邹忠平1，张正好2，姜   华2，印   民1

（1.  中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆   401122；2.  宝山钢铁股份有限公司，上海   201900）

摘   要  文从水进入炉缸后的演变、水对炉缸炭砖和凝固层的影响分析入手，论述了炉缸积水对炉缸长寿的影响，提出了防止炉缸进水和炉缸定期有效排水的建议，希望引起广大炼铁工作者的关注和思索，为改善我国高炉长寿现状发挥有益的作用。 

关键词  高炉，炉缸，长寿，积水，凝固层 

1   引言 

高炉炉缸长寿是一项系统工程，有关炉缸长寿的关键环节及其控制的文献已经很多，笔者在这里就不再赘述，不再去系统描述炉缸长寿的系统控制方法，而把焦点集中在容易被忽视的水进入炉缸后对炉缸长寿影响的探讨上来。炭砖怕水，这点相信业界没有人会怀疑，但炉缸如何防水、水给炉缸长寿带来什么样的影响、水进入炉缸后应如何应对，这些问题在业界却非常困惑，未能得到更多炼铁工作者和专家的足够重视。因此，笔者希望能通过本文与业界专家共同探讨，希望引起更多的炼铁工作者关注和重视积水给炉缸长寿带来的影响。 

2   炉缸积水的现状及水的来源分析 

调查发现，在生产的高炉炉缸炉壳内侧经常能够有较多的积水被排出，这种状况不容乐观。图 1、图 2是笔者在高炉炉缸参与排水时拍摄的现场照片，每次都可排出不可忽视量的水。 

炉缸中所积存的水可能主要来源于三个方面：（1）炉体冷却器或风口小套破损泄漏；（2）上部煤气中的过饱和水份在炉壳上冷凝并沿炉壳向炉缸渗漏；（3）冷风加湿在小套上结露后沿缓冲层向冷端的渗透。由于炉缸处于全炉最低位置，风口及以上区域冷却器漏水后由于重力作用会沿炉壳和冷却器之间缝隙向炉缸渗漏；炉顶上部打水形成的过饱和水，在炉壳较低的温度和压力变化的作用下会结露，然后也会沿炉壳向炉缸渗漏；炉缸处冷却壁温度是全炉最低的，其他区域水蒸汽随煤气流动到炉缸，遇到低温的冷却器后冷凝并析出，聚集成水。 

3   炉缸积水导致炉缸破损的机理分析 

3.1   水蒸汽对炭砖的氧化和脆化作用[1]

炭砖的氧化侵蚀需要激活能，将在起始温度以上发生，水蒸汽的氧化开始温度大约在 450℃；碳的沉积及水蒸汽、氢的催化作用将在 450~650℃间发生。炭砖的典型化学侵蚀临界反应温度见表 1。 

图 3 给出了在不同温度下，一氧化碳气体在暴露的氧化铝耐材上产生的碳沉积实验结果的典型曲线。数据表明水蒸汽和氢对碳沉积具有显著的催化作用，会加剧碳在炭砖内部以及在炭砖与凝固层界面上的沉积，导致炭砖的脆化和凝固层的脱落。因此，炉缸的积水变成蒸

汽不仅会氧化、脆化炭砖，还会导致凝固层的脱落，给炉缸的长寿带来很大的威胁。 

3.2   水汽化形成气隙破坏炉缸传热体系 

炉缸积水在炭砖温度升高的时候会变成蒸汽，温度越高，蒸汽的压力就会越高，当温度达到 250℃时，蒸汽的压力足以上升到 4MPa（即每平方米会产生 400t的推力），这么高的压力具有很大的破坏作用。炭砖温度上升速度较慢、传递给水的热量较慢，蒸发的水蒸汽会沿渗透过来的缝隙迅速逃逸，蒸汽的压力不会升高太多。如果炭砖温度升高的速度较快，传递给水的热量很大，蒸汽产生速度很快，蒸汽无法迅速逃逸，蒸汽的压力就会快速上升，当压力足够时就会导致炭砖和冷却壁间形成气隙。气隙的发展程度与所积存的水量、炭砖温度上升速度、周围缝隙的状况有关。炉缸积存的水，轻则在炉缸产生气隙，导致炭砖温度异常升高；重则会使炉缸炭砖松动，铁水沿松动的砖缝出来，导致炉缸烧穿的灾难性事故。

