王 一 杰 ， 張建良 ， 焦 克新 ， 王 翠 ， 鄧 勇

（ 北京科技大 學冶金與 生態工程學院， 北 京 100083 ）

摘 要：高爐爐缸側壁溫度升高不僅給高爐安全生產帶來巨大隱患，也嚴重威脅著髙爐長壽。 本文綜述了高爐爐缸側壁溫度升髙的原因，歸納總結了相應的應對措施。 結果表明：爐缸側壁高溫點一般位于鐵口附近及鐵口中心線以下1—1.5ｍ處，通過爐缸傳熱體系分析， 從傳熱學角度分析了爐缸鐵口附近側壁溫度升高的原因， 發現鐵水環流、 冶煉強度、 爐缸氣隙、 炭磚侵蝕和冷卻強度等是影響爐缸側壁溫度升高的重要因素， 并總結了相應的應對措施，為治理爐缸側壁溫度升高提供參考依據。

關鍵詞： 高爐；爐缸側壁；傳熱學； 鐵口

隨著鋼鐵行業的發展，裝備制造水平的提高，高爐大型化已經成為必然趨勢，高爐長壽越來越為人們所關注。我國高爐長壽技術發展迅速，部分高爐壽命達15年以上^[1] 。但近些年來，國內許多高爐出現了爐缸側壁溫度異常升高的現象，爐缸燒穿事故也不斷增加 ^[2]，不僅給髙爐安全生產帶來巨大隱患，也嚴重威脅著高爐長壽。本文綜述了前人在爐缸側壁溫度升高問 題上的研究成果，歸納總結了應的應對措施，為治理爐缸側壁溫度升高提供參考依據 。

１ 爐缸側壁溫度升高案例分析

近幾年來，我國高爐出現爐缸側壁溫度升高的現象不斷增多，表１列出了發生爐缸側壁溫度升高的部分高爐統計 。

由表1可以看出，不論是小高爐還是大高爐，均存在爐缸側壁溫度升高的現象，且高溫區域 一般出現在鐵口附近及鐵口中心線以下1—1.5m處， 高溫點溫度一般在500℃以上，個別高爐達到 900℃ 甚至超過1000℃，成為高爐生產的重大安全隱患。

因此，有必要掌握爐缸側壁溫度升高的原因，尋求解決對策，實現高爐安全生產和高爐長 壽。

2 高爐爐缸傳熱體系

根據傳熱學理論，通過爐缸內襯導出的熱量絕大部分被冷卻水帶走，通過爐殼散失的熱量 可以忽略不計， 因此爐缸傳熱可近似看做穩態傳熱。高爐爐缸傳熱示意圖如圖1所示^[3-4]。

爐缸熱流強度由式（1）表示。

式中 ： t₁為冷卻水溫度 ，℃ ； t₄為鐵水溫度 ，℃ ； α₁為冷卻水與水管壁之間的對流換熱系數，Ｗ／（m²·℃） ； ％ α₂為鐵水與爐墻之間的對流換熱系數， Ｗ／（m²·℃） ； lⁱ為爐缸各部分的厚度，m ； λ_i為爐缸各部分的導熱系數 ，Ｗ／（m²·℃）。

３ 爐缸側壁溫度升高原因

爐缸側壁溫度與爐缸傳熱體系的熱流導一熱流導出過程是否穩定、平衡有密切關系。在上述 分析中，鐵水對流換熱q₂為爐缸傳熱體系的熱量收入部分，冷卻壁導熱為爐缸傳熱體系的 熱量支出部分，當收入和支出相等，整個傳熱體系達到一種平衡狀態， 才能保證側壁溫度的穩定。從爐缸傳熱體系的熱量收入、熱量傳遞、 熱量支出三個方面解釋爐缸側壁溫度升高的原因。

3.1 熱量收入

根據式（２），爐缸傳熱體系熱量收入由鐵水溫度t_４和鐵水與爐墻對流換熱系數α₂決定， 鐵 水環流和冶煉強度是其主要影響因素。

3.1.1 鐵水環流

鐵水環流主要影響鐵水與爐墻對流換熱系數α₂，鐵水環流加劇， 對流換熱系數α₂增大，爐 墻熱面溫度上升。關于鐵水環流速度的影響因素，通過數值模擬研究發現^[5]，死料柱孔隙率 增大、死料柱直徑減小以及死料柱在爐缸中浮起時，都有利于減少側壁周圍的鐵水環流密度， 降低鐵水環流的速度。

