高炉炉身架子形成机理与防控对策

高炉炉身架子形成

“架子”指高炉（BF）炉壁结瘤或结疤导致炉身横截面积减小。架子可发生在炉身较高位置或较低位置（近炉腹顶）。难泛化不同高炉架子类型，因不同高炉架子结构和位置共性极少。但架子大致分两类：① 层状架子；② 非层状架子。层状结构架子由金属铁（Fe）层和富碱负荷层交替组成。典型大架子形成见图1。

高炉炉身架子形成机理与防控对策

图1 高炉大架子典型形成

架子可导致高炉“吊料”。吊料源于负荷下行遇极大阻力停止移动。吊料可崩塌，因下方形成间隙物料落下。崩塌后滑料发生，通常大量物料落下导致高炉非正常作业，气体分布不均及其对高炉参数影响。

稳定有害架子形成先决条件：① 炉料中有适宜架子建造材料（如细粉、筛分不良负荷、低温还原降解性差烧结矿、长期露天潮湿冷烧结矿、小块焦炭等）；② 有胶结（胶凝）材料使负荷材料胶结；③ 有固定（锚固）机制在高炉炉身壁建架子，可以是与衬砖化学键合、冷却板物理锚固、向炉腹壁拱架、或单纯胶结物料在壁面冷凝；④ 粘附组分持续供给；⑤ 形成架子足够强抵抗下行物料磨损力。

架子位置取决于胶结材料、粘附材料、负荷材料、炉况、炉体结构特征（冷却元件、衬砖材质）。可位于炉身、炉腹、炉腰等层级。图2展示高炉架子视图。

高炉炉身架子形成机理与防控对策

图2 高炉架子视图

欧洲部分高炉架子样品根部和硬壳典型化学成分见表1。

表1 欧洲高炉架子样品典型分析
序号	成分	架子根部		架子硬壳
		样品1	样品2
		%	%	%
1	C	4.24	1.59	8.4
2	Fe（总）	56	33	42.6
3	SiO₂	5.4	21	5.9
4	Al₂O₃	9.51	5.16	1.26
5	CaO	11.9	20.6	5.35
6	MgO	4.95	6.08	1.91
7	ZnO	0.002	N.D.	23.3
8	PbO	0	N.D.	0.26
9	K₂O	0.86	1.57	3.1
10	Na₂O	0.36	0.76	1.3
11	S	4.2	0.05	0.20

炉腹与炉腰架子

理想高炉架子持续生成剥落，冷却损失和渣化学无大波动。老式冷却板+陶瓷衬高炉难达此平衡，尤衬砖侵蚀后。近年炉采用炉条或铜板-石墨衬，架子有规律生成剥落交替，每周剥落2次以上。

架子含焦粉、还原矿成分、渣、粉尘（烟灰）、冷凝碱等。此类架子脆性大易剥落。若长期滞留炉腹壁，特别是环覆炉腹周长，机械稳定性强且随时间增强。氧化铁还原为金属Fe、烧结在一起并碳化。焦炭碳（C）经溶解损失反应气化留空间给粉尘和冷凝物（如K₂O）。架子在炉腹高温长期滞留后致密，主含Fe和渣。滞留越久尺寸增大越严重，严重扰动风险增大。

典型架子形成步骤：① 负荷含大量细粉和筛分差、低温还原降解性差烧结矿；② 细料偏聚气流弱、温低、还原慢炉壁侧；③ 粘结带根部位低在炉腹，也可混合负荷；④ 正常负荷下降因吊料或检修停炉停止；⑤ 烧结矿因还原继续解离；⑥ 软化/半熔料粘附冷却元件凝固；⑦ 负荷重新下降（吊料滑落或停炉复工），粘附料原地滞留；⑧ 锌（Zn）碱化合物从滞留料气相冷凝胶结细粉；⑨ 架子根部形成；⑩ 滞留料表面向负荷侧，胶结化合物和粉尘冷凝持续构建Fe、ZnO、K₂O、渣成分硬壳；⑪ 向上及略向炉心持续生长。此类架子允许生长一段时间或无显著故障，但随后导致高炉严重扰动：如铁口冷却、风口损坏等。

中下部炉身架子

传统认为碱是高炉炉身架子形成原因。>1100°C碱从熔渣还原汽化随气上升。900~1000°C形成碱氰化物，<750~880°C汽气经CO₂氧化为碳酸盐冷凝。碱在温度足够高时也与负荷材料、粉尘颗粒、衬砖反应。Na₂O-K₂O-MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂体系中多低熔点组分，熔点低至700°C。波动温度下熔体温升溶解更多固体、降温胶结颗粒。难固定特定熔体组分为胶结相。结晶相熔点通常>初始熔相。故如KAlSiO₄（钙钠长石）常见于架子，尽管其熔点极高（>1700°C）。K对架子形成影响见图3。

