伍积明
（中冶京诚工程技术有限公司）
摘 要近十几年来，高炉炉缸烧穿事故较多，从高冶炼强度的小高炉到较低冶炼强度的大高炉，都有炉缸烧穿的事例。即使没有炉缸烧穿，也普遍存在炉缸温度过高、炉缸寿命偏低的现象。本文针对这些炉缸事故和现象，分析了原因，提出了防止炉缸烧穿和寿命偏低的一些对策。
关键词 高炉 炉缸 烧穿 寿命
上世纪60~70年代，随着高炉冶炼的强化，高炉炉缸烧穿成为高炉寿命的制约因素。随着炭砖质量的改善，上世纪80~90年代高炉炉缸烧穿的事故减少，但是炉腹至炉身下部的寿命不长，靠增加中修、小修与炉缸炉底的寿命匹配。进入2000年以后，高炉炉缸烧穿的事故又开始多起来，有的高炉开炉几个月就造成炉缸烧穿，有的开炉3年左右就造成炉缸烧穿。针对这些烧穿的高炉，业界有所顾虑，客观评价较少，也不便发表文章论述。即使有事故分析，也由于各种原因，或者人云亦云，而没有真实反映客观事实。本文综合几个事故示例和一些事故的现象，讨论某些高炉炉缸事故产生的原因和解决对策。
1、炉缸烧穿的主要原因
针对强化冶炼的高炉，炉缸烧穿的原因归纳起来有以下几点；
1.1 炭砖质量因素
国内外知名炭砖（包括微孔与超微孔）有几个致命缺点；
1）抗铁水溶蚀差，抗铁水溶蚀指数在15%~30%，远小于8%的理想指标。
2）抗水蒸气氧化能力差，炭砖氧化后表面形成蜂窝状，严重降低了其导热性能，使得炭砖得不到冷却，加速了铁水对炭砖的溶蚀。很多老鼠洞式的局部烧穿与冷却设备局部漏水有直接的关系。最典型一个实例，一座3200m3高炉开炉32个月后，在一个铁口下方发生老鼠洞式的局部烧穿事故，就是因为引进德国的铁口局部铜冷却壁出水管与铜冷却壁本体焊接处开裂漏水造成的，下列图表可以清晰地看到其烧穿前后的演变过程。
表1 4月28日至8月25日铁口局部温度
铁口
温度计编号
温度范围℃
温度升高℃
4TH
4223
120-260
140
4208
90-190
100
4209
110-235
125
3TH
4222
85-150
65
4206
80-145
65
4207
100-165
65
2TH
4220
70-100
30
4204
75-110
35
4205
90-120
30
1TH
4219
90-135
45
4202
90-135
45
4203
110-210
100
从上表的温度上升比较来看，从2008年的4月到8月，4#铁口处的温升都超过100℃，而其他铁口的温度上升均明显低于该值，说明4#铁口区域的侵蚀相对较为严重，2#与3#铁口侵蚀很轻微，1#铁口最底部侵蚀也较严重。
从图3可以看出，铁口下方右侧的一块引进德国的焊接水管的铜冷却壁的最下一根水头的水管根部已脱落，说明其焊接存在缺陷，导致根部渗漏，最后发展到脱落。
图5是发生事故前后，4#铁口烧穿孔位置周围温度计的变化情况记录。数据记录显示，在烧穿前18分钟开始，炭砖冷面侧温度开始明显下降，烧穿部位下方炭砖冷面的温度从260℃降到150℃、下降了100℃，烧穿部位上方炭砖冷面的温度从160～180℃降到120～140℃、下降了约40℃，而热侧温度未出现明显变化，说明在发生事故前的18分钟左右，出现了大量漏损，使炉缸壁冷侧温度显著下降。烧穿后，各点的冷热面温度均急剧上升。
