設(shè)計(jì)是爐缸長壽的基礎(chǔ)，良好的爐缸設(shè)計(jì)可以為高爐長壽創(chuàng)造良好的條件。從高爐爐缸耐材配置及冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著手，分析爐缸結(jié)構(gòu)的合理性，探尋爐缸“長壽鏈”上的薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)爐缸長壽具有重要意義。 

　　典型結(jié)構(gòu)注意揚(yáng)長避短 

　　典型的爐底、爐缸耐材配置設(shè)計(jì)有大塊炭磚、大塊炭磚加陶瓷杯和小塊炭磚三種方案。實(shí)踐證明，三種結(jié)構(gòu)均能滿足高爐生產(chǎn)需要及長壽要求，但也各有優(yōu)缺點(diǎn)。 

　　方案一：大塊炭磚。爐底滿鋪磚第1層采用石墨磚，第2、3層采用普通大炭磚，第4層采用微孔大炭磚，第5、6層為陶瓷墊。整個(gè)爐底砌筑厚度2.8m~3.2m。爐缸側(cè)壁（含象腳侵蝕區(qū)）采用超微孔大炭磚，爐缸上部采用普通大炭磚，爐底石墨磚下采用炭搗料。 

　　從國內(nèi)外使用實(shí)踐來看，該方案爐缸、爐底壽命可達(dá)到15年以上。目前炭磚的性能尤其是抗渣鐵侵蝕、耐堿性、微孔性能、導(dǎo)熱性能等都得到了顯著提升，炭磚的加工質(zhì)量已可以滿足干砌的要求，完全可以滿足高爐長壽的要求。該方案中炭磚和冷卻設(shè)備間為吸收耐材的受熱膨脹，設(shè)置有一條80mm左右的搗料縫，搗料縫的良好傳熱性能和抗水性能、烘干強(qiáng)度、爐缸不漏水和盡量少的氣隙是爐缸實(shí)現(xiàn)長壽的重要保證。  

　　方案二：大塊炭磚與陶瓷杯結(jié)合。這是在方案一的基礎(chǔ)上增設(shè)陶瓷杯，其中兩層陶瓷墊采用MS4R，陶瓷杯采用賽隆結(jié)合剛玉磚CORANIT，其余配置與方案一基本相同。 

　　陶瓷杯良好的耐鐵水熔蝕能力，有助于提高爐墻耐鐵水侵蝕能力而實(shí)現(xiàn)長壽。為保證爐缸壽命，爐缸陶瓷杯外側(cè)仍采用優(yōu)質(zhì)微孔炭磚。國內(nèi)和歐洲部分高爐的使用結(jié)果證明，陶瓷杯方案可以滿足高爐15年以上爐役壽命的要求。該方案在陶瓷杯和炭磚間以及炭磚和冷卻設(shè)備間存在兩條搗料縫，這兩條縫隙處理的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)方案的成敗。 

　　陶瓷杯材料的導(dǎo)熱性能較差，和炭磚的線膨脹系數(shù)差異也較大，耐熱震能力相對(duì)較小，容易在杯腳等部位形成應(yīng)力裂紋，使陶瓷杯產(chǎn)生局部破損而破壞其整體性，形成漏斗狀侵蝕。鐵水穿過陶瓷杯破損部位直接接觸炭磚，其周圍陶瓷杯的存在又阻止了破損部位炭磚前面渣鐵保護(hù)層的形成，從而導(dǎo)致炭磚的異常侵蝕。爐缸這兩條膨脹縫和陶瓷杯耐熱震能力是該方案成功的關(guān)鍵。 

　　方案三：熱壓小塊炭磚。爐底滿鋪磚第1層采用石墨磚，第2、3層采用普通大炭磚，第4、5層采用微孔大炭磚，其上為國產(chǎn)剛玉莫來石陶瓷墊磚。爐底砌筑厚度2.8m~3.2m。在爐底滿鋪磚與冷卻壁之間砌1環(huán)熱壓小塊炭磚NMA，爐缸側(cè)壁象腳侵蝕區(qū)靠冷卻設(shè)備的外側(cè)以及鐵口區(qū)采用熱壓小塊炭磚NMD，爐缸側(cè)壁的其余部位采用熱壓小塊炭磚NMA。 

　　熱壓小塊炭磚具有良好的導(dǎo)熱性，其小塊結(jié)構(gòu)使墻體炭磚承受的熱應(yīng)力減小，不會(huì)出現(xiàn)環(huán)裂，無須設(shè)置單獨(dú)的膨脹縫。該方案是靠墻體優(yōu)良的傳熱體系在爐缸、爐底形成穩(wěn)定的渣鐵凝固層，保護(hù)砌體不被侵蝕而實(shí)現(xiàn)爐缸長壽。實(shí)踐證明，小塊炭磚方案能夠?qū)崿F(xiàn)15年以上乃至更長的爐役壽命。 