3.3   炉缸积水会导致炉缸异常侵蚀 炭砖怕水，这是大家的共识，但水进入了炉缸，处理方式分歧就很大，多数人赞同及时将炉缸的水排出，防止其在炉缸汽化导致气隙，防止其对炭砖的损伤。但另一部分人则认为，排水会人为造成气隙，影响炉缸传热，因此不赞成排水。其实炉缸的积水被排出后留下的气隙是有限的，气隙不会扩大，留下的气隙还可通过灌浆维护等及时修补或炉缸自我修复，炉缸积水排出后是利大于弊的。 

目前国内大多数高炉都没有主动建立炉缸排水的制度，部分高炉有定期或不定期排水，没有建立风口漏水后的炉缸排水、渣铁凝固层脱落时的查水与排水、休风检查并排水的制度。 

当前我国高炉操作过度追求提高作业率，降低休风率，风口破损后都采用控水方式拖到计划休风再更换，通常都有累计 3-4 个风口破损后再更换，更有甚者要累计 10 个风口破损后再更换，还把这作为经验对外传授。风口破损后所漏水量是很大的，每小时漏水可以用吨来计算，即使只有 5%进入炉缸的冷面，炉缸也会快速积存可怕量的水，这些水不及时排出，对炉缸就会带来不可估量的危害。 

风口及冷却设备漏水还继续坚持生产，所漏的水会导致炉身渣皮不稳、炉缸渣铁凝固层的脱落，导致炉况的大幅度波动，高炉操作难度大大增加，不仅会造成产量的损失，还会造成炉身冷却设备的破损和造成炉缸温度异常升高的严重问题。其实及时休风更换破损的风口，牺牲点休风率，但总体来看还是利大于弊。炉况稳定顺行有利于高炉的强化，不会造成冷却设备的破损和出现炉缸炭砖异常侵蚀的长寿问题，不会为处理这些问题而烦恼。 

炉缸积水的汽化会在炉缸产生气隙影响炉墙的传热体系，水蒸汽还会催化 CO 析出碳粉导致渣铁凝固层的脱落，最终导致炭砖的异常侵蚀。这可能是当前很多高炉炉缸渣铁凝固层脱落、炉缸耐材温度频频升高的一个重要原因。 当前我国高炉炉缸烧穿屡屡频发，可能与炉缸的积水脱不了干系。某高炉铁口铜冷却壁漏水就是导致其炉缸烧穿的典型案例。图 5 是该高炉烧穿孔最近的温度计在烧穿前的温度记录，记录显示，在烧穿前 18min，炭砖冷面温度就出现大幅度下降，最多的位置下降了 110℃，而对应的热面温度未出现明显的变化。说明水已经大量进入了炉缸，导致炭砖被水直接冷却而出现了温度快速下降。图 6 是拆卸的铁口下铜冷却壁，该冷却壁完好，但其中一个水头已经消失，这是该水头脱落的直接证明。 

3.4   炉缸积水对渣铁凝固层的影响 

3.4.1   炉缸凝固层（黏滞层） 

实际高炉生产中，炉缸内的铁水碳是欠饱和的，因而炉缸炭砖直接暴露在铁水中会被快速溶蚀，没有凝固层的保护会很快被烧穿，这是很多高炉投产时间很短就被烧穿的重要原因。炭砖前面形成稳定的渣铁凝固层（黏滞层）是实现炉缸长寿的关键，这个观点已经得到越来越多的炼铁工作者的共识。 

