汤清华

（鞍钢股份有限公司）

摘  要  针对我国高炉出现的开炉后不久炉缸碳砖温度升高、炉缸烧穿事故频繁、铜冷却壁寿命不长等状况，指出了新建和大修高炉中存在的一些共性问题。认为生产一线的炼铁工作者，不能只注重操作，也应关注高炉的设计建设。炼铁生产企业是创新的主体，要优化和选择好高炉设计建设，减少高炉先天不足，努力建设处一批经得起考验的高效长寿现代化高炉，组建出中国长寿高炉的“标准”炉型。

关键词  高炉  炉缸 铜冷却壁 碳砖

近些年来,我国陆续出现了10余座15-19年高效长寿高炉,为实现高炉高效长寿做出了示范。但是,大多数高炉离设计的15-20年寿命相差仍很远,比如:一批1000m3级的高炉开炉几个月就出现环炭温度超限,2-4年内数座高炉炉缸烧穿；数座2000m3级高炉开炉不久也出现环炭温升高,被迫采取强制护炉措施,不是炉缸烧穿就是提前大修,每座高炉仅加钒钛矿护炉其成本就升高2000万元/a以上；更为痛心的是,花大价钱购买国外高档炭砖的高炉,9年内也有6座2500-4350m3高炉在3-9年内烧穿；目前,高炉平均寿命还难以突破8年。还有一个现象就是，花高价钱采用的铜冷却壁也没有达到预期目标,使用仅6-8年就磨损烧坏,被迫提前成段或整体更换。

造成上述状况的原因是多方面的,一些学者认为主要是:①炭砖质量不好；②施工质量差；③冶炼强度过高；④入炉有害杂质超标。笔者认同这些分析,但更主要的是新建和大修高炉中存在的共性问题,应当属于先天不足。

1  炉缸炉壳是圆柱体而不是圆椎台

不知什么时候或在什么理论指导下,我国众多高炉的炉缸炉壳结构沿高度不收缩,是圆柱体而不是圆椎台形。

——炉缸直炉壳[如图1(a)所示]：国内一批1080m3直炉壳炉缸高炉，没有长寿命的，某厂6座同样炉子，2年内烧穿3座,其余3座也紧急大修。

——在风口段收缩炉壳[如图1(b)所示]：一批1780-290m3高炉,开炉不久环炭温度飙升,不是烧穿就是寿命没超过8年。

——从铁口以上收缩炉壳[如图1(c)所示]：一些巨型高炉投产1年多环炭温度超限，采取降低冶强和大剂量钒钛矿等强力护炉措施，维持9年左右后炉缸烧穿或大修。

道理是显而易见的。高炉投产后，炉缸产生了铁水，炉缸环炭在铁水的浸泡下，就像油飘在水中，比重不同轻者上浮（铁水密度/炭砖密度=7.6/1.55）。当今众多圆柱体炉缸，靠的是炭砖与冷却壁的摩擦力来防止炭砖上浮，上浮造成的砖缝逐渐变大，砖缝中钻入了Fe、Zn等，砖衬温度就会升高，炭砖加速侵蚀。有的开炉不久就炉缸烧穿的高炉，不抢修即大修，在清理炉缸残物时，发现很多整块的炭砖。

如果是斜炉壳的话，炉壳同冷却壁有一种向下的分力来约束砖衬的上浮，摩擦力与斜面约束力共同组织炭砖上浮，减轻砖缝变大。

这里还要注意的是，炭砖抗压强度在30MPa以上，而抗折强度只有10MPa左右，紧靠冷却壁处的炭砖克服上浮是靠摩擦力，而同块炭砖内部同时受到上浮时所产生的剪切力，易使炭砖断裂。不论大小炭砖砌筑的炉缸，炉缸炭砖都存在环裂，其原因是否与此有关，值得深入探讨。因此，炉壳向上收缩应从炉底板位置开始才是正确的。有的从炉缸一段冷却壁开始收缩比不收缩的好，但不如从炉底板开始的好。这些都有生产实践得以证实。

另外，有一些高炉炉壳在风口段收缩，造成风口段的耐材衬太薄，进而使风口段冷却壁上部和炉腹冷却壁下部烧损。风口段斜炉壳的高炉，开炉多年后风口中套仍不停的上翘，有的采用所谓自由陶瓷杯炉缸，其风口中套也是整代炉役中不断上翘，如开炉7年的某1780m3高炉已经更换90多个中套，是风口数的3.5倍，没有一个是烧坏的，不能认为都是钾、钠、锌害造成的。说明此段炉壳结构不合理。过去的高炉不存在此现象，因为风口段的炉壳是直的。

