摘  要 近十幾年來，高爐爐缸燒穿事故較多，從高冶煉強度的小高爐到較低冶煉強度的大高爐，都有爐缸燒穿的事例。即使沒有爐缸燒穿，也普遍存在爐缸溫度過高、爐缸壽命偏低的現象。本文針對這些爐缸事故和現象，分析了原因，提出了防止爐缸燒穿和壽命偏低的一些對策。

關鍵詞  高爐  爐缸  燒穿  壽命

上世紀60~70年代，隨著高爐冶煉的強化，高爐爐缸燒穿成為高爐壽命的制約因素。隨著炭磚質量的改善，上世紀80~90年代高爐爐缸燒穿的事故減少，但是爐腹至爐身下部的壽命不長，靠增加中修、小修與爐缸爐底的壽命匹配。進入2000年以后，高爐爐缸燒穿的事故又開始多起來，有的高爐開爐幾個月就造成爐缸燒穿，有的開爐3年左右就造成爐缸燒穿。針對這些燒穿的高爐，業界有所顧慮，客觀評價較少，也不便發表文章論述。即使有事故分析，也由于各種原因，或者人云亦云，而沒有真實反映客觀事實。本文綜合幾個事故示例和一些事故的現象，討論某些高爐爐缸事故產生的原因和解決對策。

1、爐缸燒穿的主要原因

針對強化冶煉的高爐，爐缸燒穿的原因歸納起來有以下幾點；

1.1 炭磚質量因素

國內外知名炭磚（包括微孔與超微孔）有幾個致命缺點；

1）抗鐵水溶蝕差，抗鐵水溶蝕指數在15%~30%，遠小于8%的理想指標。

2）抗水蒸氣氧化能力差，炭磚氧化后表面形成蜂窩狀，嚴重降低了其導熱性能，使得炭磚得不到冷卻，加速了鐵水對炭磚的溶蝕。很多老鼠洞式的局部燒穿與冷卻設備局部漏水有直接的關系。最典型一個實例，一座3200m3高爐開爐32個月后，在一個鐵口下方發生老鼠洞式的局部燒穿事故，就是因為引進德國的鐵口局部銅冷卻壁出水管與銅冷卻壁本體焊接處開裂漏水造成的，下列圖表可以清晰地看到其燒穿前后的演變過程。

溫度上升比較來看，從2008年的4月到8月，4#鐵口處的溫升都超過100℃，而其他鐵口的溫度上升均明顯低于該值，說明4#鐵口區域的侵蝕相對較為嚴重，2#與3#鐵口侵蝕很輕微，1#鐵口最底部侵蝕也較嚴重。

可以看出，鐵口下方右側的一塊引進德國的焊接水管的銅冷卻壁的最下一根水頭的水管根部已脫落，說明其焊接存在缺陷，導致根部滲漏，最后發展到脫落。

發生事故前后，4#鐵口燒穿孔位置周圍溫度計的變化情況記錄。數據記錄顯示，在燒穿前18分鐘開始，炭磚冷面側溫度開始明顯下降，燒穿部位下方炭磚冷面的溫度從260℃降到150℃、下降了100℃，燒穿部位上方炭磚冷面的溫度從160～180℃降到120～140℃、下降了約40℃，而熱側溫度未出現明顯變化，說明在發生事故前的18分鐘左右，出現了大量漏損，使爐缸壁冷側溫度顯著下降。燒穿后，各點的冷熱面溫度均急劇上升。

可以看出，在燒穿前一周，燒穿部位下部炭磚冷面的溫度已經有明顯下降，下降幅度在30℃左右，經過一天左右的時間又回升到之前溫度，這也說明漏水量的突然增大會使炭磚冷面溫度突然下降，之后隨著炭磚厚度的減小和熱面溫度的傳遞，炭磚冷面溫度又上升。

