浅论“高炉悬料”

浅议“高炉悬料”

高炉的“悬料”问题，可以说是一个“悬而未决”的问题，老员工们说：这么多炉长、工长、技师都研究一辈子了，也没有搞明白。传统的研究方法已经走不通了，只有转换思路，才有突破的可能。我们的研究论文中没有使用专业术语，而是从基本的物理知识讲起，任何一种理论都应当遵循科学的规律，同时要服从物理原则的限制。悬料问题实际上就是一个纯粹的物理现象。

对于悬料现象的发生原理，传统理论是这样解释的。炉料在炉体中受到两个作用力，一是使炉料下行的重力，二是阻碍下行的阻力。当阻力大于重力时就会发生悬料。阻力又分为两个力，摩擦阻力和空气浮力，摩擦阻力较小，阻力以空气浮力为主。当悬料发生时，一般采取降风压的办法，减小浮力使炉料下滑。

因为高炉是一个封闭的系统，内部温度又非常高，所以无论哪种解释，其实都是一种猜想，我们将通过运用物理定律来论证这一现象。

下面首先来分析悬料后的症状，用物理知识中的“液体浮力”定律来分析。

一、悬料之后打开铁口，不出铁水只出风。老员工讲，是因为怎样怎样导致反应减缓或停止，没有铁水了。但是送风并没有完全停止，

按道理，送风量应该和铁水量成正比，不应该一点铁水都没有啊。悬料不等于说不反应，1200多度的热风，与炉料在哪儿接触，就在哪儿反应，并不一定要在风口处。再者说，在堵口的时候，仍然有铁水在向外排放，开口后怎么就没有了？所以说问题的关键不是“铁水有没有”，而是——“铁水哪去了”。

整个高炉内部从炉顶到炉底都填满了炉料，实际上铁水只存在于风口以下的炉料颗粒之间的空隙之中。有的同事认为，铁口以下称为“死铁层”的空间，全部是铁水。这是错误的认识，根据物理法则，在重力作用下炉料一定会“沉底”。这一点一定要强调清楚。

风口以上的炉料是焦炭与矿石的混合炉料，风口以下的炉料就只剩下焦炭，因为矿石都熔化了，而焦炭可以耐受高温，并兼有强度。当风口以上发生悬料，风口部位烧空，那么想象一下，风口以下还会维持原状吗？当然不会。焦炭与铁水的密度比例悬殊，所以当失去上方的压力后，焦炭必定会上浮，如同泡沫塑料漂浮于水面，铁水液面则必然会下落，铁水都“收缩”到铁口以下的空间中去了，成了真正的“死铁层”，出不来了。

二、根据参数记录，悬料后炉温经常会有所上升，然后再下降。如果问老员工，反应停止了、铁水没有了，哪儿来的热量？那么他们的回答究竟有多大的可信度呢？能量守恒定律是绝对不能违反的，这是分析问题的根本前提。

在正常情况下，因为风向上走，所以燃烧的是焦炭与矿石的混合炉料，根据“液体浮力”定律，悬料后焦炭上浮，到达风口部位，这

个时候，燃烧的是“纯焦炭”，是“纯爷们”，火力猛，当然会使炉温有所上升。

三、当降风压之后悬料下落，可能会使铁水或炉渣灌入风口堵塞。前边已经讲到，按照老员工的说法，已经没有铁水了，又怎么会突然“蹿升”到风口的高度呢？这些铁水是哪来的呢？这样明显矛盾的逻辑，任谁也讲不清楚，任谁也听不明白。但是按照我们的“液体浮力”定律来解释就简单明了。

降压后悬料落下来，砸到漂浮的焦炭上，把焦炭“摁”进铁水中，一个猛子扎到炉底，铁水液面必然会升高上涨。举个非常简单的例子。乌鸦找到半瓶水，可是够不到水面，怎么办？乌鸦叼来几块“焦炭”，丢进瓶子里，水面上升，聪明的乌鸦就喝到水了。

进行理论研究的基本原则是：力求以最简单的假设对各种现象做出统一的解释，这就是“简单性原则”。我们以一个简单的“液体浮力”理论对各种症状做出了统一且合理的解释，所以是可信的，而复杂且矛盾的观点往往是错误的。理论的第一步具有方向性，是整个理论的基础，因此一定要慎重，不要轻易下结论。比如这个“不出铁水就是因为没有铁水”的结论，显然是过于草率了，以至于把整个思路带进了死胡同。