从图6可以看出，在烧穿前一周，烧穿部位下部炭砖冷面的温度已经有明显下降，下降幅度在30℃左右，经过一天左右的时间又回升到之前温度，这也说明漏水量的突然增大会使炭砖冷面温度突然下降，之后随着炭砖厚度的减小和热面温度的传递，炭砖冷面温度又上升。
从图7可以看出，由于铜冷却壁水头断裂，补水频率明显加剧，补水量也明显增加。冷却壁水温也有突然升高。
该高炉修复后又生产了19个月停炉大修，对炉缸侵蚀情况做了调查。原铁口区炭砖厚度为1914~2070mm，非铁口区炭砖厚度约1000mm。调查发现：非铁口区炭砖几乎没有被侵蚀，炭砖厚度仍然保持在约1000mm：1#铁口区炭砖厚度为850mm，象脚区只有约500mm，只在象脚区侵蚀较严重；3#铁口去炭砖厚度为1500~1600mm，象脚区为1870mm，整体侵蚀轻微；4#铁口区炭砖厚度为750mm，象脚区为460mm，侵蚀较严重。这也验证了表1数据的推测是正确的。
3）抗锌能力差，抗锌试验后炭砖的强度几乎为零。炭砖脆化后，造成很大的热阻，使得炉缸内侧的炭砖失去冷却保护，造成脆化层炉内侧的炭砖快速消耗，从而造成炭砖厚度快速减小，炭砖冷面的温度升高直至达到危险温度而停炉。在入炉锌负荷较高的高炉中，不论是大块炭砖还是小块炭砖，在大修调查中都发现炉缸至象脚侵蚀的整个高度上有脆化引起的连贯的环缝，环缝物中的ZnO含量也很高，如武钢4号2500m3高炉2006年大修调查，环缝从风口下部到象脚区上宽（约260mm）下窄（约140mm），环缝物中的ZnO含量高达40%~70%。
4）强度低，抗热应力较差。死铁层深度过大，造成炭砖热应力过大，加速炭砖的剥裂。死铁层局部的热应力在10~40MPa，而炭砖的强度较低，只有30~45MPa，难于抵挡这样大的热应力。死铁层加深，必然造成死铁层下部炭砖承受的压力加大，从而加速炭砖的侵蚀。
1.2 施工因素
炭砖多采用树脂胶泥，常温下短时间不能凝固，如果施工速度太快，砖堆自重就容易挤压下部泥浆，造成泥浆流失或不饱满，因此，要控制好砌砖速度，严格控制炭砖砖缝。同时由于泥浆常温下没有强度，在砌筑完炉壳灌浆时，灌浆压力高就容易冲刷泥浆。由于施工工期比十多年前压缩很多，在炉缸炉底砌砖质量上控制不如过去严格，这应当引起我们的注意。有的高炉烧穿部位的炭砖砖缝有3~7mm的整块铁片的渗铁。
1.3开炉前的因素
寒冷地区在冬季施工时，有的高炉炉顶无料钟齿轮箱冷却水泵停运造成齿轮箱水槽中的水结冰，水泵恢复运行时，回水就会溢出水槽进入炉缸。有的高炉因为炉顶无料钟齿轮箱冷却回水槽中的水位计失灵，进水量过大时回水从回水槽中溢出进入炉缸。有的冷却壁安装前没有试压检漏，在炭砖砌筑完后通水才发现冷却壁漏水。由于冷却水进入炉缸没有及时排净和进一步慢速烘炉，造成炭砖在潮湿状态下工作，使得炭砖和胶泥快速侵蚀。
1.4生产因素
过去高炉开炉后有一个月甚至到6个月的慢速达产期，而近十多年来高炉开炉后一周左右就快速达产，炭砖及泥浆在炉内的进一步焙烧时间大大缩短，炭砖与冷却壁之间的碳素捣打料或泥浆还没有干燥，其导热性能还较低，炭砖就要靠牺牲自身材料来工作，这对炭砖砌体是非常不利的。
1.5 设计因素