可以看出，由于銅冷卻壁水頭斷裂，補水頻率明顯加劇，補水量也明顯增加。冷卻壁水溫也有突然升高。

該高爐修復后又生產了19個月停爐大修，對爐缸侵蝕情況做了調查。原鐵口區炭磚厚度為1914~2070mm，非鐵口區炭磚厚度約1000mm。調查發現：非鐵口區炭磚幾乎沒有被侵蝕，炭磚厚度仍然保持在約1000mm：1#鐵口區炭磚厚度為850mm，象腳區只有約500mm，只在象腳區侵蝕較嚴重；3#鐵口去炭磚厚度為1500~1600mm，象腳區為1870mm，整體侵蝕輕微；4#鐵口區炭磚厚度為750mm，象腳區為460mm，侵蝕較嚴重。這也驗證了數據的推測是正確的。

3）抗鋅能力差，抗鋅試驗后炭磚的強度幾乎為零。炭磚脆化后，造成很大的熱阻，使得爐缸內側的炭磚失去冷卻保護，造成脆化層爐內側的炭磚快速消耗，從而造成炭磚厚度快速減小，炭磚冷面的溫度升高直至達到危險溫度而停爐。在入爐鋅負荷較高的高爐中，不論是大塊炭磚還是小塊炭磚，在大修調查中都發現爐缸至象腳侵蝕的整個高度上有脆化引起的連貫的環縫，環縫物中的ZnO含量也很高，如武鋼4號2500m3高爐2006年大修調查，環縫從風口下部到象腳區上寬（約260mm）下窄（約140mm），環縫物中的ZnO含量高達40%~70%。

4）強度低，抗熱應力較差。死鐵層深度過大，造成炭磚熱應力過大，加速炭磚的剝裂。死鐵層局部的熱應力在10~40MPa，而炭磚的強度較低，只有30~45MPa，難于抵擋這樣大的熱應力。死鐵層加深，必然造成死鐵層下部炭磚承受的壓力加大，從而加速炭磚的侵蝕。

1.2  施工因素

炭磚多采用樹脂膠泥，常溫下短時間不能凝固，如果施工速度太快，磚堆自重就容易擠壓下部泥漿，造成泥漿流失或不飽滿，因此，要控制好砌磚速度，嚴格控制炭磚磚縫。同時由于泥漿常溫下沒有強度，在砌筑完爐殼灌漿時，灌漿壓力高就容易沖刷泥漿。由于施工工期比十多年前壓縮很多，在爐缸爐底砌磚質量上控制不如過去嚴格，這應當引起我們的注意。有的高爐燒穿部位的炭磚磚縫有3~7mm的整塊鐵片的滲鐵。

1.3開爐前的因素

寒冷地區在冬季施工時，有的高爐爐頂無料鐘齒輪箱冷卻水泵停運造成齒輪箱水槽中的水結冰，水泵恢復運行時，回水就會溢出水槽進入爐缸。有的高爐因為爐頂無料鐘齒輪箱冷卻回水槽中的水位計失靈，進水量過大時回水從回水槽中溢出進入爐缸。有的冷卻壁安裝前沒有試壓檢漏，在炭磚砌筑完后通水才發現冷卻壁漏水。由于冷卻水進入爐缸沒有及時排凈和進一步慢速烘爐，造成炭磚在潮濕狀態下工作，使得炭磚和膠泥快速侵蝕。

1.4生產因素

過去高爐開爐后有一個月甚至到6個月的慢速達產期，而近十多年來高爐開爐后一周左右就快速達產，炭磚及泥漿在爐內的進一步焙燒時間大大縮短，炭磚與冷卻壁之間的碳素搗打料或泥漿還沒有干燥，其導熱性能還較低，炭磚就要靠犧牲自身材料來工作，這對炭磚砌體是非常不利的。

1.5  設計因素

鐵口局部設計不合理，鐵口區厚度不足或者深入過長，容易引起鐵口局部過快侵蝕。冷卻壁設計不合理，水管布置太稀疏，水管直徑小，冷卻水量不足，不能有效傳遞熱量。爐缸側壁炭磚溫度計插入太深，爐底炭磚溫度計在陶瓷墊磚下方，一旦侵蝕到溫度計位置后，鐵水從溫度計管流出，引起爐缸燒穿。陶瓷杯結構形式和材料設計不合理，容易造成因陶瓷杯的膨脹過大而引起炭磚砌體的破壞，甚至使風口大套中套上頂，拉裂爐底板。