跟维修工老李讨论悬料问题，讲我们的“液体浮力”理论，讲到一半，老李说：“老哥，后面的不用你讲我都明白了。你的理论绝对正确”。真正的道理不用多费口舌，方向确定了，过程就简单。假如

只告诉老李“用物理的液体浮力定律来分析”，相信老李自己也能够得出完整的推论。只有自己亲自得出的结论才是可信赖的、有价值的，而错误的结论总是强迫人们去接受，当你最终接受并认可它的时候，说明你已经被“思想锚定”了。

现在开始讨论悬料的成因，先讲一个物理实验。

右手拿一杯水，盖上一张纸板，左手掌压住，翻转过来，使杯口朝下，然后慢慢移开左手，纸板和水不会掉落下来，也可以说是水悬在杯子里了。这个实验证明了大气压力的存在，是大气压力或者说大气浮力使水悬在了水杯中。但是仅有大气压力还不行，比如我们将一瓶水倒立起来，空气会化为水泡，穿过水层进入瓶中，消除瓶子内外的压力差，水就咕嘟咕嘟流了出来。所以说必不可少的条件是要有一张纸。空气和水都是流体，当它们处于颠倒位置时，不可避免要发生对流置换，它们之间没有一个稳定的界面来实现作用力。纸板将水和空气分开，提供了一个界面，在重力与浮力之间起到平衡和传递的作用。

高炉悬料现象与这个实验有相同的原理。炉体相当于玻璃杯，炉料相当于水。炉料虽然是固体颗粒状，但是也具有流动性，所以才会有流沙、泥石流之说。通过以上实验可以证明，仅有气压产生的浮力并不能使炉料产生悬空。松散的炉料会不断“塌方”下落，进而整个料柱下行。炉料下行实际上就是一个连续“塌方”的过程，并不是整

体下滑。因此悬料现象也需要这样“一张纸”。

通过以上实验，说明存在这张“纸”的必要性，“这个应该有”。根据这个实验结论，咱们再来推理分析炉内的情况，看看是不是“这个可以有”。

炉料从上往下分为块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带和死铁层。炉料的温度逐渐升高直至使矿石完全熔化为铁水。由于高炉的运行并不能达到绝对的平稳，温度不可避免的会有一定的起伏波动。既有长期缓慢的波动，也有短时间内快速的变化，比如说蜡烛的火焰，有时火焰大、有时火焰小，但总是在跳动。软熔带刚好处于矿石的熔点温度范围，假如此处的矿石表面刚刚开始熔化滴落，这时突然出现温度比较大的的下落——是温度下降，并不一定指温度偏低——，刚刚熔化的铁水降温凝固，将矿石和焦炭粘连成一个“壳”，于是就会形成我们前边提到的“一张纸”。这个“纸壳”的作用就是形成一个稳定的界面，依托下面高压空气产生的浮力，支撑起上方的炉料。同时还有另外一个作用，就是降低透气性、增大气流阻力，使压力差增大、浮力增长，两个作用相加，从而形成悬料。当炉况顺行时，极少发生悬料。炉温过高和过低，都是不稳定状态，温度异常波动容易导致悬料，悬料使炉况恶化，温度变化剧烈极不稳定，又会引发下一次悬料，所以悬料现象经常集中爆发，“悬而又悬”。可以认定悬料现象与温度变化之间有最直接的关系。

还有这样一种情况。炉料的强度不够，在加热的过程中破碎细化，

使透气性变差、浮力增大形成悬料。但是前边我们已经论述，仅有浮力不足以形成悬料。

让我们再一次开动脑筋，展开想象力。

炉料在进炉前经过筛分，去除粉末，以保证炉料颗粒之间的空隙，维持透气性，气流由此空间上行，铁水由此空间下行滴落，各行其道相安无事。如果炉料颗粒破碎，使透气性变差，压力增长，气流通过这个变窄的间隙，势必要“提速”。打个比方，用橡胶水管洒水，当捏扁口部，会使水压增长水流提速，水流喷射得更远。气流提速会对铁水滴落产生明显的阻力，甚至会裹挟铁水和炉渣上行到达低温区，降温凝固，形成我们前边提到的“纸壳”并导致悬料。因为“纸壳”的透气性也差，所以一旦形成这种局面，就成了恶性循环，状况只会持续恶化，不会自行缓解。“纸壳”底层逐渐熔化塌方，而上层会不断增长，保证悬料不会全部塌落下来。所以“纸壳”的位置会上升，到达块状带，使亏料的空间逐渐增大。有一种观点认为“上悬料”发生于块状带，这种说法没有科学道理。