2  炉缸环炭从热面到冷面存在水平通缝

当前全炭炉缸炉底的高炉，不论是使用大块炭砖还是小块炭砖，都存在水平通缝，其结构违背了砌筑常识。如图1所示的3座高炉都是水平通缝。尤其是当直炉壳炉缸结构，陶瓷杯壁或开炉保护砖侵蚀掉或裂缝存在的情况下，铁水、锌蒸汽等钻入砖缝后就出现炉缸环炭温度攀升，如锌以气态进入缝隙后，冷凝成金属锌块、遇CO2或水又被氧化成ZnO,其后ZnO又被C或CO还原成Zn，砖缝增大，铁水等也钻入砖缝，结果造成炭砖侵蚀进一步加快。鲅鱼圈两座高炉建设时没有陶瓷杯壁，开炉不久环炭温度升高，采用大限产、强护炉勉强维持10年生产。这边一点的环炭温度升高了，想方设法降下来，而另外一点环炭温度又起来了。生产操作者疲于护炉，生产指标可想而知。

20世纪50-60年代的高炉，综合炉缸炉底就不是这样的，当今为何去违背常识呢？当前我国高炉炉缸结构应利用新建或大修的机会加以改进。下面来看三个实例：

（1）鞍钢10号2580m3高炉[如图2（a）所示]。1995年开炉，运行到2008年底受金融危机被迫停炉。2013年大修炉缸破损调查，环炭厚度仍在400mm左右，运行13.8年，单位炉容产铁量10800t/m3，实际还能生产几年。当时，炉缸大块炭砖用的是自焙炭砖，考虑到自焙炭砖与冷却壁接触部位的温度低，自焙炭砖没有自焙烧的条件，外环采用一环小块炭砖砌筑，较早实现了大、小炭砖复合砌筑，应当说是歪打正着，实现了较长的寿命。

（2）武钢3200m3高炉[如图2（b）所示]。大小炭砖复合砌筑，基本上是从第一段冷却壁开始，到铁口上方的高度范围内，采用大小炭砖复合砌筑来阻断象脚区域的水平通缝。武钢数座3200m3高炉炉缸都达到了15年以上的寿命。

（3）DANIELI CORUS高炉[如图2（c）所示]。是座炉缸直径8400mm的中型高炉，不仅炉壳从炉底板开始内斜，炭砖也从第一层满铺炭砖往上至风口组合砖下，都是大小炭砖复合砌筑，以阻断水平通缝。

上述三例值得借鉴。这些都是采用了三道屏障来阻断炭砖的水平通缝，防止热面的铁水直接钻到冷却壁处。

3  冷却壁冷却比表面积太小

炉体冷却比表面积或冷却壁冷却比表面积:宝钢1、2号高炉第1代炉役炉缸是没有冷却壁的，靠炉壳外部喷淋水冷却。这种冷却形式国外较多，还有一种形式是夹壳式冷却，即炉缸外壳上挂满了冷却水箱。这两种冷却形式的冷却比表面积可达1.0。

而我国高炉在炉壳内安装冷却壁，业内普遍使用的计算方法简化成:πD/管间距(通水冷却水管周长和两冷却水管间距之比，取等高度)，明显的是冷却水管的热面和冷面都考虑进来了，其冷却比表面积较前述形式要小一半以上。按业内当前的计算法计算的冷却壁冷却比表面积，应当取其二分之一才能和上述喷淋冷却方式相比。显然，我国现行高炉冷却比表面积太小(见表1)。我国当前这种4进4出的竖式冷却壁存在两个不足:①冷却比表面积小；②炉壳开孔强度低。

由表1可看出，宝钢3号高炉使用的弧形卧式10进10出水管形式的铸铁冷却壁，有冷却壁冷却比表面积大，炉壳开孔强度好的优点，值得在炉缸部位采用。而鞍钢高炉冷却比表面积太小，则是造成开炉2.8年烧穿的主要原因之一。宝钢4号高炉第1代炉役开炉不久，炭砖温度超标且难以控制，强化护炉也只能运行9年，不得不修复炉缸，第2代炉役则采用卧式冷却壁。

