梁建華
（太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）
摘 要：通過對太鋼不銹煉鐵廠現(xiàn)役兩座爐齡十年以上高爐自投產(chǎn)以來長壽維護(hù)技術(shù)梳理分析，總結(jié)出影響高爐長壽的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)分別是操作爐型管理和爐缸趨勢管理，組織鐵廠技術(shù)工作者通過對長壽關(guān)鍵性技術(shù)攻關(guān)結(jié)合鐵廠高爐實(shí)際，分高爐采取針對性措施，即三高爐合理使用小塊焦技術(shù)、五高爐趨勢化護(hù)爐技術(shù)，皆取得良好效果，并具備向全行業(yè)推廣的條件。
關(guān)鍵詞：操作爐型；爐缸；中塊焦；高爐長壽
1 問題的提出
世紀(jì)之初，我國處于基礎(chǔ)設(shè)施、地產(chǎn)的大建設(shè)時(shí)期，鋼鐵需求旺盛，另外由于我國鋼材成本優(yōu)勢，國際市場需求較強(qiáng)，在國內(nèi)外大量訂單促進(jìn)下，高爐鐵水供不應(yīng)求，各鋼鐵企業(yè)為提高自身產(chǎn)能搶占市場，大部分高爐一代爐齡未到情況下，積極進(jìn)行擴(kuò)容改造，對高爐長壽技術(shù)重視不夠。
近年來，在市場利益促進(jìn)下，我國鋼鐵產(chǎn)能增速斐然，為國家建設(shè)及地區(qū)發(fā)展做出突出的貢獻(xiàn)，然而隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施及地產(chǎn)建設(shè)逐漸進(jìn)入平穩(wěn)階段，為有效抑制鋼鐵產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)張和滿足民眾對美好生態(tài)環(huán)境訴求，我國適時(shí)推出供給側(cè)改革政策，提出新時(shí)代發(fā)展思路，及時(shí)對污染性企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)能出清，對新建、改建鋼鐵項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格把控，企業(yè)對高爐的擴(kuò)容改造動力得到有效抑制。新時(shí)期，鋼鐵企業(yè)把目光轉(zhuǎn)向高爐長壽技術(shù)方向，以期通過提高高爐使用壽命，提升高爐建設(shè)初期投資效率[1]。
太鋼不銹煉鐵廠現(xiàn)役兩座爐齡十年以上高爐，依次為三高爐（1 800 m3）、五高爐（4 350 m3）。兩座高爐在高爐長壽方面各有亮點(diǎn)：
1）三高爐。2007 年 7 月 30 日投產(chǎn)至今，一代爐齡 11 年 8 個月，冷卻方式為全冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐身冷卻器無一損壞，爐殼無燒紅、開裂和跑煤氣等現(xiàn)象，爐身渣皮穩(wěn)定；爐缸溫度可控，投產(chǎn)至今沒有因?yàn)闋t缸問題使用釩鈦礦。
2）五高爐。2006 年 10 月 13 日投產(chǎn)至今，一代爐齡 12 年 5 個月，是現(xiàn)役大型高爐一代爐役壽命最長的高爐，自 2010 年?duì)t身爐皮開始燒紅到現(xiàn)在，通過階段性爐身硬質(zhì)壓入進(jìn)行爐身造襯修復(fù)，目前爐身渣皮穩(wěn)定可控；爐缸溫度自投產(chǎn)到 2013 年 3 月爐缸磚襯溫度超過 400 ℃（五高爐護(hù)爐標(biāo)準(zhǔn)核定爐缸區(qū)域磚襯電偶 400 ℃為爐缸安全黃色警戒區(qū)域），累計(jì)安全生產(chǎn) 77 個月。2013 年 3 月開始進(jìn)入護(hù)爐階段，至 2015 年底超過 400 ℃溫度測溫點(diǎn)共計(jì) 19 處 （爐缸溫度監(jiān)控點(diǎn)共計(jì) 48 處），其中磚襯殘厚低于600 mm 的薄弱位置 16 處，2016 年以來，隨著鐵廠技術(shù)人員護(hù)爐技術(shù)及理念的提升，爐缸超過 400 ℃溫度測溫點(diǎn)和磚襯殘厚低于 600 mm 的薄弱位置的數(shù)量得到有效控制，爐缸薄弱位置得到有效保護(hù)，沒有發(fā)生新的侵蝕，具備安全生產(chǎn)條件。
