邹忠平，项钟庸，胡显波
(中冶赛迪工程技术股份有限公司)
摘 要：结合高炉生产后炉缸不定形耐材的破损状况，分析了不定形耐材对炉缸传热体系乃至高炉长寿的影响，并提出了不定形耐材的选择、施工、烘炉到生产维护中应该引起注意的事项。
关 键 词：高炉长寿；炉缸；不定形耐材
高炉炉缸长寿是一项系统工程，炉缸采用的不定形耐材在炉缸长寿链上也起着举足轻重的作用。本文将从高炉生产后炉缸不定形耐材的破损调研、炉缸耐材温度记录数据及炉缸传热体系等着手进行分析，对炉缸不定形耐材的选择、施工、烘炉和生产维护等进行阐述，为避免炉缸意外事故的发生和实现炉缸的长寿提供建设性意见。
1 炉缸破损调查中不定形材料的表现形态
鞍钢高炉炉缸破损调查发现[1]，部分小块炭砖间砖缝是空的，部分砖缝中的C34胶泥是粉状、没有黏结强度的，冷却壁前面的大多数小块炭砖在不借助工具的情况下用手就能很容易将其解体，部分砖缝达到7mm，部分砖缝中发现有铁片，砖缝有渗铁现象。调查表明，C34胶泥在使用过程中出现了问题，没有有效地固结，没有能够将小块炭砖黏结为整体来保证炉墙的传热体系，因而导致了炉缸长寿努力的失败。侵蚀后的小块炭砖断面无粉化现象，除被侵蚀侧外，砖的棱角分明，无变形和粉化现象，但砖缝松散，已失去黏结作用(如图1、2所示)。
武钢4号高炉第三代炉役炉缸炭素捣打料使用后的性能检测结果见表1[2]。表1的数据测试表明，使用后的炭素捣打料导热系数较低，在冷却壁和炭砖间将形成隔热作用，降低了炉墙的传热能力，不利于在炉缸炉墙形成凝固保护层，从而导致炉缸炭砖快速侵蚀。因此，炭素捣打料也需要足够的温度烘干，保证不被煤气侵蚀。
2 异常砖缝形成机理，砖缝胶泥的粉化及消失机理
小块炭砖体系是靠C34胶泥良好的导热和密封作用来保证炉墙传热的。烘炉使胶泥固化并具备烘干强度至关重要。在高炉内压作用下，炉墙中始终存在出现气隙的可能，墙体是不连续介质，煤气会在墙体中穿行。如果没有能够及时将胶泥固化并具备足够的强度，就会被穿行的煤气所气蚀而形成气隙，破坏墙体的传热体系，导致墙体异常侵蚀。这就是为何破损调查中发现部分砖缝是空的，部分砖缝中的C34胶泥是粉状的、没有强度的重要原因。出现该问题的原因是烘炉和开炉初期，靠近冷却壁侧炉墙的温度过低，不足以使胶泥固化和达到足够的干燥强度，在开炉快速达产过程中，在较强的煤气气蚀作用下，使胶泥过早消失和粉化所致。要解决这一问题的有效措施是，热水烘炉和开炉初期提高水温运行，让胶泥尽快固化和具备足够的强度。本钢5号高炉炉缸供水温度长期维持55～60℃，昆钢6号高炉炉缸供水温度也长期在50℃以上，这可能就是这两座高炉炉缸得以安全运行12—13年而不出现异常侵蚀的重要原因之一。炉墙温度不够，未能及时将胶泥固化而被煤气侵蚀，破损了墙体传热体系，是当前小块炭砖炉缸出现问题的重要原因之一。
关于过大砖缝的形成机理分析，在砖缝间的胶泥受到煤气的气蚀而消失后，在过高的灌浆压力作用下，砖发生了松动和位移而导致了局部砖缝过大的现象。灌浆料挥发分高，不易固化，在煤气气蚀作用下消失，致使炉墙气隙严重，导热体系受到很大的伤害，从而使墙砖受到快速异常侵蚀。
某高炉炉缸H3铜冷却壁前耐材温度与其上的H4铸铁冷却壁前耐材温度历史记录对比如图3所示。图3显示，在开炉初期的1年左右时间内，铜冷却壁前耐材温度一直在50℃左右。在这样的温度条件下，C34胶泥得不到进一步的固化和达到足够的干燥强度，不足以抵抗气蚀；在炉墙中的煤气和水蒸气的气蚀作用下，逐步被气蚀和腐蚀而产生气隙，使炉墙的传热能力受到伤害；在高炉强化、凝固层的脱落情况下，不能及时将热量传递给水系统而导致炉墙温度异常升高。而铸铁冷却壁前面的耐材温度，在开炉初期的1年左右的时间内，一直处于90℃左右，较铜冷却壁前面的耐材温度高约40℃。在这样的条件下，C34胶泥固化和具备干燥强度的条件大大改善，在被煤气和水蒸气气蚀前就已经具备了足够的强度，不易产生气隙。因此，铸铁冷却壁前面的炉墙在高炉强化和凝固层脱落时的传热能力显著加强，其耐材温度不易出现异常升高的情况。这一事实充分说明，烘炉及开炉初期胶泥的固化对保证炉缸炉墙传热体系及炉缸长寿的重要性。
3 不定形材料的特性
炉缸常用的不定形耐火材料的性能见表2、3。不定形材料只有在足够温度的干燥和焙烧条件下才具有足够的导热性和强度，才能够不被煤气气蚀和保证炉墙的传热体系。
在常温下对C34胶泥黏结强度的测试结果如图4所示，在自然环境中养护60天以后的胶泥强度仅为3．9MPa。在不同干燥温度下对C34胶泥黏结强度的测试结果如图5所示，在60℃下，胶泥的黏结强度只有100℃条件下黏结强度的约45％。温度对C34胶泥及时同化和具备强度起着至关重要的作用。