王筱留老师在“对影响高炉炉缸寿命的保护层的生成与消失的解析”[2]一文中对炉缸凝固保护层的形态和形成机理进行了详细的阐述。我们在一座高炉的炉缸残铁解剖调查中，也对炉缸象脚区域的残铁试样进行了化学成分分析及金相分析，同样发现与炉缸炭砖接触的残铁样中存在较高的石墨富集凝固层和渣富集凝固层，其碳含量远高于正常铁水成分，试样成分详见表 2。这层凝固层保护了炭砖，避免了炭砖直接接触铁水，这就该高炉能够实现 19 年炉役寿命的最有效的保障。 

3.4.2   积水对炉缸渣铁凝固层的影响及其保护措施 

炉缸积水的汽化会形成气隙，气隙会阻碍炉缸的传热，破坏炉缸炉墙的传热平衡，因而导致炭砖前面凝固层被高温和流动的铁水所溶蚀；水蒸汽脆化炉缸中煤气析碳，所析出的碳粉在炭砖和凝固层界面聚集，会导致凝固层的脱落。 

英国资深的高炉长寿专家，原 Scunthorpe 炼铁厂厂长，Mr.  John  Davidson，在 2009 年北京的一次长寿交流会上，对炉缸凝固层及其保护措施进行了详细的阐述[3]。 

炉缸凝固层的形成是以在炉缸下部形成一个以石墨富集和金属性为特征的环状凝固保护层和在炉缸上部形成较软的富渣凝固层为特征。这个环状凝固层通常具有分层的金属性内核，上侧的富渣凝固层外侧有大量的嵌入焦炭。凝固层的特性随炉内的不同区域、不同的高炉、不同的炉役，其厚度和成分组成变化都很大。

炉内每个区域的凝固层特性不仅与这个高炉和炉缸的历史相关，也与该区域的历史相关，因此要定义一个标准的凝固层特性是不切实际的。炉缸凝固层的稳定性是相对的，容易因温度、化学成分和机械力的变化而变化，甚至脱落，随后也会在新的稳定条件下建立新的平衡。但每次脱落都会导致炭砖温度的急剧上升甚至损失一定厚度，所以，正常的炉缸炭砖厚度减薄是跳跃式而非连续式的。 

炉缸发生的重大事件是炉缸寿命的决定性因素，引起炉缸破损的炉缸事件主要类型是漏水，但也会与其它因素诸如泥炮和开口机问题有关。 

高炉出铁是通过开口机来使炉缸铁水主动排出的一个行为，然后再用炮泥来暂时修补。因此，严格遵守正确的操作规程非常重要，泥炮和开口机的检验和维护也事关炉缸的安全。出铁前一定要执行检查，这可让好的操作者对可能的问题及其暗示得到警觉。铁口使用氧枪会对铁口区域的炉衬造成损害，要尽量避免和少用。稳定操作，铁口参数如钻头尺寸和泥量要尽可能减少变化。 

炉缸平衡受高炉操作因素的影响，要有高炉全局的观点，这点非常重要，要认识到炉缸不可能独立运行。炉缸稳定的关键是高炉稳定。炉缸是可以在高系数生产条件下取得和低系数生产一样好的运行，同时也可以在高喷煤水平和低喷煤水平得到一样的炉缸操作。炉缸凝固层可以再生，可自我修复到正常状态。高炉生产变化很多，如果炉缸不能及时调整就会造成炉缸凝固层不稳定以至破损。 

必须避免炉缸积水，因为积水是炉缸长寿最大的威胁，风口按计划更换是防止炉缸积水的有效措施。炉料质量也很重要，特别是好的焦炭质量，这不仅仅是因为它对炉缸内液体流动方式的影响（浮起死料堆，减小环流），而且影响高炉稳定运行，更会在较大范围内影响炉缸铁水向炉墙的综合换热能力，威胁炉缸凝固层的稳定。炉况不稳会导致风口频繁破损，增加向炉缸积水的概率，将对炉缸炭砖带来直接损害。炉缸最严重的故障就是在生产不稳定时的重复漏水。 

