扭紧炉缸“长寿链”中的“薄弱环”

　设计是炉缸长寿的基础，良好的炉缸设计可以为高炉长寿创造良好的条件。从高炉炉缸耐材配置及冷却水系统的设计着手，分析炉缸结构的合理性，探寻炉缸“长寿链”上的薄弱环节，并采取相应的改进措施，对实现炉缸长寿具有重要意义。 

　　典型结构注意扬长避短 

　　典型的炉底、炉缸耐材配置设计有大块炭砖、大块炭砖加陶瓷杯和小块炭砖三种方案。实践证明，三种结构均能满足高炉生产需要及长寿要求，但也各有优缺点。 

　　方案一：大块炭砖。炉底满铺砖第1层采用石墨砖，第2、3层采用普通大炭砖，第4层采用微孔大炭砖，第5、6层为陶瓷垫。整个炉底砌筑厚度2.8m~3.2m。炉缸侧壁（含象脚侵蚀区）采用超微孔大炭砖，炉缸上部采用普通大炭砖，炉底石墨砖下采用炭捣料。 

　　从国内外使用实践来看，该方案炉缸、炉底寿命可达到15年以上。目前炭砖的性能尤其是抗渣铁侵蚀、耐碱性、微孔性能、导热性能等都得到了显著提升，炭砖的加工质量已可以满足干砌的要求，完全可以满足高炉长寿的要求。该方案中炭砖和冷却设备间为吸收耐材的受热膨胀，设置有一条80mm左右的捣料缝，捣料缝的良好传热性能和抗水性能、烘干强度、炉缸不漏水和尽量少的气隙是炉缸实现长寿的重要保证。  

　　方案二：大块炭砖与陶瓷杯结合。这是在方案一的基础上增设陶瓷杯，其中两层陶瓷垫采用MS4R，陶瓷杯采用赛隆结合刚玉砖CORANIT，其余配置与方案一基本相同。 

　　陶瓷杯良好的耐铁水熔蚀能力，有助于提高炉墙耐铁水侵蚀能力而实现长寿。为保证炉缸寿命，炉缸陶瓷杯外侧仍采用优质微孔炭砖。国内和欧洲部分高炉的使用结果证明，陶瓷杯方案可以满足高炉15年以上炉役寿命的要求。该方案在陶瓷杯和炭砖间以及炭砖和冷却设备间存在两条捣料缝，这两条缝隙处理的质量关系到整个方案的成败。 

　　陶瓷杯材料的导热性能较差，和炭砖的线膨胀系数差异也较大，耐热震能力相对较小，容易在杯脚等部位形成应力裂纹，使陶瓷杯产生局部破损而破坏其整体性，形成漏斗状侵蚀。铁水穿过陶瓷杯破损部位直接接触炭砖，其周围陶瓷杯的存在又阻止了破损部位炭砖前面渣铁保护层的形成，从而导致炭砖的异常侵蚀。炉缸这两条膨胀缝和陶瓷杯耐热震能力是该方案成功的关键。 

　　方案三：热压小块炭砖。炉底满铺砖第1层采用石墨砖，第2、3层采用普通大炭砖，第4、5层采用微孔大炭砖，其上为国产刚玉莫来石陶瓷垫砖。炉底砌筑厚度2.8m~3.2m。在炉底满铺砖与冷却壁之间砌1环热压小块炭砖NMA，炉缸侧壁象脚侵蚀区靠冷却设备的外侧以及铁口区采用热压小块炭砖NMD，炉缸侧壁的其余部位采用热压小块炭砖NMA。 

　　热压小块炭砖具有良好的导热性，其小块结构使墙体炭砖承受的热应力减小，不会出现环裂，无须设置单独的膨胀缝。该方案是靠墙体优良的传热体系在炉缸、炉底形成稳定的渣铁凝固层，保护砌体不被侵蚀而实现炉缸长寿。实践证明，小块炭砖方案能够实现15年以上乃至更长的炉役寿命。 

　　该方案砖缝较多且砖缝较宽，胶泥的固化和均匀性是其成功的关键。施工时要防止炭砖和冷却设备间形成三角缝，砖缝要均匀紧密，砌筑完成后胶泥需要适当的养护时间。高炉烘炉时，冷却设备前面耐材温度应到达胶泥的固化温度，使胶泥具备足够的强度以抵抗煤气和水蒸气的气蚀，保证墙体的传热体系；高炉开炉初期宜适当提高冷却水的温度，提高炉墙冷侧温度使胶泥进一步固化，并使炉墙热面具备足够的胶泥焙烧温度，使胶泥具备足够的强度抵抗铁水渗透侵蚀。 

　　科学设计冷却系统 

　　合理选择炉缸冷却设备。研究发现，在相同水速条件下，铸钢冷却壁的冷却能力显著高于铸铁冷却壁，洒水和槽板冷却与铸钢冷却壁的冷却能力相当，铜冷却壁的冷却能力显著高于其他冷却方式。 

　　炉缸采用铸铁冷却壁的优点是炉壳受到了冷却壁的防护，环境条件很好；缺点是冷却效率很低，冷却不均匀，冷却壁接缝很多、界面多，不定形材料品种多且施工困难，容易产生气隙。 