此外，鐵口參數對鐵水流動也有影響。減小鐵口直徑，可以降低出鐵速度，減緩鐵水環流;合適的鐵口深度和角度也有利于降低鐵水流速。周國凡^[6]認為，鐵口深度為爐缸半徑的 0.45 倍較為合適，鐵口角度由10°增加到20°時鐵水速度可降低 6%~7%。

3.1.2 冶煉強度

提高冶煉強度可以增加高爐產量，鐵水流速增大，鐵水環流加劇。陳川^[7]等人研究表明，鐵水每升高50℃℃，炭磚熱面溫度升高 33℃℃;高爐利用系數從1.8t(m³·d)提高到2.6t/(m³·d)，換熱系數從80W/(m²·℃)增加到115W/(m²·℃)，炭磚熱面溫度提高 120℃。

此外，有研究表明^[8]，隨著冶煉強度的提高，焦炭氣孔率增加，反應性增強，焦炭劣化加劇，導致下降到爐缸的焦炭粒度和強度迅速減小，造成爐缸死料柱孔隙度下降加劇了鐵水環流。

3.2熱量傳遞

爐缸各部分熱阻決定了爐缸熱量能否傳遞到冷卻壁上。氣隙和爐缸炭磚侵蝕狀況是影響熱量傳遞的重要因素。

3.2.1 爐缸氣隙

爐缸氣隙是指爐缸冷卻設備與炭磚之間出現的間隙，或爐缸炭磚與搗料間以及炭磚內部出現的斷層或間隙。通常爐缸氣隙問題容易發生在大塊爐缸炭磚加吸收熱膨脹的填料層結構的高爐上。鄒忠平^{錯誤！未找到引用源。}等人分析了爐缸氣隙產生的主要因素有爐殼變形、烘爐不徹底或爐缸漏水、耐材施工質量差、冷卻壁存在大量縫隙以及爐缸壓漿不合理。郭憲臻^[10]等人在安鋼8號高爐爐缸條件下，通過計算得出氣隙熱阻占爐缸傳熱體系總熱阻的27.1%，計算結果如圖 2、圖3所示。氣隙的存在會顯著增大爐缸側壁熱阻，阻礙熱量傳導;同時氣隙中的煤氣和水蒸氣會加劇碳素沉積反應。由于上述原因，氣隙的存在會導致炭磚熱面渣鐵殼厚度減小甚至脫落，引起側壁溫度升高。

3.2.2爐缸炭磚侵蝕

爐缸炭磚侵蝕的原因分為物理因素和化學因素，物理因素包括鐵水對炭磚的滲透和溶蝕、鐵水環流的沖刷、熱應力，化學因素包括堿金屬侵蝕、CO₂和 H₂O對炭磚的氧化、碳素沉積反應^[11]。

(1)鐵水對炭磚的滲透和溶蝕。當炭磚熱面的渣鐵殼脫落或者消失后，爐缸中的鐵水在靜壓力的作用下會通過炭磚氣孔向炭磚內部滲透。通過高爐爐缸破損調查發現^[12]炭磚熱面存在脆化層，會加快鐵水向炭磚滲透。由于鐵水中的碳未達到飽和，會不斷溶蝕炭磚，造成炭磚物理性能降低，進而被侵蝕破壞。

(2)鐵水環流的沖刷。鐵水環流是爐缸“象腳”侵蝕的重要原因之一，而鐵水環流強弱主要取決于死料柱空隙度以及死料柱在爐缸中的狀態。改善焦炭質量可以提高死料柱空隙度，加深死鐵層深度可以使死料柱浮起，兩者均有利于減弱鐵水環流。但提高死鐵層深度會加大爐缸鐵水靜壓力，加快鐵水對爐底炭磚的溶蝕。關于死鐵層合理深度孫金鐸^[13]認為一般按爐缸直徑的15%~20%設計較合適，大型高爐死鐵層深度不宜大于 2.5~3.2m。