　　該方案磚縫較多且磚縫較寬，膠泥的固化和均勻性是其成功的關(guān)鍵。施工時(shí)要防止炭磚和冷卻設(shè)備間形成三角縫，磚縫要均勻緊密，砌筑完成后膠泥需要適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)時(shí)間。高爐烘爐時(shí)，冷卻設(shè)備前面耐材溫度應(yīng)到達(dá)膠泥的固化溫度，使膠泥具備足夠的強(qiáng)度以抵抗煤氣和水蒸氣的氣蝕，保證墻體的傳熱體系；高爐開爐初期宜適當(dāng)提高冷卻水的溫度，提高爐墻冷側(cè)溫度使膠泥進(jìn)一步固化，并使?fàn)t墻熱面具備足夠的膠泥焙燒溫度，使膠泥具備足夠的強(qiáng)度抵抗鐵水滲透侵蝕。 

　　科學(xué)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng) 

　　合理選擇爐缸冷卻設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)，在相同水速條件下，鑄鋼冷卻壁的冷卻能力顯著高于鑄鐵冷卻壁，灑水和槽板冷卻與鑄鋼冷卻壁的冷卻能力相當(dāng)，銅冷卻壁的冷卻能力顯著高于其他冷卻方式。 

　　爐缸采用鑄鐵冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)是爐殼受到了冷卻壁的防護(hù)，環(huán)境條件很好；缺點(diǎn)是冷卻效率很低，冷卻不均勻，冷卻壁接縫很多、界面多，不定形材料品種多且施工困難，容易產(chǎn)生氣隙。 

　　槽板冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是冷卻效率較高，爐墻與爐殼間的接縫簡(jiǎn)單、界面少，容易防止氣隙，易于觀察與維護(hù)。缺點(diǎn)是發(fā)生事故時(shí)爐殼會(huì)首先受損。 

　　銅冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)是冷卻強(qiáng)度很大，缺點(diǎn)主要有以下三方面：一是冷卻壁接縫多、界面多，容易誘導(dǎo)氣隙，銅冷卻壁前面的溫度很低容易成為爐缸漏水的聚集地；二是銅冷卻壁的冷卻強(qiáng)度過大，如果不加以控制，就不利于烘爐及開爐初期爐缸不定形耐材的固化，導(dǎo)致氣隙的出現(xiàn)；三是銅材質(zhì)軟，在熱負(fù)荷波動(dòng)及外力的作用下容易在熱面出現(xiàn)氣隙，降低爐墻的傳熱能力。 

　　綜合比較，爐缸采用槽板冷卻是較好的選擇之一。其冷卻強(qiáng)度足夠，較鑄鐵冷卻壁增加了2倍。最重要的是，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，界面少，不定形材料品種少，對(duì)可能形成氣隙的誘導(dǎo)因素是最少的，最容易受控和實(shí)現(xiàn)無氣隙爐缸操作。其實(shí)，無論哪種冷卻方式，只要高爐長壽鏈上的各環(huán)節(jié)都控制得當(dāng)，都能夠獲得成功，實(shí)踐也證明每種方式都有成功的先例。 

　　冷卻形式?jīng)Q定冷卻系統(tǒng)綜合換熱能力的范圍。研究發(fā)現(xiàn)，隨水速增大，耐材與水間的綜合換熱系數(shù)增大；但對(duì)于鑄鐵冷卻壁、鑄鋼冷卻壁、槽板，冷卻水速對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響較小；銅冷卻壁的綜合換熱系數(shù)隨水速變化比較明顯，但即使其冷卻水速較小，綜合換熱系數(shù)也較其他形式大很多。總的來說，冷卻形式?jīng)Q定了冷卻系統(tǒng)綜合換熱能力的范圍，水速影響并不十分顯著。高爐生產(chǎn)實(shí)踐也證明，爐缸的水量是爐缸長壽的基礎(chǔ)，并不是越大越好，應(yīng)適可而止。增加爐缸水量并不是解決爐缸問題的根本辦法。 

　　科學(xué)控制爐缸冷卻水溫度及冷卻強(qiáng)度。建議在烘爐時(shí)將冷卻壁的供水關(guān)閉，盡可能提高冷卻壁前耐材的溫度；在高爐開爐初期提高爐缸供水溫度，使?fàn)t墻中的不定形材料進(jìn)一步干燥和固化，以使耐材達(dá)到足夠的烘干強(qiáng)度，保障爐墻的傳熱體系，為長壽打下良好的基礎(chǔ)。當(dāng)前爐缸事故頻發(fā)，在一定程度上與烘爐和開爐初期冷卻強(qiáng)度控制不當(dāng)，不定形耐材固化不良，受到煤氣和水蒸氣的氣蝕，破壞了爐墻的傳熱體系不無關(guān)系。 

