梁南山

（漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司  湖南婁底  417009）

摘  要：結(jié)合三座高爐大中修后的銅冷卻壁狀況，指出漣鋼8號高爐銅冷卻壁過早破損的根本原因是沒有形成牢固的粘附物保護(hù)層。并分別從受力、設(shè)計(jì)、布料、操作、有害元素等方面對銅冷卻破損的影響進(jìn)行了探討。提出了一些防止銅冷卻壁破損的對策。

關(guān)鍵詞：高爐；銅冷卻壁；破損

1  前言

漣鋼8號高爐有效容積2800m³，由首鋼國際工程技術(shù)有限公司總包承建，于2011年初開始籌建，2013年3月23日開爐投產(chǎn)。8號高爐冷卻壁在開爐后的最初幾年中沒有出現(xiàn)過水管損壞的情況。在2016年8月1號鐵口處第三段冷卻壁最先損壞了一根水管。但伴隨著高爐冶煉的強(qiáng)化，自2020年7月開始出現(xiàn)了冷卻壁水管頻繁破損的情況，判斷大多為銅冷卻壁水管破損。2020年12月中修停爐前累計(jì)已查出損壞水管15根。八號高爐中修之前的冷卻壁水管損壞記錄情況見表1。

表1 漣鋼8號高爐中修前冷卻壁水管損壞記錄

2  銅冷卻壁破損狀況

從停爐后的爐內(nèi)狀況來看，漣鋼8號高爐銅冷卻壁的損壞情況較為嚴(yán)重。特別是第7段銅冷卻壁，大部已不見燕尾槽，差不多已成光面。多數(shù)只有上部還保留有4-5條槽的痕跡，少部分冷卻孔道都已露出。第8、9段銅冷卻壁雖然大多保留有燕尾槽的痕跡，但也可見槽的深度已經(jīng)很小，局部已經(jīng)蝕損成了平面。第6段銅冷卻壁的上半部分基本已蝕損成了平面，下半部分尚可見燕尾槽，離轉(zhuǎn)折處以上越遠(yuǎn)，燕尾槽的蝕損也就越厲害，轉(zhuǎn)折處以下的燕尾槽還保留得比較完好。燕尾槽內(nèi)已沒有噴涂料，而是被金屬或非金屬粘附物充填著。從銅冷卻壁的損壞情況來看，絕大多數(shù)看起來是磨損的跡象，只有2塊銅冷卻壁表現(xiàn)為熔損的狀態(tài)。

漣鋼8號高爐銅冷卻壁的設(shè)計(jì)厚度為125mm，燕尾槽設(shè)計(jì)深度為35mm。從拆換下來的銅冷卻壁損壞程度來看，7段銅冷卻壁絕大多數(shù)磨損最嚴(yán)重的部位在中段，大多數(shù)殘余厚度僅剩60-65mm，亦即蝕損了60-65mm厚。少部分甚至已露出冷卻水孔道。而保留有部分燕尾槽的部分殘余厚度多在100-120mm之間。

而熔損的第7段銅卻壁熔損最大的也是中部。邊上一根水管掐斷了水的銅冷卻壁熔出了一個(gè)寬約150mm長約800mm的缺口，缺口處爐殼已僅靠銅冷卻壁后的硅熔膠自流澆注料來保護(hù)了。缺口處的殘余銅壁厚度極薄，熔損表面為鐵銹似的紅色及黃色粘附物。

3  銅冷卻壁破損時(shí)間判斷

漣鋼8號高爐銅冷卻壁為第6、7、8、9段，前面各設(shè)有8個(gè)測溫?zé)犭娕迹竺娓髟O(shè)有4個(gè)測溫?zé)犭娕?。在這些測溫點(diǎn)都還比較正常。

從漣鋼8號高爐銅冷卻壁溫度的整體變化來看，表現(xiàn)為開爐后至2013年8月前整體溫度較低，開爐半年即2013年9月后急劇升高，在較高溫度下運(yùn)行半年左右時(shí)間即至2014年2月后開始下降。隨后銅冷卻壁壁溫度保持在一定的區(qū)間內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，只是在2020年10月出現(xiàn)頻繁破損后，破損段的銅冷卻壁溫度才表現(xiàn)為顯著升高（見圖1）。  

