設計是爐缸長壽的基礎，良好的爐缸設計可以為高爐長壽創造良好的條件。從高爐爐缸耐材配置及冷卻水系統的設計著手，分析爐缸結構的合理性，探尋爐缸“長壽鏈”上的薄弱環節，并采取相應的改進措施，對實現爐缸長壽具有重要意義。 

　　典型結構注意揚長避短 

　　典型的爐底、爐缸耐材配置設計有大塊炭磚、大塊炭磚加陶瓷杯和小塊炭磚三種方案。實踐證明，三種結構均能滿足高爐生產需要及長壽要求，但也各有優缺點。 

　　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。整個爐底砌筑厚度2.8m~3.2m。爐缸側壁（含象腳侵蝕區）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。 

　　從國內外使用實踐來看，該方案爐缸、爐底壽命可達到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、導熱性能等都得到了顯著提升，炭磚的加工質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備間為吸收耐材的受熱膨脹，設置有一條80mm左右的搗料縫，搗料縫的良好傳熱性能和抗水性能、烘干強度、爐缸不漏水和盡量少的氣隙是爐缸實現長壽的重要保證。  

　　方案二：大塊炭磚與陶瓷杯結合。這是在方案一的基礎上增設陶瓷杯，其中兩層陶瓷墊采用MS4R，陶瓷杯采用賽隆結合剛玉磚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現長壽。為保證爐缸壽命，爐缸陶瓷杯外側仍采用優質微孔炭磚。國內和歐洲部分高爐的使用結果證明，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備間存在兩條搗料縫，這兩條縫隙處理的質量關系到整個方案的成敗。 

　　陶瓷杯材料的導熱性能較差，和炭磚的線膨脹系數差異也較大，耐熱震能力相對較小，容易在杯腳等部位形成應力裂紋，使陶瓷杯產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層的形成，從而導致炭磚的異常侵蝕。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環熱壓小塊炭磚NMA，爐缸側壁象腳侵蝕區靠冷卻設備的外側以及鐵口區采用熱壓小塊炭磚NMD，爐缸側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熱性，其小塊結構使墻體炭磚承受的熱應力減小，不會出現環裂，無須設置單獨的膨脹縫。該方案是靠墻體優良的傳熱體系在爐缸、爐底形成穩定的渣鐵凝固層，保護砌體不被侵蝕而實現爐缸長壽。實踐證明，小塊炭磚方案能夠實現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鍵。施工時要防止炭磚和冷卻設備間形成三角縫，磚縫要均勻緊密，砌筑完成后膠泥需要適當的養護時間。高爐烘爐時，冷卻設備前面耐材溫度應到達膠泥的固化溫度，使膠泥具備足夠的強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提高冷卻水的溫度，提高爐墻冷側溫度使膠泥進一步固化，并使爐墻熱面具備足夠的膠泥焙燒溫度，使膠泥具備足夠的強度抵抗鐵水滲透侵蝕。 

　　科學設計冷卻系統 

　　合理選擇爐缸冷卻設備。研究發現，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，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點是爐殼受到了冷卻壁的防護，環境條件很好；缺點是冷卻效率很低，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，容易產生氣隙。 

　　槽板冷卻方式的優點是冷卻效率較高，爐墻與爐殼間的接縫簡單、界面少，容易防止氣隙，易于觀察與維護。缺點是發生事故時爐殼會首先受損。 

　　銅冷卻壁的優點是冷卻強度很大，缺點主要有以下三方面：一是冷卻壁接縫多、界面多，容易誘導氣隙，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，導致氣隙的出現；三是銅材質軟，在熱負荷波動及外力的作用下容易在熱面出現氣隙，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。其冷卻強度足夠，較鑄鐵冷卻壁增加了2倍。最重要的是，該方式結構簡單，界面少，不定形材料品種少，對可能形成氣隙的誘導因素是最少的，最容易受控和實現無氣隙爐缸操作。其實，無論哪種冷卻方式，只要高爐長壽鏈上的各環節都控制得當，都能夠獲得成功，實踐也證明每種方式都有成功的先例。 

