吳強國
（河南煜華科技有限公司 ）
摘 要：高爐爐缸下部特變是象腳區(qū)側(cè)壁溫度過高時，普遍采取封堵高溫點上部數(shù)個風口的處理措施。堵風口后下部高溫點的溫度會明顯下降。現(xiàn)有理論對這一過程機理闡釋為：堵風口以后，冶煉強度降低，鐵水環(huán)流減輕，因此側(cè)壁溫度降低。但是這種解釋顯然與實質(zhì)不符。在此提出對這一最常規(guī)技術措施機理的質(zhì)疑，并從另一種角度來解釋這一現(xiàn)象，進而引申到鐵水環(huán)流、冶煉強度對于爐缸炭磚侵蝕影響的質(zhì)疑，供大家交流探討。
關鍵詞：側(cè)壁溫度升高；堵風口；冶煉強度；鐵水環(huán)流；風口燃燒輻射；煙氣對流傳熱
1 對現(xiàn)有理論闡釋的質(zhì)疑
當高爐爐缸側(cè)壁（特別是爐缸下部象腳區(qū)側(cè)壁）溫度嚴重升高時，高爐操作人員往往都會選擇封堵溫度升高部位上方對應數(shù)個風口的技術措施，一般都能夠?qū)崿F(xiàn)快速降低側(cè)壁溫度的效果。
這是一項司空見慣的常規(guī)措施，現(xiàn)有理論對這一過程的機理闡釋為：堵風口以后，冶煉強度降低，鐵水環(huán)流減輕，因此側(cè)壁溫度降低。
這一觀念在煉鐵屆根深蒂固，成為共識，幾乎從未聽到過質(zhì)疑的聲音。
側(cè)壁溫度升高，如果封堵對面相同數(shù)量的風口，能否實現(xiàn)降低高溫點的側(cè)壁溫度呢？答案顯然是否定的！高溫點的側(cè)壁溫度不但不會降低，反而繼續(xù)升高！（見竇力威先生《高爐爐缸圓周工作狀態(tài)對側(cè)壁炭磚壽命的影響》）
同樣是堵相同數(shù)量的風口，同樣降低了冶煉強度，同樣降低了鐵水環(huán)流，高溫點的側(cè)壁溫度為什么不降低，甚至繼續(xù)升高！
顯然，從冶煉強度高低、鐵水環(huán)流強弱的角度解釋這一現(xiàn)象的形成機理是不符合實際的！
由此可以得出如下推論：影響象腳區(qū)側(cè)壁溫度的主要因素不是鐵水環(huán)流；象腳侵蝕的主要因素也不是鐵水環(huán)流和鐵水熔蝕；高冶強造成爐缸壽命縮短，但不是因為出鐵量增加、鐵水環(huán)流加劇造成的，而是通過其他橋梁因素實現(xiàn)的。
2 堵風口降低側(cè)壁溫度的機理探討
高爐爐缸側(cè)壁溫度升高后，堵高溫點上部風口能夠快速降低側(cè)壁溫度，但堵其他部位相同數(shù)量的風口無法降低高溫點的溫度。兩種情況的區(qū)別在于高溫點上部風口燃燒情況存在巨大差異，從風口燃燒狀況方面入手，也許可以解釋高溫點降溫過程的機理。
2.1 堵風口大幅度降低了該區(qū)域的熱輻射
風口正常送風燃燒時，劇烈燃燒區(qū)域的溫度顯著高于周圍溫度，從而對周圍區(qū)域形成輻射傳熱，風口下部爐缸側(cè)壁耐火材料也會受到強烈的輻射傳熱。
輻射傳熱受溫差、間距、輻射角度等因素的影響。正上方的風口燃燒對其下部爐缸側(cè)壁的輻射傳熱最強烈，兩側(cè)風口的輻射傳熱受到間距、輻射角度的影響顯著降低。
爐缸側(cè)壁溫度升高時，往往采取封堵正上部若干個風口的處理措施。這就消除了正上方風口的輻射傳熱，兩側(cè)風口燃燒的輻射傳熱量比較小，因此相當于大幅削減了該部位爐缸側(cè)壁接受的輻射傳熱。因此側(cè)壁溫度應該降低。
2.2 堵風口降低了該區(qū)域的對流傳熱和傳導傳熱
堵風口以后，該區(qū)域的燃燒幾乎停止，但上部落下的焦炭仍然源源不斷，因此該區(qū)域的焦炭不斷積累，渣鐵液面以上焦炭厚度不斷增加，直到達到一種平衡狀態(tài)，焦炭厚度達到最大值。
焦炭厚度增加，一定程度遮擋了爐缸側(cè)壁，大幅降低熱煙氣對該區(qū)域爐缸側(cè)壁的沖刷和對流傳熱。
焦炭厚度增加，相當于增加了熱阻，爐缸側(cè)壁接收的熱煙氣的傳導傳熱量也降低了。
焦炭厚度增加遮擋爐缸側(cè)壁，也同時削弱了兩側(cè)風口的輻射傳熱。
