吴总工论文被中国金属学会2016年炼铁学术年会收录
中国金属学会2016年炼铁学术年会5月18日-20日在厦门召开。吴强国总工程师参会并发表学术论文“高炉炉缸炭砖热面侵蚀的竖向对比分析”。
现将该论文转发如下：
2016 年全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会
高炉炉缸炭砖热面侵蚀的竖向对比分析
吴强国
郑州烨化燃气烘炉有限公司
摘 要：高炉炉缸上部、中部、下部炭砖侵蚀速度存在巨大差异，炉缸下部象脚区炭砖的异常侵蚀是高炉短寿及炉缸烧穿事故的主要原因。对比分析铁水环流、铁水溶蚀等侵蚀因素的影响，否定铁水环流是象脚侵蚀的主要原因这一业界共识，推断出象脚侵蚀主要原因的可能形式。
关键词：高炉 炉缸 侵蚀 对比
高炉炉缸的寿命决定了高炉一代炉龄的长短，而炉缸的寿命则大多取决于炉缸、炉底交界区域（俗称象脚区）的侵蚀状况。由于炉缸炭砖热面竖向呈现不均匀侵蚀，象脚区域的侵蚀往往最为严重。对比分析炉缸竖向侵蚀的不同状况，可能有助于找到象脚状侵蚀的成因。
1. 高炉炉缸的竖向区域划分
根据高炉炉缸不同部位的功能及工作状况，自上而下将将炉缸划分为铁水未充盈带（上部）、铁口带（中部）、死铁层带（下部）。高炉生产过程中，出铁前铁水最高液面与出铁后铁水最低液面之间为铁口带（炉缸中部），铁口带以上为铁水未充盈带（炉缸上部），铁口带以下为死铁层带（炉缸下部）。
2. 高炉炉缸常见侵蚀状况
不同炉容、不同设计、不同结构、不同耐材、不同施工质量、不同烘炉效果、不同操作制度、不同冶炼强度、不同冷却效果、不同原燃料条件、不同护炉方式等因素都会对炉缸侵蚀造成一定的影响，从而造成单体高炉侵蚀的一些差异。但对于大多数一代炉龄终结的高炉而言，其炉缸炭砖侵蚀状况呈现出许多共性：炉缸上部炭砖热面侵蚀较轻但环状裂缝较宽；铁口带炭砖热面侵蚀加重但环状裂缝较窄；死铁层带炭砖热面侵蚀最严重，有的高炉该部位炭砖几乎完全消失，但环状裂缝最窄。
高炉炉缸常见侵蚀状况如图1所示。
图 1
显然，炉缸死铁层区的炭砖侵蚀最严重，是高炉长寿的致命因素。具体到不同高炉，可能表现为象脚状侵蚀、蒜头状侵蚀、蘑菇状侵蚀等。
3. 高炉炉缸炭砖侵蚀因素分析
目前已知的影响高炉炉缸炭砖侵蚀的因素有炉缸设计、耐材性能、耐材质量、铁水环流、铁水溶蚀、有害元素侵蚀、热应力、结构性应力、冷却强度、环状裂缝影响、死铁层深度、渣（铁）皮保护、钛矿护炉情况、冶炼强度等。基于炉缸炭砖热面侵蚀存在巨大的竖向差异，本文重点选取与此关联性较高的影响因素进行探讨。
目前炉缸结构分为全炭炉缸和陶瓷杯加炭砖的复合炉缸。陶瓷杯消失后复合炉缸也可以看做全炭炉缸。在对比炉缸炭砖热面侵蚀的竖向差异时，都以陶瓷杯消失后的状况为参考，因为陶瓷杯消失后炉缸炭砖仍然要使用很长时间。
3.1铁水溶蚀
在炉缸上部因铁水未充盈，加之存在渣皮保护，铁水不会长时间直接接触炉缸炭砖热面，因此该部位铁水溶蚀的影响非常有限。
铁口带的工况是不断变化的。由于周期性出铁，该部位铁水液面不断上下浮动，周期性浸没炉缸炭砖。而且该处铁水为新生成铁水，碳饱和度较低，出铁造成该处铁水的不断流动，各项因素叠加后，该部位的铁水溶蚀情况较严重。