宝钢湛江高炉炉腹及以上区域，采用冷却水管为6进6出竖式球墨铸铁冷却壁，从2015年开始己成功地使用，尚无一损坏。不仅替代了铜冷却壁，且也取代了传统的双排冷却水管铸铁冷却壁，其冷却比表面积达到了1.2，同时很好地解决了炉壳开孔强度的限制。这一创新值得学习、推广和应用。

综上所述，保证高炉冷却壁冷却比表面积合理是关键。炉缸采用卧式10进10出水管的弧形光面铸铁冷却壁，炉腹以上采用立式6进6出水管的球墨铸铁冷却壁，再配合2.5m/s左右冷却水速，这种冷却结构无疑在降低建设成本和实现高炉长寿有了坚实的基础。

4  炭砖使用结构及质量存在不足

2008-2017年国内发生6座2500～4350m3高炉炉缸烧穿，没有1座高炉超过9年寿命。这5座高炉中，有3座UCAR炭砖，1座CGL炭砖，2座NDK炭砖，都是引进顶级的炭砖，全世界难找出更好的炭砖了，同时也说明不全是炭砖质量问题，应当说在使用结构上有不足之处。炭砖的使用除水平通缝缺陷外，还有下面一些问题:

(1)高炉炉缸环炭厚度太薄。有的高炉只有550mm。薄壁炉衬结构不应当指炉缸炉衬，而是指炉腹以上部位。建议炉缸环炭铁口区域厚度不能小于1400mm，炉底炭砖在2000mm左右。

(2)坚持好传热的顺序。①炉底炭砖由下至上，其导热系数应该由大至小。但是，当前最下层满辅石墨炭砖是否需要把导热系数做到100W/(m・K)?造价高且功能过剩。②炉缸环炭砌筑由冷面至热面，其导热系数也应该由大至小，靠近冷面及铁口组合炭砖不宜用UCAR的NMD，它是靠添加人造石墨来提高导热系数的，不焙烧炭砖，石墨易渗入铁水，钻铁及炉役后期炭砖侵蚀速度会加快。宝钢3高炉当年第1代炉役其NMD用得极少，是很有力的证明。③对微孔炭砖和超徽孔炭砖的导热系数不宜要求过高，炭砖生产厂家为了达到合同值就大量添加电极石墨来满足高导热系数，而添加的石墨又易渗入铁水造成炭砖溶损加快。应重视其他指标的规定。④消除中间热阻层，炉缸炭砖砌筑中的炭捣料层，因施工难度及规范上不足，加之高导热的炭捣料质量不佳，往往达不到要求，反而成为了热阻层，有碍热量的传导，危害甚大。应加强炭捣料的生产、施工方法的认识和管理，特别要开发出高导热高致密的浇注料。⑤从一些炉缸烧穿和铁口烧穿的实例看，还有一不足之处，就是全炭炉缸炉底的高炉铁口组合砖，反而采用导热能力差的高铝质砖，为什么?而此处的冷却壁又采用铜质的，自相矛盾。过去的综合炉缸炉底结构的高炉铁口，虽采用高铝组合砖，但其铁口框架内是有3块扁水箱相配合的。

(3)炭砖的生产质量。近年来，国产炭砖进步较大，现在已成功研发生产出微孔、超微孔炭砖，且导热能力翻倍增加。新型碳复合砖在多座高炉得到应用，其导热性和耐铁水侵蚀性可与超微孔炭砖相媲美，不仅在一批中型高炉得以应用，而且有效缓解了一批1000-2000m3高炉环炭温度急升的问题，实践己取得满意的结果。国产炭砖存在的主要问题是:①无烟煤的电煅烧不合格，国外三家(CGL、NDK、UCAR)炭砖厂所用的无烟煤都是我国宁夏的，其生产技术优于我们，我国煅烧在电阻率等就达不到要求。②砖的焙烧温度不够或窑温不均匀，造成一块炭砖上其性能相差很大。③添加的超微粉，没有形成微孔的新物质，靠焙烧产生新物质的体积微膨胀来制成微孔或超微孔炭砖，主要是焙烧温度不够。④不能靠添加人造石墨来提高导热系数。⑤成型压力及加工精度不足。

5  炉腹角和炉身角大小及死铁层深度

炉腹角发展趋势在缩小。笔者建议炉腹角应在75°左右。

炉身角因炉料结构和品质的优化，随着球团矿和天然块矿比例增加，其还原膨胀和还原粉化爆裂升高，建议炉身角应在83°左右，不能过小，且注意铜冷却壁与铸铁冷却壁的过渡处的优化。

