孙小东，何海熙，赵 宽，徐 灿，张大伟
(1.中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司，重庆 401122；
2.重庆电力高等专科学校，重庆 400053)
高炉炼铁是钢铁工业全流程的源头，装满矿石原料的炉身内部呈高温、高压状态，炉缸里充满的高温熔融液态铁水和炉渣，温度高达1 500 ℃左右，气体压力超过300 kPa，因此，炉缸是高炉冶炼过程中最容易破损的区域，炉缸烧穿等事故严重影响高炉的生产作业率和长寿成本。
高炉炉缸长寿是一项具有综合性技术特点的系统工程，高炉炉缸寿命与炉型设计、耐材质量、施工安装、操作冶炼等多种因素都存在较大的影响。
随着世界高炉炼铁生产技术的进步，目前我国高炉长寿技术也得到了长足的进步，高炉寿命也随之大幅度地延长，部分达到10～15年，甚至更长的寿命，为钢铁工业的高质量发展做出了巨大的贡献，但是我国高炉的长寿和先进国家相比，尚有一定的差距。
1.1 炉缸长寿案例
世界上的炉缸长寿示范案例较多，本文以巴西图巴朗钢厂1号高炉和我国的宝钢3号高炉为例，图巴朗钢厂1号高炉一代炉役寿命为28.4年，属于目前全球范围内长寿高炉的典范。我国的宝钢3号高炉一代炉役寿命为19年，且其高效的生产效率，代表了我国高炉长寿的最高水平(见表1)。
表1 炉缸长寿案例表
1.2 炉缸事故案例
炉缸事故是最严重的高炉生产事故之一，不仅有可能造成生产人员伤亡，还会给钢厂带来较大的经济损失，甚至有可能会终止高炉一代炉役，给钢铁企业带来不可估量的损失。
表2列出了近10年来我国发生炉缸事故的部分1 000级以上高炉。
续表
由表2可以看出，高炉炉缸破损位置和服役时间都不同，但是共同点是服役时间都比较短，大部分没超过4年，给钢铁企业的安全和成本带来了巨大的损失，同时带来了恶劣的社会影响。炉缸破损主要原因在于炉缸自身的冷却能力不足、炉缸自身的耐材设计不合理、入炉原料有害元素富积、炉缸热电偶温度点配置过少导致技术人员无法准确判断炉缸侵蚀状况等。
炉缸长寿技术贯穿高炉的全生命周期，主要包括炉缸的设计技术、炉缸耐材的选择、施工与安装质量、原燃料条件和操作模式、智能化监测与分析系统等。
2.1 炉缸设计技术
炉缸设计的理论基础是在高炉炉缸内部建立均衡的传热体系，有效的协调冷却能力和耐材结构，同时对炉缸侵蚀进行智能化的预测与分析，从而既实现较高的冶炼强度，又实现炉缸的长寿健康。
1)冷却能力
在炉缸内部，高温铁水的热量经过耐火材料(陶瓷杯、碳砖、捣打料等，见图1)和冷却壁进行传输，最终由冷却水带走，有学者认为“冷却水是高炉最好的耐火材料”，因此，足够的冷却能力设计是实现炉缸部位长寿的有效途径，若冷却能力不足，将严重影响炉缸寿命，国内外都存在可观的因冷却能力不足导致的炉缸事故经验，所以应充分保障冷却系统的平衡能力，以达到保护炉缸耐材的目的。
2)炉缸结构
铁水的高温高压特性对炉缸形成很强的静压力，本身就需要对炉缸结构进行抗强压设计。此外，由于分布在各个方向的铁口会循环间隔出铁，引起的铁水环流会对炉缸和炉底产生较强的侵蚀，因此，合适的炉缸死铁层深度可以有效地保护铁水环流带来的侵蚀，如果死铁层过深，铁水形成的静压力就会过大，就会对炉缸和炉底形成较大的剪切应力，产生不利的侵蚀影响。在生产过程中，死铁层深度与原燃料和操作条件都存在理论上的强相关性，因此，在设计阶段，应针对原燃料和操作条件，对炉缸结构进行设计才能取得良好的长寿效果。
2.2 炉缸耐火材料
炉缸和炉底部位的耐材配置决定高炉一代炉役，一般主要包括陶瓷杯、炭砖、碳素捣打料等。
陶瓷杯的损坏原因一方面是铁水侵蚀，另外一方面是碱金属、锌等有害元素与耐火砖发生化学反应，沿着气孔或裂纹方向进行渗透，破坏了陶瓷材料的理化性能，导致陶瓷杯破损，因此，陶瓷杯(垫)材料的气孔应越小越好。目前随着纳米技术等工艺制造的提高，陶瓷杯产品技术正向微气孔化的方向发展。