圖1漣鋼8號高爐各段銅冷卻壁平均溫度變化

另外從4段銅冷卻壁的溫度差異來看，爐腹第6段銅冷卻壁溫度始終都是最低的，而溫度最高的銅冷卻壁在2017年6月之前都是第9段，而2018年5月之后則變成了第7段。

由于銅冷卻壁上渣皮脫落后結(jié)渣很快，僅僅根據(jù)銅冷卻壁平均溫度的變化較難準(zhǔn)確判別銅冷卻壁上噴涂料及壁體蝕損的時(shí)間點(diǎn)。為此，特對銅冷卻壁每日小時(shí)級溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再對每日標(biāo)準(zhǔn)差的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這樣可以較為準(zhǔn)確地反映銅冷卻壁溫度變化的幅度（見圖2）。

圖2漣鋼8號高爐各段銅冷卻壁溫度平均標(biāo)準(zhǔn)差的變化

再結(jié)合壁體溫度，綜合判斷：在開爐初期，高爐銅冷卻壁受到噴涂料的保護(hù)，銅冷卻壁溫度相對較低，波動(dòng)也不大。銅冷卻壁上的噴涂料大約保持了6-9個(gè)月的時(shí)間，在2013年12月左右已基本消失，其中位置最上的第9段噴涂料最早消失。失去噴涂料保護(hù)的銅冷卻壁溫度較高且波動(dòng)也很大。在經(jīng)歷幾個(gè)月的時(shí)間即2014年3月之后，初步形成了相對穩(wěn)定的渣皮保護(hù)層，隨后銅冷卻壁溫度便基本在一定的范圍內(nèi)隨著爐況的變化而波動(dòng)。參照銅冷卻壁溫度及標(biāo)準(zhǔn)差的變化判斷，2018年5月后為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，即為第7段銅冷卻壁燕尾槽開始急劇磨損的時(shí)間，而2019年12月第7段銅冷卻壁溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其它銅冷卻壁急劇升高，即為其燕尾槽被蝕損完全幾乎成為光面的時(shí)間。在此之前，到第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間（2018年5月）段內(nèi)，該段溫度的走高應(yīng)主要受高爐裝料制度調(diào)整、氣流改變及軟融帶位置變化而產(chǎn)生。其后，則同時(shí)還受冷卻壁蝕損的影響。第6段銅冷卻壁因測溫點(diǎn)位于冷卻壁中部，該處燕尾槽并沒有完全消失，故其溫度及標(biāo)準(zhǔn)差沒有象第7段一樣具有明顯的表征。

從各段銅冷卻壁周向各點(diǎn)溫度的變化來看，第8、9段銅冷卻壁周向各點(diǎn)的溫度差異相對比較大，多在5-10℃之間。在中修前的爐役期內(nèi)，第8、9段銅冷卻壁并沒有出現(xiàn)個(gè)別溫度測點(diǎn)遠(yuǎn)高于其它溫度測點(diǎn)的情況。而第6、7段銅冷卻壁溫度在2018年5月之前周向各點(diǎn)的溫度差異比較小，通常在5℃以內(nèi)。但在2018年5月后，蝕損最為嚴(yán)重的7段銅冷卻壁后面第4個(gè)測點(diǎn)開始較大地高出其它位置測點(diǎn)的溫度，可以判斷從此時(shí)起該部位銅冷卻壁即最先開始出現(xiàn)較大蝕損。2019年10月后，前面第8個(gè)測點(diǎn)的溫度也出現(xiàn)了大幅升高的現(xiàn)象，判斷該部位銅冷卻壁壁體此時(shí)最先開始蝕損，并已蝕損相當(dāng)部分。

4  銅冷卻壁破損原因探討

漣鋼最先使用銅冷卻壁的是2003年12月投產(chǎn)的6號高爐（2200m³），后續(xù)建設(shè)的7、8號高爐也相繼采用了銅冷卻壁，并分別于2009年10月及2013年3月投產(chǎn)。但根椐6號高爐2018年大修及7號高爐2017年中修時(shí)的爐體狀況來看，服役時(shí)間更長的6、7號兩座高爐的銅冷卻壁在大中修時(shí)的蝕損不多，絕大多數(shù)銅冷卻壁尚可繼續(xù)使用。

