进入21世纪以来，鞍钢高炉大型化发展非常迅速。与此同时，炼铁生产能力也不断提髙，仅辽宁鞍山、鲅鱼圈、朝阳三地的11座高炉年产能就可超过2600万t。但髙炉长寿方面，尤其是炉缸长寿方面没有得到根本改善。本文结合近年来鞍钢高炉炉缸破损调査结果，重点对造成高炉炉缸异常侵蚀的原因进行了分析，并阐述了鞍钢在炉缸长寿和维护方面的应对措施。
鞍钢高炉炉缸异常侵蚀
鞍钢4座3200m³和3座2580m³大型高炉破损调査结果表明，炉缸长寿的限制性部位都是在铁口中心线以下1.5~3m，铁口圆周方向15°以内，其侵蚀特征主要呈现异常侵蚀状况(见表1)。这与该部位铁水流速大，不容易形成“渣铁保护层”有关，因而容易产生炭砖的铁水冲刷侵蚀;同时，该部位承受剪切应力最大，当高炉炭砖的抗压与抗折强度指标小于承受的剪切应力时，炭砖就容易断裂。因此，加强该部位炭砖的防护是确保炉缸长寿的重点。
▲表1 鞍钢高炉炉缸异常侵蚀状况
炉缸异常侵蚀的原因
2.1铁水环流
由于“死料柱”的存在，炉缸内出现铁水环流是必然现象。铁水环流冲刷炉缸侧壁，造成“象脚形”侵蚀。铁水环流速度与高炉冶炼强度密切相关，冶炼强度越大，炉缸单位时间内产生和排出的铁水量越大，高炉炉缸内铁水环流速度也越大。铁水环流加剧铁水对炭砖渗透和冲刷，造成炭砖出现分步性和阶段性分层和粉化后剥离，此时，会造成对应部位检测点温度和热流强度跳跃式波动。
▲ 图1 鞍钢高炉炉缸铁水环流造成的炭砖侵蚀
鞍钢1号高炉(一代)和朝阳高炉的破损调查时，铁水环流造成炭砖侵浊的现象均十分明显(见图1)。提高焦炭质量，提高中心死料堆空隙度，降低冶炼强度，堵风口，提高死铁层高度，或是缩小铁口直径，可以减缓该部位的侵蚀。但从鞍钢生产实践来看，提高焦炭质量和降低冶炼强度是最有效、最直接的方法。除此之外，就是保证冷却壁与炭砖之间形成通畅的传热通道，从而在炭砖热面形成稳定的凝铁层。要使冷却壁与炭砖之间形成通畅的传热通道，除了保证炭砖与炭捣料传热系数相近外，还要保证冷却壁的冷却能力与炭砖的导热能力相闪配。鞍凌高炉炉缸冷却壁水管规格小(仅为Φ60×6mm)、炉缸冷却水量偏小(仅为1710m³/h，后期才增加到3100m³/h，而铁口区域NMD炭砖导热系数很大，达到100W/(m·K)，冷却壁的冷却能力与炭砖的的导热能力不匹配，造成炭砖没有得到有效地冷却，热面很难形成有效的凝铁层，在铁水环流作用下容易促使炭砖薄弱环节“象脚形”侵蚀加剧。
2.2应力破坏
炉缸结构炭砖主要应力有：热膨胀受约束后产生的热应力，各层之间挤压应力，铁水产生的静压力，炭砖冷-热面产生的剪切力。炉缸结构的破坏的最终因素是应力-强度破坏，炭砖结构强度不足导致的破坏是突变性或是灾难性的：相比于局部炭砖的角部崩裂，大量炭砖出现环裂对高炉长寿是非常致命的。炭砖产生环裂纹后，炭砖不再是一个整体，出现气阻层，其内部的热量向外传递受阻，外部的冷却效果降低，促使炭砖热面温度升高，不能形成有效的保护层，侵蚀速度加快。
▲图2 鞍钢高炉炉缸应力造成的炭砖侵蚀
鞍钢新1号高炉(二代)和4号高炉破损调查时，均发现炭砖环裂现象(见图2)究其原因，主要是炭砖强度和炭砖设计长度不匹配。新1号高炉和4号高炉铁口及铁口以下使用兰炭超微孔大块炭砖，炭砖设计长度在1.4-1.6m，导热系数大于18W/(m·K)，最大抗压强度只有36MPa，希望提高炭砖长度和导热系数来延长炉缸寿命。但炭砖长度过长导致炭砖冷-热面温差过大，尤其是在市场形势好需增加产量时，高炉冶炼强度提高导致炭砖热面温度进一步增加，炭砖保护的凝铁层消失，炭砖冷-热面温差进一步增加，相应的热应力也进一步增加，当超过炭砖最大抗压强度时，炭砖出现环裂：此外，炉缸、风口漏水及碱金属侵蚀，进一步了扩大炭砖环裂程度。
鞍钢高炉破损调查结果表明，避免炭砖环裂提高炉缸炭砖寿命的最有效方法，是找到炭砖长度与炭砖抗压强度、抗折强度的平衡点当炭砖设计长度较长时，炭砖抗压强度、抗折强度也需得到保证;反之，则可对炭砖抗压强度、抗折强度放松要求，如UCAR小块炭砖尽管强度稍低，但从来没有见到过这种炭砖的环裂现象。近年来，随着炭砖性能指标的提高，尤其是超微孔炭砖的导热系数提高到18W/(m·K)以上后，抗压强度大于50MPa，炭砖长度缩短，炭砖热面与冷面温度差缩小，炭砖发生环裂现象已经大幅度减少，即使有也是局部微细裂纹而没有形成贯通缝。
