楊軍昌，張聯(lián)兵，韓秀鵬，申偉
(首鋼長治鋼鐵有限公司)
摘 要：通過對首鋼長鋼8號高爐爐缸溫度變化和護爐生產(chǎn)實踐的總結(jié)，以及停爐后的破損調(diào)查，重點分析了影響高爐長壽的關(guān)鍵因素。
關(guān) 鍵 詞：高爐；爐缸爐底；侵蝕；護爐
首鋼長鋼8號高爐(1080m3)于2004年9月19日投產(chǎn)，設(shè)計20個風(fēng)口和2個鐵口。高爐采用水冷炭磚一陶瓷杯綜合砌體，爐缸、爐底配有6層測溫?zé)犭娕?。爐缸設(shè)計有4段冷卻壁，冷卻壁為球墨鑄鐵光面冷卻壁，采用工業(yè)水冷卻。2012年2月20日停產(chǎn)大修，生產(chǎn)7年6個月，總計生產(chǎn)生鐵658萬t，單位爐容產(chǎn)鐵量6095t／m3。對8號高爐進行了爐缸爐底侵蝕調(diào)查，分析影響高爐長壽的關(guān)鍵因素和護爐的有效措施。
1 爐缸爐底結(jié)構(gòu)
8號高爐采用的是綜合爐缸、爐底結(jié)構(gòu)，爐底封板上為混凝土，混凝土上并排42根Φ108mm的水管，往上為爐底搗打料找平層。在其上砌筑5層半石墨質(zhì)磚，尺寸為400mm×400mm×1200mm，爐底總高度為2000mm，不同層之間交錯砌筑。第5層半石墨質(zhì)磚表面標(biāo)高為6．503mm。第4層至12層外環(huán)磚為微孔炭磚，第13層至第14層為半石墨質(zhì)磚。半石墨質(zhì)磚上立砌2層復(fù)合棕剛玉磚，高度為690mm，形成陶瓷杯爐底。爐缸側(cè)壁砌復(fù)合棕剛玉磚，形成陶瓷杯壁。鐵口區(qū)范圍用復(fù)合棕剛玉磚砌筑。冷卻壁與爐殼之間填充無水炭素泥漿。炭磚與冷卻壁縫隙約為70mm，用炭素S9填充料搗打。炭磚與陶瓷杯之間縫隙50mm，填充炭素膠泥。
2 高爐護爐生產(chǎn)情況
高爐開爐1周后即發(fā)現(xiàn)，標(biāo)高9202、10205mm處的熱電偶溫度相繼升高，內(nèi)環(huán)部分點溫度超過1000℃。隨著生產(chǎn)延續(xù)，高溫區(qū)逐漸下移到標(biāo)高8199mm與7196mm的位置。高爐開始護爐，控制冶煉強度生產(chǎn)，直至停爐大修從未使用過全風(fēng)作業(yè)。
在高爐的整個生產(chǎn)過程中，主要采取過以下措施維持高爐生產(chǎn)：風(fēng)口喂線護爐；嚴(yán)格控制來水溫度，局部通入高壓水，增加銅冷卻棒加強冷卻效果；改變送風(fēng)制度，部分風(fēng)口改為直風(fēng)口，縮短風(fēng)口長度，縮小送風(fēng)面積，以減緩鐵水環(huán)流；堵溫度高部位風(fēng)口生產(chǎn)；加釩鈦礦、釩鈦球團礦生產(chǎn)，確保TiO2入爐量在8～15kg／t；控制較為充沛的爐溫，確保生鐵中[TiO2]含量≥0．12％；控制冶煉強度生產(chǎn)，利用系數(shù)2．2～2．6，鼓風(fēng)動能9～11kJ／s，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速185～200m/s。8號高爐歷年來技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。
3 爐缸溫度變化及采取的措施
(1)第一階段(2004年9月—2007年5月)。2004年9月19日開爐，一周后即發(fā)現(xiàn)標(biāo)高9202、10205mm處的熱電偶溫度相繼升高，內(nèi)環(huán)部分點溫度超過1000℃。隨著生產(chǎn)的延續(xù)，高溫逐漸下移到標(biāo)高8199mm與7196mm處。2005年4月，正北3號風(fēng)口下方標(biāo)高8199、7196mm處的J、K點熱電偶溫度逐步升高。到5月，內(nèi)環(huán)溫度點超出1000℃，超過熱電偶量程，已不能作為檢測點。
(2)第二階段(2007年5—12月)。2007年5月19日零點班，當(dāng)標(biāo)高7200mm東北方向H點溫度達(dá)到766℃，超過警戒溫度，休風(fēng)堵3個風(fēng)口(6、7、18號)，將風(fēng)量控制在2000m3／min。但溫度并沒有得到有效控制，爐缸東北方向進入炭磚100mm深度的溫度點最高升至978℃。2007年5月20日，被迫休風(fēng)涼爐，堵5個風(fēng)口(5、6、7、12、18號)，風(fēng)量控制在1500m3／min。
