吳強國
（河南煜華科技有限公司 ）
摘 要：高爐爐缸下部炭磚普遍存在異常侵蝕，目前的侵蝕理論存在重大缺陷，業界總結的侵蝕因素遺漏了隱形水侵蝕這一重要因素，因此一直以來象腳侵蝕的治理效果不佳，高爐短壽成為普遍現象。隱形水由高爐風口串煤氣產生，伴隨高爐生產全過程持續不斷。隱形水沉積到爐缸下部后，獨特作用于高爐爐缸象腳區炭磚，持續不斷侵蝕爐缸下部，是造成象腳侵蝕的重要因素。目前在高爐設計、耐材性能、耐材質量、施工技術、冷卻強度、操作維護等方面都比較完備的情況下，爐缸下部侵蝕仍然普遍存在。這源于對隱形水侵蝕的認識水平較低，對隱形水侵蝕的防治措施幾乎空白?；陔[形水侵蝕的機理和過程，開發爐缸象腳侵蝕防治的產品和方法。實現在高爐正常生產的情況下，進行象腳侵蝕的在線治理?？朔伒V護爐、強化冷卻、壓漿等措施的缺點，為高爐長壽、穩產高產創造條件。
關鍵詞：象腳侵蝕；在線治理；隱形水侵蝕
高爐爐缸的壽命決定了高爐一代爐齡的長短，而爐缸的壽命則大多取決于爐缸、爐底交界區域（俗稱象腳區）的侵蝕狀況。由于爐缸炭磚熱面豎向呈現不均勻侵蝕，象腳區域的侵蝕往往最為嚴重。
目前的侵蝕理論從設計、施工、耐材性能、耐材質量、鐵水環流、鐵水熔蝕、熱應力、有害雜質、操作制度、冶煉強度、冷卻效果、原燃料條件等不同角度對象腳侵蝕的成因進行分析解釋，并針對性地采取相應的防治措施[1-9]。但長期的運行實踐表明，爐缸下部的異常侵蝕仍然普遍存在，現有的侵蝕理論并不完善，仍然存在業界并未發現的侵蝕因素。而隱形水應該是造成高爐爐缸下部異常侵蝕的重要因素[10-11]。
隱形水主要指風口區域串煤氣在炭磚冷面及爐殼內壁之間產生的過飽和冷凝水，其次也包括冷卻設備滲漏到炭磚冷面及爐殼內壁之間不易被發現的滲漏水。這些隱形水沿炭磚冷面及爐殼內壁之間的縫隙沉積到爐缸下部炭磚冷面，再從炭磚冷面沿磚縫進入到炭磚熱面，氣化成高溫水蒸汽后與高溫炭磚發生水煤氣反應，對炭磚造成持續不斷的侵蝕。
過飽和冷凝水伴隨高爐生產的全過程持續產生，但高爐休風后即自行終止，比較難以發現，因此稱其為“隱形水”。
目前在高爐設計、耐材性能、耐材質量、施工技術、冷卻強度、操作維護等方面都比較完備的情況下，爐缸下部侵蝕仍然普遍存在。究其原因，由于對隱形水侵蝕的認識水平較低，對隱形水侵蝕的防治措施幾乎空白。隱形水侵蝕是象腳侵蝕防治的主要短板。
1 現有侵蝕理論的矛盾
現有侵蝕理論羅列諸多爐缸各區域都存在的共性侵蝕因素來解釋象腳侵蝕的成因。
對比這些共性侵蝕因素在不同區域的作用效果，可以推斷他們都不是象腳侵蝕的主要因素：
① 冷卻強度及冷卻效果 象腳區比爐底的冷卻強度大，但侵蝕比爐底快；
象腳區與爐缸中部的冷卻強度接近，但侵蝕比爐缸中部快；
爐缸中部存在環裂，極大破壞傳熱，但炭磚侵蝕并不快；
② 耐材性能及質量 爐底陶瓷墊、爐缸中部陶瓷杯的壽命明顯比象腳區陶瓷杯的壽命長，象腳區同一層炭磚上、下部侵蝕速度明顯不同；
③ 鐵水環流 象腳區鐵水環流速度不是最大，但侵蝕最快
④ 鐵水熔蝕 鐵水液面以下都可能存在鐵水熔蝕的情況，象腳區沒有特殊性
⑤ 熱應力 象腳區在爐役前期、中期、后期，同爐缸中部相比，無論熱應力是大還是小，侵蝕速度都是最快；
⑥ 浮力 爐缸各部位根本不存在持續的浮力；即使瞬間存在浮力，鐵水液面以下各部位的浮力是相同的；瞬間的浮力不足以破壞炭磚；
⑦冶煉強度 冶煉強度大與炭磚侵蝕加劇只是表觀聯系，不是侵蝕的主因。因為冶強增高并不會導致凝鐵層破壞周期縮短。高冶強使象腳侵蝕加劇的觀點誤導太久、太深
其他諸如設計、施工、操作制度、原燃料條件、堿金屬侵蝕、烘爐效果等等，都不是只有象腳區存在的侵蝕因素。
象腳侵蝕是獨特的侵蝕形式，侵蝕速度數倍于其他區域。上述諸多共性侵蝕因素，無法合理解釋象腳侵蝕的成因，甚至是自相矛盾。
雖然象腳侵蝕是多因素作用的結果，但象腳區一定存在獨特的侵蝕因素。目前業界遺漏了象腳區獨特的獨特因素，因此象腳侵蝕的防治效果普遍不佳。
2 炭磚熱面凝鐵層真正的破壞形式和破壞過程
對于爐缸炭磚熱面是否存在凝鐵層，煉鐵屆爭論了很久，這是非?？杀摹７裾J炭磚熱面存在凝鐵層違背基本的傳熱學原理。僅僅承認炭磚熱面存在粘滯層也不符合傳熱學原理。拿萊鋼小高爐冷態解剖的結果否認高爐生產過程中存在凝鐵層是不科學的。
高爐生產過程中，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：
扒爐時發現象腳區炭磚被幾乎完全侵蝕是普遍情況！這可以得出兩個結論：
①爐役后期炭磚熱面凝鐵層沒有發生過脫落（其實爐役各階段都極少發生脫落），否則必然發生燒穿事故；炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的！
②炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的，造成炭磚消失的因素不會是鐵水環流、應力、堿金屬、浮力等業界強調的侵蝕因素。能夠使炭磚消失的是隱形水侵蝕（象腳區不存在持續的二氧化碳、氧侵蝕）。
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一定周期后也將產生縫隙及通道。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，不具備發生水煤氣反應的溫度條件，因此隱形水繼續以液態水或水蒸汽的形式存在。