　　冷卻形式決定冷卻系統綜合換熱能力的范圍。研究發現，隨水速增大，耐材與水間的綜合換熱系數增大；但對于鑄鐵冷卻壁、鑄鋼冷卻壁、槽板，冷卻水速對綜合換熱系數的影響較小；銅冷卻壁的綜合換熱系數隨水速變化比較明顯，但即使其冷卻水速較小，綜合換熱系數也較其他形式大很多。總的來說，冷卻形式決定了冷卻系統綜合換熱能力的范圍，水速影響并不十分顯著。高爐生產實踐也證明，爐缸的水量是爐缸長壽的基礎，并不是越大越好，應適可而止。增加爐缸水量并不是解決爐缸問題的根本辦法。 

　　科學控制爐缸冷卻水溫度及冷卻強度。建議在烘爐時將冷卻壁的供水關閉，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，使爐墻中的不定形材料進一步干燥和固化，以使耐材達到足夠的烘干強度，保障爐墻的傳熱體系，為長壽打下良好的基礎。當前爐缸事故頻發，在一定程度上與烘爐和開爐初期冷卻強度控制不當，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系。 

　　薄弱環節影響爐缸壽命 

　　無論采用什么樣的耐材配置及冷卻系統設計，都必須在爐缸耐材熱面形成穩定的渣鐵保護層，才能夠真正實現爐缸的長壽。良好的耐材、優良而穩定的不定形材料加上有效的冷卻，保證爐缸持續有效的傳熱體系，是爐缸實現長壽的關鍵。 

　　爐缸的長壽從設計上要控制好下列關鍵環節：適宜的死鐵層深度，減小爐缸環流；鐵口凸臺宜縮小，保持爐缸內型的流暢，保證鐵水流場的順暢；爐缸爐墻的界面要盡量減少，簡單就是可靠；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，防止出現氣隙；爐缸的冷卻要有效；設計宜對爐缸操作維護提出建議，包括烘爐溫度的控制、開爐初期冷卻強度的控制、爐缸漏水的管理。 

　　高爐長壽不是只靠設計就能夠實現；設計是基礎，生產操作與長壽維護是關鍵；良好的設計必須與高質量的施工、良好的操作維護相配合才能夠實現長壽。影響爐缸長壽的諸要素組成了一個“長壽鏈”，每個要素環節就是這個鏈條上的一個鏈環，鏈條上最薄弱的鏈環決定了整個鏈條的能力。 

　　爐缸長壽鏈上的關鍵環節包括：冷卻水系統、冷卻設備、冷卻設備與耐材的接觸熱阻或氣隙、冷卻設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定性、炭磚熱面的凝固層、鐵水的環流（高爐冶煉的強化程度、焦炭質量、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。 

　　研究發現，影響爐缸傳熱的限制性環節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節，再大幅度提高水量也達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節。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烘干、未具備足夠的烘干強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了氣隙，妨礙了爐缸熱量的傳遞，是當前爐缸頻繁出現問題的重要原因。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；嚴格控制不定形耐材的質量和施工質量；改進烘爐規程，提高烘爐時的水溫和開爐初期的供水溫度，讓不定形材料及時固化，具備足夠的烘干強度；嚴格爐缸的漏水管理，及時利用高爐休風進行爐缸排水，防止水蒸氣氣蝕不定形材料和導致氣隙。 

　　重視爐缸不定形材料的質量、強化施工管理、合理控制爐缸的冷卻強度、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，將是解決當前爐缸問題的關鍵。 

　　改進烘爐規程，提高烘爐時的水溫和開爐初期的供水溫度，讓不定形材料及時固化，具備足夠的烘干強度防止被氣蝕，以保證爐墻的有效傳熱體系，是實現爐缸長壽的重要方法之一。