4 不定形材料的施工、操作维护的要求
GrafTech公司对C34胶泥的使用要求：
(1)胶泥黏结缝应在开始服役之前预固化。除非正常的使用温度超过130℃，否则要将炭或石墨(砖)加热至100℃，并保持于该温度4h，然后在120～130℃保温16h使之固化。固化温度低于100℃，会导致固化时间的延长。而加热过快，会使胶泥在固定之前从缝里挤出来。在预固化操作开始之前，砌筑部件不得移动。对于大的炭块，如炉缸壁，来自于冶金过程的热通常将使之恰当地固化，因此无须预固化(与陶瓷杯配合将不满足该要求)。
(2)随着适当的预固化，胶泥黏结的炭或石墨体之间形成了一种强的炭键。这种组合的结构已可用于高温的操作，在高温下，该(胶泥)缝炭化而使固化完全。
根据上述条件，要求施工时要严格按C34胶泥使用说明书调配黏结剂和骨料的比例，要达到合适的胶泥黏稠度，使其具有良好的施工性能，保证其在施工过程中既能够使砖缝密实均匀，又不会在养护期间产生流失。在烘炉期间严格控制烘炉温度，减少冷却水的冷却强度，让冷却壁前面的耐材温度能够维持110℃的干燥温度，保证胶泥的固化性能。在高炉投产初期，也应适当提高冷却水的供水温度，提高冷却壁前耐材温度，促使胶泥获得进一步同结，使炉墙中部的耐材能够达到850℃的焙烧温度，使炉墙具有良好的传热能力和抵抗渣铁侵蚀能力。
5 对高炉初期炉缸供水温度及冷却强度的建议
采用铸铁冷却壁方案(水速2m／s，水管直径70mm×6．5mm)，开炉初期炉缸炉墙传热通量、冷却水的对流换热系数、耐材冷端温度随冷却水温度变化的模型计算结果如图6所示。水是黏性流体，根据黏性流体传热原理，随水温的提高，水的对流换热系数明显升高。水温的提高会降低炉墙的热通量，但由于炉墙冷热端温差大，水温的提高对炉墙热通量的降低很有限，而对炉缸冷端耐材温度的提高、帮助胶泥等不定形材料的固化却有很大的帮助作用。因此，建议在烘炉时将冷却壁的供水关闭，尽可能提高冷却壁前耐材的温度；在开炉初期的2—3个月内，提高炉缸供水温度，使炉墙中的不定形材料进一步干燥和固化，以达到足够的强度，保障炉墙的传热体系和为长寿打下良好的基础。建议，烘炉时将水温控制在80℃以上，让耐材温度达到110℃的烘干温度；开炉初期将水温提高到60℃左右运行[3]。
根据新日铁提供的烘炉手册中明确要求，宝钢1号高炉(第一代炉役)在炉缸炉壳温度达到65℃后才能开始炉缸洒水。这无疑对炉缸不定形材料的干燥发挥了重要作用，是炉缸在10几年的炉役期未发生异常侵蚀的重要保障。
铁口泥炮和开口机对铁口区域砌体稳定性是有较大的伤害的，特别是对胶泥焙烧不理想的铁口区域。现代大型高炉的泥炮推力很大，堵炮时，如果铁口区域胶泥焙烧温度不够，黏结强度不理想，将难于抵抗泥炮强大的推力而导致砖缝的开裂。铁水会沿裂缝向下渗透进入冷却壁前面焙烧和固化条件更差并易受到气蚀伤害的区域，从而导致炉缸烧穿事故的发生，这是铁口下部容易出现异常侵蚀的重要原因。因此，烘炉期间和开炉初期要重点加强铁口区域耐材的烘烤、焙烧和温度监控，使胶泥等不定形材料达到固化和焙烧温度，以防止意外情况的发生。
6 结语
高炉烘炉和开炉初期，要提高冷却水的水温，降低炉墙的冷却强度，让胶泥等不定形材料及时固化和具备足够的抗气蚀强度，这可能是当前解决炉缸长寿问题的关键。在投产初期，炉缸的冷却强度并非越高越好，冷却水温并非越低越好。当前高炉炉缸问题频发，在一定程度上可能与烘炉不彻底、开炉初期炉缸冷却强度过大、水温过低、不定形材料固化不良、受到煤气气蚀、在炉墙中形成了气隙破坏了炉墙的传热体系等不无关系。
无论炉缸采用什么样的耐材及冷却配置方案，都有成功的先例，也有失败的教训，关键是要认识清楚每种配置方式实现长寿的关键要素。只有将其长寿规律认识清楚了，根据其内在规律要求，合理控制每一个关键环节，实现炉缸的长寿也就不难了。足够的炉墙温度使C34胶泥及时固化并具有足够抵抗煤气和水蒸气气蚀的能力，足够的焙烧温度使C34胶泥具备足够的焙烧强度并具备足够的抵抗铁水渗透和侵蚀的能力，这将是小块炭砖方案实现长寿的关键。
7 参考文献
[1] 王宝海，谢明辉．鞍钢新3号高炉炉缸炉底破损调查[C]∥中国金属学会炼铁分会．2012年全国炼铁生产技术会议及炼铁学术年会文集．无锡：中国金属学会，2012：32—37．
[2] 张寿荣．于仲洁．武钢高炉长寿技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009：103—104．
[3] 邹忠平，郭宪臻．高炉炉缸气隙的危害及防治[J]．钢铁，2012．(6)：9—13．