铁口局部设计不合理，铁口区厚度不足或者深入过长，容易引起铁口局部过快侵蚀。冷却壁设计不合理，水管布置太稀疏，水管直径小，冷却水量不足，不能有效传递热量。炉缸侧壁炭砖温度计插入太深，炉底炭砖温度计在陶瓷垫砖下方，一旦侵蚀到温度计位置后，铁水从温度计管流出，引起炉缸烧穿。陶瓷杯结构形式和材料设计不合理，容易造成因陶瓷杯的膨胀过大而引起炭砖砌体的破坏，甚至使风口大套中套上顶，拉裂炉底板。
2 防止炉缸烧穿的对策
为提高高炉炉缸寿命，防止造成炉缸短期烧穿，应针对上述问题采取有效措施。
2.1 提高炭砖质量
首先要提高炭砖的抗水蒸气氧化能力，炭砖与冷却壁之间的填料（碳素捣打料或泥浆）也要有良好的抗水蒸气氧化能力和150℃左右时的≥10w/mk的导热能力。炭砖与填料在150℃、0.4MPa下抗水蒸气氧化失重率＜5%，1100℃、CO2氧化1小时后的失重率＜8%，氧化后不会形成蜂窝状。
提高炭砖抗铁水溶蚀能力，抗铁水溶蚀指数要＜10%。电煅无烟煤的抗铁水溶蚀能力比其它碳素材料的要好得多，是天然石墨的2.25倍，是人造石墨的4.38倍，是沥青焦的7.13倍，因此，在制造炭砖选择碳素原料和结合剂时要兼顾导热性与抗铁水溶蚀性。
提高炭砖的导热能力，在800℃下导热率要≥12w/mk。为了获得炭砖较高的导热率，在炭砖制造的原料选材上也要兼顾碳素的导热与抗铁水能力的矛盾。
提高炭砖的抗热应力能力。耐材的抵抗热应力强度Rs=形状系数*导热系数*耐压强度/（线膨胀系数*杨氏模量）。可以看出，砖块体积减小，有利于提高抵抗热应力强度；导热系数与耐压强度提高，有利于提高抵抗热应力强度；线膨胀系数和杨氏模量增大，会降低抵抗热应力强度。一般半石墨大块炭砖的有效抵抗热应力强度只有1.2MPa左右，微孔大块炭砖的有效抵抗热应力强度只有2.3MPa左右，这些炭砖离热应力10MPa的工况差距过大，也是造成象脚侵蚀的主要原因之一。小块碳复合砖的有效抵抗热应力强度为10.5MPa左右，可以大大减缓象脚侵蚀的进展，使用七年以上的高炉实测结果也证明了无象脚侵蚀。因此，也可以说炭砖的抗热应力能力决定了象脚侵蚀的程度。
提高炭砖的抗锌能力。锌负荷较重的高炉，要尽量采用含锌底的原料，使锌负荷＜0.15kg/t铁。炭砖抗锌试验后要不脆化，耐压强度下降要＜30%，并且耐压强度还有＞25MPa。
碳复合砖是一种更加适合高冶炼强度的高炉炉缸炉底的安全生产的材料，抗铁、抗氧化、抗锌、抗热应力等关键指标更适应高炉实际工况的要求，其特点是：
1）微孔化率高。平均孔径70%，透气度趋近于零。可以有效防止渣铁的渗透侵入损坏。
2）导热性好。导热系数达13 W/（m.K）以上，与国外知名炭砖相当，但却不是随温度升高导热性提高，而是相反，正好符合了炉缸冷却传热的要求。在100℃下，碳复合砖的导热系数为17 W/（m.K)，RB微孔炭砖炭砖只有8.6 W/(m.K)，MG热压小炭砖只有6.8 W/(m.K)。
3）抗铁性优越。碳复合砖具有与陶瓷杯同样好的抗铁熔蚀性，抗铁性能＜1%，比国外知名炭砖提高了50～90倍，克服了炭砖抗铁熔蚀性差（>20%）的缺点，可以延长使用年限，可以有更长的时间发现局部被侵蚀，防止“无征兆烧穿”事故的发生。
