炉缸侵蚀的在线治理方法

来源：  发布日期：2021/1/28  点击次数：2862

象脚侵蚀的在线治理方法

吴强国

（河南煜华科技有限公司 ）  

 

摘  要：高炉炉缸下部炭砖普遍存在异常侵蚀，目前的侵蚀理论存在重大缺陷，业界总结的侵蚀因素遗漏了隐形水侵蚀这一重要因素，因此一直以来象脚侵蚀的治理效果不佳，高炉短寿成为普遍现象。隐形水由高炉风口串煤气产生，伴随高炉生产全过程持续不断。隐形水沉积到炉缸下部后，独特作用于高炉炉缸象脚区炭砖，持续不断侵蚀炉缸下部，是造成象脚侵蚀的重要因素。目前在高炉设计、耐材性能、耐材质量、施工技术、冷却强度、操作维护等方面都比较完备的情况下，炉缸下部侵蚀仍然普遍存在。这源于对隐形水侵蚀的认识水平较低，对隐形水侵蚀的防治措施几乎空白。基于隐形水侵蚀的机理和过程，开发炉缸象脚侵蚀防治的产品和方法。实现在高炉正常生产的情况下，进行象脚侵蚀的在线治理。克服钛矿护炉、强化冷却、压浆等措施的缺点，为高炉长寿、稳产高产创造条件。

关键词：象脚侵蚀  在线治理  隐形水侵蚀

 

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。

目前的侵蚀理论从设计、施工、耐材性能、耐材质量、铁水环流、铁水熔蚀、热应力、有害杂质、操作制度、冶炼强度、冷却效果、原燃料条件等不同角度对象脚侵蚀的成因进行分析解释，并针对性地采取相应的防治措施^[1-9]。但长期的运行实践表明，炉缸下部的异常侵蚀仍然普遍存在，现有的侵蚀理论并不完善，仍然存在业界并未发现的侵蚀因素。而隐形水应该是造成高炉炉缸下部异常侵蚀的重要因素^[10-11]。

隐形水主要指风口区域串煤气在炭砖冷面及炉壳内壁之间产生的过饱和冷凝水，其次也包括冷却设备渗漏到炭砖冷面及炉壳内壁之间不易被发现的渗漏水。这些隐形水沿炭砖冷面及炉壳内壁之间的缝隙沉积到炉缸下部炭砖冷面，再从炭砖冷面沿砖缝进入到炭砖热面，气化成高温水蒸汽后与高温炭砖发生水煤气反应，对炭砖造成持续不断的侵蚀。

过饱和冷凝水伴随高炉生产的全过程持续产生，但高炉休风后即自行终止，比较难以发现，因此称其为“隐形水”。

目前在高炉设计、耐材性能、耐材质量、施工技术、冷却强度、操作维护等方面都比较完备的情况下，炉缸下部侵蚀仍然普遍存在。究其原因，由于对隐形水侵蚀的认识水平较低，对隐形水侵蚀的防治措施几乎空白。隐形水侵蚀是象脚侵蚀防治的主要短板。

1. 现有侵蚀理论的矛盾

现有侵蚀理论罗列诸多炉缸各区域都存在的共性侵蚀因素来解释象脚侵蚀的成因。       

对比这些共性侵蚀因素在不同区域的作用效果，可以推断他们都不是象脚侵蚀的主要因素：    

① 冷却强度及冷却效果    象脚区比炉底的冷却强度大，但侵蚀比炉底快；

                         象脚区与炉缸中部的冷却强度接近，但侵蚀比炉缸中部快；

                         炉缸中部存在环裂，极大破坏传热，但炭砖侵蚀并不快；

②  耐材性能及质量       炉底陶瓷垫、炉缸中部陶瓷杯的寿命明显比象脚区陶瓷杯的寿命长，象脚区同一层炭砖上、下部侵蚀速度明显不同；

③  铁水环流   象脚区铁水环流速度不是最大，但侵蚀最快

④  铁水熔蚀   铁水液面以下都可能存在铁水熔蚀的情况，象脚区没有特殊性

⑤  热应力     象脚区在炉役前期、中期、后期，同炉缸中部相比，无论热应力是大还是小，侵蚀速度都是最快；

⑥  浮力   炉缸各部位根本不存在持续的浮力；即使瞬间存在浮力，铁水液面以下各部位的浮力是相同的；瞬间的浮力不足以破坏炭砖；

 

