每年，各大炼铁厂因频繁更换风口而休风造成的生铁损失高达好几百万吨，严重影响了产值。影响高炉风口使用寿命有很多种，且由于风口所处环境非常恶劣，造成风口损坏的原因是诸多因素共同作用的结果。因此,认真分析研究出高炉风口的破损原因，找出合理的解决办法，提高风口的使用寿命，减少经济效益和社会效益的损失已经成为高炉工作者亟待解决的问题。

1、风口破损机理

高炉风口位于高炉炉缸上部,在工作时要承受1000℃～1250℃的高温热风冲刷和1500℃左右的液态铁以及高速循环运动的炽热物料(主要是焦块)的撞击;风口外表面要承受高温辐射、高热风温度和液态渣铁的对流换热;风口壁受温度差的影响产生热应力。目前，绝大多数大型高炉都采用喷吹煤粉工艺，高炉在喷吹煤粉的情况下,高速运动的煤粉作用在了风口上，使风口受到了磨蚀;当高炉出现崩料现象时，高炉风口还受到随气流运动的炉料的击打作用。由此可见风口工作环境非常差，因此风口也极易破损。根据机理不同，风口破损大致可以分为4类，即熔损、开裂及龟裂、磨损和曲损等形式。

(1)磨损

高炉风口前端伸入炉缸，而高炉炉缸位置刚好是炉料下落和焦炭运动的位置，回旋区的运动容易使风口发生磨损。而且处在高温条件下的风口本身强度也会大幅度降低，尤其是在冷却条件不好的情况下，磨损现象会更为严重。风口磨损主要是指风口内表面的磨损，高炉喷吹煤粉时，煤粉从喷枪口喷入直吹管，与炉内的热风相遇之后与热风进行混合,形成1000℃的气固两相高速流，风口本体外表面长期处于持续冲刷状态;一些煤粒在风口壁面滚动、滑动，在风口壁上发生摩擦，产生的摩擦力使风口壁表面产生裂纹。喷吹煤粉对风口的磨损含磨粒磨损、冲击磨损和表面疲劳磨损三种。

(2)曲损

风口曲损的机理比较简单。主要原因是高炉气流分布不均，操作炉型不合理或者操作不当情况下炉料撞击砸落到风口，或者大块渣皮脱落，高温炉渣和料柱共同对风口施加压力，造成风口弯曲变形，严重时候砸坏风口造成风口漏水、破损，被迫休风处理。

(3)熔损

熔损在风口失效中占比也很大。主要就是由于高强度热流作用在了风口上，风口受到瞬间冲击而发生熔损。当炉缸结垢过多或是炉缸堆积时，液态铁水液面升高，直接接触到风口下部外表面上，使得热负荷大幅升高，这种状况下风口所受热量比正常值高出一至两倍，如果风口的冷却水压力、冷却水流速、流量不足的话，冷却能力就变差，风口表面容易被铜铁合金层附着，严重制约着风口的导热能力，造成风口局部的温度突升，导致了风口因为被冲蚀熔化。在因炉况顺行差引起风口局部热流密度突然增加，或者由于操作原因发生崩料使炉内高温液态熔融物下落于风口表面时，将导致风口发生熔损，风口熔损的位置一般位于风口前端上部。为了更好地对熔损风口进行分析，炼铁学者从受影响区域最为严重的地方取回了熔损风口并对其进行研究，将熔损风口沿着中心线切开，发现风口前帽内壁已经受到了侵蚀作用。此时的熔损风口由纯铜材料和粘附材料构成，工作人员取了部分粘附材料进行了化验分析，化验结果显示铁的氧化物含量占比一半左右，其余的成分主要是炉渣。此外，在正常工作情况下，风口承受热负荷的热流强度值一般是在942kw/m3左右,冷却水是通过泡核沸腾方式来进行热传递,当局部热流过大时，冷却水转为膜态沸腾的方式进行传热，于是形成了气膜层，此气膜层是热的不良导体，导致风口熔损。

(4)开裂及龟裂

造成风口开裂和龟裂的主要原因都是因为受到的热应力大。风口外壁处的铁水温度为1500～2200℃，鼓风压力为0.43MPa左右，风口内壁则处于30℃左右的冷却水温度和1.35MPa左右的冷却水压力下，内外壁存在巨大的温差，使得风口本身呈现出大的温度梯度。温度梯度与热应力呈正比关系，温度梯度大，热应力就大，较大的应力作用在了风口上，风口就容易开裂失效。高温环境下，风口本身的塑性、延展性和强度大幅降低，在沿晶界位置和缺陷位置生成了脆性氧化物，并且不断发展，性能的下降和热应力的集中造成风口开裂。受热疲劳和机械疲劳的作用，风口被焊接过的缺陷位置更容易发生开裂。当风口壁表面受到突然增大的热流时,热应力会在局部范围陡升，产生裂纹，裂纹会向四周延伸，造成风口龟裂。

