炉役末期炉缸侵蚀的在线治理

吴强国

（河南煜华科技有限公司 ）  

摘  要：高炉炉役末期，炉缸侧壁炭砖侵蚀严重。侧壁温度升高时往往采取钛矿护炉、压浆、强化冷却、降低冶炼强度等治理措施。钛矿护炉对高炉生产、操作带来诸多负面影响；压浆使炉缸面临重大安全风险；强化冷却作用有限；降低冶炼强度影响正常生产。基于炉缸炭砖的侵蚀机理，采用新的治理措施，在线注入炭砖保护剂，可以避免钛矿护炉及压浆的不利影响。既能够保护炉缸炭砖免受侵蚀、延长高炉寿命，还基本不影响高炉的正常生产。

关键词：炉缸侵蚀  在线治理 炭砖保护剂

1. 目前治理措施的缺点

高炉炉缸下部炭砖的异常侵蚀是高炉普遍存在的顽疾，长期以来一直困扰着炼铁届。新建高炉采取优选耐材、提高冷却强度等措施进行改善。在役高炉通常采取钛矿护炉、压浆、降低冶炼强度等措施进行缓解，但效果欠佳，而且带来诸多负面影响。

诸多高炉的实践表明，钛矿护炉作用有限。炉缸异常侵蚀部位，往往难以形成持久的钛保护层。钛矿护炉影响高炉操作，常常带来炉况波动。钛矿护炉抬升炼铁成本，且后续转炉炼钢工序中铁水脱钛较为困难，不利于经济高效生产。炉役末期炉缸残炭厚度较小，钛矿护炉引起的炉况波动容易诱发侧壁温度急剧升高，甚至诱发炉缸烧穿事故。

压浆可以改善炉缸传热系统，但对于抑制炉缸侵蚀的作用比较有限。炉役末期炉缸残炭厚度较小，压浆容易破坏残余炭砖，进而引发炉缸烧穿。

堵风口降低冶强可以降低侧壁温度，但并没有真正抑制炭砖的继续侵蚀。降低冶炼强度也造成生产成本的抬升。

炉役末期炉缸的安全状况较差，侧壁温度升高后往往使高炉操作者进退两难：因条件限制往往不能立即停炉，但钛矿护炉、压浆又往往造成操作及安全隐患。

水害（隐形水侵蚀）是炉役各个阶段都存在的重要侵蚀因素，但炉役末期炉底排水几乎不起作用。因为炉缸残炭厚度较小，象脚区捣料层的温度较高，串煤气产生的过饱和水（隐形水）自上而下到达象脚区时将再次气化，无法到达炉底，但仍然持续侵蚀象脚区炭砖。

2. 炭砖热面凝铁层的破坏形式和破坏过程

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但并没有烧穿是普遍情况！

这可以得出两个结论：

①炉役末期炭砖热面凝铁层没有发生过脱落（其实凝铁层整体呈杯状结构，非常稳固，炉役各阶段都极少发生脱落），否则必然发生烧穿事故；最后那部分炭砖是在凝铁层存在的情况下消失的！

②在凝铁层存在的情况下，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。能够使炭砖消失的主要因素是隐形水侵蚀（因为象脚区不存在持续的二氧化碳、氧侵蚀）。

炉役末期更应该强化对于隐形水侵蚀的治理。

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（如炉役末期），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。不一定是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、侵蚀机理及侵蚀过程，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；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；

炉役末期炉底往往只能排出蒸汽，难以有效消除水害；抑制隐形水侵蚀需要采取其他合理措施；

5)提高炉缸炭砖的抗水氧化性能；

6)新建及大修的高炉，采用预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． 炉役末期炉缸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治理措施，没有针对象脚侵蚀的重要因素—隐形水侵蚀，因此对抑制象脚侵蚀作用有限。

目前的技术、材料、装备条件下，炉缸象脚侵蚀（包括宽脸型、蘑菇型侵蚀）的主因是隐形水侵蚀！

炉役末期，象脚区残余炭砖厚度较小，炭砖冷面、冷却壁热面区域温度较高。如果温度达到100℃以上，上部产生的隐形水到达象脚区将二次气化，难以继续沉积到炉底，因此炉底排水失去大部分作用，但水蒸气仍然继续侵蚀象脚区炭砖。

基于隐形水侵蚀的机理、侵蚀过程及炉役末期炉缸的实际状况，研发出针对性的在线治理方法：

在高炉正常生产过程中（或者短暂休风的情况下），以较低的压力（0.7MPa）从象脚区压浆孔对冷却壁热面区域注入流动极佳的炭砖保护剂，保护剂呈还原性，其物理、化学特性可以阻断隐形水的破坏，可以抑制炭砖的进一步侵蚀。

炭砖保护剂350℃以下呈液态，密度比水小，流动性好，在较低的压力下（0.7MPa）即可以进入炉底及环炭内部的气隙内。液态保护剂的导热系数是气隙内煤气导热系数的十倍左右，气隙内充满液态保护剂后将显著改善传热条件，提升冷却效果，起到类似压浆的作用。

在低温区域（350℃以下），保护剂以液态形式长期存在。由于密度比水小，高炉生产过程中产生的隐形水将穿过液态保护剂下沉到炉底，象脚区炭砖冷面的气隙内保持液态保护剂。炉底排水时保护剂仍然保存在炉缸冷面气隙内。

在高温区域，保护剂气化后形成保护性气氛。气态保护剂的密度是水蒸气的8倍左右，能够有效隔绝、水蒸汽自炭砖冷面向热面传输，并呈现还原性，能够抑制水蒸汽对于炭砖的侵蚀；气态保护剂在700℃以上区域逐步裂解、析炭，填充高温区砖缝及炭砖热面气隙，改善环炭系统的传热。

基于炉役末期炉缸的实际安全状况和运行情况，以较低的压力在象脚区注入流动性极好的炭砖保护剂，形成液态、气态共同作用的保护性气氛，可以有效阻断水及水蒸汽对于残炭的继续侵蚀，并一定程度改善传热条件。

5．炭砖保护剂在线治理炉缸侵蚀的优点

① 采用炭砖保护剂治理炉缸侵蚀成本低廉，易于实施。

② 可以替代钛矿护炉、压浆等治理措施，效果更好。

③ 可以在线实施治理，不影响高炉正常生产。

④ 相对于钛矿护炉等措施，炭砖保护剂在线治理对高炉炉况及高炉操作不产生负面影响。

⑤ 相对于压浆措施，炭砖保护剂加注压力低，介质流动性非常好，不会造成局部压力过高，不会损害炉缸残余炭砖。

⑥ 可以大幅延长炉缸寿命，为计划大修争取充裕的时间

⑦ 避免钛矿护炉等其他治理措施造成的炼铁成本抬升。

对于炉役末期的高炉，压浆的风险较大。钛矿护炉又恶化炉况，增加成本。特别适合采用炭砖保护剂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。

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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