炉缸长寿气隙防控维护

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炉缸的传热体系对高炉炉缸的长寿来说就好比人的免疫系统，炉墙中产生了气隙就类似人的免疫系统出现了问题（气隙就是指炉缸冷却设备与炭砖间出现的间隙，或炉缸炭砖与捣料间以及炭砖内部出现的断层或间隙）。一个免疫系统出现了问题的人，其健康状况和长寿就会存在很大的问题，高炉炉缸也不例外。炉缸炉墙出现了气隙对高炉健康状况和长寿会带来什么危害？气隙的形成机制是什么？如何防治气隙的出现和保持炉缸良好状态？这些问题将是本文讨论的焦点。

1气隙的危害

1．1气隙严重危害炉缸传热体系在水速2m／s、炉墙耐火材料厚度0．6m、冷却设备与耐火材料冷面存在不同厚度气隙条件下，各种冷却形式的炉缸耐火材料热面温度达1150℃时，计算了炉内铁水与耐火材料之间可以达到的综合换热系数（该换热系数代表了高炉操作时炉缸能够承受的强化程度），计算结果见图1。从图中可以看出，随气隙增大，炉内可承受的综合换热系数减小，而且气隙越大，几种冷却型式的曲线越靠近。气隙是影响炉缸传热能力最重要的因素，其影响程度远大于冷却型式和水速。气隙的存在严重减弱了炉缸的传热能力，从而减弱了炉缸能够承受的铁水环流强化程度。

1．2气隙成为炉缸漏水的积蓄场所风口、冷却设备泄漏的水到达炉缸就会聚集在那些冷却壁附近的气隙处，随着高炉生产的进行，煤气进入这些气隙，炭砖和煤气导出的热量使积蓄的水气化，水气化后体积大增，使气隙进一步扩展，严重降低炉墙的传热能力。气隙中积聚的水气会导致砖缝和捣料的气蚀，使得气隙进一步发展，导致炉缸状况的恶化。

1．3气隙加剧了炉缸渣铁壳的脱落艾莫伊登7号高炉的调查［1］发现：在炭砖和渣铁壳之间有大量的碳粉沉积（图2）。分析认为，在合适的温度条件下，水蒸气和铁的催化作用使CO分解导致炭砖热面产生了石墨粉。石墨粉疏松、导热性差，其良好的作用将促使渣铁壳的脱落和阻止渣铁壳的再生。梅山3高炉炉缸象脚区域调查发现：炭砖热面有大量石墨碳析出，形成石墨碳和渣铁混合物，其混合层厚度为200～300mm（图3）。碳的沉积不仅破坏炭砖，而且会富集在炭砖热面与渣铁壳之间，达到一定程度后就会导致渣铁壳粘附不牢固而脱落。气隙的存在，水分的聚集，煤气和水蒸气在炉墙中穿行，为炭砖热面石墨碳的沉积提供了物质条件。高炉频繁地休风复风，引起气隙中压力随之变化，气隙中的气体向外呼吸助长了气体通道的形成。假定高炉是密封的，当CO耗尽时，碳沉积通常达到平衡。然而，高炉从来不是完全密封的。例如，当出铁口打开时，CO便泄漏出来。高炉煤气的泄漏使“新鲜的”CO气流连续地通过耐火材料，加速碳沉积，导致炭砖的脆化和渣铁壳的脱落［2］。