炭砖是炉缸和炉底部位最关键的耐火材料。良好的炭砖可以将高导热系数与强抗侵蚀性能集成为一体。如果忽视炭砖的抗侵蚀性能，一味地追求高导热系数，则不仅达不到炉缸长寿的效果和要求，还会导致资源浪费，因此，超微孔化、强抗侵蚀、高导热能力是未来炭砖的性能发展方向。
碳素捣打料一般情况下会用于填充炭砖与冷却壁之间的缝隙。虽然用量很少，但却是均衡热传导体系中的关键一环。就目前国内炉缸事故的经验分析看，碳捣料层是很多炉缸烧穿的核心原因。碳素捣打料的砌筑位置贴炉缸冷却壁，生产过程中温度比较低，因此碳捣料在常温或超常温下的导热系数就非常关键。
2.3 施工与安装
炉缸和炉底部位的耐材要承受高温、高压渣铁的冲刷，因此对耐火材料的施工安装具有严格的高质量需求。从国内外的炉缸事故案例分析可以看出，炉缸耐火材料的砖缝较大、较多，在生产过程从炉缸内部渗入了高温高压的液态渣铁，造成炉缸烧穿等严重的生产安全事故，与施工安装过程中的砌筑质量有巨大的关系。
因此，是施工安装的重点是尽可能的减少砖缝，减少炉缸侵蚀的薄弱环节，将砖缝控制在不高于0.5 mm，甚至是0.3 mm，这样的砌筑规范才能很好地保障炉缸的长寿安全。
尤其是高炉的大修炉缸质量管理，应建立一支质检过硬的队伍，并记录详细的施工安装档案，便于未来的炉缸安全分析和查询。
2.4 原燃料与操作
对高炉来说，首先要树立高炉长寿的生产和操作理念。基于炉型结构、原燃料特点这些基础条件，找出冶炼强度和高炉长寿相匹配的操作模式。
原燃料条件对炉缸的长寿有着巨大的影响。Zn、Pb、K、Na等有害物质随着气流渗入陶瓷杯和炭砖等耐材中，导致耐火材料的粉化与破损。而如果焦炭的质量不高，则炉缸容易堆积，死料堆随之变大，液态渣铁的环流能力变强，加剧了炉缸内部“象脚”部位的侵蚀状况。原燃料条件对大型高炉的炉缸侵蚀影响较大，尤其是现代高炉容积向大型化方向发展，更应该重视精料原则，努力地呵护炉缸寿命。
不同的操作模式会造成不同的炉缸活跃度，炉缸活跃度影响死料堆的形状，死料堆的形状影响炉缸液态渣铁的环流能力，最终影响炉缸的长寿效果。因此，炉缸的长寿需要合理的炉缸活跃度和适当的死料堆孔隙度，既保证液态渣铁的流动特性，又保证焦炭充分地向铁水渗碳，降低对炉缸炭砖的侵蚀。如果死料堆的形状不合理，液态渣铁会对炉缸形成严重的“象脚”侵蚀，当气流分布不顺时，甚至会出现烧坏风口冷却壁的情况。因此，高炉操作模式对炉缸长寿安全的影响非常重大。此外，铁口的维护情况，也影响着炉缸耐火材料的使用寿命，应选择合理的炮泥质量，科学地组织出铁生产。
2.5 智能化监测和分析
炉缸长寿是安全生产的基础条件，除了保证原燃料和操作条件以外，实时监测和智能分析炉缸耐材的安全厚度至关重要。传统方法下只能依靠基础自动化系统，对耐材和冷却壁热电偶温度进行直接监控。
目前，随着智能化技术的发展，出现了炉缸侵蚀模型、水温差监测等一批服务于炉缸安全的系统，对炉缸运行的监测与诊断也越来越全面，越来越系统。良好的炉缸长寿智能化系统应具备足够的温度和流量监测仪表，并进行合理的布局，仪表数据作为监测和分析的基础输入，必须足够准确，才具备系统诊断的依据。图2是某公司的炉缸侵蚀模型画面。
通过模型软件，不仅可以在线实时监测炉缸温度变化情况，对异常数据进行自动预警，还可以提供炉缸纵向和圆周方向的分区分层耐材温度分布云图，便于操作人员分析炉缸侵蚀状况。同时，系统自动对炉缸耐材的残厚进行分析，并以趋势图的方式，展示碳砖残厚的变化情况，保障炉缸的生产安全。
高炉炉缸的安全和长寿一直是炼铁从业人员研究的关键核心技术，炉缸长寿的影响因素贯穿高炉的全生命周期，涉及炉缸的设计水平、施工和安装质量、原燃料和操作条件以及智能化监测和分析手段等诸多方面。炉缸设计以构建均衡的热传导体系为核心，在生产过程中结合原燃料条件和操作模式，控制有害元素入炉，形成合理的死料堆和稳定的凝铁层，同时借助先进成熟的炉缸长寿智能化系统，保障炉缸的安全长寿。
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