2  防止爐缸燒穿的對策

為提高高爐爐缸壽命，防止造成爐缸短期燒穿，應針對上述問題采取有效措施。

2.1  提高炭磚質量

首先要提高炭磚的抗水蒸氣氧化能力，炭磚與冷卻壁之間的填料（碳素搗打料或泥漿）也要有良好的抗水蒸氣氧化能力和150℃左右時的≥10w/mk的導熱能力。炭磚與填料在150℃、0.4MPa下抗水蒸氣氧化失重率＜5%，1100℃、CO2氧化1小時后的失重率＜8%，氧化后不會形成蜂窩狀。

提高炭磚抗鐵水溶蝕能力，抗鐵水溶蝕指數要＜10%。電煅無煙煤的抗鐵水溶蝕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，是瀝青焦的7.13倍，因此，在制造炭磚選擇碳素原料和結合劑時要兼顧導熱性與抗鐵水溶蝕性。

提高炭磚的導熱能力，在800℃下導熱率要≥12w/mk。為了獲得炭磚較高的導熱率，在炭磚制造的原料選材上也要兼顧碳素的導熱與抗鐵水能力的矛盾。

提高炭磚的抗熱應力能力。耐材的抵抗熱應力強度Rs=形狀系數*導熱系數*耐壓強度/（線膨脹系數*楊氏模量）?？梢钥闯?，磚塊體積減小，有利于提高抵抗熱應力強度；導熱系數與耐壓強度提高，有利于提高抵抗熱應力強度；線膨脹系數和楊氏模量增大，會降低抵抗熱應力強度。一般半石墨大塊炭磚的有效抵抗熱應力強度只有1.2MPa左右，微孔大塊炭磚的有效抵抗熱應力強度只有2.3MPa左右，這些炭磚離熱應力10MPa的工況差距過大，也是造成象腳侵蝕的主要原因之一。小塊碳復合磚的有效抵抗熱應力強度為10.5MPa左右，可以大大減緩象腳侵蝕的進展，使用七年以上的高爐實測結果也證明了無象腳侵蝕。因此，也可以說炭磚的抗熱應力能力決定了象腳侵蝕的程度。

提高炭磚的抗鋅能力。鋅負荷較重的高爐，要盡量采用含鋅底的原料，使鋅負荷＜0.15kg/t鐵。炭磚抗鋅試驗后要不脆化，耐壓強度下降要＜30%，并且耐壓強度還有＞25MPa。

碳復合磚是一種更加適合高冶煉強度的高爐爐缸爐底的安全生產的材料，抗鐵、抗氧化、抗鋅、抗熱應力等關鍵指標更適應高爐實際工況的要求，其特點是：

1）微孔化率高。平均孔徑<0.5μm、<1μm孔容積>70%，透氣度趨近于零?？梢杂行Х乐乖F的滲透侵入損壞。

2）導熱性好。導熱系數達13 W/（m.K）以上，與國外知名炭磚相當，但卻不是隨溫度升高導熱性提高，而是相反，正好符合了爐缸冷卻傳熱的要求。在100℃下，碳復合磚的導熱系數為17 W/（m.K)，RB微孔炭磚炭磚只有8.6 W/(m.K)，MG熱壓小炭磚只有6.8 W/(m.K)。

3）抗鐵性優越。碳復合磚具有與陶瓷杯同樣好的抗鐵熔蝕性，抗鐵性能＜1%，比國外知名炭磚提高了50～90倍，克服了炭磚抗鐵熔蝕性差（>20%）的缺點，可以延長使用年限，可以有更長的時間發現局部被侵蝕，防止“無征兆燒穿”事故的發生。

4）抗氧化性優越。氧化率為＜1%,遠優于MG小炭磚的18%，并且在氧化后表面無蜂窩，很光潔，也有很高的強度。碳復合磚抗氧化性能比常國外知名炭磚提高了3～20倍。可以有效防止因冷卻設備漏水引起磚襯氧化而冷卻失效造成爐缸燒穿的嚴重事故的發生。

