高爐長壽設(shè)計是個系統(tǒng)工程，僅靠任何單一技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)高爐長壽目標(biāo)，必須統(tǒng)籌考慮高爐設(shè)計、砌筑、維護(hù)及操作等各個環(huán)節(jié)。爐缸、爐底的侵蝕嚴(yán)重危及高爐的壽命，因為只有爐底在一代爐役內(nèi)是不能更換的。雖然燒穿事故各有具體原因，因爐而異，但仍可歸納為以下幾個原因。下面就爐缸出現(xiàn)安全隱患甚至發(fā)生燒穿的高爐存在的共同影響因素進(jìn)行分析。
一、高爐設(shè)計缺陷
1、爐缸結(jié)構(gòu)性問題
鞍鋼很多高爐采用小塊碳磚與陶瓷杯的爐缸結(jié)構(gòu)，選用此種結(jié)構(gòu)的爐缸，一旦陶瓷杯被侵蝕或在陶瓷杯壁出現(xiàn)裂縫，鐵水必然會直接接觸碳磚，這樣在熱導(dǎo)率相對較低的炭搗層和冷卻能力較弱的冷卻壁會構(gòu)成明顯的“熱阻層”。鞍鋼本部新3號3200m3高爐的爐缸就選取2段鑄鐵冷卻壁形式，鑄鐵冷卻壁的熱導(dǎo)率為34W/m·K，其冷卻水量在960~1248m3/h之間，設(shè)計分段冷卻方式進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致爐缸冷卻水量不足。
兩種碳磚的熱面溫度均與鐵水溫度相當(dāng)，很難形成固定的渣鐵保護(hù)層。特別是NMD碳磚，其主要成分為電極石墨，電極石墨易于滲入含碳不飽和的鐵水溶液。另一方面，石墨質(zhì)碳磚不易于在爐缸形成穩(wěn)固的渣鐵保護(hù)層，不能直接阻擋鐵水的滲透侵蝕，致使很容易在爐缸某一部位形成燒穿。
同時與NMA和NMD碳磚同時使用的泥漿含有較多的揮發(fā)物，其小塊磚砌筑磚縫最低只能達(dá)到1.5~2.0mm左右，隨著揮發(fā)物的消失，縫隙中滲鐵及碳磚溶損將更為顯著。
2、冷卻能力與冶煉強(qiáng)度不匹配
隨著強(qiáng)化高爐煉鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步及全國鋼鐵產(chǎn)能的非理性擴(kuò)充，在高爐的冶煉強(qiáng)度、利用系數(shù)兩項指標(biāo)上我國高爐較20世紀(jì)高爐已有明顯進(jìn)步，但與此同時高爐單位爐墻面積、單位時間的熱負(fù)荷必然隨之增加巨大。故我們的長壽理念絕不能還停留在過去低冷卻水量或?qū)t殼噴水冷卻的方式上。新設(shè)計建造的高爐也絕不能再選擇低水量、小管徑的冷卻壁，低的冷卻比表面積。
當(dāng)今高爐的冶煉強(qiáng)度與上世紀(jì)80年代比提高一倍以上，高冶煉強(qiáng)度、高利用系數(shù)怎么與高冷卻強(qiáng)度匹配還有待研究。調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生燒穿事故的高爐利用系數(shù)普遍大于2.5，所以高產(chǎn)量與長壽如何最經(jīng)濟(jì)應(yīng)算綜合賬。
3、選用碳磚形式不當(dāng)
我國陽春煉鐵廠一座1250m3高爐，投產(chǎn)15天后局部環(huán)碳溫度一度飆升至600℃以上，勉強(qiáng)維持8個月生產(chǎn)滲鐵竟多達(dá)70余噸，由于及時采取補(bǔ)救預(yù)防措施才避免發(fā)生爐缸燒穿事故。經(jīng)切割冷卻壁測量爐缸碳磚后發(fā)現(xiàn)，最大碳磚間縫隙達(dá)30~70mm，說明投產(chǎn)后在爐內(nèi)高溫高壓環(huán)境下，碳磚質(zhì)量欠缺，導(dǎo)致發(fā)生形變。碳磚的焙燒溫度不夠，甚至根本沒焙燒使碳磚在受熱后發(fā)生形變，形變累積加上砌筑質(zhì)量不高將導(dǎo)致碳磚縫隙大。
所以在爐缸、爐底關(guān)鍵部位選用合適的碳磚十分重要。在高爐設(shè)計及選用碳磚時應(yīng)注意考慮以下幾個方面：