2气隙的产生机制

2．1炉壳受内压弹性变形导致与耐材间出现气隙炉壳在高炉操作内压作用下产生弹性变形，直径会膨胀。炉壳的薄壳理论计算公式为：σ＝P（Di＋δn）／（2δnΦ）（1）式中：σ为炉壳的应力；P为炉壳承受的内压；Di为炉壳内径；δn为炉壳壁厚；Φ为焊缝系数。当P＝0．45MPa，Di＝17600mm，δn＝60mm，Φ＝1（双面全熔透焊接）时，σ＝66．2MPa。考虑到冷却壁开孔削弱因素，水管开孔部位的平均应力将达到126．7MPa（按60块冷却壁，共计水头240个，开孔直径110mm考虑）。根据虎克定律σ＝εE（ε为应变，E为炉壳的弹性模量），存在如下关系式：ε＝σ／E＝126．7／196000＝0．0647％（2）据此计算可知开孔部位炉壳直径的膨胀量为11．4mm，炉壳周向膨胀量为35．8mm；非开孔部位炉壳直径膨胀量为5．9mm，炉壳周向膨胀量为18．7mm。通常炉缸炭砖的膨胀系数约3．5×10－6℃－1，假设耐火材料的平均温度300℃、炉缸炭砖外直径17000mm时，炉缸炭砖直径方向的膨胀约17．8mm。炉缸膨胀缝设计，其吸收膨胀的量应当是炭砖的膨胀量减去炉壳弹性变形的膨胀量，即膨胀缝吸收膨胀的量应当是17．8－11．4＝6．4mm。耐火材料的膨胀如果直接传递给炉壳，容易导致炉壳的开裂，因此通常设置膨胀缝将耐火材料的膨胀吸收掉。对大块炭砖通常膨胀缝设置为80～100mm。膨胀缝中填充碳质捣打料，该膨胀缝除考虑膨胀需要外，更重要的是考虑了捣打施工工艺的需要。该宽度的膨胀缝如果捣打不严密，其压缩的量就远大于炭砖膨胀的需要，其结果是炉缸炭砖温度升高后，炭砖的膨胀不能迫使捣料紧贴冷却设备跟随炉壳的膨胀向外膨胀，冷却设备和捣料间就会脱开而形成气隙。图4是艾莫伊登7号高炉在铁口下的炉缸炉壳上设置应变片测试的炉壳膨胀记录和高炉风压记录的对应关系。该高炉炉缸采用的是夹壳式冷却，紧贴炉壳采用的是石墨砖。图中显示，炉壳周向最大的膨胀量达到40mm，对应的风压约0．4MPa。计算表明，在0．4MPa风压下，炉壳直径的膨胀量约4．5mm、周向膨胀约14．2mm，而记录的炉壳周向膨胀达到了15～40mm。超过内压产生的膨胀应是来自于炭砖受热膨胀传递给炉壳的，也就是说炭砖的膨胀带动了炉壳向外的进一步膨胀。这种情况下，炭砖将始终紧贴炉壳，炉墙没有出现气隙。炭砖顶上炉壳是否会导致炉壳的开裂？利用虎克定律计算表明，在炉壳周向膨胀40mm的情况下，炉壳的平均应力达到了153MPa，仍在炉壳的许用应力范围内，不会进入塑性变形而导致开裂。炉缸炉壳采用夹壳式冷却，炉壳基本无开孔削弱，炉壳有足够的强度承受炭砖的膨胀带给炉壳的内应力而处于安全范围，耐材紧贴炉壳向外膨胀，就会有效防止炉墙产生气隙，保证炉缸传热能力。而炉缸采用冷却壁冷却方式，由于水管开孔的削弱，炉壳开孔部位内压产生的应力是其他非开孔部位的近两倍，炉壳再承受耐材膨胀的能力就大幅度下降，设计就不能考虑将耐材的膨胀应力传递给炉壳。如果膨胀缝吸收膨胀的能力过大，就很容易在冷却设备和耐材间形成间隙而减弱炉墙的传热能力。图5是某高炉1号铁口下方H3冷却壁前面的耐火材料温度和炉墙传出的热负荷在高炉休风、复风期间的变化记录。图中显示，在高炉休风的初期，耐火材料温度下降，而炉墙传出来的热负荷却显著上升。随后由于高炉已经休风，炉内热交换的减弱，热负荷才缓慢下降。为何高炉休风初期炉墙传出来的热负荷会增加？从前面的分析计算可知，这是炉壳的弹性变形使耐材和冷却壁间出现了气隙所致。休风时炉内卸压，炉壳的弹性变形消失，耐火材料的温度下降滞后于内压的下降，耐火材料与冷却壁间的间隙减小，冷却壁贴近了耐火材料，所以炉墙传出的热量增加。随后炉内铁水流动减弱，炉墙传出的热量缓慢减小。复风时，内压上升，耐材温度上升滞后于内压，冷却壁与耐火材料之间的间隙又扩大，因而出现耐火材料温度上升而传出来的热量反而减小的局面。这充分说明了该部位气隙活动的变化规律，耐火材料不能紧随炉壳的弹性变形而紧贴冷却壁，导致气隙的存在和变化。作者在很多高炉炉缸温度记录趋势中均找到了类似的现象，说明气隙的产生与耐火材料的膨胀和炉壳的弹性变形不协调密切相关。建议新高炉投产前，在铁口下方的炉壳上设置应变片，检测炉壳变形和应力的变化趋势，据此推测炉墙气隙的存在可能性，为高炉操作及时把握炉缸状态将发挥重要作用。