2、客观因素

风口破损的原因多种多样，这当中不乏一部分源自于风口的结构、风口的制造材质和质量、冷却水压力和流速等客观因素，由于这些原因造成的风口破损是短时期内不容易改善的。

(1)风口结构

我国高炉使用的风口结构主要为以下五种形式：空腔式、双室式(纯铜板双室旋流式、双室双风道)、折流式、螺旋式和贯流式等形式。其中，空腔式风口和双室式风口因为结构简单、加工速度快，所以在上世纪70至90年代被广泛使用。但是这两种结构都存在缺点：空腔式风口存在冷却死区，造成冷却效果欠佳;双室式风口前端面积较大，腔体被一个隔板隔开，流动性不好，风口端头极易熔损、寿命短，因此，目前在大部分的炼铁厂这两种风口已经被淘汰。

高压螺旋铜管式风口有着管内水阻小、冷却效果好的优点，平均使用寿命大约可达210天，但是制作工艺复杂。与其他风口冷却结构相比，贯流式风口强化了前端换热，除了能够增强抗高温、抗磨性之外，还能够承受住更高的水压，在水流通道的地方用了圆滑过渡，减少了水的压力损失，可以更好的抵御高温恶劣环境，它的平均使用寿命达300天以上，明显优于空腔式和双室式风口。

(2)制造工艺风口材质。

一般选择铜作为高炉风口的材料，原因是因为铜的导热性高，但是铜内的导热性受到合金成分的影响,其导热性会跟随合金元素和杂质含量的不断增加而逐渐降低，风口导热系数越低，抗铁水熔损的能力就越差。

加工质量。风口寿命与铸造质量密切相关，如果铸造的铸体内产生组织疏松、缩孔、针气孔等缺陷，会对风口的导热性和机械性能产生不良影响。一般情况，在静压力试验中铸造缺陷难以显现，但一旦用于生产，铸造缺陷的问题就会在高炉炉缸内热流的不断冲击下暴露出来，从而产生裂缝，大大降低了风口使用寿命。

风口涂层。对风口表面进行强化处理能够提升风口的使用寿命，一般情况下，采用等离子喷涂技术在风口前端喷涂耐高温复合热阻材料后，能够阻隔高温热冲击直接作用在风口上，风口寿命提高近6.7倍。目前，很多制造商为了使风口本体不用直接与渣铁接触，在对风口表面进行喷涂之前还会在风口前端和内表面堆焊耐磨合金层,这种方法同时还能提高风口表面性能，增强风口耐高温的性，提高使用寿命。

(3)风口冷却条件

不考虑风口结构的前提下，风口冷却能力主要根据冷却水水质和冷却水流速决定。风口寿命与冷却水水质息息相关，如果在水质比较差的情况下，风口流道内壁就极易产生水垢，水垢里面钙的氧化物和镁的氧化物含量都比较高，同时这些氧化物的导热能力又比较差，粘结了这两种氧化物的风口导热性能大幅度降低，严重阻碍了风口壁跟冷却水之间的热传递。同样，冷却水的流速与冷却能力成正比。流速越快，冷却水对风口的冷却能力就越强，风口发生熔损的可能性就越低。

3、高炉操作风口大量破损的原因中因高炉操作所导致的占大多数。

(1)原燃料条件

原燃料(尤其是焦炭)的质量对高炉炉缸风口回旋区的工作状况有着直接影响。如果使用指标好的原燃料，高炉就能够保持良好的料柱透气性和透液性，回旋区就不容易聚集太多液态渣铁，对风口造成的破坏作用就少;如果原燃料条件水平低、质量很差(尤其是焦炭质量)，炉缸就容易不活跃甚至是发生炉缸堆积，同时渣铁直接与风口接触的概率也大大增加，极容易破坏风口。此外，煤粉的质量也会造成风口失效，研究表明煤粉的粉末越多越容易增加风口熔损的概率，煤粒越小煤层的渗透能力越低，持续久了就会引起煤层和煤气流分布不均匀;一旦煤粒过小时，炉顶压力会增加，高炉内的稳定性会被破坏。

(2)炉况的影响

高炉炉况是否顺行也是导致风口以不同形式破损的重要原因，主要集中在以下方面：

第一，高炉的边缘气流过度发展会使风口曲损的几率大幅提升。一旦边缘气流过剩，就会增大生成的渣铁量。正常生产中的渣铁会沿着风口回旋区表面进入炉缸，但是边缘气流过剩的情况下，会有少量的渣铁沿炉墙向下滴落，渣铁滴落在风口上端，会造成风口损坏。局部边缘气流的过分发展，如管道、崩料也容易造成风口曲损，这是因为当高炉出现崩料、滑料时，炉内的生料直接下落到风口将风口砸坏;此外，大块的生料还容易堆积在风口的前端将风口压弯，分离出的铁水还容易烧坏风口的下部位置。