⑦冶炼强度   冶炼强度大与炭砖侵蚀加剧只是表观联系，不是侵蚀的主因。因为冶强增高并不会导致凝铁层破坏周期缩短。高冶强使象脚侵蚀加剧的观点误导太久、太深

  其他诸如设计、施工、操作制度、原燃料条件、碱金属侵蚀、烘炉效果等等，都不是只有象脚区存在的侵蚀因素。

  象脚侵蚀是独特的侵蚀形式，侵蚀速度数倍于其他区域。上述诸多共性侵蚀因素，无法合理解释象脚侵蚀的成因，甚至是自相矛盾。

  虽然象脚侵蚀是多因素作用的结果，但象脚区一定存在独特的侵蚀因素。目前业界遗漏了象脚区独特的独特因素，因此象脚侵蚀的防治效果普遍不佳。

2. 炭砖热面凝铁层真正的破坏形式和破坏过程

对于炉缸炭砖热面是否存在凝铁层，炼铁届争论了很久，这是非常可悲的。否认炭砖热面存在凝铁层违背基本的传热学原理。仅仅承认炭砖热面存在粘滞层也不符合传热学原理。拿莱钢小高炉冷态解剖的结果否认高炉生产过程中存在凝铁层是不科学的。

高炉生产过程中，炭砖热面必然存在凝铁层，否则任何一座高炉都不可能长寿。

对于凝铁层的破坏形式，目前业界认定的有熔化和脱落。并认为凝铁层脱落是炭砖侵蚀的主要原因。

炉缸侵蚀的普遍情况大致如下图：

扒炉时发现象脚区炭砖被几乎完全侵蚀是普遍情况！这可以得出两个结论：

①炉役后期炭砖热面凝铁层没有发生过脱落（其实炉役各阶段都极少发生脱落），否则必然发生烧穿事故；炭砖是在凝铁层存在的情况下消失的！

②炭砖是在凝铁层存在的情况下消失的，造成炭砖消失的因素不会是铁水环流、应力、碱金属、浮力等业界强调的侵蚀因素。能够使炭砖消失的是隐形水侵蚀（象脚区不存在持续的二氧化碳、氧侵蚀）。

隐形水侵蚀造成凝铁层破坏的形式大多是软化、外推，极少情况下是脱落。

2.1隐形水造成象脚侵蚀过程简述

新高炉或者大修后的高炉投产后，由于多种因素的共同作用，在冷却壁热面和冷面、炉壳内壁必然形成气隙。风口串煤气形成的隐形水将沿着这些气隙沉积到炉缸下部的缝隙中，水位不断上升。

炉缸、炉底靠近冷却壁的炭砖砖缝在高炉投产一定周期后也将产生缝隙及通道。沉积到炉缸下部的隐形水沿着这些缝隙和通道向环炭内部渗透，随着温度的升高转化为水蒸汽。

在炉底下部，由于内部、外部炭砖的温度都较低，不具备发生水煤气反应的温度条件，因此隐形水继续以液态水或水蒸汽的形式存在。

随着水位的上升并向环炭内部渗透，必将达到具备发生水煤气反应温度条件（约为715℃）的部位。根据高炉炉缸的设计及运行参数，这个部位就在象脚区。

具备发生水煤气反应条件后，隐形水的水位将保持稳定不再上升，这是因为单位时间内隐形水的产量较小。但是隐形水伴随高炉生产持续产生，水位稳定在象脚区持续侵蚀炉缸炭砖。由于炭砖温度、隐形水产量等因素的共同影响，隐形水将独特作用于象脚区，是象脚侵蚀的主要因素。

加深死铁层深度后，炉底温度降低，具备发生水煤气反应温度条件的位置抬升，侵蚀位置升高，象脚侵蚀变化为宽脸型侵蚀。因此隐形水也是造成宽脸型侵蚀的主要因素。

隐形水造成象脚侵蚀的过程示意：

风口串煤气 → 冷却壁前后产生冷凝水 → 冷凝水沉积到炉缸下部 → 水位上升至象脚区 → 隐形水自炭砖冷面向炭砖热面渗透 → 隐形水转化为水蒸汽 → 高温水蒸汽与高温炭砖反应 → 炭砖粉化、消失。

2.2隐形水侵蚀造成保护层破坏

保护层包括炉缸陶瓷杯、陶瓷杯消失后炭砖热面形成的凝铁层及钛合物保护层等。

隐形水侵蚀炭砖是在保护层稳定存在的情况下仍然持续发生的，是保护层破坏的主要原因。

2.2．1隐形水侵蚀造成陶瓷杯坍塌、漂浮

对于炭砖+陶瓷杯复合结构的炉缸，普遍存在象脚区陶瓷杯过早消失的情况，而上部陶瓷杯及炉底陶瓷垫侵蚀很轻。陶瓷杯耐材的抗渣铁侵蚀性能较好，渣铁侵蚀不是象脚区陶瓷杯过早消失的主要原因。