（1）如果发现炉缸凝固层厚度正在减薄，要及时采取有效应对措施： 

1）检查水系统。及时发现和关闭任何漏水。经验表明哪个方位凝固层变薄，哪个方位就极有可能漏水。一旦确定漏水，在休风时要立即隔离漏水风口或采取其它措施使流入炉内的水最少。漏水绝对要及时处量，而不能“带病”运行。 

2）观察和等待。绝大部分的炉缸故障表现缓慢，有时要几天甚至几个星期时间。这提供了很多机会来考虑可能涉及哪些因素，什么是可能的原因，需要什么样的矫正措施。在所有的炉缸故障中初期损失的都是炉缸凝固层，它是一种不稳定的、可自我修复的炉衬结构体。等待的主要原因是只要对炉缸没有连续伤害的影响，比如连续的积水或缺乏冷却，炉缸壁厚度的损失就可能仅仅局限在炉缸凝固层里。这样就可以安全的让它自行运行，不需采取其它措施。 

3）调节。炉缸凝固层厚度异常变化并不是很频繁的，一般一年可能发生两到三次。通常是观察而不需任何措施，因为该凝固层会自我修复。调节措施通常是基于预防考虑，可在高炉正常休风时进行。对于一个给定的炉缸位置，通常有一个合适的凝固层的工作厚度，通常其厚度的异常减薄到某点会稳定并恢复生长。

如果凝固层厚度减薄超过此点还持续脱落，直到低于该部位的历史最薄厚度，将被视为对炉缸炭砖的威胁，这就需要作明确的调节措施准备。 

（2）炉缸凝固层变化的通常表现形态 

1）凝固层厚度的减薄。一些炉缸故障如积水后，凝固层厚度开始减薄，甚至故障的原因已被解决后，仍将持续减薄。如果是凝固层内部的结构已经破坏，它影响对热面的冷却并导致凝固层的脱落。最后厚度损失将开始变慢、稳定，然后再重新生长至原来厚度。如果是侵蚀到达凝固层内结构破坏的位置并使已破坏的部分脱落，这需要重建与炉缸壁的冷却，从而达到正常的平衡条件。厚度变化的速率与生产率相关，变化过程可从几天至几个星期，取决于炉缸故障的范围及严重程度。 

2）凝固层厚度的波动。有时凝固层厚度变化从炉内的一个部分开始然后环炉缸侧壁运动。这些波动就象凝固层减薄沿炉缸侧壁运动一样，但不至于太严重。可能要花几个星期环炉缸运行，看起来代表凝固层的再生和稳定过程。这一现象经常与高炉生产变化有关，特别是生产效率。 

3）凝固层的脱落。这和凝固层减薄的表现完全一样，但会引起凝固层的全部损失并使炭砖暴露。原因可能是在炭砖和凝固层之间发生了破坏，在全部冷却能力恢复之前，侵蚀会发生在炭砖的热面。这种侵蚀范围很大，需要更长的时间来恢复，有时要长达数月甚至要几年。 

炉缸凝固层有稳定凝固层和不稳定凝固层两种类型。稳定的凝固层基础很好，能抵抗破坏和减缓侵蚀，主要以缓慢的稳定形成为特点。不稳定的凝固层基础不好，形成和脱落都很快。休风和堵风口形成的凝固层属于典型的不稳定的凝固层。 

在凝固层厚度变化中，稳定的凝固层厚度要么增加要么减少，这主要取决于它是在损失还是在恢复的过程中。不稳定的凝固层脱落，稳定凝固层会继续生长。这可能代表了炉内局部的凝固层平衡与影响炉内更大区域的宏观平衡之间的差距。 

4）凝固层垮塌。如果凝固层太厚，这可能发生在生产率降低的情况下，在凝固层内部就可能产生物理或热应力，从而导致其自我破坏。这种现象可能是自发的，也可能一直隐藏直到其它的事件诱发，如休风或重新提高生产率。一旦凝固层垮塌发生，凝固层厚度会突然减少。这样的事件有可能足以严重到破坏铁口凸台的炭砖。 

