爐役末期爐缸侵蝕的在線治理

吳強國

（河南煜華科技有限公司 ）  

摘  要：高爐爐役末期，爐缸側壁炭磚侵蝕嚴重。側壁溫度升高時往往采取鈦礦護爐、壓漿、強化冷卻、降低冶煉強度等治理措施。鈦礦護爐對高爐生產(chǎn)、操作帶來諸多負面影響；壓漿使爐缸面臨重大安全風險；強化冷卻作用有限；降低冶煉強度影響正常生產(chǎn)?；跔t缸炭磚的侵蝕機理，采用新的治理措施，在線注入炭磚保護劑，可以避免鈦礦護爐及壓漿的不利影響。既能夠保護爐缸炭磚免受侵蝕、延長高爐壽命，還基本不影響高爐的正常生產(chǎn)。

關鍵詞：爐缸侵蝕  在線治理 炭磚保護劑

1. 目前治理措施的缺點

高爐爐缸下部炭磚的異常侵蝕是高爐普遍存在的頑疾，長期以來一直困擾著煉鐵屆。新建高爐采取優(yōu)選耐材、提高冷卻強度等措施進行改善。在役高爐通常采取鈦礦護爐、壓漿、降低冶煉強度等措施進行緩解，但效果欠佳，而且?guī)碇T多負面影響。

諸多高爐的實踐表明，鈦礦護爐作用有限。爐缸異常侵蝕部位，往往難以形成持久的鈦保護層。鈦礦護爐影響高爐操作，常常帶來爐況波動。鈦礦護爐抬升煉鐵成本，且后續(xù)轉爐煉鋼工序中鐵水脫鈦較為困難，不利于經(jīng)濟高效生產(chǎn)。爐役末期爐缸殘?zhí)亢穸容^小，鈦礦護爐引起的爐況波動容易誘發(fā)側壁溫度急劇升高，甚至誘發(fā)爐缸燒穿事故。

壓漿可以改善爐缸傳熱系統(tǒng)，但對于抑制爐缸侵蝕的作用比較有限。爐役末期爐缸殘?zhí)亢穸容^小，壓漿容易破壞殘余炭磚，進而引發(fā)爐缸燒穿。

堵風口降低冶強可以降低側壁溫度，但并沒有真正抑制炭磚的繼續(xù)侵蝕。降低冶煉強度也造成生產(chǎn)成本的抬升。

爐役末期爐缸的安全狀況較差，側壁溫度升高后往往使高爐操作者進退兩難：因條件限制往往不能立即停爐，但鈦礦護爐、壓漿又往往造成操作及安全隱患。

水害（隱形水侵蝕）是爐役各個階段都存在的重要侵蝕因素，但爐役末期爐底排水幾乎不起作用。因為爐缸殘?zhí)亢穸容^小，象腳區(qū)搗料層的溫度較高，串煤氣產(chǎn)生的過飽和水（隱形水）自上而下到達象腳區(qū)時將再次氣化，無法到達爐底，但仍然持續(xù)侵蝕象腳區(qū)炭磚。

2. 炭磚熱面凝鐵層的破壞形式和破壞過程

高爐生產(chǎn)過程中，炭磚熱面必然存在凝鐵層，否則任何一座高爐都不可能長壽。

對于凝鐵層的破壞形式，目前業(yè)界認定的有熔化和脫落。并認為凝鐵層脫落是炭磚侵蝕的主要原因。

爐缸侵蝕的普遍情況大致如下圖：

扒爐時發(fā)現(xiàn)象腳區(qū)炭磚被幾乎完全侵蝕但并沒有燒穿是普遍情況！

這可以得出兩個結論：

①爐役末期炭磚熱面凝鐵層沒有發(fā)生過脫落（其實凝鐵層整體呈杯狀結構，非常穩(wěn)固，爐役各階段都極少發(fā)生脫落），否則必然發(fā)生燒穿事故；最后那部分炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的！