2.3 堵風口降低其下部爐缸側(cè)壁溫度是傳熱量顯著減少的結(jié)果
基于上述分析可以看出，堵風口以后，其下部爐缸側(cè)壁接收的輻射熱大幅降低，接收的熱煙氣的對流傳熱和傳導傳熱也相應減少。在冷卻強度、爐內(nèi)鐵水傳熱等因素相對穩(wěn)定的情況下，爐缸下部側(cè)壁溫度降低是一種合理的結(jié)果。
2.4 堵風口造成對面?zhèn)缺跍囟壬叩臋C理
堵風口治理爐缸側(cè)壁溫度升高時，冶煉強度降低，單位時間內(nèi)加入的焦炭及噴煤量相應減少。
堵風口后，對應的風口噴煤中止，但是該部位仍然有焦炭從上部落下。由于該部位燃燒中止，這些焦炭就不斷富集、不斷積累。
入爐焦炭量對應于高爐供風量，被堵風口區(qū)域焦炭過剩富集，其他風口區(qū)域的焦炭就相應有所欠缺。根據(jù)爐缸圓周工作均勻性，對面風口焦炭欠缺量最為明顯。在這種工作條件下，高爐運行一段時間后，渣鐵液面上部焦炭積累厚度出現(xiàn)明顯偏差：被堵風口區(qū)域焦層加厚，對面風口區(qū)域焦層明顯減薄。
根據(jù)以上燃燒、傳熱分析，焦層減薄以后，該區(qū)域爐缸側(cè)壁承受的輻射傳熱量、煙氣對流傳熱量、傳導傳熱量將增加。因此該區(qū)域爐缸側(cè)壁溫度將有所升高。
3 引申思考
堵風口降低爐缸側(cè)壁溫度是煉鐵屆長期以來采取的常規(guī)技術措施，效果明顯，司空見慣。探究其形成機理貌似沒有多大意義。但是通過重新探索這一技術常識的背后機理，對于我們認識冶煉強度及鐵水環(huán)流對象腳侵蝕的影響、客觀認識鐵水環(huán)流理論的正確與否，具有重要意義。
3.1 業(yè)界過分夸大了鐵水環(huán)流對于象腳侵蝕的影響
業(yè)界把鐵水環(huán)流、鐵水熔蝕作為象腳侵蝕的重要因素，甚至是主要因素。認為炭磚侵蝕的本質(zhì)是鐵水熔蝕。認為鐵水環(huán)流造成凝鐵層頻繁破壞，進而沖刷炭磚、熔蝕炭磚。但有證據(jù)表明，許多炭磚的侵蝕過程中根本沒有發(fā)生與鐵水接觸的情況，炭磚侵蝕是在有保護層的情況下被侵蝕的，侵蝕因素不是鐵水。
長期以來，業(yè)界一直過分夸大了鐵水環(huán)流、鐵水熔蝕在象腳侵蝕形成中的作用。
雖然無法直觀觀察象腳區(qū)鐵水環(huán)流的破壞能力，但我們可以從鐵水在沙溝的流動情況得到一些啟示。原先出鐵前，在鐵溝中鋪上沙子并整理成沙溝。出鐵時流動的鐵水在沙溝中形成近似半圓形的管狀鐵殼，鐵水在中間部分快速流動。由于流量波動的影響，上表面的鐵殼會出現(xiàn)反復熔化、凝固的情況，但與沙子接觸的下部鐵殼極少被破壞。
對比沙溝出鐵與象腳區(qū)炭磚的工況條件：沙子是疏松的，沒有強度（抗壓、抗剪能力極低），沒有強化冷卻，導熱系數(shù)極低，鐵水溫度相差無幾，鐵水流速是象腳區(qū)的百倍以上。這種條件下接觸沙子的凝鐵殼能夠穩(wěn)定存在不被快速流動的鐵水破壞，工況條件非常好的象腳區(qū)凝鐵層為什么就被近乎靜止的鐵水沖刷破壞了？象腳區(qū)鐵水流動的剪應力近乎為零（計算結(jié)果顯示，還沒有我們鼻孔出氣的剪應力大），卻極力夸大它的破壞力！
3.2 業(yè)界應該努力走出鐵水環(huán)流理論的誤區(qū)，補齊侵蝕理論的短板
鐵水環(huán)流理論根深蒂固，影響深遠且廣泛，長期誤導煉鐵屆。象腳侵蝕的治理始終沒有實質(zhì)性改善，就是因為侵蝕理論與實際不符，在此理論指導下的治理措施無異于隔靴搔癢。
如果一直受困于鐵水環(huán)流理論，爐缸長壽只能寄希望于耐火材料性能的突破。
只要采用炭磚耐材，受困于目前的侵蝕理論，爐缸象腳侵蝕就無法避免，將一直困擾煉鐵屆。
鐵水環(huán)流理論建立在錯誤的假設條件之上，把死料柱設想成正圓錐形，并且死料柱下沉到象腳區(qū)，這違背基本的浮力學原理。這種假設的計算結(jié)果是象腳區(qū)鐵水環(huán)流速度比其它區(qū)域更大。
鐵水比焦炭的密度大得多，即使死料柱是一個穩(wěn)固的整體，在浮力的作用下，正圓錐形的死料柱在鐵水中必然翻轉(zhuǎn)。