2 三高爐長壽維護(hù)技術(shù)
2013 年太鋼不銹煉鐵廠隨著六高爐的投產(chǎn)，自產(chǎn)冶金焦日均產(chǎn)能約 8 000 t，其中包含 1 000 t 小塊焦。主要表現(xiàn)為大塊冶金焦保供 2 座大高爐，大高爐富余的大塊焦、小塊焦需要三高爐消化，三高爐除消化自產(chǎn)焦中的小塊焦外，還需配以部分外購焦。因此，三高爐的長壽技術(shù)是建立在焦炭種類多、成不穩(wěn)定的前提下，通過優(yōu)化焦炭布料實(shí)現(xiàn)爐缸活 躍性及爐型的穩(wěn)定[2]。三類冶金焦性能見表 1。
2.1 焦炭衰減模型
從表 1 可以看出，自產(chǎn)焦中大塊焦粒級分布80%在>40 mm，而小塊焦粒級分布 92%在 25～40 mm，粒級差別較大，通過鐵廠技術(shù)人員自主開發(fā)的焦炭衰減模型計(jì)算得出，此兩類焦炭到達(dá)爐缸焦堆后的平均粒徑分別為：41 mm 和 21 mm，從爐料透氣性管理理念考慮，此二者焦炭同時(shí)使用必須分級入爐。另外，一般 2 000 m3 以下高爐爐缸焦堆平均粒徑達(dá)不到小于 22 mm，故自產(chǎn)小塊焦應(yīng)分布在爐墻邊緣，自產(chǎn)大塊焦應(yīng)分布在爐缸中心[3]。
表 1 中自產(chǎn)小塊焦與外購大塊焦對比，入爐前自產(chǎn)小塊焦平均粒徑為 35.22 mm，外購大塊焦平均粒徑為 54.38 mm，通過鐵廠技術(shù)人員自主開發(fā)的焦炭衰減模型計(jì)算得出，此兩類焦炭到達(dá)爐缸焦堆后的平均粒徑分別為：21 mm 和 23 mm，衰減率分別為：40%和 58%，二者到達(dá)爐缸焦堆的平均粒徑略顯不足，因此，若入爐焦炭中沒有自產(chǎn)大塊焦時(shí)，通過控制高爐煤比不超 180 kg/t 和鐵水后期測溫 1 495 ℃以上，改善爐缸活躍性，減少液態(tài)渣鐵對側(cè)壁侵蝕，結(jié)合焦炭衰減率考慮，自產(chǎn)小塊焦衰減率低，適合分布在靠近爐墻側(cè)，穩(wěn)定邊緣氣流，從而實(shí)現(xiàn)三高爐操作爐型的長期穩(wěn)定，投產(chǎn)至今，爐身冷卻器無一損壞，爐殼無燒紅、開裂和跑煤氣等現(xiàn)象，爐身渣皮穩(wěn)定。
2.2 高爐布料量化模型
從 2.1 可知，自產(chǎn)小塊焦應(yīng)布置在靠近爐墻側(cè)，自產(chǎn)大塊或者外購焦應(yīng)布置在爐芯側(cè)，鐵廠組織技術(shù)人員自主開發(fā)了高爐布料量化模型，指導(dǎo)實(shí)操作業(yè)。以表 2 為例。
通過將表 2 參數(shù)、礦焦批及爐型參數(shù)輸入到高爐布料量化模型進(jìn)行計(jì)算得知，爐缸焦堆分為三個區(qū)，依次為快速反應(yīng)區(qū)（占比 45%）、緩變疏散區(qū)（占比 29%）、中心無礦區(qū)（占比 26%），進(jìn)而指導(dǎo)焦炭分級入爐比例為：自產(chǎn)小塊焦靠外側(cè)布置且比例控制在 45%以內(nèi)，極限值 74%，負(fù)責(zé)將影響爐缸狀態(tài)及高爐順行，自產(chǎn)大塊焦布置在最中心無礦區(qū)且比例不小于 26%，若自產(chǎn)大塊焦不足而用外購焦代替時(shí)，必須控制高爐煤比不超 180 kg/t 和鐵水后期測溫 1495 ℃以上，改善爐缸活躍性，進(jìn)而避免或者減緩爐缸側(cè)壁遭受液態(tài)渣鐵環(huán)流侵蝕，影響高爐一代爐役壽命，三高爐投產(chǎn)至今近 11 年，爐缸溫度可控，沒有因?yàn)闋t缸問題使用釩鈦礦。