死铁层铁水的流动不明显，铁水的置换周期长，碳饱和度较高，铁水对炉缸炭砖的溶蚀速度较慢。近年来死铁层的深度不断加大，象脚区的位置更低，象脚区铁水溶蚀的速度应该低于铁口带。
3.2铁水环流
铁水环流由高炉出铁引发，受出铁速度、死料柱的透液性及死料柱的浸没深度等影响。出铁速度越快、死料柱透液性越差、死料柱浸没越深，铁水环流的速度越大。
炉缸上部未充盈铁水，不存在铁水环流。
铁口带在出铁过程中会出现铁水环流，但在出铁前期由于炉内铁水量较多，铁水环流不明显。出铁后期，剩余铁水量较少，铁口标高以上的铁水深度减小，铁水环流速度加大。因此铁口带的下半部受铁水环流侵蚀的程度稍大。
死铁层的上部受铁口带下部铁水环流的带动，会有轻微的环流现象。由于铁水密度大，死铁层的深度大，在死铁层下部的象脚区不会有明显的铁水环流。
虽然客观上存在铁水环流，但铁水环流的流速极低，没有形成冲刷的足够动能。根据东北大学的数学模型计算，铁水环流的流速为0.005m/s，近似蜗牛的速度。即使铁水的密度较大，也没有足够的动能形成机械冲刷。只有铁口附近的流速较大，客观存在铁水冲刷的情况，但这不是环流冲刷。
由于铁水环流的流速低，动能小，加之炉缸炭砖热面可能形成的粘滞层（甚至是铁壳层）的隔离，铁水环流无法对炉缸炭砖形成强烈的冲刷侵蚀。尤其在炉缸下部的象脚区，铁水环流的冲刷侵蚀更是非常有限。虽然象脚状侵蚀的外貌类似铁水环流冲刷形成，但并不能据此肯定这种侵蚀就一定是铁水环流造成的。
铁水环流可以造成这种外貌特征，但这种外貌特征并不一定就是铁水环流造成，这才是科学的逻辑。
3.3有害元素侵蚀
由于入炉原燃料条件的制约，加之高炉各部位存在气隙及串煤气情况，难免存在钾、钠、铅、锌等有害元素的传播和富集。有害元素主要在风口燃烧区分解气化，进入煤气，通过煤气和高炉水冷却系统漏水在炉缸或风口区凝结和富集。如果进入碳砖则发生碳砖氧化和粉化。
基于高炉内部的实际工况，炉缸上部比较容易受到钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀。实际的高炉破碎调查也证实在炉缸炭砖环形裂缝中富集有害元素。
铁口带也存在环形裂缝，因此也存在钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀。
由于有渣（铁）皮的保护，铁口带及炉缸上部炭砖热面受钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀程度有限。
在死铁层区域，炉缸环形裂缝较窄，；在象脚区环形裂缝几乎没有。因此钾、钠、铅、锌等有害元素通过环形裂缝到达并侵蚀象脚区炭砖的程度很轻。由于死铁层铁水的隔离，钾、钠、铅、锌等有害元素对炉缸下部炭砖热面的侵蚀程度非常有限。
3.4结构性应力