世界上没有任何事物是绝对静止的，这层“纸壳”也“与时俱进”处于不断的发展变化之中，所以这个“纸壳”虽看似脆弱，却能够“巍然挺立、屹立不倒”。减风降压的目的是降低浮力使炉料下落，但同时还有另外一个作用，就是降低风速，使铁水顺利滴落，把这个“纸壳”给它“烧穿”。

任何一种理论都不能违反自然规律，所以“纸壳”理论是解释悬料现象的核心所在，任何回避这一点的解释都是不完善的。悬料的发生有极大的偶然性，偶然事件不能仅仅用“浮力”这一必然因素来解释。浮力是内因，内因往往通过外因来发挥作用，而外因又是由各种其它各种因素综合作用导致的，由此才能正确理解悬料现象的偶发性和复杂性。

把复杂的事情弄简单很困难，但是把简单的事情搞复杂却很容易。不管多么复杂的事物，其核心思路一定是简单的，最简单的解释往往最正确。引起悬料的诱发因素有多种，但是悬料的根本原理和发展规律是一致的。传统理论认为悬料有好几种，有冷悬、热悬、上悬、下悬等等，其实这些只是悬料发展过程中的不同阶段及其表象，却被“分解总结”成为不同的原理。这种做法不符合自然科学的规律——普适性、统一性。也就是说，一个定理或理论可以普遍适用于很多种现象，而各种现象可以统一于一种定理或理论。如果我们为一个现象“总结”出好几个理论来，就好比给一个茶杯配好几把茶壶。

做一个总结，为悬料现象画“流程图”，按照传统理论是这样的：

1、冷悬炉温低渣流动性差压力升高悬料

2、热悬炉温高渣流动性好压力升高悬料

3、上悬发生于块状带压力升高悬料

4、下悬发生于软熔带压力升高悬料

5、料悬炉料破碎透气性差压力升高悬料

6、顽固性悬料

这种简单的线性思维方式是不对的，其中的每一条，都很难将它组织得逻辑严谨，更不要说是六条了，所以在新员工的追问之下，老员工往往会被问倒。我们应当以全新的思维方式来研究这个问题，从事物的广泛联系中进行全面的综合思维，在把握整体全局的基础上进行综合分析，只有遵循这种完整性和系统性，才能保证思维的连贯和深入。

人们普遍缺失的，往往不是高深的理论，而是基本的常识。举个简单例子，比如我们评判人的体型，可以用“高、矮、胖、瘦”来形容，但是却不能直接依照这四个字来进行分类，因为“高、矮”和“胖、瘦”属于不同的评判标准，所以应该分类组合为“高胖、高瘦、矮胖、矮瘦”四型，代表人物分别为：习大大、奥巴马、郭德纲、潘长江。同样道理，把悬料分为“冷、热、上、下”是常识性错误，应改为“冷上、冷下、热上、热下”。所以传统理论的致命错误既不在于结论，也不在于过程，它实际是一个伪命题。

我们的理论流程图以“壳”作为发展的核心：

炉温低→↓

温度不稳→铁水下降结壳→→上悬料

炉温高→↑↓↑

→结壳→壳向上发展→→下悬料

↑↓

炉料破碎→透气性差→铁水上行结壳→→顽固悬料

最后再讨论一下“顽固性悬料”。当风压降到零，悬料仍然落不下来，称为顽固性悬料。传统的解释是由于炉料受热膨胀，与炉壁之间的挤压力所产生的摩擦力使炉料悬空。

提出两点疑问。

第一，前边已经讲到，一般认为浮力是造成悬料的“主犯”，摩擦力仅是“从犯”，那么对于顽固悬料来说，大哥已逃跑，让小弟摩擦力独自挑大梁，是不是会有“力不从心”的感觉呢？炉料重量是多少？接触面积是多少？摩擦系数又是多少？能不能给出一个明确的数据呢？