(3)熱應力。高爐冷卻系統導致炭磚兩側存在溫度梯度，產生熱應力。熱應力導致炭磚產生微裂紋，是炭磚環裂的誘因^[14]。

(4)堿金屬侵蝕。堿金屬在爐缸部位只能以氣態形式存在。當炭磚產生微裂紋時，堿金屬蒸氣就會順著裂紋進入炭磚內部，導致微裂紋擴張，最終引起炭磚開裂、碎化。

(5)炭磚氧化。H₂O和CO₂在高溫下都可以氧化炭磚造成炭磚粉化，加快炭磚侵蝕。其氧化反應為:

(6) 碳素沉積反應。在高爐 450~650℃區間內^[15]會發生碳素沉積反應:

CO進入炭磚與炭磚發生反應，或鐵水中的[C]析出，沉積的碳使炭磚體積膨脹，產生裂紋，造成炭磚破壞。

一般來說，生產高爐爐缸爐底炭磚熱面存在一層渣鐵焦炭的沉積物即渣鐵殼。渣鐵殼的熱阻很大，并且具有較強的抗沖刷能力，可以有效的保護炭磚不被侵蝕。然而，原燃料條件以及操作制度的變化會導致渣鐵殼減薄甚至脫落，使炭磚失去保護層而遭到破壞。此外，在高爐實際生產中不可避免地會發生管道、崩料和懸料等事故，這些爐況異?，F象會嚴重影響爐料正常下降以及煤氣流的合理分布，引起爐況波動，造成爐缸不活;爐況恢復時所采取的措施如加空焦和錳礦、螢石等洗爐料，也會引起爐缸炭磚熱面的渣鐵殼減的脫落，并對炭磚造成一定程度的破壞，最終使爐缸側壁溫度升高。

3.3熱量支出

爐缸熱量主要由冷卻水帶走，冷卻壁結構不變的情況下，冷卻制度對冷卻壁的冷卻強度起主要作用，決定了爐缸傳熱體系的熱量支出。

3.3.1 冷卻制度

冷卻制度包括冷卻水水量、水速和水溫。許俊^[16]等人研究表明，水量和水速的變化可以改變冷卻水與水管壁對流換熱系數a₁，而冷卻水對流換熱熱阻占整個爐缸傳熱體系熱阻的比例很小，無限制提高水速并不能有效改善爐缸熱量傳遞，一般確定爐缸冷卻水速為 2.0m/s比較合適。

由式(2)(3)可知，降低水溫t₁使得爐缸熱流強度q₃增大，在其他條件不變的情況下，爐墻熱面溫度t₃降低，有利于保護爐襯。

冷卻水質對冷卻壁的冷卻效果也有很大影響。水質較差，水中的鈣、鎂離子會逐漸析出，在冷卻水管內壁上形成水垢。程素森^[17]等人研究發現，水垢相當于一層隔熱層嚴重影響冷卻壁的傳熱。對于鑄鐵冷卻壁，當結垢厚度為1~5mm，冷卻壁綜合傳熱系數降低28%~68%。

4 爐缸側壁溫度升高應對措施

4.1降低鐵水環流速度

鐵水環流速度與死料柱狀態有關，原燃料質量以及爐缸工作狀態對死料柱狀態有重要影響。焦炭是整個高爐料柱的骨架，焦炭質量對死料柱透氣透液性有重要影響。焦炭是堿金屬富集的主要載體，堿金屬對焦炭熱態性能的危害也最大，其他有害元素，如Zn，Pb可以催化焦炭氣化溶損反應，降低焦炭強度，特別是多種元素共同作用，焦炭劣化更嚴重^[18-20]。爐缸不活，爐缸中心難以吹透，造成死料柱孔隙度下降，鐵水環流增強。