(3)第三階段(2007年12—2009年8月)。2007年12月24日四點班，爐缸、爐底東南方向熱電偶溫度逐漸升高，標(biāo)高7196mm處的F點(伸入炭磚100mm)溫度從635℃升高到961℃(最高時1153℃)，對應(yīng)此處的第2段7、8號冷卻壁組水溫差從0．5℃分別升高到0．7℃和0．9℃，熱流強度分別達(dá)到了9．87、15．01kW／m2。依據(jù)現(xiàn)場情況和護爐規(guī)定，于25日01：15休風(fēng)涼爐，對8號冷卻壁組進行了拆分，實施單獨供水冷卻。
(4)第四階段(2009年8月—2011年3月)。2009年8月29日，7號冷卻壁(面積3．522m2，水流量45m3／h)水溫差從0．5℃升至0．7℃，熱流強度達(dá)到9．78kW／m2。9月5日休風(fēng)50min，捅開南面13號風(fēng)口，堵東南面9號風(fēng)口和東北面6號風(fēng)口。9月6日升至0．8℃，熱流強度12．12kW／m2。9月7日將第2段東面7號冷卻壁單拆為2塊，第2段7號單塊冷卻壁(面積1．761m2、水流量56．5m3／h)水流量增加11．5m3／h，水溫差0．3、0．2℃，熱流強度11．17、7．64kW／m2。9月24日后下降至9．3kW／m2以下。
(5)第五階段(2011年3月—2012年2月)。2011年3月31日，爐缸溫度突變，14號風(fēng)口下方標(biāo)高6900mm處抵住炭磚的臨時熱電偶溫度突然升高，14號A2從166℃短時間內(nèi)升至184℃，14號B2從169℃升至195℃；第2段12號冷卻壁組水溫差升至1．3℃，熱流強度超過16．28kW／m2；13號冷卻壁組水溫差升至0．9℃，熱流強度超過9．65kW／m2，爐皮溫度最高達(dá)到80℃，存在燒穿危險。高爐在出鐵后于02：20緊急休風(fēng)。單拆第2段12號冷卻壁組，增大冷卻強度，并命名為22、23號冷卻壁。
4 侵蝕情況
停爐后，對爐內(nèi)的侵蝕情況進行了調(diào)查。從現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果看，高爐的侵蝕是不規(guī)則的，同一方位侵蝕程度也不同。
(1)正南方向。位于12、13號風(fēng)口之間的下方，第2段23號冷卻壁、第1段24號冷卻壁縫隙處抵住炭磚的臨時熱電偶溫度(新安裝)突然升高到196℃。該部位第7、8層雖然還能分辨出有炭磚，但在緊靠冷卻壁的地方，發(fā)現(xiàn)有凝結(jié)的殘渣鐵(如圖1所示)。
在10、11號風(fēng)口之間下方，第2段20號、第1段20號冷卻壁位置，該部位第1、2段冷卻壁縫隙處抵住炭磚的臨時熱電偶溫度(新安裝)達(dá)到219℃。該部位第8層炭磚位置已不能分辨清是否有炭磚，只能看出是凝結(jié)物緊挨搗打料，搗打料厚度約70mm基本完好；第7層炭磚剩余厚度140mm。
(2)正東方向。位于7～9號風(fēng)口之間的下方。該部位標(biāo)高7196mm處深入炭磚100mm的臨時熱電偶溫度(新安裝)達(dá)到過1000℃。該部位第6層炭磚剩余厚度130mm，第7層炭磚剩余厚度60mm，第8層炭磚剩余厚度約50mm。
(3)正北方向。位于3、4號風(fēng)口下方，該部位深入炭磚100mm臨時熱電偶溫度(新安裝)最高達(dá)到654℃，抵住炭磚臨時熱電偶溫度(新安裝)達(dá)到250℃，靠近冷卻壁處有殘鐵。在3號風(fēng)口下方，第10層炭磚剩余厚度280mm；第9層炭磚剩余厚度300mm。1號風(fēng)口下方第8層炭磚剩余厚度630mm，在180mm處有環(huán)裂；第7層炭磚剩余厚度660mm；第6層炭磚剩余厚度710mm。這兩層炭磚由于現(xiàn)場施工原因沒能清楚觀察到侵蝕程度，從裸露出的部分看有渣鐵夾雜、包裹炭磚的現(xiàn)象，侵蝕應(yīng)該比較嚴(yán)重。
(4)爐缸爐底部位。爐缸侵蝕最為嚴(yán)重的是第7、8層炭磚部位，該部位在圓周方向侵蝕都較為嚴(yán)重，呈象腳狀。爐底侵蝕呈鍋底狀，最深處在第3層炭磚下部。
(5)其他情況。在爐底第5、6層挖出含褐紅色的凝結(jié)物，其在爐底的沉積厚度20～100mm，化學(xué)分析見表2?？梢钥闯?，該物質(zhì)的含鈦量較高，說明爐底有鈦化物沉積層。還在爐內(nèi)挖出黃綠色物質(zhì)，化學(xué)分析見表3?？梢钥闯?，該物質(zhì)的ZnO含量高達(dá)93．88％，說明有害物質(zhì)Zn可以進入爐缸。由于Zn的頻繁氧化還原，對爐缸耐材造成嚴(yán)重破壞。