3 五高爐長壽維護(hù)技術(shù)
2006 年 10 月 13 日投產(chǎn)至 2013 年 3 月爐缸磚襯溫度超過 400 ℃開始進(jìn)入安全護(hù)爐階段，累積安全生產(chǎn) 77 個月。爐缸側(cè)壁磚襯溫度超過 400 ℃的位置從2013 年 3 月出現(xiàn)第一個點(diǎn)，到 2015 年 12 月累積達(dá) 19處，占比爐缸側(cè)壁總檢測點(diǎn)的 39.58%（監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)48 處），形勢嚴(yán)峻[4]。自 2016 年開始，鐵廠加強(qiáng)護(hù)爐過程管理及趨勢管理，主要工作分為以下兩個部分。
3.1 爐缸側(cè)壁渣鐵殼狀態(tài)趨勢監(jiān)控
爐缸側(cè)壁侵蝕一般過程為：液態(tài)渣鐵環(huán)流加劇，局部熱流強(qiáng)度增大，1 150 ℃溫度線逐漸向耐材側(cè)推進(jìn)，渣鐵殼隨之逐漸變薄，局部熱流強(qiáng)度增加到一定程度，1 150 ℃溫度線將推動耐材熱面，渣鐵殼消失，耐材在渣鐵流的不斷沖刷下逐漸膨脹、脫落，如果這種趨勢持續(xù)發(fā)展而局部熱流強(qiáng)度得不到有效控制，最終將造成爐缸燒穿，高爐一代爐役被迫結(jié)束，同時(shí)帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此高爐爐役后期安全運(yùn)行的核心措施就是爐缸側(cè)壁渣鐵殼狀態(tài)監(jiān)控，渣鐵殼穩(wěn)定是保障爐缸側(cè)壁安全的重要參數(shù)。
表 3 為五高爐某階段爐缸側(cè)壁渣鐵殼厚度趨勢 相關(guān)參數(shù)，其中爐缸耐材殘厚根據(jù)最大侵蝕溫度差 通過圓柱坐標(biāo)計(jì)算得到，渣鐵殼厚度 1、2 指某個時(shí)間段始末時(shí)間點(diǎn)的渣鐵殼計(jì)算厚度，利用這一計(jì)算 厚度趨勢判斷爐缸側(cè)壁環(huán)流發(fā)展趨勢，如表 3 所示，270°方向?yàn)樵摌?biāo)高爐缸最薄弱方向，而這一時(shí)間段內(nèi) 45°方向渣鐵流環(huán)流較大，開始階段如渣鐵殼厚度 1 所示，該 45°方向渣鐵殼被完全侵蝕，而 180°和225°渣鐵殼相對較厚，表明此次爐缸側(cè)壁侵蝕屬于 爐缸不活躍造成局部侵蝕加劇，鑒于此，高爐操作方面就會以活躍爐缸為重點(diǎn)，一周后的數(shù)據(jù)如渣鐵殼厚度 2 所示，渣鐵殼厚度圓周均勻性明顯改善，表明經(jīng)過一周努力，爐缸活躍性改善明顯，隨即在 45°方向形成新的渣鐵殼保護(hù)爐缸側(cè)壁，避免了侵蝕加劇，使護(hù)爐工作針對性更強(qiáng)，收效明顯。
如圖 1 所示為五高爐爐缸侵蝕圓周分布圖，紅色為最大侵蝕線，藍(lán)色為階段開始渣鐵殼熱面位置線，青色為經(jīng)過一周護(hù)爐后，渣鐵殼熱面位置線。如圖所示，經(jīng)過一周護(hù)爐工作，渣鐵殼熱面位置線的圓周均勻性明顯改善，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)爐缸侵蝕的趨勢化管理。
3.2 爐缸活躍性指標(biāo)量化模型
