆孔对冷却壁热面压浆消除气隙。以上措施可以减少炭砖由于热应力过大出现的裂纹。（2）尽可能减少砌体缝隙，减少煤气窜入砌体的几率。（3）铁口通道是高炉煤气携带碱金属频繁光顾的区域，可以在铁口通道内侧采取密封措施，避免煤气携带碱金属窜入铁口附近砖衬。（4）风口与砌体之间的膨胀宽缝，也是碱金属、锌容易渗入砌体的通道，可以在风口下面采取密封措施，隔断有害元素及煤气进入炉缸的通道，同时还可以防止风口漏水对炭质炉墙的破坏。（5）缩短风口大套，在风口中套下设置小块砖（中套如有上翘变形可取消）等措施，释放炉墙遭受碱金属侵蚀后的异常膨胀挤压

20、力。避免炉缸炉壳变形或者底板上翘，导致炉墙砖衬错位对传热体系的破坏，以及碱金属的侵入。（6）对于碱金属及有害元素负荷较重的高炉，应该经常采取措施排碱、锌，降低有害元素在炉内的富集量。6.     高炉烘炉对炉缸安全的影响合理的烘炉制度对高炉长寿也很重要。冷却壁和耐材之间的捣打料、砌砖耐材的胶泥都必须及时烘干或者固化。生产过程中，水蒸气受热膨胀，在炉墙中窜动，产生气隙，破坏炉墙传热体系。高温水蒸气还会和炭素材料发生水煤气反应，破坏炉墙结构。因此高炉烘炉过程中，可以采取冷却壁不通水，或者通热水等措施，保证捣打料处于烘干，泥浆处于固化温度以上6。炉底

21、也需要设置排水管。烘炉时打开炉壳所有如灌浆孔、热电偶孔、排水孔等孔洞，便于排出水汽。7.     炉缸操作维护对炉缸安全的影响炉缸完善的监控有利于提前发现问题，并及时采取相应的维护措施，从而间接的提高高炉寿命。但由于对炉缸设计参数不了解，传热知识掌握不全面，缺乏经验，很多高炉操作者对于炉缸监测指标往往存在一定的误区。（1）水温差管理一些高炉操作者仅仅关注炉缸水温差，而不考虑冷却设备参数、配管及水量。炉缸水温差与水量密切相关，仅仅是构成热负荷的一个参数，水温差的管理应该落实到炉缸热负荷的管理上来，才能间接反映炉缸的工作状况。（2）热负荷管理热负荷

22、是平均值，在炉缸传热体系良好的情况下，才能间接反应炉缸的侵蚀状况。如果炉墙存在气隙，热量不能通过冷却水导出，即便是热负荷很小，但耐材温度却可能很高，甚至有烧穿的可能；如果冷却壁周围窜煤气，冷却水导出的不是耐材而是煤气的热量，热负荷更不能反映耐材状况；在炉缸出现局部侵蚀时，热负荷即便不超标，炉墙侵蚀也可能会很严重。因此，需要综合考虑多种因素来进行热负荷管理。（3）炉缸温度管理不了解炉缸结构，对耐材特性，炉墙厚度不清楚，也不清楚电偶的埋设深度和位置，一味套用别的企业经验。有些企业甚至都不太关注耐材温度，以至于导致高炉烧穿事故发生。由于炉衬温度与电偶的埋设位置、耐材特性有一定关系，炉衬温度与炉墙厚度

23、的对应关系比较复杂，仅对炉衬温度的管理是不够的，因此往往将炉衬温度的管理转化为炉墙厚度的管理。此外由于炉衬温度容易随着高炉冶炼的状况的不同而变化，因此对炉衬温度的监控还必须进行长期、动态管理，观察温度的走势及规律，仅观察瞬时温度是不够的。炉缸耐材温度能够直接反映该点前端耐材的侵蚀情况，但对离热电偶较远区域的局部侵蚀却不敏感；热负荷能够间接反映炉墙的厚度，但对于炉墙气隙、窜煤气以及局部侵蚀等情况会存在误判；水温差仅仅是构成热负荷的一个参数。因此炉缸应该按照炉衬温度>热负荷>水温差的优先级进行管理。炉衬温度、热负荷、水温差与炉墙侵蚀都有密切的关系，而且炉墙气隙、窜煤气、远离热电偶的局部

24、侵蚀，或者电偶温度漂移都会对炉缸判断带来风险，因此，仅靠单一方式进行炉缸管理容易导致误判，必须对炉衬温度、热负荷、水温差等进行综合分析。高炉炉缸关键区域应该尽可能密集设置热电偶，避免出现监测盲区。尽可能采用自动的水温差及热负荷监测系统，有条件的可以通过相关模型预测炉缸侵蚀状况，通过预测炉墙厚度进行直接管理。高炉操作者根据企业自身情况，建立炉墙厚度、炉衬温度、热负荷、水温差等指标的管理制度，设置这些参数的报警值，及时发现高炉异常，做好高炉维护。8.冶炼强度、出铁次数对炉缸寿命的影响炉缸耐材温度超标后，普遍的做法是降低冶炼强度（同时降低出铁次数）、钛矿护炉，以及堵风口等措施齐上阵。从多厂的实践来看

25、，降低冶炼强度对控制耐材温度的上升起到了非常很重要作用，这充分说明过高的冶炼强度与炉缸安全的确是一对矛盾。因此，应该提出一个安全冶炼强度的概念，即保证高炉长期安全、稳定运行的最大冶炼强度。过高强度冶炼在钢铁暴利时代是有利可图的，高产量带来的盈利掩盖了高炉短寿带来的负面效果。但是，在目前的微利时代，短寿带来的实际折旧成本就凸显出来了，甚至成为了是否盈利的关键环节。无限制追求高强度冶炼到底还有多少意义，确实值得钢铁企业领导们的深思。结论1.      炉缸采用全炭砖和炭砖加陶瓷杯两种结构都是可行的。陶瓷杯设计需要考虑结构的稳定性和密封性。无论那种结构的炉缸都需要优质的炭砖、稳定的操作，活跃的炉缸，尽可能减缓铁水环流的影响。2.      当炉墙存在间隙时，耐材不能得到有效的冷却，炉缸安全面临严重威胁。“无间隙冷却结构”能有效消除炉墙间隙，确保系统传热效率，延长高炉寿命。3.      炭素捣打料应具有较好的导热性，仅较厚、导热性能较差的炭素捣打料层在炭砖较薄时才会严重恶化炉缸传热。应重视炭素捣打料的施工和热收缩特性，同时采取措施避免炭捣料遭受碱金属及锌的破坏而失效。4. &#