(1)爐缸碳磚與鐵水直接接觸的部位，或在爐齡末期發(fā)生侵蝕后能直接接觸到鐵水的爐缸部分，不應(yīng)該選擇石墨質(zhì)或半石墨質(zhì)的碳磚。
(2)爐缸部位不選取石墨質(zhì)碳磚，因為石墨質(zhì)碳磚與渣鐵的親和力差，不易形成渣鐵保護(hù)層對爐缸進(jìn)行保護(hù)。國外的經(jīng)驗是如果選擇在爐身下部或爐缸使用石墨質(zhì)碳磚，通常間隔選擇碳化硅砌筑，提高爐缸粘掛渣鐵保護(hù)層。
(3)有的碳磚生產(chǎn)廠家為了追求高熱導(dǎo)率，在碳磚中加入大量石墨，這大大降低了碳磚的抗鐵水熔蝕性能，這給爐缸的安全性造成很大威脅。
4、死鐵層深度不合理
國內(nèi)最近幾年設(shè)計的高爐都選擇比較深的死鐵層，但通過調(diào)查記過發(fā)生燒穿的爐缸后發(fā)現(xiàn)，象腳侵蝕均在較高位置，雖然發(fā)生這一現(xiàn)象的原因還需進(jìn)一步研究，但肯定與較高的渣鐵面有一定的關(guān)聯(lián)。目前普遍認(rèn)為加深死鐵層深度可緩解鐵水環(huán)流對爐缸的侵蝕，但不能一味加深，深度增加則鐵水靜壓力也相應(yīng)增加，對爐缸影響也增大。故目前廣泛應(yīng)用的缸直徑20%的深度需進(jìn)一步實(shí)踐論證。
5、鐵口設(shè)置角度不當(dāng)
國內(nèi)部分高爐兩個鐵口呈90°直角布置，若這種布置方式不但在高爐生產(chǎn)時容易產(chǎn)生偏行，同時還會加強(qiáng)爐缸內(nèi)鐵水的環(huán)流侵蝕，對爐缸的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。某些高爐渣溝長度相差大，在開爐、送風(fēng)、休風(fēng)、停爐等異常爐況恢復(fù)生產(chǎn)時多從短渣溝對應(yīng)的鐵口出鐵，使得此鐵口區(qū)域鐵流侵蝕嚴(yán)重，容易發(fā)生燒穿。
6、缺乏監(jiān)測手段
發(fā)生燒穿事故的高爐有一個共同的直接原因，就是燒穿區(qū)域爐缸磚襯溫度測量點(diǎn)少，沒能直觀的發(fā)現(xiàn)爐缸碳磚溫度升高，并采取防范措施。在正常生產(chǎn)過程中沒有意識到對冷卻壁水溫差、水流量、熱流強(qiáng)度等參數(shù)檢測的重要性，未能盡早發(fā)現(xiàn)隱患苗頭，采取相應(yīng)預(yù)防措施。例如鞍鋼新一號等檢測手段稍好的高爐，事故前爐缸溫度已有大幅度升高，高爐加強(qiáng)對關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)控，最終沒有犮展到燒穿，只是出現(xiàn)滲鐵情況，事故影響沒有進(jìn)一步擴(kuò)大。
二、冷卻壁制造及安裝缺陷
冷卻壁的制造和安裝質(zhì)量對爐缸壽命十分重要，一旦冷卻壁向爐缸內(nèi)漏水，長期得不到有效控制，很有可能造成重大事故。
(1)國內(nèi)一些高爐選用軋制鋼板鉆孔方式生產(chǎn)加工的軋銅冷卻壁，由于制造工藝決定這種冷卻壁焊接點(diǎn)較多，進(jìn)出水管均要焊接在冷卻壁本體，最后還需焊堵加工工藝孔。這么多的焊接孔，很容易在運(yùn)輸、安裝、甚至生產(chǎn)過程中發(fā)生泄漏，一旦像爐內(nèi)漏水，將加速碳磚氧化破損，造成重大事故。故應(yīng)避免選擇此類冷卻壁。
(2)新建高爐不應(yīng)選擇鐵口區(qū)域竄氣式結(jié)構(gòu)，應(yīng)特別慎重選擇爐缸冷卻壁與爐皮之間的填充料，保證鐵口區(qū)域爐缸安全。
(3)碳磚與冷卻壁之間的炭素?fù)v料應(yīng)選擇與碳磚的熱導(dǎo)率相當(dāng)?shù)膿v料，達(dá)到15~20W/mK。
(4)選擇有足夠冷卻能力的冷卻結(jié)構(gòu)。鞍鋼新3號3200m3高爐爐缸冷卻水量為1250m3/h，冷卻壁冷卻比表面積僅為0.6左右，投產(chǎn)兩年多就發(fā)生燒穿。而選用相同碳磚的寶鋼4350m3高爐爐缸冷卻水量雖然也只有1700m3/h，但高爐已運(yùn)行18年，其冷卻比表積是1.3左右。故爐缸冷卻比表面積要引起足夠重視，應(yīng)當(dāng)達(dá)到1.0以上。國外高爐爐缸采用的噴水冷卻結(jié)構(gòu)、夾殼式冷卻結(jié)構(gòu)其冷卻能力都大于我國目前這種冷卻結(jié)構(gòu)。