5 侵蝕原因
高爐是個密閉的化學(xué)反應(yīng)容器，在爐缸內(nèi)，耐材受堿金屬侵蝕，熱應(yīng)力的破壞，CO2、O2、H2O的氧化，渣鐵的侵蝕和流動沖刷破壞。但就8號高爐而言，認(rèn)為主要是以下原因?qū)е聽t缸溫度異常變化。
(1)耐火材料質(zhì)量差。8號高爐采用爐缸炭磚質(zhì)量與技術(shù)要求不相符，其中導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)。高爐設(shè)計時爐底、爐缸耐材要求指標(biāo)見表4。2004年生產(chǎn)期間與停爐后，對炭磚與搗打料取樣化驗對比，兩次檢測爐缸耐材導(dǎo)熱系數(shù)都偏低，達(dá)不到高爐設(shè)計要求(見表5、6)。
(2)砌筑質(zhì)量差。在清挖時發(fā)現(xiàn)，在炭磚橫縫與豎縫間有滲鐵現(xiàn)象，個別地方鐵已滲透到磚與冷卻壁之間的搗打料上，可能是砌筑時縫隙過大或填充不結(jié)實所致。
(3)炭磚環(huán)裂。由于整體大塊炭磚受熱不同，兩端溫差大，隨著升溫各種應(yīng)力在增加，當(dāng)應(yīng)力超過炭磚破損極限值時，即出現(xiàn)微小的變形和裂紋。大塊條形炭磚受熱后，其冷端由于冷卻效果好，炭磚強度較熱端好，而熱端長期處于高溫狀態(tài)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力于長度中間部位，使炭磚熱端一側(cè)受到一個向內(nèi)的不平衡的拉伸力。當(dāng)拉伸力大于炭磚破壞應(yīng)力時，便產(chǎn)生橫向裂紋。當(dāng)縫內(nèi)滲入大量渣鐵，炭磚會產(chǎn)生線性膨脹，加劇炭磚環(huán)裂。
(4)堿金屬侵蝕。隨著長期冶煉，堿金屬的循環(huán)富集不可避免。堿金屬氧化物在一定溫度下，與炭磚中的炭素起劇烈反應(yīng)。當(dāng)炭磚侵入堿蒸氣時，易于形成新的化合物如Fe，C、ZnO等，這些化合物易產(chǎn)生晶變，從而導(dǎo)致體積膨脹，破壞炭磚強度，對炭磚破損起催化作用。從爐內(nèi)取樣分析來看，8號高爐內(nèi)Zn含量較高，存在較嚴(yán)重的堿金屬侵蝕。
6 結(jié)語
(1)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。爐缸、爐底是高爐最關(guān)鍵的部位，是決定高爐一代爐齡壽命的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格把好耐火材料質(zhì)量和砌筑質(zhì)量關(guān)，充分考慮該部位的侵蝕機理，選用優(yōu)質(zhì)耐材和信用好的施工單位，確保無先天隱患。
(2)加強監(jiān)控。爐缸溫度監(jiān)測是確保爐缸安全的重要手段。隨著侵蝕，爐缸原有熱電偶逐漸減少，應(yīng)在重點部位通過爐殼鉆孔，增加熱電偶監(jiān)測點，對炭磚、炭搗料進行有效監(jiān)控。對爐殼、冷卻壁增加熱電阻，堅守最后一道防線。條件允許時，可建立“爐底爐缸侵蝕模型”指導(dǎo)生產(chǎn)。無論采用那種檢測手段，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有局部熱流強度升高時，必須采取有效措施，及時控制，不可大意致使升高部位蔓延，加劇侵蝕。
(3)加強高爐操作。嚴(yán)格控制高爐操做參數(shù)，縮小、加長和使用直風(fēng)口使回旋區(qū)向爐缸推進，減少了對爐缸側(cè)壁的沖刷，也要兼顧爐缸活躍與爐況順行，避免爐墻結(jié)厚造成爐況不順。長期堵風(fēng)口容易導(dǎo)致高爐偏料，可適當(dāng)加堵熱流強度高部位對面的風(fēng)口；裝料制度上適當(dāng)壓制邊緣氣流，加中心焦，降低爐頂壓力，杜絕高爐憋風(fēng)。同時，減少噴煤量，有利于提高高爐透氣性，有利于護爐；強化冷卻；重視爐前操作；加強檢漏工作，及時發(fā)現(xiàn)處理漏水；建立完善的應(yīng)急預(yù)案體系。
(4)加強原燃料的管理。一方面減少入爐堿金屬帶入量；另一方面要優(yōu)化高爐操作，做好排堿工作，降低堿金屬的危害。