采用炭砖+陶瓷杯复合结构炉缸的高炉投产初期，隐形水就不断向炉缸下部炭砖冷面沉积，最先侵蚀象脚区炭砖热面，造成炉缸炭砖热面粉化甚至产生空腔。由于砌筑陶瓷杯每块砖之间缺乏整体结合性，在铁水静压的作用下，象脚区陶瓷杯必然局部坍塌。由于铁水与陶瓷杯材料密度差较大，象脚区坍塌的陶瓷杯将漂浮，失去对炭砖的保护作用。象脚区炭砖将直接面对铁水，在炭砖热面将逐渐形成凝铁层。

2.2．2隐形水侵蚀对凝铁层的破坏

对于全碳炉缸及陶瓷杯消失的复合结构炉缸，炭砖热面将形成凝铁层。稳定的凝铁层是炉缸长寿的保证，但高炉运行的实践证明，凝铁层不断遭到破坏。

目前炼铁届普遍认为由于冷却效果不佳，造成凝铁层破坏，进而发生铁水侵蚀炭砖，因此认为通过改善传热、强化冷却就能够使凝铁层稳定存在。但冷却效果仅仅是影响凝铁层稳定的一个因素，隐形水侵蚀对凝铁层的破坏更大。即使传热良好、冷却强度足够大、凝铁层稳定存在的情况下，依然会发生隐形水先侵蚀炭砖，进而影响传热，继而破坏凝铁层的情况。

高炉生产过程中，隐形水不断向炉缸下部炭砖冷面沉积，从炭砖冷面不断向炭砖热面渗透，逐步变为高温水蒸汽。即使炭砖热面存在稳定的凝铁层 ，只要炭砖温度达到715℃，水蒸汽就与炭砖发生水煤气反应，造成炭砖的粉化、气化，在凝铁层及炭砖热面交界处形成粉化层，甚至形成空腔。这将逐步恶化传热效果，使凝铁层温度上升、热面融化、厚度减薄。在这个破坏过程中，由于炭砖热面存在粉化层，导热系数小，炉缸侧壁温度不会上升，热流强度也不会加大，这两个重要参数表现正常甚至更好，让高炉操作者难以发现侵蚀的存在。

当凝铁层厚度减薄到一定程度，在铁水静压的作用下，凝铁层将发生最终破坏。破坏形式有三种：裂缝、软化外推及脱落漂浮。

如果凝铁层仅仅出现裂缝而没有漂浮，铁水将通过裂缝进入炭砖热面的空腔及粉化层，迅速形成新的凝铁层；或者铁水将裂缝的凝铁层挤压向炭砖热面，原有的粉化层及空腔被重新压实，传热改善，在残余压裂的凝铁层热面生成更厚的凝铁层。

如果凝铁层含铁量较高，在升温、减薄的同时发生软化及塑性变形。在铁水压力作用下向炭砖热面推移，原有的粉化层及空腔被重新压实，传热改善，在残余塑性变形的凝铁层热面生成更厚的凝铁层。

上述两种形式凝铁层破坏和恢复的过程中，不会出现炉缸铁水持续直接面对炭砖热面的情况，侧壁温度及热流强度没有明显变化，高炉操作者无法感知发生的侵蚀过程。许多高炉大修停炉时发现，象脚区炭砖几乎完全消失，甚至只剩下捣料层，但停炉前该部位的热流强度一直完全正常。这是因为该部位凝铁层的破坏形式一直是上述两种不完全破坏方式，每一次不完全破坏后会形成更厚的凝铁层。

如果凝铁层发生漂浮式破坏，炉缸铁水会直接面对炭砖，对炭砖热面造成熔蚀、冲刷，直到形成新的凝铁层。当铁水直接面对炭砖时，炉缸侧壁温度会以较快速度升高，热流强度加大。新的凝铁层形成后，侧壁温度及热流强度恢复到正常水平。

象脚区凝铁层的破坏形式受多种因素的影响，无法选择和控制。高炉实际生产过程中，凝铁层大多发生裂缝、软化外推等不完全形式的破坏，较少发生脱落漂浮式破坏。

如果炭砖厚度较大，冷却、传热系统正常，新的凝铁层会重新生成；如果残炭厚度较大，但冷却、传热系统不正常，炭砖热面将无法形成凝铁层，铁水熔蚀及冲刷将持续，侧壁温度保持高位；如果残炭厚度很小，即使冷却、传热系统正常，一旦出现凝铁层漂浮破坏，当铁水直接面对炭砖时，热流强度会急剧升高，超出冷却系统的能力上限，炭砖热面将无法形成凝铁层，如不及时休风停炉，就会发生炉缸烧穿事故。

良好的冷却效果是凝铁层形成的前提；冷却效果不佳和隐形水持续侵蚀炭砖热面是凝铁层破坏的两个主要因素。只有保证良好的冷却效果，同时有效抑制隐形水的侵蚀，才能确保凝铁层的稳定、长久存在，避免叠加产生铁水对炭砖的熔蚀和冲刷，才能实现炉缸长寿。