5）抗熱應力強度高達10.5MPa左右，與高爐爐缸底部邊角實際熱應力10MPa的工況相適應，可以大大延緩象腳侵蝕的進展?？梢悦馊ラ_爐2年左右后開始持續的釩鈦礦護爐帶來的高爐操作困難和煉鐵成本的增加。生產實踐表明，根據爐缸爐底溫度不同，加入鈦的負荷一般為5～15 kg/t，使鐵水中的鈦含量在0.08%～0.25%，但負面結果是：焦比會增加5～30kg/t，煉鐵成本增加3～10元/t，鐵產量也會有所下降，多的下降約20%。

6）抗堿性優越。抗堿后體積膨脹＜3%，并且強度增加，與國外知名炭磚的抗堿性能相當，并且優于一般的剛玉莫來石系列的陶瓷杯（其抗堿后體積膨脹15%～30%，強度下降嚴重）?？梢杂行Х乐篃崦娲u襯受堿金屬侵蝕引起的磚體脆化造成傳熱失效、或大的體積膨脹而造成爐底爐殼上漲開裂。

7）抗鋅侵蝕能力強。碳復合磚抗鋅侵蝕后的強度下降約26%，但還有55MPa的強度，而微孔炭磚抗鋅侵蝕后的強度幾乎為零。

8）抗渣性好?？乖阅埽?%，雖不及炭磚，但好于炭磚的抗鐵指標，比一般的剛玉莫來石系列的陶瓷杯（20%～100%）高10倍以上，也好于微孔剛玉磚（6%～8%）。

9）強度高。碳復合磚的耐壓強度達到75MPa以上，知名炭磚只有30～45MPa?？梢杂行У挚瓜竽_部位強大的熱應力損壞。

10）膨脹系數低，可以無需設置膨脹縫的與炭磚相互組合。碳復合磚膨脹系數約為（4.1～4.5）x 10-6（1/℃），炭磚（2.5～3.5）x 10-6（1/℃） ，剛玉莫來石系列磚為（6～8）x 10-6（1/℃）。

11）用磷酸鹽結合泥漿，常溫下有一定的強度，可以防止泥漿擠壓流失和灌漿沖損。

2.2  提高鐵口局部設計質量

鐵口磚襯厚度（鐵口前段泥套后的鐵口中心線斜長）設計時應當控制在（爐缸直徑的24%—300~500）mm，凸出爐內側鐵口磚的寬度宜在夾角45°逐漸過渡，在鐵口中心線以上的高度H也要隨高爐容積增加而增加。鐵口磚襯厚度過小，容易造成鐵口局部侵蝕過快，炮泥消耗量加大。鐵口磚襯凸出內型線長度不宜超過800mm，過分凸出也容易造成鐵口兩邊轉折處的炭磚侵蝕加劇。鐵口局部以外的鐵口中心線位置（非鐵口區）磚襯厚度L不能過小，不能小于的數值。

設計時要控制死鐵層深度，死鐵層深度一般應當控制在爐缸直徑的17%~20%。

另外，爐缸側壁炭磚溫度計插入深度不要超過200mm，爐底溫度計不要設在陶瓷墊下方，要設在陶瓷墊下方一層或兩層炭磚的底部。

冷卻壁設計上，冷卻壁內水管外表面的面積與冷卻壁面積之比達到0.9以上，水速≥1.5m/s。爐缸最好采用橫型冷卻壁，便于對每段冷卻壁的冷卻情況進行檢測，如寶鋼3號高爐。爐缸區域不適宜采用焊接進出水管的銅冷卻壁，如果要采用這種形式的銅冷卻壁，則必須對焊接后的水管進行拔出試驗，以確保焊接工藝和質量的可靠性。鑄造銅冷卻壁沒有焊接水管，用于爐缸區域將更安全。