②在凝鐵層存在的情況下，造成炭磚消失的因素不會是鐵水環(huán)流、應力、堿金屬、浮力等業(yè)界強調的侵蝕因素。能夠使炭磚消失的主要因素是隱形水侵蝕（因為象腳區(qū)不存在持續(xù)的二氧化碳、氧侵蝕）。

爐役末期更應該強化對于隱形水侵蝕的治理。

隱形水侵蝕造成凝鐵層破壞的形式大多是軟化、外推，極少情況下是脫落。

2.1隱形水造成象腳侵蝕過程簡述

新高爐或者大修后的高爐投產(chǎn)后，由于多種因素的共同作用，在冷卻壁熱面和冷面、爐殼內壁必然形成氣隙。風口串煤氣形成的隱形水將沿著這些氣隙沉積到爐缸下部的縫隙中，水位不斷上升。

爐缸、爐底靠近冷卻壁的炭磚磚縫在高爐投產(chǎn)一定周期后也將產(chǎn)生縫隙及通道。沉積到爐缸下部的隱形水沿著這些縫隙和通道向環(huán)炭內部滲透，隨著溫度的升高轉化為水蒸汽。

在爐底下部，由于內部、外部炭磚的溫度都較低，不具備發(fā)生水煤氣反應的溫度條件，因此隱形水繼續(xù)以液態(tài)水或水蒸汽的形式存在。

隨著水位的上升并向環(huán)炭內部滲透，必將達到具備發(fā)生水煤氣反應溫度條件（約為715℃）的部位。根據(jù)高爐爐缸的設計及運行參數(shù)，這個部位就在象腳區(qū)。

具備發(fā)生水煤氣反應條件后，隱形水的水位將保持穩(wěn)定不再上升，這是因為單位時間內隱形水的產(chǎn)量較小。但是隱形水伴隨高爐生產(chǎn)持續(xù)產(chǎn)生，水位穩(wěn)定在象腳區(qū)持續(xù)侵蝕爐缸炭磚。由于炭磚溫度、隱形水產(chǎn)量等因素的共同影響，隱形水將獨特作用于象腳區(qū)，是象腳侵蝕的主要因素。

加深死鐵層深度后，爐底溫度降低，具備發(fā)生水煤氣反應溫度條件的位置抬升，侵蝕位置升高，象腳侵蝕變化為寬臉型侵蝕。因此隱形水也是造成寬臉型侵蝕的主要因素。

隱形水造成象腳侵蝕的過程示意：

風口串煤氣 → 冷卻壁前后產(chǎn)生冷凝水 → 冷凝水沉積到爐缸下部 → 水位上升至象腳區(qū) → 隱形水自炭磚冷面向炭磚熱面滲透 → 隱形水轉化為水蒸汽 → 高溫水蒸汽與高溫炭磚反應 → 炭磚粉化、消失。

2.2隱形水侵蝕造成保護層破壞

保護層包括爐缸陶瓷杯、陶瓷杯消失后炭磚熱面形成的凝鐵層及鈦合物保護層等。

隱形水侵蝕炭磚是在保護層穩(wěn)定存在的情況下仍然持續(xù)發(fā)生的，是保護層破壞的主要原因。

2.2．1隱形水侵蝕造成陶瓷杯坍塌、漂浮

對于炭磚+陶瓷杯復合結構的爐缸，普遍存在象腳區(qū)陶瓷杯過早消失的情況，而上部陶瓷杯及爐底陶瓷墊侵蝕很輕。陶瓷杯耐材的抗渣鐵侵蝕性能較好，渣鐵侵蝕不是象腳區(qū)陶瓷杯過早消失的主要原因。