4）抗氧化性优越。氧化率为＜1%,远优于MG小炭砖的18%，并且在氧化后表面无蜂窝，很光洁，也有很高的强度。碳复合砖抗氧化性能比常国外知名炭砖提高了3～20倍。可以有效防止因冷却设备漏水引起砖衬氧化而冷却失效造成炉缸烧穿的严重事故的发生。
5）抗热应力强度高达10.5MPa左右，与高炉炉缸底部边角实际热应力10MPa的工况相适应，可以大大延缓象脚侵蚀的进展。可以免去开炉2年左右后开始持续的钒钛矿护炉带来的高炉操作困难和炼铁成本的增加。生产实践表明，根据炉缸炉底温度不同，加入钛的负荷一般为5～15 kg/t，使铁水中的钛含量在0.08%～0.25%，但负面结果是：焦比会增加5～30kg/t，炼铁成本增加3～10元/t，铁产量也会有所下降，多的下降约20%。
6）抗碱性优越。抗碱后体积膨胀＜3%，并且强度增加，与国外知名炭砖的抗碱性能相当，并且优于一般的刚玉莫来石系列的陶瓷杯（其抗碱后体积膨胀15%～30%，强度下降严重）。可以有效防止热面砖衬受碱金属侵蚀引起的砖体脆化造成传热失效、或大的体积膨胀而造成炉底炉壳上涨开裂。
7）抗锌侵蚀能力强。碳复合砖抗锌侵蚀后的强度下降约26%，但还有55MPa的强度，而微孔炭砖抗锌侵蚀后的强度几乎为零。
8）抗渣性好。抗渣性能＜3%，虽不及炭砖，但好于炭砖的抗铁指标，比一般的刚玉莫来石系列的陶瓷杯（20%～100%）高10倍以上，也好于微孔刚玉砖（6%～8%）。
9）强度高。碳复合砖的耐压强度达到75MPa以上，知名炭砖只有30～45MPa。可以有效抵抗象脚部位强大的热应力损坏。
10）膨胀系数低，可以无需设置膨胀缝的与炭砖相互组合。碳复合砖膨胀系数约为（4.1～4.5）x 10-6（1/℃），炭砖（2.5～3.5）x 10-6（1/℃） ，刚玉莫来石系列砖为（6～8）x 10-6（1/℃）。
11）用磷酸盐结合泥浆，常温下有一定的强度，可以防止泥浆挤压流失和灌浆冲损。
2.2 提高铁口局部设计质量
铁口砖衬厚度（铁口前段泥套后的铁口中心线斜长）设计时应当控制在（炉缸直径的24%—300~500）mm，凸出炉内侧铁口砖的宽度宜在夹角45°逐渐过渡，在铁口中心线以上的高度H也要随高炉容积增加而增加。铁口砖衬厚度过小，容易造成铁口局部侵蚀过快，炮泥消耗量加大。铁口砖衬凸出内型线长度不宜超过800mm，过分凸出也容易造成铁口两边转折处的炭砖侵蚀加剧。铁口局部以外的铁口中心线位置（非铁口区）砖衬厚度L不能过小，不能小于如下表2所示的数值。
表2 铁口局部炭砖尺寸要求
高炉容积,m3
500
1000
2000
3000
4000
L,mm
1150
1250
1350
1350
1350
H，mm
550
1000
1500
2000
2500
设计时要控制死铁层深度，死铁层深度一般应当控制在炉缸直径的17%~20%。
另外，炉缸侧壁炭砖温度计插入深度不要超过200mm，炉底温度计不要设在陶瓷垫下方，要设在陶瓷垫下方一层或两层炭砖的底部。
冷却壁设计上，冷却壁内水管外表面的面积与冷却壁面积之比达到0.9以上，水速≥1.5m/s。炉缸最好采用横型冷却壁，便于对每段冷却壁的冷却情况进行检测，如宝钢3号高炉。炉缸区域不适宜采用焊接进出水管的铜冷却壁，如果要采用这种形式的铜冷却壁，则必须对焊接后的水管进行拔出试验，以确保焊接工艺和质量的可靠性。铸造铜冷却壁没有焊接水管，用于炉缸区域将更安全。
