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高炉炉缸的寿命决定了高炉一代炉龄的长短，而炉缸的寿命则大多取决于炉缸死铁层中下部及炉缸与炉底交界区域(俗称象脚区)的侵蚀状況。虽然其侵蚀机理是复杂的，但是在炭砖砌体热面增加浇注体保护层是可以延长炉缸寿命的。
关键词：高炉 炉缸 象角状 侵蚀
一、造成炉缸侵蚀的原因
目前已知影响高炉炉缸侵蚀的因素有炉缸设计、耐材性能、耐材质量、铁水环流、铁水溶蚀、有害元素侵蚀，热应力、结构性应力、冷却强度、环状裂缝影响、死铁层深度、渣(铁)皮保护、钛矿护炉情况、治炼强度等。具体到不同高炉，可能表现为象脚状侵蚀、蒜头状侵蚀、蘑菇状侵蚀等。如图1所示的那样象脚侵蚀。
图1 武钢5号炉缸“象脚状”侵蚀示意图
1、铁水溶蚀
铁口带的工况是不断变化的。由于周期性出铁，该部位铁水液面不断上下浮动，而且该处铁水为新生成铁水，碳饱和度较低，出铁造成该处铁水的不断流动，各项因素叠加后，造成该部位的铁水溶蚀情况较严重。如图2所示。
图2 江苏某钢厂铁口区侵蚀情况
2、铁水环流
铁水环流由高炉出铁引发，受出铁速度、死料柱的透液性及死料柱的浸没深度等影响。出铁速度越快、死料柱透液性越差、死料柱浸没越深，铁水环流的速度越大。
尤其在出铁后期，剩余铁水量较少，铁口标高以上的铁水深度减小，铁水环流速度加大。因此铁口带的下半部受铁水环流侵蚀的程度稍大。炉缸炭砖热面若不能形成的粘滞层(甚至是铁壳层)的隔离，铁水环流极易对炉缸炭砖形成强烈的冲刷侵蚀。尤其在炉缸下部的象脚区，铁水环流的冲刷侵蚀非常严重，形成“象脚状”侵蚀。如图3所示。
图3 福山5号炉炉缸侵蚀剖析
3、有害元素侵蚀
由于入炉原燃料条件的制约，加之高炉各部位存在气隙及串煤气情况，难免存在钾、钠、铅、锌等有害元素的传播和富集。有害元素主要在风口燃烧区分解气化，进入煤气，通过煤气在炉缸或风口区凝结和富集。如果进入炭砖则发生炭砖氧化和粉化，如图4所示。
图4 粉化炭砖样品(a)K、Fe线扫描，（b）K、Fe、Zn线扫描
基于高炉内部的实际工况，炉缸侧壁容易受到钾、钠、锌等有害元素的侵蚀，炉底受到铅的侵蚀。实际的高炉破碎调查也证实在炉缸炭砖环形裂缝中富集有害元素。
4、结构性应力
对于新投产的高炉，炉缸上部、中部、下部的耐材厚度差别较大，炉内侧高温，炉外侧低温，温差高达千度左右，巨大的温差也使得炉缸炭砖产生热应力变形。特别是复合结构的炉缸，由于不同材质的耐材组合，热膨胀系数的差异将产生较大的结构性应力。炉缸与炉底交界处由于构造结构发生巨变，也会产生很大的边界应力。
1.5环状裂缝与冷却强度
高炉生产一定周期后，炉缸炭砖内部大多形成环形裂缝。裂缝自上而下达到铁口带，甚至到象脚区的。裂缝上宽下窄，到达象脚区的宽度非常有限。环形裂缝的存在造成钾、钠、锌等有害元素的富集，进而对炭砖造成进一步的侵蚀。环形裂缝的存在形成较大的热阻，极大影响炉缸的冷却效果。由于环形裂缝上宽下窄，因此炉缸热阻上大下小。就环形裂缝对炉缸冷却效果的影响而言，炉缸上部冷却效果最差，铁口带的冷却效果较差，相对而言，死铁层区的冷却效果最好，但死铁层区炭砖的侵蚀速度却最快。提高冷却强度可以缓解象脚区的侵蚀速度，但不能阻止侵蚀的持续发生。
二、解决“象脚状”侵蚀的解决方案
1、钛矿护炉
钛矿护炉是利用钛合物熔点更高、更容易凝结的特性，对炉缸局部温度升高部位采取的快速制造凝固层的过程。可以有效地(在炭砖热面)形成钛化合物保护层，制止对炭砖的进一步侵蚀。但钛矿护炉成本很高，依靠持续钛矿护炉实现的高炉长寿不是真正意义的高炉长寿。
2、强化对炉缸的冷却
强化对炉缸的冷却是缓解铁水对耐材砌体侵蚀的有效办法。冷却效果的关键是较高的水速和消除水垢。
3、提高炭砖的理化性能
①采用微孔超微孔炭砖，减少孔径大于1μm的气孔，是阻止铁水向炭砖内渗透的有效措施，从而减缓铁水对炭砖的侵蚀。
②提高炭砖的导热系数，提高冷却效果，炭砖温度得到降低，从而减缓炭砖的侵蚀速度。
③提高炭砖的抗铁水侵蚀能力，减少了铁水向炭砖内的渗透，使铁水对炭砖的侵蚀只能在炭砖表面进行，缓解了对炭砖的侵蚀速度。
4、采用“炭砖+炉缸整体浇注”结构
河南华西科技的高炉炉缸整体浇注技术（专利号：ZL201610353176.4）主要采用低导热的纳米复合新材料整体浇注炉缸，将1150℃等温线阻在浇注层中，使炭砖避开800－1100℃脆性断裂区。由于浇注衬的存在，使铁水不直接与炭砖接触，从结构设计上缓解了铁水及碱金属对炭砖的渗透、冲刷破坏，同时浇注衬与炭砖无缝结合，使浇注衬外部表面与炭砖充分接触，使热量通过炭砖介质迅速传递出来，由冷却壁带走，有效增加了炭砖的使用寿命。而且低导热的纳米复合新材料成型的浇注炉缸内衬，其内壁与铁水在接触面发生反应，形成保护性的粘滞层，其厚度约30-50mm，具有较高的抗渗透性、冲刷性。炭砖与炉缸整体浇注的结构如图5所示。
图5 河南华西科技炉缸整体浇注示意图
华西炉缸结构，该新型结构的炉缸内衬导热系数从内至外依次增大（炉缸浇注体＜炭砖＜填料＜冷却壁），整体传热效率得到保证，达到传热平衡，促进炉缸热面形成自保护渣铁壳。
三、结语
一味地提高炭砖的导热性和减薄炭砖厚度，实践证明是不能长寿的。炉缸“象脚状”侵蚀的主要解决方法是提高炭砖的抗铁侵蚀及有害元素侵蚀等理化性能、减少构造应力、炭砖热面采用炉缸整体浇注避免铁水与炭砖接触，日常生产过程中在炉缸炭砖侧壁温度过高时及时并持续利用钛矿护炉，强化对炉缸状态的检测和管理。
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发布时间：2020年2月25日
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