随着高炉向矮胖型演变，入炉矿石品位提高，渣量降低，不放上渣，以及多铁口高炉的建设，实践表明，目前以炉缸直径20％作为死铁层深度是合适的，死铁层不宜进一步加深。对于加深死铁层以降低铁水环流速度的观点，还须深人探讨。

6  铜冷却壁的使用寿命未能达到预期目标

1985年宝钢1号高炉进口铜冷却板，2001年我国第一次引进连铸坯铜冷却壁，目前我国使用铜冷却设备的高炉约占高炉总数20％以上。使用铜冷却板的高炉平均寿命在10年以上，不用中修就能更换损坏品，平时定修即可完成；使用铜冷却壁的最好的高炉寿命已有21年，但大多数铜冷却壁高炉寿命在6-9年，良莠不齐。使用铜冷却壁的高炉虽未达到预期目标，平均寿命也没有铜冷却板的寿命长，但仍较过去高炉铸铁冷却壁的基础上寿命提高了2～3倍。

铜冷却壁在高炉上使用时间最长的是沙钢3座2500m3高炉。其中1、2号高炉，引进的德国二手设备，加上在德国使用年限至今已使用21年;同时，国内与之相配套的3号高炉至今已使用16年。这3座高炉铜冷却壁到目前为止尚无损坏，其上部铸铁冷却壁己换过第三遍了，其下部铸铁壁也更换过。这是国内最好的典型，其高炉治炼强度也是国内最高的。

而鞍钢、本钢等高炉的铜冷却壁使用6～9年基本上要更换一次，沙钢5800m3高炉在开炉7年多也更换2段铜冷却壁。

某些高炉铜冷却壁的破损调查结果表明：

①主要损坏是磨损，往炉内(热面)凸翘出的部位磨得最严重(见图3)。炉腹上部与炉腰中下部区域磨损程度大于炉腰上部与炉身下部区域，有些高炉只更换了炉腹炉腰两段，这可能与该炉的炉腹角和炉身角不相适应有关。

②铜冷却壁在炉内受热要发生膨胀并延伸，其受到限制就会弯曲变形，表现出向炉内凸起，每段冷却壁分中间往炉内凸翘和进出口水管端部往炉内凸翘两种情况:一是中间往炉内翘时，冷却壁中间先磨损，水通道磨损漏水后，表明此冷却壁即损坏。二是进出水管端部向炉内凸出严重时，还会剪断或拉断水管，拉断水管则多在焊口处，剪断水管的部位则多在炉皮开孔处，这时是先漏水即损坏，壁体先断水后磨损或熔蚀。铜冷却壁损坏后，则往炉内大量漏水(一般每根水管水流量25t/h左右)，不迅速采取措施，则影响高炉顺行或燃料消耗大幅度升高。有座3200m3高炉生产7年后，从高炉拆下来的损坏铜冷却壁统计，主要坏在冷却壁进出口水管上，焊口开裂和剪断比例大致分别为70％和30％，说明多为两端向炉内凸翘多。

③龟裂现象几乎没看到，不像铸铁冷却壁那样基体是龟裂后演变成水管渗碳变脆而损坏的。也没见到像铜风口前端那种掉块损坏和熔成小洞而损坏的现象。

④制造焊接质量不佳损坏，多出现在开炉不久更换下来的铜冷却壁难于辨别是焊接不好还是受拉伸后焊口开裂。

⑤对一些学者提出的氢害是造成铜冷却壁损环的论点，调查中未看到氢害的现象。

基于上述讨论，对铜冷却壁的改进，笔者提出如下建议:

(1)磨损与炉腹和炉身角有关系。铜冷却壁在各高炉内经受的各种治炼条件及侵蚀基本类同，渣皮掉落与生成同时存在，掉落与生成频率、周期各炉各异，渣皮保护铜冷却壁原理也类同，但各高炉损坏现象相差甚大。如沙钢3座2500m3和5800m3高炉，管理与作业团队一样，原燃料条件也相同，但铜冷却壁的使用效果却有明显的差异，也就间接说明，与生产操作无关，也与制造厂家关系不大。