2.3 化学氧化侵蚀
碱金属和锌均能渗透到炭砖微隙内部发生化学反应，造成炭砖体积膨胀，引起炭砖粉化;因冷却设备破损造成向炉缸漏水，水在高温条件下与炭砖发生水煤气化学反应，从而引起炭砖失碳、粉化，最终使炭砖强度下降。鞍钢高炉破损调查时，多座高炉发现炭砖氧化侵蚀造成的炭砖疏松、粉化现象。鞍钢新1号高炉锌负荷0.18kg/t，K₂O负荷2.0kg/t，Na₂O负荷1.1kg/t，碱金属综合负荷为3.1kg/t，在国内处于中等水平，在新1号高炉炉缸炭砖的粉化处检测出大量的碱金属和Zn(见表2)。
▲表2 鞍钢新1号高炉炉缸取样分析结果，%
为了减少有害元素对炭砖的侵蚀，除了控制好碱金属负荷和锌负荷，选用抗碱金属、抗锌侵蚀性能好的炭砖外，还应提高冷却强度，将炭砖热面温度控制在碱金属和锌对炭砖的侵蚀温度以下。在日常生产中，应定期更换漏水风口和检修冷却设备，避免炭砖受到长期的氧化侵蚀。
2.4炭素胶泥质量不过关
鞍钢新2号高炉(一代)和新3号高炉(一代)炉缸都采用NMD和NMA小块炭砖，破损调查时均发现局部炭砖缝隙大、砖缝钻铁现象(见图3)。小块炭砖尽管有导热性好的特点，但由于炭砖块小势必造成砖缝多。小块炭砖砌筑要求砖缝之间使用质量优良的炭素胶泥结合，同时，要求开炉初期炉缸快速升温，保证炭砖膨胀形成整体。
▲图3 鞍钢高炉炉缸破损调查时的碳砖砖缝
而新2号高炉和新3号高炉炉缸结构形式是高导热小块炭砖加优质陶瓷杯。使用高导热系数小块炭砖目的是高效传热，而优质陶瓷杯的目的是保温，减少炉缸热量损失，因此，该炉缸结构形式在设计上就存在导热理念与保温理念的协调问题。只要炭素胶泥质量不过关，一旦陶瓷杯局部出现裂纹，铁水渗入后就会造成胶泥粉化和挥发，进而造成砖缝扩大。
应对措施探讨
(1)优化炉缸设计。铁口以下是炉缸侵蚀的重点区域，必须选用抗渣铁、碱金属和水氧化侵蚀能力强，<1μm孔容积率大于80%，导热性能优良的炭砖，同时坚持炉壳、填料、冷却壁、填料、炭砖，沿径向由外到内导热系数逐渐减小的砌筑原则，避免“热阻”存在。保障冷却壁的冷却能力是炉缸安全运行的基础。为保证高炉的冷却能力，鞍钢将炉缸冷却壁的水管规格由Φ60×4mm提高到Φ70×4nim，有效冷却比表面积提高到1.0以上同时，新建冷却水泵站，提高高炉炉缸的冷却水的供水能力，保障冷却壁中水的流速>2m/s。
(2)避免炉缸检测死角。近年来，我国多次发生大高炉烧穿事故，其中某厂1号4037m³高炉发生烧穿前，炉缸圆周仅有8点单支热电偶，水温差1~5段串联，无单管水温差监测，无炉壳测温装置;相邻热电偶间存在监控死角，而发生烧穿的部位刚好就发生在监控最薄弱处。鞍钢吸取事故教训，在新开炉的高炉上增加了炉缸热电偶个数，使炉缸同一水平面圆周热电偶由8支增加到31支(为单点双支热电偶，插入深度分别为70mm和220mm);在铁口薄弱区域增加检测点数量，使得整个炉缸监测点达到550个。同时，对炉缸2段和3段冷却壁热流强度进行实时监控，完全避免炉缸监控死角，保证了高炉炉缸安全生产。
(3)制造与施工。严格遵守监督检验制度，不肓目追求施T.进度严格遵守冷却壁打压试漏规程，不合格冷却壁不允许安装。同时，保证炭砖之间炭素胶泥饱满，砖缝达到设计要求，炭素捣料捣实，施工环境温度满足要求等。
(4)烘炉与开炉。充分保证烘炉时间与温度，烘干炉内耐材水分，使其充分均勻预热膨胀。鞍钢高炉烘炉从常温烘到600℃一般维持10天以上。高炉开炉后冶炼10天铸造生铁，耐材升温膨胀后，再考虑提高产量。
(5)日常冶炼制度。高炉长期稳定顺行，不仅为高强度冶炼创造条件，还为高炉长寿奠定基础。鞍钢高炉操作以活跃炉缸为主，确定合理送风比、风速和鼓风动能等影响风口回旋区的操作参数，保证A循环/A炉缸=0.4~0.5之间，避免中心或边沿煤气流过剩。提高焦炭冶金性能，保证炉缸死料堆焦炭柱透液性、减少聚集在炉缸边沿的环流铁水，避免形成“象脚形”侵蚀。
结 语
(1)鞍钢多座高炉大修破损调查结果表明，鞍钢高炉侵蚀的主要区域为铁口下1.5~3m，铁口圆周方向15°以内，炉缸破损的主要原因是铁水环流、应力破坏、化学氧化侵蚀和炭素胶泥质量不过关。
(2)高炉炉缸长寿是一项长期系统的综合技术，涉及设计、施工、烘炉、开炉，日常操作、后期维护等技术，以上任何一方面出现缺陷，就会造成整个高炉炉缸长寿体系崩溃。