三、投產(chǎn)后操作維護(hù)不足
1、有害元素的不利影響
從近年一些發(fā)生燒穿高爐的破損調(diào)查中均發(fā)現(xiàn)有堿金屬有害元素的大量殘留，這說明鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素對爐體碳磚的使用壽命有很嚴(yán)重的損害。這些有害元素不能隨其他爐料排出爐外，只能在爐內(nèi)不斷循環(huán)富積，這不但降低焦炭強(qiáng)度，給高爐順行帶來影響，更嚴(yán)重的是與耐火材料形成體積膨脹率高達(dá)50%的化合物，加速對爐缸磚襯的損壞。
2、冷卻設(shè)備漏水
一座正常生產(chǎn)中的高爐，無論是爐身、爐缸冷卻壁漏水還是風(fēng)口高壓水泄漏，只要有水進(jìn)入高爐，最終都會滲到爐缸。故在日常生產(chǎn)中個別冷卻器損壞應(yīng)及時更換，不應(yīng)該積贊多了一起來更換，這樣才能減少漏水對爐缸內(nèi)碳磚的損害。
3、鐵口日常維護(hù)不到位
大部分爐缸燒穿部位在鐵口或鐵口區(qū)域附近，這主要與日常維護(hù)鐵口工作不到位有關(guān)。鐵口區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，受侵蝕嚴(yán)重，若長時間鐵口深度不足或經(jīng)常性鐵口噴濺，易造成鐵水從鐵口通道進(jìn)入磚縫，加速侵蝕碳磚。
4、過高的冶煉強(qiáng)度
有些鋼鐵廠為了搶占市場，不計后果的追求高爐冶煉強(qiáng)度，這對包括長壽系統(tǒng)在內(nèi)的整個高爐及其附屬系統(tǒng)都帶來了極大負(fù)荷，這種殺雞取卵的生產(chǎn)經(jīng)營理念，并不可取。
5、未進(jìn)行釩鈦礦護(hù)爐
通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行釩鈦礦護(hù)爐，護(hù)爐效果明顯。但目前大多數(shù)高爐都是等碳磚溫度有明顯升高后才使用釩鈦礦護(hù)爐，如止疼藥一樣，建議“犯了再吃，不如常吃不犯”，投產(chǎn)后高爐應(yīng)定期上一部分釩鈦礦進(jìn)行護(hù)爐，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。
6、爐缸壓漿不當(dāng)
近幾年國內(nèi)處理爐缸碳磚溫度異常升高時，普遍采用在爐皮兩塊冷卻壁之間的縫隙處開孔。這種壓漿方式特別適用于施工質(zhì)量存在問題、搗料層未達(dá)標(biāo)或搗料受熱后收縮等其他原因形成熱阻層的高爐。但一定要特別注意壓漿的方式，一旦壓漿過程中的壓力過高或壓漿質(zhì)量一般，就很容易壓碎本來就已經(jīng)很薄弱的磚襯，使得泥漿從磚縫直接進(jìn)入爐缸與高溫鐵水接觸，給爐缸安全帶來雪上加霜的作用。
7、高爐順行情況
理論及生產(chǎn)實(shí)踐都證實(shí)，只有穩(wěn)定順行的高爐才有可能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗的目標(biāo)，爐況經(jīng)常波動的高爐爐缸狀態(tài)一定受影響，爐缸長壽及高爐長壽也就無從談起。因為在冶煉過程中，各種非正常爐況，都會導(dǎo)致爐缸、爐底熱負(fù)荷的大幅度波動。如加洗爐劑洗爐等有些處理措施直接對爐缸、爐底造成破壞作用。因此，要想爐缸長壽就必須保持高爐長期的穩(wěn)定順行，避免或減少任何對爐缸長壽不利的操作。
8、控制鐵水成分及物理熱
鐵水中硅和硫含量的高低及物理熱直接影響渣鐵的流動性：應(yīng)依據(jù)高爐的順行情況，控制硅含量在0.5%(w)左右，硫含量控制在0.02%(w)左右，并根據(jù)高爐順行情況、爐缸侵蝕狀態(tài)或是否上釩鈦礦護(hù)爐等情況及時調(diào)整。