高炉炉身架子形成机理与防控对策

图3 K对架子形成影响

锌~800°C还原，907°C蒸发。炉料温度降<800°C且CO₂/(CO₂+CO)>0.2较冷部位氧化回ZnO冷凝。

无下行负荷磨损机制时架子生长极快。下行负荷中焦块硬棱作磨料。架子生长为粘附与磨损平衡。多促成因素如前述。通常难单一因素，多因素叠加触发生长。

上部炉身架子

负荷材料未彻底筛分或低温破碎性能差时，上部炉身架子极常见。负荷细粉偏聚炉壁或由烧结矿解离形成。过量细粉致高压降，引发“粉尘吊料”。滞留细料成ZnO、K₂CO₃等胶结化合物基础。湿冷负荷水分有时也在壁侧细料冷凝。

架子根部位于炉身中部，优先锚围突出冷却板。因根部高位，难用渣熔化破坏。上部炉身架子使沿炉半径矿焦分布控制困难甚至不可能。

架子形成原因

架子形成启动有多理论，但均认同碱和/或锌参与架子形成过程。理论本质差异：碱锌仅作架子形成启动剂，还是全程主导。但不确定碱锌是否架子形成先决条件，或仅加剧全过程。

基于多高炉架子样品化学矿物学研究，高炉架子形成可因单一或多重原因。归纳如下。

锌

多样品发现Zn及含Zn化合物。Zn在高炉循环积累。含Zn化合物如ZnO随铁质负荷入炉。Zn熔点419.7°C、沸点906°C，ZnO熔点1975°C。视Zn分压和CO/CO₂、H₂/H₂O含量，ZnO高温风口区条件下按可逆反应还原：ZnO+C=Zn+CO，ZnO+CO=Zn+CO₂，ZnO+H₂=Zn+H₂O。气态金属Zn上升入炉身，条件变化氧化冷凝于负荷物料。沉淀在负荷物料表面形成白绿层。因高熔点ZnO粘附随负荷下行。随新入炉Zn累积，除非专门行动（如高顶煤气温）带出，否则持续累积。

氧化及进一步反应生成多种Zn化合物，经样品矿物学研究确认。最常见ZnO。其他：硅酸锌（Zn₂SiO₄）、锌铝尖晶石（ZnAl₂O₄）、硬锌石（Ca₂ZnSi₂O₇）、富兰克林石（ZnO·Fe₂O₃）。ZnO可胶结不同负荷细粉粉尘形成炉身架子，此类架子不必直接粘附整个覆盖壁面。

典型案例：负荷Zn负荷达45 kg/tHM高炉，Zn累积比低Zn浓度高炉快。但Zn致架子非特定高炉专有。若不专门行动带出，任何高炉Zn浓度可达高量。

烧结

部分铁质负荷长期堆积可在炉身温度气氛下还原。堆积体富金属Fe颗粒，近渣相。负荷压力和>900°C温度下金属Fe颗粒烧结在一起。形成厚实Fe堆积。因稳定性，仅需在炉身堆积底部粘附炉壁即形成架子。

碱

碱随铁质料和焦炭以硅酸盐形式入炉。碱累积类似Zn。风口区还原后碱上升炉身，在882°C（钠Na）和779°C（钾K）冷凝。

随周围气体上升碱汽气在高炉上部冷凝，部分随顶煤气排出，其余冷凝炉壁内表面或装料上。因碱在不同热区挥发冷凝，碱在高炉内循环累积并与其他装料相互作用。即使碱投入量小（通常<5 kg/tHM）也显著影响工艺。高炉解体研究显示碱浓度在>1000°C区最高，即高炉下部碱浓度增高。

高炉炉身架子形成机理与防控对策

图4 高炉碱循环简化视图

多反应生成熔点>炉身温度碱氧化物。碱也可胶结负荷粉尘。若在炉身壁沉淀，碱粘结负荷碎块形成架子。

非必然每高炉形成主碱架子。但高炉薄层含钙钠长石（KAlSiO₄）等K₂O化合物直接壁面形成。KAlSiO₄行为重要：可粘结负荷碎块形成架子。铁质部分还原烧结形成固体架子。KAlSiO₄非稳定组成，可反应消失，后期架子样品中碱极少或无。