第二，高炉的构造并不是直上直下的圆筒，而是带有明显的锥度，上细下粗，目的是给予炉料在下降的过程中一个受热膨胀的空间。既然已经有这个膨胀空间，为什么后边还强调膨胀产生摩擦力呢？炉料的膨胀率是多少？锥度是多少才能与之匹配？

之所以出现前后矛盾的现象，说明传统观点的推理过程出了差错，到最后无法自圆其说。

解释顽固悬料，仅凭摩擦力是不够的，炉料“挂不住”，还需要“托一下”，这就要用到“壳”理论。悬料的底部不会是绝对平坦的，有时可能会向上凸起，搭成一座“壳拱桥”。拱桥只是顶两头，而这

个“壳”顶一圈，更像是鸡蛋壳，鸡蛋壳虽然轻薄脆弱，但是可以承受很大的压力。

有资料说，监测数据表明，出现悬料现象后风量锐减，到最后有的时候甚至会减到零，完全不通风了。这说明“壳”经过一段时间的发展演化，变得更厚实更致密，强度也更高了，有了更大的承重能力。而且此时已经发展成为“上悬料”，所负担的炉料重量降低，可以在承受的范围内。当然也不是说所有上悬料都会成为顽固性悬料，这个概率还是比较低的。

讨论“膨胀力”，咱们举个形象的、类比的例子，比如说家里烧的煤炉，有时也会产生“悬料”的现象，一般都会用铁棍捣捣。因为炉口很小，煤块会卡在里面，或者说是“撑”在炉壁上了，传统理论就是这么个意思。但是高炉的体积非常巨大，这个理论就不能适用了。打个形象的比喻，蚂蚁可以举起自己体重几十倍的东西，但是把蚂蚁放大到大象的尺寸，就没有了这样的神力，如果比恐龙还要大，可能会被自己的体重压死。

这种现象在科学上叫做“二分之三次方定律”，也可以叫做“1.5次方定律”。举例子来说，当立方体的尺寸放大为两倍，表面积增长为四倍，重量增长为八倍，对地面的压强也随之增长到两倍，如果要维持压强不变，应当使立方体压扁为原来的高度，接触面的尺寸增长为原来的——2的1.5次方倍，即2.828倍。对应于高炉，如果要维持与小炉子相同的重量?表面积的比值，只有造得跟小炉子同样粗

细，靠增加高度来提高容量。

炉料不是一整块固体，而是具有一定流动性的颗粒物，可以当做流体来看待，虽然它的流动性是差了些。流体内部的压力朝向各个方向，没有方向性。炉料的上方并没有完全填满，下方又在不断的燃烧损耗，炉料塌落下行，所以这个膨胀力会被炉料自身给卸掉。

做一个思维实验。

一杯凉水，加热到九十度，体积膨胀了，会对玻璃杯产生“膨胀力”吗？当然不会，水面上涨把力卸掉了，除非容器把水完全密封。再举个例子，力是相互的，以很大的压力挤压一块冰使它悬空，来模拟膨胀力。压力不断增长，最后冰块“嘣”的一下碎裂，压力立即随之消失，碎冰块掉落。

松散的炉料无法产生膨胀力。用“膨胀力”理论来解释“顽固性悬料”是不成立的。

简单化思维是最优化的思维，它是一种最有力、最准确的思维方法。简练才是真正的丰富，只有最简单的东西才具有最大的孕育性和想象空间，能够舍弃一切复杂的表象，直指问题的本质。让思维变得简单而又有条理，比实现复杂的东西更困难。

对事物的最简单解释往往最正确，这一规律具有普遍的适用性。人们往往因为掌握了许多知识，而喜欢将事情引入复杂化。任何事情的复杂化，都是因为没有抓住最深刻的本质，没有揭示最基本规律与

问题之间的最简短的联系，只是停留在表层的复杂性上，反而离解决问题越来越远。只有化繁为简、直奔主题，方可少走弯路，这是放之四海而皆准的真理。