眾所周知，爐缸的安全是高爐長壽的限制性環(huán)節(jié)，也是高爐長期穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)，保證高爐一定的活躍性下限是減少爐缸侵蝕的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但現(xiàn)行活躍爐缸的措施往往以定性為主，且機(jī)理不盡相同，缺乏量化及相關(guān)性分析，鐵廠技術(shù)人員綜合護(hù)爐實(shí)踐對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)合近年對高爐爐缸狀態(tài)機(jī)理研究成果，開發(fā)出爐缸活躍性指標(biāo)量化模型[5]。
高爐爐缸活躍性指標(biāo)量化模型包括三個活躍性下限指標(biāo)：焦炭堆積區(qū)孔隙率（死焦堆焦炭平均粒徑下限為 25.8 mm）、焦炭堆積區(qū)物理熱儲備（死焦堆中心焦炭溫度下限為 1 350 ℃）、液態(tài)渣鐵在爐缸的停留時(shí)間（爐缸焦炭潔凈度指數(shù)下限為 150（無量綱單位））。護(hù)爐實(shí)際工作中，保證上述三個活躍性下限指標(biāo)的前提下進(jìn)行高爐相關(guān)操作參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到穩(wěn)定爐缸活躍狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高爐長期穩(wěn)定及長壽的目的。
4 結(jié)論
高爐長壽工作是項(xiàng)系統(tǒng)工程，包括爐型設(shè)計(jì)、建材驗(yàn)收、施工管理、操作管理等全過程，本文僅從高爐操作方面結(jié)合太鋼高爐近年長壽生產(chǎn)實(shí)踐做簡要的共性描述：
1）國內(nèi)小高爐長壽方面，面臨的共性問題幾乎都來自原燃料復(fù)雜多變帶來的順行問題，尤其以焦炭質(zhì)量不穩(wěn)定為主，太鋼通過對入爐不同焦炭進(jìn)行衰減計(jì)算，結(jié)合爐內(nèi)機(jī)理研究，通過對不同焦炭入爐位置及加入量的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高爐的長期穩(wěn)定，達(dá)到長壽的目標(biāo)；
2）大高爐長壽面臨的共性問題在于隨著爐容的不斷擴(kuò)大，爐缸截面不斷增大，相比于小高爐爐缸死區(qū)較大不易吹透，容易造成爐缸活躍性下降進(jìn)而堆積，渣鐵環(huán)流加劇，威脅高爐長壽操作，太鋼通過對爐缸側(cè)壁侵蝕狀態(tài)建模進(jìn)行趨勢管理結(jié)合爐缸活躍性指標(biāo)量化管理，大大降低了因爐缸堆積造成渣鐵環(huán)流侵蝕側(cè)壁的可能性，近兩年?duì)t缸超過 400 ℃溫度測溫點(diǎn)和磚襯殘厚低于 600 mm 的薄弱位置的數(shù)量得到有效控制，爐缸薄弱位置得到有效保護(hù)，沒有發(fā)生新的侵蝕，具備安全生產(chǎn)條件。
參考文獻(xiàn)
[1] 李永全.高爐鈦礦護(hù)爐的機(jī)理研究[J].寶鋼技術(shù)，2002（1）： 12- 16.
[2] 敖愛國.寶鋼 2 號高爐爐役后期爐缸的維護(hù)[J].寶鋼技術(shù)，2001 （2）：1- 3.
[3] 程樹森，楊天鈞，左海濱，等.長壽高爐爐缸和爐底溫度場數(shù)學(xué) 模型及數(shù)值模擬[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2004，16（1）：6- 9.
[4] 何小平，李洋龍，王紅斌，等.太鋼新建 4 350 m3 高爐長壽爐缸爐 底研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2014，26（9）：19- 22.
[5] 王天球.3BF 控制冷卻壁熱負(fù)荷的實(shí)踐[J].寶鋼技術(shù)，2002（6）： 25- 27.