隨著水位的上升并向環炭內部滲透，必將達到具備發生水煤氣反應溫度條件（約為715℃）的部位。根據高爐爐缸的設計及運行參數，這個部位就在象腳區。
具備發生水煤氣反應條件后，隱形水的水位將保持穩定不再上升，這是因為單位時間內隱形水的產量較小。但是隱形水伴隨高爐生產持續產生，水位穩定在象腳區持續侵蝕爐缸炭磚。由于炭磚溫度、隱形水產量等因素的共同影響，隱形水將獨特作用于象腳區，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 → 冷卻壁前后產生冷凝水 → 冷凝水沉積到爐缸下部 → 水位上升至象腳區 → 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定存在的情況下仍然持續發生的，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，最先侵蝕象腳區炭磚熱面，造成爐缸炭磚熱面粉化甚至產生空腔。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，象腳區坍塌的陶瓷杯將漂浮，失去對炭磚的保護作用。象腳區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定存在。但冷卻效果僅僅是影響凝鐵層穩定的一個因素，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、凝鐵層穩定存在的情況下，依然會發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，逐步變為高溫水蒸汽。即使炭磚熱面存在穩定的凝鐵層 ，只要炭磚溫度達到715℃，水蒸汽就與炭磚發生水煤氣反應，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，這兩個重要參數表現正常甚至更好，讓高爐操作者難以發現侵蝕的存在。
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，不會出現爐缸鐵水持續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生的侵蝕過程。許多高爐大修停爐時發現，象腳區炭磚幾乎完全消失，甚至只剩下搗料層，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。高爐實際生產過程中，凝鐵層大多發生裂縫、軟化外推等不完全形式的破壞，較少發生脫落漂浮式破壞。
如果炭磚厚度較大，冷卻、傳熱系統正常，新的凝鐵層會重新生成；如果殘炭厚度較大，但冷卻、傳熱系統不正常，炭磚熱面將無法形成凝鐵層，鐵水熔蝕及沖刷將持續，側壁溫度保持高位；如果殘炭厚度很小，即使冷卻、傳熱系統正常，一旦出現凝鐵層漂浮破壞，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定、長久存在，避免疊加產生鐵水對炭磚的熔蝕和沖刷，才能實現爐缸長壽。
隱形水先侵蝕炭磚熱面，然后造成凝鐵層破壞。不是原來認為的凝鐵層破壞了才發生炭磚侵蝕。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
結合隱形水的產生、流向及侵蝕機理，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；爐役后期往往只能排出蒸汽；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；
5)提高爐缸炭磚的抗水氧化性能；
6)新建及大修的高爐，考慮采用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 象腳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侵蝕理論采取的措施，沒有針對象腳侵蝕的真正主因，因此對抑制象腳侵蝕作用有限。
筆者認為，目前的裝備條件下，象腳侵蝕的主因是隱形水侵蝕！
基于隱形水侵蝕機理及侵蝕過程，研發出一號、二號炭磚保護劑，可以實現高爐在線治理象腳侵蝕。在高爐正常生產過程中，不需要休風的情況下，進行炭磚保護劑的壓入、治理。
治理步驟一：從爐缸下部壓漿孔注入一號保護劑
一號炭磚保護劑流動性好，可以進入爐底及環炭內部高溫區域，形成保護性氣氛，抑制水蒸汽繼續侵蝕炭磚；并逐步結焦、析炭，填充磚縫及炭磚熱面氣隙，改善環炭系統的傳熱。
治理步驟二：在象腳區壓入二號炭磚保護劑
二號保護劑壓入250℃以下區域的氣隙內，抑制串煤氣、阻斷隱形水向熱面流動，并改善冷卻壁熱面、冷面的傳熱。
一號、二號炭磚保護劑分批壓入，聯合作用，可以抑制隱形水繼續侵蝕炭磚，并部分修復已經侵蝕的磚縫和炭磚熱面氣隙。
對于爐役初期的高爐，采用炭磚保護劑可以預防發生象腳侵蝕，輕松實現高爐長壽；即使提高冶煉強度也不再加劇象腳侵蝕。
對于爐役末期的高爐，壓漿的風險極大。鈦礦護爐又惡化爐況，增加成本。特別適合采用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。
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