对于新投产的高炉，炉缸上部、中部、下部的耐材厚度差别较大。特别是复合结构的炉缸，炉缸与炉底陶瓷垫相结合。由于不同材质的耐材相互交错，在高炉投产后的高温环境中，热膨胀系数的差异将产生较大的结构性应力。径向的、轴向的结构性应力交叉作用，对炉缸、炉底交界处的耐材产生巨大的损害。因此虽然该部位的耐材厚度很大，但侵蚀速度也快得多，使用寿命并不长。
高炉使用一定周期后，炉缸上部、中部、下部的耐材厚度将趋于接近。这时候陶瓷杯基本消失，炉缸上部、中部、下部的结构性应力趋于一致。但炉缸上部、中部、下部的炭砖侵蚀速度仍然存在巨大差异，特别是象脚区的炉缸炭砖继续以较快的速度被侵蚀，这时结构性应力的影响应该比较有限。
3.5热应力
高炉炉缸的热应力由炉内、炉外的巨大温差产生。温度梯度差越大，热应力也随之增大。
对于新投产的高炉，炉缸上部、中部、下部的耐材厚度差别较大。上部厚度最小，下部厚度最大。
虽然炉缸各部位接触的介质不同，但就高炉内部温度场而言，炉缸上部、中部、下部没有太大差别。炉缸外部环境是冷却壁，炉缸外部各部位的温度场基本相同。因此炉缸上部、中部、下部内外温差基本相同，基于耐材厚度的差异，炉缸上部的温度梯度最大，铁口带炉缸的温度梯度较小，死铁层带炉缸的温度梯度最小。与之对应的是，炉缸上部的热应力最大，铁口带的热应力较小，死铁层带的热应力最小。
当高炉生产一定周期后，炉缸上部、中部、下部的厚度将趋于接近，热应力状况也趋于接近。
由于炉缸下部的侵蚀速度更快，高炉寿命后期，炉缸下部厚度最小，热应力最大。
但从高炉炉缸的整个侵蚀过程看，无论热应力是最大还是最小，象脚区的侵蚀速度都是最快的，因此热应力不是象脚区异常侵蚀的主要因素。
3.6 环状裂缝与冷却强度
高炉生产一定周期后，炉缸炭砖内部大多形成环形裂缝。裂缝自上而下达到铁口带，也有达到象脚区的。裂缝上宽下窄，到达象脚区的宽度非常有限。
环形裂缝的存在造成钾、钠、铅、锌等有害元素的富集，进而对炭砖造成进一步的侵蚀。
环形裂缝的存在形成较大的热阻，极大影响炉缸的冷却效果。由于环形裂缝上宽下窄，因此炉缸热阻上大下小。就环形裂缝对炉缸冷却效果的影响而言，炉缸上部冷却效果最差，铁口带的冷却效果较差，死铁层区的冷却效果较好。
相对而言死铁层区的冷却效果最好，但死铁层区炭砖的侵蚀速度却最快。提高冷却强度可以缓解象脚区的侵蚀速度，但不能阻止侵蚀的持续发生，冷却效果不是影响象脚区异常侵蚀的主要因素。
3.7 渣（铁）皮、粘滞层保护及钛矿护炉
铁口以上炉缸内壁存在渣皮，能够对炉缸炭砖起到保护作用。对于铁口以下炉缸内壁是否存在凝固的铁皮，学界一直分歧严重，但都认为存在粘滞层，一定程度起到隔离铁水与炉缸炭砖接触的作用。
根据对象脚侵蚀状况非常严重高炉的分析，有的炉缸炭砖几乎完全被侵蚀，但高炉仍在正常生产，并未发生炉缸烧穿事故。据此可以推断死铁层区域炉缸内壁客观存在相当厚的铁皮，否则在炭砖几乎完全消失的情况下高炉是不可能继续生产的。
炉缸实际的运行状况可能是：陶瓷杯消失后，炭砖热面逐步形成一定厚度的铁皮和粘滞层，阻断了铁水与炉缸炭砖的直接接触，中断了铁水对炭砖的溶蚀，也阻断了铁水环流的冲刷。但是炭砖热面仍然发生其他原因引起的持续侵蚀，并诱发已经形成的铁皮周期性脱落。如果炭砖厚度较小，铁皮的脱落将引起局部炉缸温度升高，这时往往采取钛矿护炉、降低冶炼强度、堵风口等措施，使该处炉缸温度恢复到正常状态。炉缸温度恢复的过程实际上也是该部位新的铁皮（或钛合物保护层）形成的过程。