粘结带

~1100°C铁质负荷开始软化。粘结带内软结构在负荷重力下粘连。炉停或达壁近冷区时，粘结带凝固粘壁形成架子前层。架子扰乱炉身气流迫使改向。若因气流改变温度维持<原水平，架子难熔化。还原烧结再生成渣相金属Fe颗粒层更难清除。>1100°C高炉见巨大架子，由渣相和烧结在一起金属Fe颗粒组成。Zn碱极少。故估计此区非这些元素，而是粘结带物料凝固过程致初始粘连。进一步指标：Fe低渗碳、焦粒紧密包裹。

水

水多途径入炉。主要：① 湿烧结矿焦炭，尤露天堆存无遮雨环境条件（雨）烧结矿；② 风口水蒸气喷吹；③ 顶煤气温超值时负荷顶部液水喷射。近负荷顶部冷壁区水蒸气可冷凝。沿炉身壁液水下流达炉身深层。水聚集粉尘负荷细颗粒粘附壁面。长期烧结还原形成固体架子。

壁下流水降低壁近区温度。致Zn碱更快冷凝，加速对应架子形成过程。水达热区蒸发，液相水继续下流炉身。水蒸气降低区内H₂/H₂O含量。结果可逆反应ZnO+H₂=Zn+H₂O平衡向ZnO方向偏移或更远。

Zn-O-H₂系统优势区图（图5）展示H₂/H₂O含量和温度函数三相：① 液态Zn，Zn(l)；② 气态Zn，Zn(v)；③ 固态ZnO，ZnO(s)。按纯物质热化学数据计算。弯曲沸点实线为共存线，Zn和ZnO平衡共存。线上方Zn稳定，下方ZnO稳定。共存线为Zn活度a(Zn)函数。理想气体Zn蒸气活度a(Zn)=Zn(v)分压。高炉正常条件预期Zn蒸气活度0.1~0.01。离共存线越远，平衡前生成产物越多。若生成更多ZnO，靠高顶煤气温带出Zn机会降。

高炉炉身架子形成机理与防控对策

图5 Zn-O-H₂系统优势区图

图中黑圆表征略高于Zn沸点温度下H₂量为水蒸气3倍。视Zn分压，热力学平衡接近甚至倾向Zn(v)。加水蒸发，H₂/H₂O含量按箭头方向下降。条件离共存线更远。结果ZnO生成量增加。沉淀后架子形成加速。

石灰配合水

烧结工序过量烧石灰遇水反应可致烧结矿开裂粉碎，增加高炉细粉负荷。一般细粉负荷更易胶结助长架子形成。高炉内烧石灰水反应生成水泥。水泥胶结负荷形成极稳定固体架子。若铁质负荷部分还原烧结，形成更稳定架子。

架子形成过程

架子通常由高炉内侧实体壳和该壳与高炉壁间松散负荷层组成。研究显示实体壳沿等温线发育。形成期间等温线位于实体壳位置。内侧实体壳两种可能结构：① 渣相金属Fe颗粒；② ZnO胶结负荷。两种形成过程似可能。

过程一：炉内温度下降时，软铁质负荷沿等温线凝固。温降原因：停炉或工艺波动。足够长时间间隔内，含Fe负荷在炉身温度气氛还原进一步烧结。过程结束形成渣相金属Fe颗粒。

过程二：Zn、碱及化合物在温度降至特定点以下沉淀形成。仅特定温度反应沉淀产生足够Zn碱化合物胶结负荷。产物为ZnO胶结焦炭烧结结构。后续含Fe负荷还原烧结过程，Zn可反应消失气化。此时渣相金属Fe颗粒为架子最终产物，而过程一产物为ZnO胶结焦炭烧结结构。

上述任一过程形成架子解释实体壳形状、松散负荷层、架子数天内形成原因。实体壳存在后扰乱炉身气流迫使改向。结果温度可能维持<原水平，架子难熔化。松散负荷层后续冷凝沉淀累积Zn碱化合物。累积过程也可在现有壳前形成新层。现有壳为新层进一步生长结构支撑并保护其免磨损。

架子通常持续形成。上升气碱Zn含量随炉身温度下降沉积负荷或耐火材料，缓慢生长架子。架子层耐火材料上生长速度通常数毫米/周。此类形成主要受负荷碱Zn负荷和炉身温度分布影响。

高炉工艺扰动/中断可致负荷烧结。若发生炉下部，下行负荷可清除部分/全部胶结物。若发生炉身最上部，部分酸结负荷可滞留。该区下物料也滞留。所有物料随时间缓慢还原成还原Fe。还原期间视炉内温度分布，碱Zn烟气可沉积Fe氧化物颗粒表面与氧化铝镁硅酸盐形成化合物。此现象生长速度可远大于碱Zn耐火材料沉积架子生长速度。生长速度取决：初始酸结负荷区范围、温度分布、上升气细粉量等参数。