2．2烘炉不彻底或炉缸漏水将在冷却壁和耐材间产生气隙烘炉时，炉内的热量自内向外传递，同时水分也被热量从炉内侧向炉墙的外侧赶出来。如果烘炉时没有将炉缸的灌浆孔开启以及冷却壁前耐火材料温度没有上升到足够高的水平，冷却壁前端的耐火材料中将积聚大量的水分。炉墙中残留的水分，在开炉后炉内传出的大量热量作用下，会产生汽化。1kg水汽化为1．25m3的水蒸气，体积将扩大1200倍。水汽的大量产生将使冷却壁和耐火材料间的压力上升，迫使耐火材料脱离冷却壁产生间隙；水汽的逃逸及随后煤气在这些气隙中的穿行将促使气隙扩大和进一步发展，最终严重破坏炉墙的传热体系。该气隙还会成为炉缸漏水的存储区域，存蓄的水在炉缸传出来的热负荷作用下气化，使气隙进一步扩大；大量的水汽还会严重伤害炭砖胶泥、氧化炭砖、促使炭砖热面石墨碳的沉积，造成渣铁壳脱落。铁口部位的耐火材料最厚，积蓄的水分最多，最不容易在烘炉期间被烘干；随着高炉生产的进行，水分蒸发，很容易在铁口区域耐火材料和冷却设备之间产生气隙。气隙又产生新的水分集聚。水汽和煤气的共同作用在耐火材料热面形成了大量碳的沉积，导致渣铁壳的脱落，加剧了这一区域的炉墙侵蚀；此外，铁口泥包处铁水的回旋冲刷侵蚀强烈。这就是铁口区域最容易产生气隙，出现耐火材料温度高和过度侵蚀的原因之一。烘炉不彻底，冷却壁前面的捣料和耐火材料未能上升到烘干温度，捣料和胶泥没有起码的烘干强度，在开炉后的煤气和水汽的气蚀作用下逐步消失，会导致气隙的产生和发展。目前多数高炉烘炉结束后，冷却壁前面的耐火材料温度仍停留在很低的温度水平，捣料中的大量水分没有得到及时的烘干，捣料和胶泥也没有达到烘干温度，为高炉今后的长寿留下了严重的隐患。

2．3耐材施工质量不良导致气隙炭砖胶泥质量不稳定、施工方法没有严格按照厂方说明以及施工时胶泥不饱满、砖缝控制不当都是产生气隙的重要因素。冷却壁前面的捣打料施工如果不严格按照施工要求，捣制不严密，很容易使膨胀缝不合格，不能在炭砖膨胀的推动下紧贴冷却壁而出现气隙。