笔者认为磨损与炉腹角和炉身角有关系。众所周知的是:炉腹角太大，则炉腹处不易挂渣，风口回旋区往上气流分布也受影响;而炉身角太小，炉身边沿煤气流不易控制，易出管道气流。冷却壁不易挂渣和边沿气流过盛，都加速铜冷却壁磨损。沙钢3座2500m3高炉的炉腹角72°多，而5800m3高炉比其大2°多。国外高炉的没有像我国高炉过于矮胖，炉腹角趋向缩小，两种角度组成一个合理搭配，随着入炉品位提高，吨铁渣量减少，炉缸直径也在变小。

(2)铜冷却壁也不应设计得太长。铜冷却壁使用虽有十几年的实践，防止弯曲变形及损坏仍未掌握，有的高炉利用中修机会将2段3.0m长的冷却壁换成3段2.0m长。鞍钢计算了部分冷却壁在不同热负荷和热面温度下的挠度变形量，热负荷在

180W/m2时其挠度变形量达到10％，且随着热负荷和温度升高变形量还在增大。因此，铜冷却壁也不能设计得过长，建议2.0m左右。且上下两段间的缝隙应比铸铁壁缝隙留得更大一些，铜的延伸率大于铸铁。

(3)安装技巧。铜冷却壁在炉内变形，即往炉内翘，说明冷却壁受热变形没有上下移动空间，或说没有自由度。铜的特点是导热性能好和延伸率大，但不抗磨，除不能把冷却壁制造得太长外，安装技巧也至关重要。沙钢2500m3高炉铜冷却壁的安装吊挂形式，保留了德国原高炉的定位和吊挂固定形式，应很好地借鉴。现在这种每块冷却壁不论多长，中间一个焊在炉壳上的定位点和4个固定螺栓来吊挂冷却壁的方式应当改进，应给铜冷却壁受热变形后留点延伸空间，即4个固定点的炉壳开孔应当是上下为长轴的椭园孔，煤气密封头适当加大，冷却壁受热延伸后能有一定的自由度，防止内翘，让其上下一定的延伸空间。铸铁冷却壁的滑动、浮动、固定三点式吊挂的思路值得借鉴。

(4)足够的冷却比表面积和水流速度。铜冷却壁安装部位是整个高炉热负荷最高的部位，利用铜的导热能力远大于铸铁(相差约10倍)来加强冷却、在壁体上易形成渣皮，问题是炉内热面传来的热量要迅速传给冷却水，壁体的温度才能低，那么与水量、水速、冷却壁冷却比表面积就相关了。如同样管间距210mm的铜冷却壁，采用圆孔与椭圆孔的通道相差甚大，如当前50mm圆孔通道面积是30mmx85mm椭圆孔的通道面积98％，但冷却壁冷却比表面积比分别为0.748和1.945，相差2.6倍，相同水速的条件下，比表面积越大者壁体温度越低，也越易形成渣皮，风口的冷却水量和水速远大于冷却壁，这是值得讨论的，沙钢2500m3高炉铜冷却壁的水速大于其他钢企水速的50％。

(5)提高冷却壁壁体与其镶嵌耐材的结合强度。开炉后冷却壁上的耐材在冷却壁上存留时间越长，冷却壁受磨损便越晚，寿命就越长。这就有一个耐火材料与壁体黏结强度和导热能力相匹配的问题。目前铜冷却壁上的燕尾槽30～40mm太浅，

(仅是铸铁冷却壁的1/2)，又只能采用冷镶砖，黏结强度也不会很高，因此加强镶砖的结合强度或喷涂料时采用锚固钉挂网再喷涂等措施会更佳。铜冷却壁上所镶耐火材料，炭砖、碳化硅砖、铝炭砖、碳复合砖、高铝砖、高导热喷涂料等，其导热系数常温下和高温下是不同的，挂渣能力也不同，应科学选取。

7  结语

笔者结合鞍钢高炉改造与建设的实践，参与国内一些高炉事故分析与学习，针对近年来我国高炉出现的，开炉后不久炉缸炭砖温度升高，炉缸烧穿事故频繁，铜冷却壁寿命不长等现象，提出了结构上的些共性问题，供炼铁同仁讨论参考。特别是生产线的炼铁工作者，不能只注重操作，也应关注高炉的设计建设。炼铁生产企业是创新的主体，要优化和选择好设计建设，减少高炉先天不足，努力建设出批经得起考验的高效长寿现代化高炉，组建出中国长寿高炉的“标准”炉型，扭转长期疲于护炉和担心烧穿的局面。