因此，應改善原燃料條件，保證焦炭質量，適當降低焦炭反應性，提高焦炭反應后強度;嚴格控制焦丁入爐，提高料柱透氣性;降低原燃料中有害元素含量，建立有害元素入爐控制標準;提高高爐排出有害元素的能力。在操作上以“促進中心氣流發展，適當抑制邊緣氣流”為原則，保證爐缸活躍。具體操作分為以下兩個方面:(1)下部調劑，即通過送風制度進行調整。增加小風口和長風口的數量，縮小進風面積，增強鼓風動能，保證爐缸中心活躍。及時更換上翹的風口，調整風口布局，保證鼓風動能充足。

(2) 上部調劑，即通過裝料制度進行調整。改變布料矩陣，采用中心加焦的布料模式，調整煤氣流的分布，加快爐缸死料柱的更新，提高死料柱的透氣透液性。調整鐵水成分，適當增加鐵水中[Si]含量，提高鐵水物理熱，保證渣鐵具有良好的流動性，減少死料柱中滯留的渣鐵，提高死料柱透氣透液性，減弱鐵水環流;降低鐵水中[S]含量，減輕鐵水[S]對炭磚的侵蝕。

4.2 控制冶煉強度

通過降低風量、降低富氧率、退焦炭負荷以及堵風口降低冶煉強度，可以迅速降低爐缸熱負荷，降低鐵水環流速度，對降低爐缸側壁溫度效果顯著。但會嚴重降低高爐產量，影響高爐經濟效益。

4.3 爐缸壓漿

對于消除爐缸部位氣隙，最有效的方法就是爐缸壓漿壓漿材料、壓漿工藝是影響爐缸壓漿效果的重要因素。壓漿材料要根據高爐爐缸耐火材料選擇。李峰光^[21]等人利用ANSYS 軟件建立了壓漿過程爐襯應力計算模型，發現適當提高壓漿的壓力，采用“少量、多孔”的壓漿方針可以顯著改善壓漿效果，要避免在爐壁最薄處開孔壓漿。

4.4 減緩爐缸侵蝕

鈦礦護爐是減緩炭磚侵蝕的有效措施。其機理是:在渣-鐵反應中，中的(TiO₂)可被鐵水中的C還原生成Ti，其反應方程式為:

當鐵水中[Ti]的含量達到一定值后，便會以TiC或TiN 的形式在爐缸侵蝕部位的低溫區域析出，其反應方程式為:

析出的 TiC 和 Ti經過物相重構演變可形成 Ti(N，C)固溶物。

焦克新^[22]等人在熱力學的基礎上建立含鈦護爐渣鐵有效鈦含量控制模型，定量研究了達到護爐效果鐵水[Ti]含量，并且通過模型計算發現提高鐵水中[Si]、[C]的含量，可以提高鐵水中 TiC 的析出溫度，進而改善護爐效果。

鐵口部位工作狀況比較惡劣，出鐵時渣鐵的機械沖刷和高溫的渣鐵熱流導致鐵口侵蝕往往比較嚴重。加強鐵口維護，是治理爐缸側壁溫度升高的關鍵。加深鐵口深度，控制好鐵口的角度，改善炮泥質量，保證泥包具有足夠的強度和穩定性，提高泥包的保護效果;提高開口質量，保證良好的出鐵情況，穩定出鐵時間，減緩出鐵速度，減少鐵水環流的侵蝕。

4.5 加強高爐冷卻系統管理

加強對高爐冷卻設備的監控，及時更換損壞的冷卻壁及風口，避免冷卻水進入爐缸。同時改善冷卻水質，避免冷卻水管結垢，提高冷卻效果。

5 結論

(1) 鐵口部位是侵蝕最為嚴重的地方，高溫點往往出現在該部位。

(2)爐缸側壁溫度與爐缸傳熱體系的熱流導入一熱流導出過程是否穩定、平衡有密切關系，熱量收入和支出相等，整個傳熱體系達到一種平衡狀態，才能保證側壁溫度的穩定。

(3)影響爐缸側壁溫度的因素主要有鐵水環流、冶煉強度、爐缸氣隙、炭磚侵蝕和冷卻強度。

(4)爐缸側壁溫度升高的應對措施有改善原燃料條件降低冶煉強度、活躍爐缸中心、消除爐缸氣隙、加強鐵口維護、加強冷卻系統管理以及鈦礦護爐。

這項工作得到了高等學校學科創新引智計劃資助項目(B13004)的大力支持。

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