爐役末期爐缸侵蝕的在線治理

吳強國

（河南煜華科技有限公司 ）  

摘  要：高爐爐役末期，爐缸側壁炭磚侵蝕嚴重。側壁溫度升高時往往采取鈦礦護爐、壓漿、強化冷卻、降低冶煉強度等治理措施。鈦礦護爐對高爐生產、操作帶來諸多負面影響；壓漿使爐缸面臨重大安全風險；強化冷卻作用有限；降低冶煉強度影響正常生產。基于爐缸炭磚的侵蝕機理，采用新的治理措施，在線注入炭磚保護劑，可以避免鈦礦護爐及壓漿的不利影響。既能夠保護爐缸炭磚免受侵蝕、延長高爐壽命，還基本不影響高爐的正常生產。

關鍵詞：爐缸侵蝕  在線治理 炭磚保護劑

1. 目前治理措施的缺點

高爐爐缸下部炭磚的異常侵蝕是高爐普遍存在的頑疾，長期以來一直困擾著煉鐵屆。新建高爐采取優選耐材、提高冷卻強度等措施進行改善。在役高爐通常采取鈦礦護爐、壓漿、降低冶煉強度等措施進行緩解，但效果欠佳，而且帶來諸多負面影響。

諸多高爐的實踐表明，鈦礦護爐作用有限。爐缸異常侵蝕部位，往往難以形成持久的鈦保護層。鈦礦護爐影響高爐操作，常常帶來爐況波動。鈦礦護爐抬升煉鐵成本，且后續轉爐煉鋼工序中鐵水脫鈦較為困難，不利于經濟高效生產。爐役末期爐缸殘炭厚度較小，鈦礦護爐引起的爐況波動容易誘發側壁溫度急劇升高，甚至誘發爐缸燒穿事故。

壓漿可以改善爐缸傳熱系統，但對于抑制爐缸侵蝕的作用比較有限。爐役末期爐缸殘炭厚度較小，壓漿容易破壞殘余炭磚，進而引發爐缸燒穿。

堵風口降低冶強可以降低側壁溫度，但并沒有真正抑制炭磚的繼續侵蝕。降低冶煉強度也造成生產成本的抬升。

爐役末期爐缸的安全狀況較差，側壁溫度升高后往往使高爐操作者進退兩難：因條件限制往往不能立即停爐，但鈦礦護爐、壓漿又往往造成操作及安全隱患。

水害（隱形水侵蝕）是爐役各個階段都存在的重要侵蝕因素，但爐役末期爐底排水幾乎不起作用。因為爐缸殘炭厚度較小，象腳區搗料層的溫度較高，串煤氣產生的過飽和水（隱形水）自上而下到達象腳區時將再次氣化，無法到達爐底，但仍然持續侵蝕象腳區炭磚。

2. 炭磚熱面凝鐵層的破壞形式和破壞過程

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但并沒有燒穿是普遍情況！

這可以得出兩個結論：

①爐役末期炭磚熱面凝鐵層沒有發生過脫落（其實凝鐵層整體呈杯狀結構，非常穩固，爐役各階段都極少發生脫落），否則必然發生燒穿事故；最后那部分炭磚是在凝鐵層存在的情況下消失的！

②在凝鐵層存在的情況下，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。能夠使炭磚消失的主要因素是隱形水侵蝕（因為象腳區不存在持續的二氧化碳、氧侵蝕）。

爐役末期更應該強化對于隱形水侵蝕的治理。

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（如爐役末期），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。不一定是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、侵蝕機理及侵蝕過程，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；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；

爐役末期爐底往往只能排出蒸汽，難以有效消除水害；抑制隱形水侵蝕需要采取其他合理措施；

5)提高爐缸炭磚的抗水氧化性能；

6)新建及大修的高爐，采用預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． 爐役末期爐缸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治理措施，沒有針對象腳侵蝕的重要因素—隱形水侵蝕，因此對抑制象腳侵蝕作用有限。