2．4冷却壁间大量缝隙的存在诱导了炉墙气隙炉缸采用的冷却壁间有大量的缝隙。这些缝隙填料施工不方便，不易填充密实，加上烘炉不彻底，开炉后水气的蒸发和煤气的气蚀使之成为了煤气通路，进而在冷却壁热面产生气隙；冷却壁与炉壳间的灌浆料，如果选择不当，会和冷却壁间填料、捣料和炭砖胶泥间产生冲突，溶蚀胶泥而产生气隙。炉缸采用冷却壁方案，耐火材料配置品种较多、施工环节增加，不可控的因素变得更加复杂；而对于采用夹壳式冷却的方案，炉壳和耐火材料之间只有一道规则的膨胀缝或接触面，环节少，容易控制。从控制炉缸气隙的角度，采用夹壳式冷却方案成功的可能性大于冷却壁的方案。

2．5炉缸维护灌浆料选择及压力控制不合适会加剧炉缸气隙的发展生产中炉缸灌浆料如果选择挥发分含量较高、导热系数低、体积稳定性不好、凝固性能差的材料，将不能很好地解决炉缸的气隙问题。目前国内许多高炉维护选用的灌浆料挥发分含量过高，在炉缸的条件下不能及时固化，容易挥发，完成压浆后没有多久，在煤气气蚀的作用下炉墙又出现了较严重的气隙，导致炉墙温度反复升高，难于得到有效的根治。炉缸维护的压浆操作，压力的控制非常重要，一旦控制不当，不仅不能消除气隙，反而会加速炉缸的破损，甚至导致炉缸烧穿。那种不控制灌浆压力，盲目进行炉缸压浆的做法，会使炉缸炭砖的砖缝被压松，产生更大的间隙，给炉缸长寿造成严重威胁。

3防止气隙的措施

3．1选择合适的冷却方案及设置合适的膨胀缝夹壳式炉缸冷却方式冷却效率较高，炉墙与炉壳间的接缝简单容易控制，更有利于防止炉缸气隙；炉壳无开孔削弱，有足够的能力承受耐火材料膨胀产生的应力，更有利于保证耐火材料能够紧贴炉壳，而使传热持续有效。欧洲和北美的许多高炉采用夹壳式冷却，取得了良好的高炉长寿业绩。实践证明，夹壳式冷却是一种更容易实现炉缸无气隙操作的冷却方式。其他冷却型式在炉缸长寿链上的各环节都得到有效控制的情况下也能够获得成功，只是成功的把握性不及夹壳式冷却。炉缸耐火材料紧贴炉壳或冷却壁设置，在膨胀缝的设置时应充分考虑炉壳的弹性膨胀，将炉壳的应力和耐火材料的膨胀缝设置结合起来考虑，保证生产过程中耐火材料能够始终紧贴冷却设备，是建立炉缸无气隙操作的重要设计环节。

3．2控制好施工环节首先炉墙设备的安装应规范、固定接触良好，炉壳上的螺栓孔、水管开孔必须密封严密，防止出现漏煤气的可能。其次，耐火材料的砌筑、泥浆的使用必须严格按照图纸和厂家的施工说明，泥浆必须饱满，不得有气泡和气隙，防止出现砖缝尺寸超标甚至出现三角缝；砖缝的接触必须紧密，泥浆要从砖缝挤出直至砖缝尺寸合格，捣料的施工应严格按规范要求填充密实。最后，耐火材料施工完毕后应给予适当的养护，防止出现砌体的振动或产生裂纹。

3．3进行彻底的烘炉烘炉是炉缸长寿链上的关键环节，应开启灌浆孔和实施热水烘炉。烘炉时应将炉缸的灌浆孔全部开启进行排气，炉底板上宜设置排水管，并在烘炉期间开启，排出烘炉中产生的水和水气。如果有浆料从灌浆孔流出也不必介意，这是因为炉墙耐火材料膨胀的挤压使其流出来的，不会在炉墙上留下气隙。即使炉缸压浆料流出较多，也可以在烘炉后或在高炉第1次定休时对炉缸进行补充压浆加以弥补。烘炉时炉缸冷却设备内只需要充满水，泵和换热器应停止运行，根据水温的上升情况酌情开启水泵和换热器，保证冷却壁前面的耐火材料温度能够达到110℃的烘干温度，使胶泥和捣料具备一定的烘干强度。