采用炭磚+陶瓷杯復合結構爐缸的高爐投產(chǎn)初期，隱形水就不斷向爐缸下部炭磚冷面沉積，最先侵蝕象腳區(qū)炭磚熱面，造成爐缸炭磚熱面粉化甚至產(chǎn)生空腔。由于砌筑陶瓷杯每塊磚之間缺乏整體結合性，在鐵水靜壓的作用下，象腳區(qū)陶瓷杯必然局部坍塌。由于鐵水與陶瓷杯材料密度差較大，象腳區(qū)坍塌的陶瓷杯將漂浮，失去對炭磚的保護作用。象腳區(qū)炭磚將直接面對鐵水，在炭磚熱面將逐漸形成凝鐵層。

2.2．2隱形水侵蝕對凝鐵層的破壞

對于全碳爐缸及陶瓷杯消失的復合結構爐缸，炭磚熱面將形成凝鐵層。穩(wěn)定的凝鐵層是爐缸長壽的保證，但高爐運行的實踐證明，凝鐵層不斷遭到破壞。

目前煉鐵屆普遍認為由于冷卻效果不佳，造成凝鐵層破壞，進而發(fā)生鐵水侵蝕炭磚，因此認為通過改善傳熱、強化冷卻就能夠使凝鐵層穩(wěn)定存在。但冷卻效果僅僅是影響凝鐵層穩(wěn)定的一個因素，隱形水侵蝕對凝鐵層的破壞更大。即使傳熱良好、冷卻強度足夠大、凝鐵層穩(wěn)定存在的情況下，依然會發(fā)生隱形水先侵蝕炭磚，進而影響傳熱，繼而破壞凝鐵層的情況。

高爐生產(chǎn)過程中，隱形水不斷向爐缸下部炭磚冷面沉積，從炭磚冷面不斷向炭磚熱面滲透，逐步變?yōu)楦邷厮羝?。即使炭磚熱面存在穩(wěn)定的凝鐵層 ，只要炭磚溫度達到715℃，水蒸汽就與炭磚發(fā)生水煤氣反應，造成炭磚的粉化、氣化，在凝鐵層及炭磚熱面交界處形成粉化層，甚至形成空腔。這將逐步惡化傳熱效果，使凝鐵層溫度上升、熱面融化、厚度減薄。在這個破壞過程中，由于炭磚熱面存在粉化層，導熱系數(shù)小，爐缸側壁溫度不會上升，熱流強度也不會加大，這兩個重要參數(shù)表現(xiàn)正常甚至更好，讓高爐操作者難以發(fā)現(xiàn)侵蝕的存在。

當凝鐵層厚度減薄到一定程度，在鐵水靜壓的作用下，凝鐵層將發(fā)生最終破壞。破壞形式有三種：裂縫、軟化外推及脫落漂浮。

如果凝鐵層僅僅出現(xiàn)裂縫而沒有漂浮，鐵水將通過裂縫進入炭磚熱面的空腔及粉化層，迅速形成新的凝鐵層；或者鐵水將裂縫的凝鐵層擠壓向炭磚熱面，原有的粉化層及空腔被重新壓實，傳熱改善，在殘余壓裂的凝鐵層熱面生成更厚的凝鐵層。

如果凝鐵層含鐵量較高，在升溫、減薄的同時發(fā)生軟化及塑性變形。在鐵水壓力作用下向炭磚熱面推移，原有的粉化層及空腔被重新壓實，傳熱改善，在殘余塑性變形的凝鐵層熱面生成更厚的凝鐵層。

上述兩種形式凝鐵層破壞和恢復的過程中，不會出現(xiàn)爐缸鐵水持續(xù)直接面對炭磚熱面的情況，側壁溫度及熱流強度沒有明顯變化，高爐操作者無法感知發(fā)生的侵蝕過程。許多高爐大修停爐時發(fā)現(xiàn)，象腳區(qū)炭磚幾乎完全消失，甚至只剩下?lián)v料層，但停爐前該部位的熱流強度一直完全正常。這是因為該部位凝鐵層的破壞形式一直是上述兩種不完全破壞方式，每一次不完全破壞后會形成更厚的凝鐵層。