钛矿护炉是利用钛合物熔点更高、更容易凝结的特性，对炉缸局部温度升高部位采取的快速制造凝固层的过程。钛矿护炉有一定效果，但只是在创面上贴膏药，并不能根本阻止象脚侵蚀的继续发展。钛矿护炉成本很高，许多民营钢企宁可放弃。依靠持续钛矿护炉实现的高炉长寿不是真正意义的长寿，而目前的长寿高炉大多依赖持续的钛矿护炉。
3.8 炉缸炭砖侵蚀因素与侵蚀程度的竖向对比
汇总以上所述各项因素对高炉炉缸炭砖侵蚀的影响，竖向对比炉缸上部、中部、下部的侵蚀状况，列表如下：
|
侵蚀因素 |
炉缸上部（未充盈带） |
炉缸中部（铁口带） |
炉缸下部（死铁层带） |
备 注 |
|
铁水溶蚀 |
非常有限 |
严重 |
较重 |
|
|
铁水环流 |
无 |
严重 |
较轻 |
|
|
有害元素 |
严重 |
较重 |
较轻 |
|
|
结构性应力 |
趋向一致 |
趋向一致 |
趋向一致 |
高炉生产一段时间 |
|
热应力 |
趋向一致 |
趋向一致 |
趋向一致 |
高炉生产一段时间 |
|
冷却强度 |
差 |
较差 |
较好 |
|
|
渣（铁）皮保护层 |
有 |
有 |
有 |
|
|
综合侵蚀因素 |
较轻 |
严重 |
较重 |
|
|
理论侵蚀状况 |
较轻 |
严重 |
较重 |
|
|
实际侵蚀状况 |
较轻 |
较重 |
严重 |
|
3.9 对比分析
综合分析炉缸上部、中部、下部的侵蚀因素，可以看出铁口带的工况最恶劣，铁水溶蚀及铁水环流最强，综合侵蚀因素最严重，应该是炭砖侵蚀最严重的部位。但实际情况不是这样，实际侵蚀最严重的部位发生在象脚区，而象脚区的工况比铁口带好得多。象脚区几乎没有铁水环流，铁水的碳饱和度较高，还有凝铁层及粘滞层的保护，铁水溶蚀应该较轻。但象脚区炉缸炭砖的侵蚀速度是铁口带的3~5倍甚至更高，这就使我们有理由相信可能存在炼铁届尚未认知的侵蚀因素，独特作用于象脚区炉缸炭砖。这一侵蚀因素是炉缸象脚区异常侵蚀的主要原因，也是高炉长寿的主要敌人。
4 结语
4.1铁水环流流速很小，加之死铁层较深，另有凝铁层及粘滞层的保护，铁水环流不可能对象脚区产生实质性的冲刷，铁水环流不是象脚侵蚀的主要原因。
4.2象脚区凝铁层周期性脱落是象脚区异常侵蚀的表观现象，凝铁层脱落的成因可能就是象脚区异常侵蚀的主要因素。凝铁层脱落后铁水溶蚀也迅速加剧，并诱发炉缸局部温度升高。
4.3强化冷却效果可以有限程度减缓炉缸的侵蚀速度，但无法阻止象脚区异常侵蚀的继续发展。
4.4炼铁届目前尚未找到象脚区异常侵蚀的主要原因及对策，目前仍应按照常规措施尽量延缓炉缸炭砖的侵蚀速度。
5 参考文献
[1]邹中平 郭宪臻 高炉炉缸气隙的危害及防治 钢铁 2012.06 P9-13
[2]李洋龙 程树森 王颖生 高炉停水烘炉的探讨 2014全国炼铁学术年会文集 P948-953
[3]黄晓煜 孙金铎 高炉炉缸破损的原因与控制 2014全国炼铁学术年会文集 P916-921