死料柱主要是由焦炭組成的，焦炭顆粒之間沒有結(jié)合力，在浮力的作用下，正圓錐形死料柱下部邊緣部分的焦炭必然分散上浮，改變死料柱形狀，形成上部大、下部小的倒圓錐形或者鍋底形。這樣象腳區(qū)的環(huán)流通道就大幅加寬了，計算的鐵水環(huán)流速度應該是象腳區(qū)比其它區(qū)域更小。
死料柱的下沉深度很難到達象腳區(qū)。如果死料柱長期下沉到鐵口以下，出鐵時應該頻繁出現(xiàn)卡焦、噴焦的情況。
如果死料柱本來就沒有下沉到象腳區(qū)，那么象腳區(qū)就不存在環(huán)流。
我曾反復做一些簡單的模擬試驗，結(jié)果如下：
密度較小的固體顆粒，始終無法在密度較大的液態(tài)中形成正圓錐形的組團；
即使在容器中放置類似死料柱，從容器標高的中間部位出液，容器底部的液體根本沒有出現(xiàn)肉眼可見的環(huán)流。
象腳區(qū)可能根本不存在鐵水環(huán)流；象腳區(qū)即使有輕微的環(huán)流，對于凝鐵保護層也不會有實質(zhì)性的破壞能力；象腳區(qū)即使有輕微的環(huán)流，象腳區(qū)的環(huán)流速度比爐缸中部標高段的環(huán)流速度應該更小，象腳區(qū)的炭磚侵蝕速度應該更慢。
鐵水環(huán)流理論存在明顯缺陷，矛盾重重。
煉鐵屆應該走出鐵水環(huán)流理論的死胡同，重新認識、探究象腳侵蝕的成因和治理措施。補齊侵蝕理論的短板，實現(xiàn)爐缸長壽的目的。
3.3 探究高冶強造成爐缸短壽的技術機理有助于找到既提高冶強又不影響爐缸壽命的技術途徑
高冶強造成爐缸短壽是不爭的事實，但形成機理仍然局限于鐵水環(huán)流理論。認為冶強高，出鐵量大，環(huán)流加劇，侵蝕加速，壽命縮短。
鐵水環(huán)流理論的科學性非常值得懷疑，用這一理論很難正確解釋高冶強造成爐缸短壽問題。
象腳區(qū)可能根本不存在鐵水環(huán)流，冶強增加應該只影響爐缸中部鐵口標高段。高冶強應該是通過其他橋梁媒介作用于象腳區(qū)從而造成象腳區(qū)侵蝕加速。
我提出以下看法，供大家交流：
① 冶強提高，鼓風壓力提高，高爐運行壓力提高，串煤氣量增加，由此產(chǎn)生的隱形水產(chǎn)量大幅增加。這部分水分沉積到爐缸下部環(huán)炭冷面，固定侵蝕象腳區(qū)炭磚，造成象腳侵蝕加速；
② 冶強提高，高溫燃燒區(qū)范圍加大外移，爐缸側(cè)壁承受的輻射加劇，側(cè)壁溫度提升一定幅度。側(cè)壁溫度提升使得隱形水與炭磚的反應速度加快；初始反應位置向環(huán)炭冷面移動，反應范圍加大。
以上兩個因素中，隱形水產(chǎn)量大幅增加是主要因素。
基于隱形水侵蝕的技術觀點，很容易找到既提高冶強又不影響爐缸壽命的技術途徑。
不要把高冶強造成爐缸短壽看成是一種必然結(jié)果。
3.4 突破現(xiàn)有侵蝕理論的束縛，有利于高爐節(jié)能降本
在現(xiàn)有侵蝕理論的指導下，為了實現(xiàn)爐缸長壽，就需要采購昂貴的“優(yōu)質(zhì)”耐火材料，極力提高冷卻強度，苛求原燃料“質(zhì)量”，約束冶煉強度，頻繁鈦礦護爐。這些措施大幅抬升了高爐的建造成本和煉鐵成本，而且對爐缸長壽的作用非常有限。
突破現(xiàn)有侵蝕理論的束縛，我們可能發(fā)現(xiàn)如下情況：
國產(chǎn)普通炭磚也能實現(xiàn)爐缸長壽，目前要求的“優(yōu)質(zhì)”耐火材料純屬浪費；
目前要求的冷卻強度極度富裕，加大了高爐能耗；
為了提高死料柱的透液性，減輕環(huán)流而對焦炭質(zhì)量提出的苛刻要求是多余的；
為了減輕有害元素侵蝕爐缸而對煉鐵原料提出的嚴格質(zhì)量要求是不必要的；
高冶強并不影響爐缸長壽；
鈦礦護爐不但不必要，而且更容易造成無征兆燒穿。
跳出現(xiàn)有束縛，探究侵蝕機理，接受新的理念，采取新的措施，可以大幅降低高爐的建造成本和生產(chǎn)成本。