第二，高炉炉缸中心堆积也会造成风口损坏，炉缸中心堆积或者边缘堆积都会造成高炉炉缸容积缩小。高炉的出铁次数和出铁时间正常生产情况下都是不变的，所以一旦发生高炉炉缸堆积之后，风口前端的死焦柱透液性就变差，风口前渣铁渗透变得异常困难，导致在风口前积聚，这样的结果就使得渣铁液与风口直接接触，从而烧坏风口的下部。炉缸堆积严重时，造成风口前端烧坏[32]。

第三，渣皮脱落。如果炉况、水温差和碱度波动的话，或者是边缘气流不稳定都有可能造成冷却壁渣皮脱落，滑落的渣皮支撑停留在了风口上部，就会加重风口的承重量，这样就使得风口原本的受力不平衡，造成风口发生下沉，与此同时，滴落带的铁水容易引到风口上部把风口烧坏。此外，炉缸的热度也会因为脱落的渣皮滑落到炉缸里而降低。而且如果风口发生下沉现象，边缘煤气流就会过度发展，壁体的温度场平衡被打破，造成温度频繁波动，严重影响顺行，甚至导致出现恶性循环的状态。

第四，鼓风动能不足。高炉冶炼强度同样影响风口寿命的长短，当高炉强化冶炼时，风口回旋区更为活跃，炉缸里面热的液态渣铁对风口的冲击强度就增加，而且增大了炽热的炉料对风口的机械磨损程度，加大了对风口的破坏作用。风口的前端有可能因为高炉鼓风动能不足，使得风口回旋区变小而使渣铁将其烧损，高炉鼓风动能不足有可能是因为高炉长期减风，风口面积来不及调整而造成。焦炭燃烧量、上料量、出铁量在冶炼强度增大时，随之增加，此时，风口回旋区的活跃程度加强。

(3)渣铁排放质量

风口区域的渣铁是否能及时下渗以及炉前渣铁是否及时排放且排放是否干净有关。渣铁出不净时高炉处于憋压状态，会改变煤气流的分布，不利于气流稳定，有时就需采取减风的方式应对，从而导致鼓风动能不足。在鼓风动能不足的情况下，风口回旋区长度就会缩短，炉缸中心的死焦堆将增大，风量回缩，炉缸透气性恶化，风口区域的环境也随之变差。亏渣铁后，软熔带根部不断上升下降，造成渣皮稳定性减弱，也增加了渣皮脱落导致风口曲损的几率。

(4)有害元素升高

高炉原燃料中带入的钾、钠、锌等碱金属是高炉冶炼的有害元素，对高炉生产、高炉炉衬带来很大危害。钾的沸点只有799℃，钠的沸点882℃，钾、钠等碱金属在高温区气化又在中低温区凝聚，其氧化物还原出的碱蒸汽随着煤气流上升，与炉料中的物料相结合，在炉缸、炉腹区域生成碱金属的氰化物，在高炉上部低温区又被氧化为碳酸盐。入炉碱金属有相当一部分在炉内上部和下部之间循环转移，不能够排出炉外，在高炉内的循环和富集，造成炉内整体透气透液性变差，尤其是软熔带以下位置，渣皮剥落、悬料的现象造成风口曲损。与此同时，碱金属在高炉内循环富集，催化了焦炭的气化反应、促进了烧结矿的还原粉化、引起球团矿异常膨胀、造成高炉内焦炭粉化加重，料柱透气性恶化、渗液性下降，引起煤气流阻塞、破坏炉衬。

(5)喷吹煤粉

喷吹煤粉也会影响风口的使用寿命。风口发生磨损与喷枪插入深度、喷枪与风口中心线夹角大小等因素有关。喷枪插入过深时，在靠近直吹管或风口内壁的地方，过分运动的煤粉极易跟风口壁发生碰撞，进而损坏风口。因煤粉浓度与煤粉流速成反比，当浓度过小时，流速很快，风口的磨损也随之加快。喷枪插入深度过浅时，风口壁区域会有大量运动的煤粉，加大了煤粉与风口壁接触的概率，煤粉运动时间加长，风口磨损概率加大。煤枪插入角度越大时，煤粉因与风口内壁的距离变短，撞击风口内壁时的速度增大，造成风口严重磨损。而且，实际生产过程中，难免使用一些可磨性差的煤种，煤粉的可磨性越差的煤的硬度就越高，对风口内壁的磨损程度就越大。

另外，焊缝上如果被煤粉覆盖，焊缝很容易开裂。风口发生熔损是因为铁水在炉缸周边形成环流，对风口产生热冲击而造成。而铁水形成环流的主要原因是由于高炉喷吹煤粉后，炉缸中心料柱的透液性差造成。