　　槽板冷却方式的优点是冷却效率较高，炉墙与炉壳间的接缝简单、界面少，容易防止气隙，易于观察与维护。缺点是发生事故时炉壳会首先受损。 

　　铜冷却壁的优点是冷却强度很大，缺点主要有以下三方面：一是冷却壁接缝多、界面多，容易诱导气隙，铜冷却壁前面的温度很低容易成为炉缸漏水的聚集地；二是铜冷却壁的冷却强度过大，如果不加以控制，就不利于烘炉及开炉初期炉缸不定形耐材的固化，导致气隙的出现；三是铜材质软，在热负荷波动及外力的作用下容易在热面出现气隙，降低炉墙的传热能力。 

　　综合比较，炉缸采用槽板冷却是较好的选择之一。其冷却强度足够，较铸铁冷却壁增加了2倍。最重要的是，该方式结构简单，界面少，不定形材料品种少，对可能形成气隙的诱导因素是最少的，最容易受控和实现无气隙炉缸操作。其实，无论哪种冷却方式，只要高炉长寿链上的各环节都控制得当，都能够获得成功，实践也证明每种方式都有成功的先例。 

　　冷却形式决定冷却系统综合换热能力的范围。研究发现，随水速增大，耐材与水间的综合换热系数增大；但对于铸铁冷却壁、铸钢冷却壁、槽板，冷却水速对综合换热系数的影响较小；铜冷却壁的综合换热系数随水速变化比较明显，但即使其冷却水速较小，综合换热系数也较其他形式大很多。总的来说，冷却形式决定了冷却系统综合换热能力的范围，水速影响并不十分显著。高炉生产实践也证明，炉缸的水量是炉缸长寿的基础，并不是越大越好，应适可而止。增加炉缸水量并不是解决炉缸问题的根本办法。 

　　科学控制炉缸冷却水温度及冷却强度。建议在烘炉时将冷却壁的供水关闭，尽可能提高冷却壁前耐材的温度；在高炉开炉初期提高炉缸供水温度，使炉墙中的不定形材料进一步干燥和固化，以使耐材达到足够的烘干强度，保障炉墙的传热体系，为长寿打下良好的基础。当前炉缸事故频发，在一定程度上与烘炉和开炉初期冷却强度控制不当，不定形耐材固化不良，受到煤气和水蒸气的气蚀，破坏了炉墙的传热体系不无关系。 

　　薄弱环节影响炉缸寿命 

　　无论采用什么样的耐材配置及冷却系统设计，都必须在炉缸耐材热面形成稳定的渣铁保护层，才能够真正实现炉缸的长寿。良好的耐材、优良而稳定的不定形材料加上有效的冷却，保证炉缸持续有效的传热体系，是炉缸实现长寿的关键。 

　　炉缸的长寿从设计上要控制好下列关键环节：适宜的死铁层深度，减小炉缸环流；铁口凸台宜缩小，保持炉缸内型的流畅，保证铁水流场的顺畅；炉缸炉墙的界面要尽量减少，简单就是可靠；不定形耐材的种类越少越好，不仅有利于控制质量，还能有效减少材料间的冲突；炉壳受力要均匀，减小炉壳的弹性变形及变形的差异，防止出现气隙；炉缸的冷却要有效；设计宜对炉缸操作维护提出建议，包括烘炉温度的控制、开炉初期冷却强度的控制、炉缸漏水的管理。 

　　高炉长寿不是只靠设计就能够实现；设计是基础，生产操作与长寿维护是关键；良好的设计必须与高质量的施工、良好的操作维护相配合才能够实现长寿。影响炉缸长寿的诸要素组成了一个“长寿链”，每个要素环节就是这个链条上的一个链环，链条上最薄弱的链环决定了整个链条的能力。 

　　炉缸长寿链上的关键环节包括：冷却水系统、冷却设备、冷却设备与耐材的接触热阻或气隙、冷却设备与炭砖间的不定形材料（捣料层或胶泥）、炭砖及炭砖间的缝隙、炭砖与凝固层的界面稳定性、炭砖热面的凝固层、铁水的环流（高炉冶炼的强化程度、焦炭质量、炉芯温度、死料堆的活跃性与透液性、死铁层深度）、炉缸漏水的管理等。 

　　研究发现，影响炉缸传热的限制性环节在冷却壁前面的捣料层上，冷却水的热阻不是炉缸传热的限制性环节，再大幅度提高水量也达不到有效降低炭砖温度的效果。 

　　不定形材料的传热性能是炉缸传热体系的限制性环节。由于烘炉不到位，开炉初期炉墙温度过低，不定形材料未能被及时烘干、未具备足够的烘干强度而被煤气和水蒸气所气蚀，降低了不定形材料的性能甚至出现了气隙，妨碍了炉缸热量的传递，是当前炉缸频繁出现问题的重要原因。解决该问题的措施是：采用界面少、不定形材料品种少的炉缸配置方案；减少炉壳开孔或使开孔均匀分布；严格控制不定形耐材的质量和施工质量；改进烘炉规程，提高烘炉时的水温和开炉初期的供水温度，让不定形材料及时固化，具备足够的烘干强度；严格炉缸的漏水管理，及时利用高炉休风进行炉缸排水，防止水蒸气气蚀不定形材料和导致气隙。 

　　重视炉缸不定形材料的质量、强化施工管理、合理控制炉缸的冷却强度、防止胶泥等不定形材料被气蚀形成气隙热阻、合理的操作维护，将是解决当前炉缸问题的关键。 

　　改进烘炉规程，提高烘炉时的水温和开炉初期的供水温度，让不定形材料及时固化，具备足够的烘干强度防止被气蚀，以保证炉墙的有效传热体系，是实现炉缸长寿的重要方法之一。