如果凝鐵層發(fā)生漂浮式破壞，爐缸鐵水會直接面對炭磚，對炭磚熱面造成熔蝕、沖刷，直到形成新的凝鐵層。當鐵水直接面對炭磚時，爐缸側壁溫度會以較快速度升高，熱流強度加大。新的凝鐵層形成后，側壁溫度及熱流強度恢復到正常水平。

象腳區(qū)凝鐵層的破壞形式受多種因素的影響，無法選擇和控制。高爐實際生產(chǎn)過程中，凝鐵層大多發(fā)生裂縫、軟化外推等不完全形式的破壞，較少發(fā)生脫落漂浮式破壞。

如果炭磚厚度較大，冷卻、傳熱系統(tǒng)正常，新的凝鐵層會重新生成；如果殘?zhí)亢穸容^大，但冷卻、傳熱系統(tǒng)不正常，炭磚熱面將無法形成凝鐵層，鐵水熔蝕及沖刷將持續(xù)，側壁溫度保持高位；

如果殘?zhí)亢穸群苄。ㄈ鐮t役末期），即使冷卻、傳熱系統(tǒng)正常，一旦出現(xiàn)凝鐵層漂浮破壞，當鐵水直接面對炭磚時，熱流強度會急劇升高，超出冷卻系統(tǒng)的能力上限，炭磚熱面將無法形成凝鐵層，如不及時休風停爐，就會發(fā)生爐缸燒穿事故。

良好的冷卻效果是凝鐵層形成的前提；冷卻效果不佳和隱形水持續(xù)侵蝕炭磚熱面是凝鐵層破壞的兩個主要因素。只有保證良好的冷卻效果，同時有效抑制隱形水的侵蝕，才能確保凝鐵層的穩(wěn)定、長久存在，避免疊加產(chǎn)生鐵水對炭磚的熔蝕和沖刷，才能實現(xiàn)爐缸長壽。

隱形水先侵蝕炭磚熱面，然后造成凝鐵層破壞。不一定是凝鐵層破壞了才發(fā)生炭磚侵蝕。凝鐵層破壞與炭磚侵蝕的因果關系、主次關系應該重新定位。

3． 隱形水侵蝕的防治途徑

結合隱形水的產(chǎn)生、流向、侵蝕機理及侵蝕過程，提出如下防治隱形水侵蝕的途徑：

1）采取措施抑制風口串煤氣量，減少冷凝水的來源；采取措施，減少冷卻設備滲水、漏水；

2)采取措施抑制隱形水向爐缸下部沉積；

3)采取措施抑制隱形水自爐缸炭磚冷面向熱面的滲透；

4)設法及時排出爐缸下部沉積的冷凝水（也包括設備的滲漏水）；由于頻繁壓漿，爐缸下部的冷凝水常常難以排出；隱形水在向下流動的同時，也沿水平方向流向炭磚熱面；僅僅依靠排水對抑制象腳侵蝕的效果比較有限；

爐役末期爐底往往只能排出蒸汽，難以有效消除水害；抑制隱形水侵蝕需要采取其他合理措施；

5)提高爐缸炭磚的抗水氧化性能；

6)新建及大修的高爐，采用預防隱形水侵蝕的技術措施；

7)在役高爐應及時采取在線治理措施，抑制象腳侵蝕。爐役初期采取在線治理措施，可以保護陶瓷杯不坍塌；爐役中、后期采取在線治理措施，可以有效保護炭磚，延長高爐壽命。

4． 爐役末期爐缸侵蝕的在線治理方法

鈦礦護爐、壓漿、強化冷卻等措施是基于傳統(tǒng)侵蝕理論采取的治理措施，沒有針對象腳侵蝕的重要因素—隱形水侵蝕，因此對抑制象腳侵蝕作用有限。

目前的技術、材料、裝備條件下，爐缸象腳侵蝕（包括寬臉型、蘑菇型侵蝕）的主因是隱形水侵蝕！

爐役末期，象腳區(qū)殘余炭磚厚度較小，炭磚冷面、冷卻壁熱面區(qū)域溫度較高。如果溫度達到100℃以上，上部產(chǎn)生的隱形水到達象腳區(qū)將二次氣化，難以繼續(xù)沉積到爐底，因此爐底排水失去大部分作用，但水蒸氣仍然繼續(xù)侵蝕象腳區(qū)炭磚。