适当增加容易产生象脚侵蚀区的炭砖温度检测点，铁口下方区域每点温度计的检测范围在1.6~2m2，其余非铁口区域部位每点温度计的检测范围在2.5~3m2。
陶瓷杯的结构设计要防止陶瓷杯材料的膨胀对炭砖和风口大中套的不利影响，纵向与径向上的膨胀缝设计要合理。陶瓷垫材料要有高的微孔性和抗铁水性，陶瓷杯壁材料要有高的抗渣和抗铁水性，常规的复合棕刚玉不适合用作陶瓷杯壁材料。
2.3 提高施工质量
炉缸炉底的炭砖施工周期要合理，现场施工质量检查监督要严格，做到砖缝小、泥浆饱满、砌筑后砖体下部泥浆不流损。尽量避开冬季＜5℃下施工。
炭砖与冷却壁之间的填料要捣实，要在现场做捣实试验，取样检查捣实后的填料体积密度达到要求。填料的体积密度与导热率密切相关，一般的碳素捣料体积密度＜1.6g/cm3时导热率急剧下降。
建议炭砖用树脂泥浆砌筑的高炉，不要在开炉前进行压力灌浆，在开炉后当炭砖冷面温度到达100℃左右的时候再进行压力灌浆。
2.4 充分做好开炉前的工作
高炉炉缸内进水，主要有两个进水源。一是无料钟齿轮箱回水槽内水溢出，二是炉顶打水控制失误。开炉前要做好确认签字表进行定时定员检查确认。一旦炉缸进水，要及时排进，并追加烘炉时间。在设计上，炉顶打水进水阀设置“炉顶打水阀开启”的声响报警，对炉顶齿轮箱回水槽溢水也设置声响报警装置（比如在回水槽上部外边缘设置温度计）。
高炉的烘炉时间要有保障，一般应当大于15天。现在高炉烘炉时间都很短，中小高炉只有7天左右，大高炉也只有10天。烘炉的目的一方面是排出水分，另一方面是让泥浆有较高的强度，以提高投产后泥浆抗渣铁侵蚀的能力。
烘炉时要减少冷却壁水量，使炉缸冷却壁出水温度在50℃以上。烘炉时，压浆短管上的冒口要尽量打开，以利于水蒸气排出，待开炉时再拧紧其冒口。
2.5 适当延长高炉达产时间
小高炉炉缸炉底砖衬厚度较小，达产时间宜控制在15天以上。大高炉炉缸炉底砖衬厚度较大，达产时间宜控制在30天以上。目的是：让炭砖胶泥充分焙烧，使炭砖块之间有高的粘结强度；让填料水分充分挥发，让炭砖膨胀压实填料，使填料发挥出导热功能；最终使炭砖表面形成自保护的粘滞层（渣铁保护层），防止炭砖因冷却不足而快速牺牲自身材料。快速达产使得炉缸炉底耐材失去了“自适应”或者“磨合期”的阶段，对砌体是严重的伤害，最终的结果是提前几周的达产换来5年以上的高炉寿命损失。因此，快速达产是得不偿失的！
2.6 合理压浆
炉缸炉底冷却壁与炉壳之间的间隙压浆材质，应当选择碳质无水压入泥浆，不应采用高铝或粘土质压入泥浆，以防止在冷却壁热面形成一层隔热材料。
压浆的压力必须控制适当，在炉壳上的压浆短管上的压力一般不宜超过1.5MPa（压浆机出口压力控制在2.0MPa以下）。有的高炉在炉缸侧壁温度过高、内衬很薄的情况下，采用4~10MPa的压力灌浆，造成内衬破损而被迫停炉大修。
3 结语
高炉炉缸炉底是高炉的关键部位，一座500m3级的高炉炉缸烧穿损直接失费用达近千万元，一座3000m3级高炉炉缸烧穿损失直接费用约五千万元，炉缸烧穿还可能造成人身伤亡，因此，炉缸烧穿是重大的可怕事故。要真正防止炉缸烧穿，需要我们全面、认真和实事求地总结实践经验和教训。