　　薄弱環(huán)節(jié)影響爐缸壽命 

　　無論采用什么樣的耐材配置及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都必須在爐缸耐材熱面形成穩(wěn)定的渣鐵保護(hù)層，才能夠真正實(shí)現(xiàn)爐缸的長壽。良好的耐材、優(yōu)良而穩(wěn)定的不定形材料加上有效的冷卻，保證爐缸持續(xù)有效的傳熱體系，是爐缸實(shí)現(xiàn)長壽的關(guān)鍵。 

　　爐缸的長壽從設(shè)計(jì)上要控制好下列關(guān)鍵環(huán)節(jié)：適宜的死鐵層深度，減小爐缸環(huán)流；鐵口凸臺(tái)宜縮小，保持爐缸內(nèi)型的流暢，保證鐵水流場(chǎng)的順暢；爐缸爐墻的界面要盡量減少，簡(jiǎn)單就是可靠；不定形耐材的種類越少越好，不僅有利于控制質(zhì)量，還能有效減少材料間的沖突；爐殼受力要均勻，減小爐殼的彈性變形及變形的差異，防止出現(xiàn)氣隙；爐缸的冷卻要有效；設(shè)計(jì)宜對(duì)爐缸操作維護(hù)提出建議，包括烘爐溫度的控制、開爐初期冷卻強(qiáng)度的控制、爐缸漏水的管理。 

　　高爐長壽不是只靠設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)；設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，生產(chǎn)操作與長壽維護(hù)是關(guān)鍵；良好的設(shè)計(jì)必須與高質(zhì)量的施工、良好的操作維護(hù)相配合才能夠?qū)崿F(xiàn)長壽。影響爐缸長壽的諸要素組成了一個(gè)“長壽鏈”，每個(gè)要素環(huán)節(jié)就是這個(gè)鏈條上的一個(gè)鏈環(huán)，鏈條上最薄弱的鏈環(huán)決定了整個(gè)鏈條的能力。 

　　爐缸長壽鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：冷卻水系統(tǒng)、冷卻設(shè)備、冷卻設(shè)備與耐材的接觸熱阻或氣隙、冷卻設(shè)備與炭磚間的不定形材料（搗料層或膠泥）、炭磚及炭磚間的縫隙、炭磚與凝固層的界面穩(wěn)定性、炭磚熱面的凝固層、鐵水的環(huán)流（高爐冶煉的強(qiáng)化程度、焦炭質(zhì)量、爐芯溫度、死料堆的活躍性與透液性、死鐵層深度）、爐缸漏水的管理等。 

　　研究發(fā)現(xiàn)，影響爐缸傳熱的限制性環(huán)節(jié)在冷卻壁前面的搗料層上，冷卻水的熱阻不是爐缸傳熱的限制性環(huán)節(jié)，再大幅度提高水量也達(dá)不到有效降低炭磚溫度的效果。 

　　不定形材料的傳熱性能是爐缸傳熱體系的限制性環(huán)節(jié)。由于烘爐不到位，開爐初期爐墻溫度過低，不定形材料未能被及時(shí)烘干、未具備足夠的烘干強(qiáng)度而被煤氣和水蒸氣所氣蝕，降低了不定形材料的性能甚至出現(xiàn)了氣隙，妨礙了爐缸熱量的傳遞，是當(dāng)前爐缸頻繁出現(xiàn)問題的重要原因。解決該問題的措施是：采用界面少、不定形材料品種少的爐缸配置方案；減少爐殼開孔或使開孔均勻分布；嚴(yán)格控制不定形耐材的質(zhì)量和施工質(zhì)量；改進(jìn)烘爐規(guī)程，提高烘爐時(shí)的水溫和開爐初期的供水溫度，讓不定形材料及時(shí)固化，具備足夠的烘干強(qiáng)度；嚴(yán)格爐缸的漏水管理，及時(shí)利用高爐休風(fēng)進(jìn)行爐缸排水，防止水蒸氣氣蝕不定形材料和導(dǎo)致氣隙。 

　　重視爐缸不定形材料的質(zhì)量、強(qiáng)化施工管理、合理控制爐缸的冷卻強(qiáng)度、防止膠泥等不定形材料被氣蝕形成氣隙熱阻、合理的操作維護(hù)，將是解決當(dāng)前爐缸問題的關(guān)鍵。 

　　改進(jìn)烘爐規(guī)程，提高烘爐時(shí)的水溫和開爐初期的供水溫度，讓不定形材料及時(shí)固化，具備足夠的烘干強(qiáng)度防止被氣蝕，以保證爐墻的有效傳熱體系，是實(shí)現(xiàn)爐缸長壽的重要方法之一。