基于隱形水侵蝕的機理、侵蝕過程及爐役末期爐缸的實際狀況，研發(fā)出針對性的在線治理方法：

在高爐正常生產(chǎn)過程中（或者短暫休風的情況下），以較低的壓力（0.7MPa）從象腳區(qū)壓漿孔對冷卻壁熱面區(qū)域注入流動極佳的炭磚保護劑，保護劑呈還原性，其物理、化學特性可以阻斷隱形水的破壞，可以抑制炭磚的進一步侵蝕。

炭磚保護劑350℃以下呈液態(tài)，密度比水小，流動性好，在較低的壓力下（0.7MPa）即可以進入爐底及環(huán)炭內部的氣隙內。液態(tài)保護劑的導熱系數(shù)是氣隙內煤氣導熱系數(shù)的十倍左右，氣隙內充滿液態(tài)保護劑后將顯著改善傳熱條件，提升冷卻效果，起到類似壓漿的作用。

在低溫區(qū)域（350℃以下），保護劑以液態(tài)形式長期存在。由于密度比水小，高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的隱形水將穿過液態(tài)保護劑下沉到爐底，象腳區(qū)炭磚冷面的氣隙內保持液態(tài)保護劑。爐底排水時保護劑仍然保存在爐缸冷面氣隙內。

在高溫區(qū)域，保護劑氣化后形成保護性氣氛。氣態(tài)保護劑的密度是水蒸氣的8倍左右，能夠有效隔絕、水蒸汽自炭磚冷面向熱面?zhèn)鬏?，并呈現(xiàn)還原性，能夠抑制水蒸汽對于炭磚的侵蝕；氣態(tài)保護劑在700℃以上區(qū)域逐步裂解、析炭，填充高溫區(qū)磚縫及炭磚熱面氣隙，改善環(huán)炭系統(tǒng)的傳熱。

基于爐役末期爐缸的實際安全狀況和運行情況，以較低的壓力在象腳區(qū)注入流動性極好的炭磚保護劑，形成液態(tài)、氣態(tài)共同作用的保護性氣氛，可以有效阻斷水及水蒸汽對于殘?zhí)康睦^續(xù)侵蝕，并一定程度改善傳熱條件。

5．炭磚保護劑在線治理爐缸侵蝕的優(yōu)點

① 采用炭磚保護劑治理爐缸侵蝕成本低廉，易于實施。

② 可以替代鈦礦護爐、壓漿等治理措施，效果更好。

③ 可以在線實施治理，不影響高爐正常生產(chǎn)。

④ 相對于鈦礦護爐等措施，炭磚保護劑在線治理對高爐爐況及高爐操作不產(chǎn)生負面影響。

⑤ 相對于壓漿措施，炭磚保護劑加注壓力低，介質流動性非常好，不會造成局部壓力過高，不會損害爐缸殘余炭磚。

⑥ 可以大幅延長爐缸壽命，為計劃大修爭取充裕的時間

⑦ 避免鈦礦護爐等其他治理措施造成的煉鐵成本抬升。

對于爐役末期的高爐，壓漿的風險較大。鈦礦護爐又惡化爐況，增加成本。特別適合采用炭磚保護劑在線治理方法抑制象腳侵蝕，從而延長高爐壽命，確保爐缸安全。

作者簡介：  吳強國，1966年出生，男，工程師，1989年畢業(yè)于同濟大學燃氣工程專業(yè)。

工作單位：河南煜華科技有限公司，從事燃氣工程及燃燒技術研究、高爐爐缸侵蝕機理及防治方法的研究。

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