目前的技術、材料、裝備條件下，爐缸象腳侵蝕（包括寬臉型、蘑菇型侵蝕）的主因是隱形水侵蝕！

爐役末期，象腳區殘余炭磚厚度較小，炭磚冷面、冷卻壁熱面區域溫度較高。如果溫度達到100℃以上，上部產生的隱形水到達象腳區將二次氣化，難以繼續沉積到爐底，因此爐底排水失去大部分作用，但水蒸氣仍然繼續侵蝕象腳區炭磚。

基于隱形水侵蝕的機理、侵蝕過程及爐役末期爐缸的實際狀況，研發出針對性的在線治理方法：

在高爐正常生產過程中（或者短暫休風的情況下），以較低的壓力（0.7MPa）從象腳區壓漿孔對冷卻壁熱面區域注入流動極佳的炭磚保護劑，保護劑呈還原性，其物理、化學特性可以阻斷隱形水的破壞，可以抑制炭磚的進一步侵蝕。

炭磚保護劑350℃以下呈液態，密度比水小，流動性好，在較低的壓力下（0.7MPa）即可以進入爐底及環炭內部的氣隙內。液態保護劑的導熱系數是氣隙內煤氣導熱系數的十倍左右，氣隙內充滿液態保護劑后將顯著改善傳熱條件，提升冷卻效果，起到類似壓漿的作用。

在低溫區域（350℃以下），保護劑以液態形式長期存在。由于密度比水小，高爐生產過程中產生的隱形水將穿過液態保護劑下沉到爐底，象腳區炭磚冷面的氣隙內保持液態保護劑。爐底排水時保護劑仍然保存在爐缸冷面氣隙內。

在高溫區域，保護劑氣化后形成保護性氣氛。氣態保護劑的密度是水蒸氣的8倍左右，能夠有效隔絕、水蒸汽自炭磚冷面向熱面傳輸，并呈現還原性，能夠抑制水蒸汽對于炭磚的侵蝕；氣態保護劑在700℃以上區域逐步裂解、析炭，填充高溫區磚縫及炭磚熱面氣隙，改善環炭系統的傳熱。

基于爐役末期爐缸的實際安全狀況和運行情況，以較低的壓力在象腳區注入流動性極好的炭磚保護劑，形成液態、氣態共同作用的保護性氣氛，可以有效阻斷水及水蒸汽對于殘炭的繼續侵蝕，并一定程度改善傳熱條件。

5．炭磚保護劑在線治理爐缸侵蝕的優點

① 采用炭磚保護劑治理爐缸侵蝕成本低廉，易于實施。

② 可以替代鈦礦護爐、壓漿等治理措施，效果更好。

③ 可以在線實施治理，不影響高爐正常生產。

④ 相對于鈦礦護爐等措施，炭磚保護劑在線治理對高爐爐況及高爐操作不產生負面影響。

⑤ 相對于壓漿措施，炭磚保護劑加注壓力低，介質流動性非常好，不會造成局部壓力過高，不會損害爐缸殘余炭磚。

⑥ 可以大幅延長爐缸壽命，為計劃大修爭取充裕的時間

⑦ 避免鈦礦護爐等其他治理措施造成的煉鐵成本抬升。

對于爐役末期的高爐，壓漿的風險較大。鈦礦護爐又惡化爐況，增加成本。特別適合采用炭磚保護劑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。

作者簡介：  吳強國，1966年出生，男，工程師，1989年畢業于同濟大學燃氣工程專業。

工作單位：河南煜華科技有限公司，從事燃氣工程及燃燒技術研究、高爐爐缸侵蝕機理及防治方法的研究。

聯系電話： 13803862530（微信同號）   網址：www.taovs.top

E-mail:   wuqiangguo1966 @ sina.com

• 上一條： 堵風口降低爐缸側壁溫度技術措施的機理質疑與探討
• 下一條： 爐缸侵蝕的在線治理方法