有时在炉缸凝固层深处会有些小的结构破坏，这可能是因为凝固层平衡使这些结构破坏被熔解前就又迅速沉积形成的。这些缺陷藏在凝固层内，然而，当凝固层平衡再次变化，沉积形成的凝固层就变为不稳定，并迅速脱落至早期的厚度水平，循环再重新开始。这一模式有时会重复数年，并被错误的认为是一系列的炉缸故障影响这一区域，其实只是一个单一事件引起。最终经历一次更为严重的凝固层平衡变化，从而使凝固层内部的缺陷暴露出来并得以解决，这样这一区域才回归稳定并形成合理的凝固层厚度。 

高炉长期安全稳定的运行，一个好的设计理念是必需的，需要使用所能够得到的最好的耐火材料，并且要正确的执行砌筑和开炉程序。在高炉操作中，一定要维持稳定和保持对设备及仪表的维护，使炉底炉缸形成一个良好的渣铁凝固层。对冷却系统、炉缸耐材和炉缸凝固保护层进行及时的监控，提前采取有效的应对措施，才能防止发生灾难性事故。 

4   炉缸防水措施 

高炉开炉初期，炉缸炭砖冷面及冷却壁周围，很可能积存有较多的水，应利用前几次休风的机会，打开炉缸各种短管，检查并排水。然后利用休风机会及时安排炉缸压浆维护，密实炉缸可能存在的气隙。压浆操作，要低压、缓慢、少量压入。投产后的压浆只能采用流动性好、导热性优良的炭质材料，不能选择隔热性泥浆。切记，不能在一个灌浆孔一次压入太多的灌浆料，那样只会对炉缸造成更大的伤害。当出现风口漏水情况的时候，应利用休风的机会，及时检查和排出其下部炉缸可能存在的积水。高炉日常操作维护中，要防止炉缸进水和坚持有效排水[4][5][6][7]。防止炉缸进水的有效措施是：采用双腔风口，当前腔破损后马上闭水，利用后腔的冷却坚持到计划休风立即更换；炉腹部位设置止水带、风口下方设置止水结构等。 

5   结论 

通过本文的讨论，笔者得出如下结论： 

（1）炉缸积水是炉缸长寿最大的敌人； 

（2）目前国情，炉缸炭砖完全避免水难度很大； 

（3）风口漏水、冷却设备漏水应及时更换和处理，有效防止向炉缸漏水； 

（4）建议充分利用炉缸设置的排水孔、温度计孔、灌浆孔，有目的、有计划地进行炉缸排水，将水对炉缸长寿的不利影响降低到最低程度。 

笔者希望通过本文与广大炼铁工作者进行交流，使我国高炉炉缸的长寿状况得到有效的改善。 

6  参考文献 

[1]  邹忠平、郭宪臻，高炉炉缸长寿探讨，中国冶金，2013，23（6），P7 

[2]  王筱留、项钟庸等，对影响高炉炉缸寿命的保护层的生产与消失的解析，2017 全国高炉炼铁学术年会论文集，2017，P386 

[3]  Mr. John Davidson，Blast furnace hearths, their life and time, 2009-03,  北京交流会资料 

[4]  邹忠平、项钟庸，高炉操作维护与炉缸长寿的探讨，中国冶金，2013，23（7），P17 

[5]  邹忠平、郭宪臻，高炉炉缸气隙的危害与防治，钢铁，2012，47（6），P9 

[6]  邹忠平、项钟庸、胡显波，炉缸不定形耐材对炉缸长寿的影响，炼铁，2013，32（1），P10 

[7]  赵瑞海、邹忠平、项钟庸，高炉炉缸配置设计与长寿的探讨，炼铁，2013，32（4），P17 

[8]  邹忠平、王刚，宝钢 3 高炉炉缸残铁试样测试报告，内部资料，2015