適當增加容易產生象腳侵蝕區的炭磚溫度檢測點，鐵口下方區域每點溫度計的檢測范圍在1.6~2m2，其余非鐵口區域部位每點溫度計的檢測范圍在2.5~3m2。

陶瓷杯的結構設計要防止陶瓷杯材料的膨脹對炭磚和風口大中套的不利影響，縱向與徑向上的膨脹縫設計要合理。陶瓷墊材料要有高的微孔性和抗鐵水性，陶瓷杯壁材料要有高的抗渣和抗鐵水性，常規的復合棕剛玉不適合用作陶瓷杯壁材料。

2.3  提高施工質量

爐缸爐底的炭磚施工周期要合理，現場施工質量檢查監督要嚴格，做到磚縫小、泥漿飽滿、砌筑后磚體下部泥漿不流損。盡量避開冬季＜5℃下施工。

炭磚與冷卻壁之間的填料要搗實，要在現場做搗實試驗，取樣檢查搗實后的填料體積密度達到要求。填料的體積密度與導熱率密切相關，一般的碳素搗料體積密度＜1.6g/cm3時導熱率急劇下降。

建議炭磚用樹脂泥漿砌筑的高爐，不要在開爐前進行壓力灌漿，在開爐后當炭磚冷面溫度到達100℃左右的時候再進行壓力灌漿。

2.4  充分做好開爐前的工作

高爐爐缸內進水，主要有兩個進水源。一是無料鐘齒輪箱回水槽內水溢出，二是爐頂打水控制失誤。開爐前要做好確認簽字表進行定時定員檢查確認。一旦爐缸進水，要及時排進，并追加烘爐時間。在設計上，爐頂打水進水閥設置“爐頂打水閥開啟”的聲響報警，對爐頂齒輪箱回水槽溢水也設置聲響報警裝置（比如在回水槽上部外邊緣設置溫度計）。

高爐的烘爐時間要有保障，一般應當大于15天?，F在高爐烘爐時間都很短，中小高爐只有7天左右，大高爐也只有10天。烘爐的目的一方面是排出水分，另一方面是讓泥漿有較高的強度，以提高投產后泥漿抗渣鐵侵蝕的能力。

烘爐時要減少冷卻壁水量，使爐缸冷卻壁出水溫度在50℃以上。烘爐時，壓漿短管上的冒口要盡量打開，以利于水蒸氣排出，待開爐時再擰緊其冒口。

2.5  適當延長高爐達產時間

小高爐爐缸爐底磚襯厚度較小，達產時間宜控制在15天以上。大高爐爐缸爐底磚襯厚度較大，達產時間宜控制在30天以上。目的是：讓炭磚膠泥充分焙燒，使炭磚塊之間有高的粘結強度；讓填料水分充分揮發，讓炭磚膨脹壓實填料，使填料發揮出導熱功能；最終使炭磚表面形成自保護的粘滯層（渣鐵保護層），防止炭磚因冷卻不足而快速犧牲自身材料?？焖龠_產使得爐缸爐底耐材失去了“自適應”或者“磨合期”的階段，對砌體是嚴重的傷害，最終的結果是提前幾周的達產換來5年以上的高爐壽命損失。因此，快速達產是得不償失的！

2.6  合理壓漿

爐缸爐底冷卻壁與爐殼之間的間隙壓漿材質，應當選擇碳質無水壓入泥漿，不應采用高鋁或粘土質壓入泥漿，以防止在冷卻壁熱面形成一層隔熱材料。

壓漿的壓力必須控制適當，在爐殼上的壓漿短管上的壓力一般不宜超過1.5MPa（壓漿機出口壓力控制在2.0MPa以下）。有的高爐在爐缸側壁溫度過高、內襯很薄的情況下，采用4~10MPa的壓力灌漿，造成內襯破損而被迫停爐大修。

3  結語

高爐爐缸爐底是高爐的關鍵部位，一座500m3級的高爐爐缸燒穿損直接失費用達近千萬元，一座3000m3級高爐爐缸燒穿損失直接費用約五千萬元，爐缸燒穿還可能造成人身傷亡，因此，爐缸燒穿是重大的可怕事故。要真正防止爐缸燒穿，需要我們全面、認真和實事求地總結實踐經驗和教訓。