3．4把握好开炉环节高炉的开炉应注意2点：一是高炉也需要磨合期。在开炉初期，在产量的爬坡阶段，控制好生产节奏让炉缸及时利用初渣形成稳固的渣铁壳，待日后高炉提高产量时，炉缸才能够具备足够的免疫能力。开炉初期适当控制强化进程，给予炉缸耐火材料一个磨合期，让耐火材料得以充分的膨胀和进行各种物理化学的演变，为高炉炉缸的无气隙化操作和长寿打下良好的基础。二是热水开炉。在开炉初期，炉缸有保护砖的保护，炭砖还未受到侵蚀，为保证将炉墙冷侧的水气彻底排放，胶泥和捣料及时固结，建议利用开炉初期的1个月将炉缸冷却水的温度提高运行，让冷却壁附近的耐火材料温度达到110℃的烘干温度，以减小炉墙在今后的生产中产生气隙的可能性。1个月后再将冷却水温度控制在正常运行水平。开炉和复风的过程，先应进行常压操作，让炉缸耐火材料升温膨胀，然后再提高压力，让耐火材料能够始终紧贴冷却设备，防止冷却设备和耐火材料之间出现间隙。

3．5严格的生产维护高炉开炉初期的定休，宜将炉缸灌浆孔打开检查排气和排水情况，并及时在严格受控条件下实施炉缸的灌浆操作，及时将炉缸炉墙冷侧可能出现的气隙和煤气通路填充密实，以实现炉缸炉墙的无气隙化运行。炉缸的灌浆必须严格控制，采用低压力、低流量操作，在灌浆孔处装设压力计控制压浆操作。灌浆料宜选择硅溶胶结合的碳质压入料，保证压入料的导热性和体积稳定性，不宜采用高挥发分的压入料。考虑炉壳的受力情况和炭砖墙体的承载能力，建议将炉壳灌浆孔处的压力控制在1．5MPa以内，最高不宜超过2．0MPa，宜在高炉休风状态下进行压浆操作。炉役中后期，在炉缸耐火材料侵蚀严重的情况下，不宜对炉缸进行压浆操作。这时炉墙很薄，承受压力的能力很弱，一旦操作不当容易将砌体压松而导致严重的后果。生产过程中应严格控制炉缸煤气泄漏情况，如果发现漏点应及时补焊，防止煤气将炉内的耐火材料气蚀成气隙。生产中防止冷却设备漏水也是长寿的关键环节。调查发现，众多的炉缸事故均与炉缸漏水有关。风口漏水应及时更换，最好是加强风口寿命管理，待风口寿命到期时进行及时的更换。双腔风口的采用是提高风口寿命和防止炉缸漏水的有效措施，既可以防止炉缸漏水，又能够减小高炉的休风率，不失为一个好的选择。CST（阿赛罗－米塔尔集团巴西图巴朗钢铁公司）1号高炉设计寿命只有8年，炉缸耐火材料的品质显著低于现在的水平。通过高炉工作者的不懈努力，目前炉役寿命已经达到了28年，还将继续生产至2013年，炉缸的精心操作与维护是其获得成功的关键。

4结语

防止气隙是炉缸长寿的关键。设计时要有完善的防止气隙的措施；安装中要严格控制每一个环节，防止一切出现气隙的可能性；烘炉阶段要适当提高炉墙的温度，使水分得以缓慢蒸发和让胶泥等不定型材料得以固化；开炉初期要适当控制高炉的强化进程，要给予炉缸耐火材料膨胀、定型、残余水气的排出和不定型耐火材料理化性能的演变以足够的时间，给予新高炉一个磨合期；合理的炉缸维护防止气隙。控制住了炉缸气隙，炉缸的传热体系才能可靠、持续有效，炉缸就能形成稳定的渣铁壳保护层。炉缸气隙的关键控制环节：良好的设计、良好的施工质量、彻底的烘炉、控制好开炉节奏、良好的漏水管理、正确的炉缸维护。只有炉缸长寿链上的这些关键环节均得到有效控制，高炉炉缸才能实现长寿。