隐形水先侵蚀炭砖热面，然后造成凝铁层破坏。不是原来认为的凝铁层破坏了才发生炭砖侵蚀。凝铁层破坏与炭砖侵蚀的因果关系、主次关系应该重新定位。

 

3． 隐形水侵蚀的防治途径

结合隐形水的产生、流向及侵蚀机理，提出如下防治隐形水侵蚀的途径：

1）采取措施抑制风口串煤气量，减少冷凝水的来源；采取措施，减少冷却设备渗水、漏水；

2)采取措施抑制隐形水向炉缸下部沉积；

3)采取措施抑制隐形水自炉缸炭砖冷面向热面的渗透；

4)设法及时排出炉缸下部沉积的冷凝水（也包括设备的渗漏水）；由于频繁压浆，炉缸下部的冷凝水常常难以排出；炉役后期往往只能排出蒸汽；隐形水在向下流动的同时，也沿水平方向流向炭砖热面；仅仅依靠排水对抑制象脚侵蚀的效果比较有限；

5)提高炉缸炭砖的抗水氧化性能；

6)新建及大修的高炉，考虑采用防隐形水侵蚀的技术措施；

7)在役高炉应及时采取在线治理措施，抑制象脚侵蚀。炉役初期采取在线治理措施，可以保护陶瓷杯不坍塌；炉役中、后期采取在线治理措施，可以有效保护炭砖，延长高炉寿命。

 

4． 象脚侵蚀的在线治理方法

钛矿护炉、压浆、强化冷却等措施是基于传统侵蚀理论采取的措施，没有针对象脚侵蚀的真正主因，因此对抑制象脚侵蚀作用有限。

笔者认为，目前的装备条件下，象脚侵蚀的主因是隐形水侵蚀！

基于隐形水侵蚀机理及侵蚀过程，研发出一号、二号炭砖保护剂，可以实现高炉在线治理象脚侵蚀。在高炉正常生产过程中，不需要休风的情况下，进行炭砖保护剂的压入、治理。

治理步骤一：从炉缸下部压浆孔注入一号保护剂

一号炭砖保护剂流动性好，可以进入炉底及环炭内部高温区域，形成保护性气氛，抑制水蒸汽继续侵蚀炭砖；并逐步结焦、析炭，填充砖缝及炭砖热面气隙，改善环炭系统的传热。

治理步骤二：在象脚区压入二号炭砖保护剂

二号保护剂压入250℃以下区域的气隙内，抑制串煤气、阻断隐形水向热面流动，并改善冷却壁热面、冷面的传热。

 

一号、二号炭砖保护剂分批压入，联合作用，可以抑制隐形水继续侵蚀炭砖，并部分修复已经侵蚀的砖缝和炭砖热面气隙。

 

对于炉役初期的高炉，采用炭砖保护剂可以预防发生象脚侵蚀，轻松实现高炉长寿；即使提高冶炼强度也不再加剧象脚侵蚀。

 

对于炉役末期的高炉，压浆的风险极大。钛矿护炉又恶化炉况，增加成本。特别适合采用在线治理方法抑制象脚侵蚀，从而延长高炉寿命，确保炉缸安全。

 

 

高炉是一个黑匣子，炭砖侵蚀过程无法直观看到。对于象脚侵蚀每一种可能的成因，建议大家多运用反证法，多做不同部位的对比，从而甄别出主次原因。

 

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]汤清华  关于延长高炉炉缸寿命的若干问题  炼铁 2014.10  P7-11

[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

[4]张寿荣  于仲杰  《武钢高炉长寿技术》

[5]张寿荣  高炉长寿技技术展望  炼铁  2009.08  P1-5

[6]项钟庸  国外高炉炉缸长寿技术研究  中国冶金  2013.07  P1-10

[7]张福明  程树森  《现代高炉长寿技术》

[8]王筱留  2004-《钢铁冶金学 炼铁部分 （第二版）》

[9]姜  华  蔡九菊  在役高炉炉缸状态的辨析、诊断与维护  中国冶金  2015.11  P33-39

[10]吴强国  另一种视角探索象脚侵蚀的成因   第2届全国高炉长寿及高风温技术研讨会论文集P79-104

[11]吴强国  高炉炉缸象脚侵蚀成因的再思考   2016年全国高炉炼铁学术年会论文集P59-62。

 

作者简介：  吴强国，1966年出生，男，工程师，1989年毕业于同济大学燃气工程专业。

工作单位：河南煜华科技有限公司，从事燃气工程及燃烧技术研究、高炉炉缸侵蚀机理及防治方法的研究。

联系电话： 13803862530（微信同号）   网址：www.xinxingranqi.com

E-mail:   wuqiangguo1966 @ sina.com

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