6號高爐經(jīng)15年?duì)t役2018年大修時(shí)第5段爐腹銅冷卻壁熱面燕尾槽筋條蝕損僅5-10mm，部分還基本沒有蝕損；爐腰第6段銅冷卻壁僅蝕損10-20 mm，爐身下部第7段銅冷卻壁依然保持完好，蝕損量較小，蝕損多的也只有10-20mm。7號高爐中修時(shí)僅更換了2塊銅冷卻壁。倒是最后投產(chǎn)的8號高爐銅冷卻壁蝕損嚴(yán)重，部分甚至蝕損到了水道處。

漣鋼7號高爐中修停爐后，其銅冷卻壁大都狀況良好，其上的鑄鐵冷卻壁倒損壞嚴(yán)重。7號高爐殘留在銅冷卻壁上的粘附物厚度多在30mm以下，一般在20mm左右，它主要靠冷卻壁熱面上用于鑲磚的燕尾槽形成牢固的粘附，其中停爐降料面后爐腹段銅冷卻壁粘附物保留較多，而爐腰與爐身下部銅冷卻壁上粘附物保留較少，銅冷卻壁燕尾槽尚都清晰可見，少見磨損的痕跡。

而漣鋼8號高爐中修停爐后銅冷卻壁之上的鑄鐵冷卻壁基本完好，而銅冷卻壁特別是爐腰爐腹段銅冷卻壁蝕損嚴(yán)重。銅冷卻壁從上到下都極少粘附物，爐腰與爐腹銅冷卻壁上半部分燕尾槽基本都已消失（見圖3）?？梢?，8號高爐銅冷卻壁過早蝕損的根本原因是由于其上沒有形成牢固的粘附物保護(hù)層。

圖3漣鋼7、8號高爐中修時(shí)銅冷卻壁粘附情況對比

從國內(nèi)10多座高爐銅冷卻壁損壞的分析來看，銅冷卻壁損壞的原因不外乎設(shè)計(jì)、安裝、材質(zhì)、冷卻、操作等幾個(gè)方面。

從安裝方面來看，漣鋼八號高爐停爐中修拆卸冷卻壁的過程中發(fā)現(xiàn)：進(jìn)出水管處波紋管伸縮良好，波紋管內(nèi)也沒有被灌入灌漿料，沒有出現(xiàn)銅冷卻壁進(jìn)出水管拉斷的現(xiàn)象，冷卻壁在爐內(nèi)也沒有發(fā)生顯著的撓曲變形。顯然安裝方面并沒有出現(xiàn)本鋼5號高爐那樣的情形。

從材質(zhì)方面來看，漣鋼八號高爐中修拆卸下來的銅冷卻壁表面比較光滑，并沒有出現(xiàn)龜裂、明顯蝕坑等現(xiàn)象，這表明其材質(zhì)也沒有問題。對于國內(nèi)鞍鋼康磊等人提出的銅冷卻壁因 所謂“氫病”造成損壞的原因筆者也不太認(rèn)同。如果氫病是造成銅冷卻壁損壞的主因，而氫氣在高爐風(fēng)口帶以上都會存在，氫氣的濃度也只有在爐身上部低溫區(qū)完成間接還原反應(yīng)后才會降低。那么爐內(nèi)處于高溫部位的所有銅冷卻壁都會因“氫病”而損壞，而不應(yīng)是爐腰及爐腹部位的銅冷卻壁損壞嚴(yán)重，爐腰以上的銅冷卻壁損壞較輕。康磊等人認(rèn)為銅冷卻壁壁體中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，達(dá)到 0.0038%，這可能是渣鐵中氧在高溫下向銅基體擴(kuò)散的結(jié)果_[1]。而筆者認(rèn)為這么低的氧含量很可能因檢測誤差而產(chǎn)生誤判。而湘鋼1號高爐的檢測結(jié)果也證明了“氫病”不應(yīng)是銅冷卻壁破損的主要原因。湘鋼 1號高爐銅冷卻壁氫元素含量冷熱面相同，均為 0.1 ppm，而氧含量和氮含量熱面比冷面稍高，但都在 10 ppm 以下。初始氧含量平均值為 8.75 ppm，說明在使用 8 年后銅冷卻壁氧元素含量沒有明顯增加_[2]。再者，從漣鋼7號高爐2017年中修時(shí)對銅冷卻壁熱面微裂處的SEM-EDS分析也表明，即便靠近微裂處的銅冷卻壁基體，檢測到的也是100%的銅含量。并沒有氧向銅冷卻壁基體內(nèi)擴(kuò)散的表征（見圖4）。

圖4漣鋼7號高爐中修時(shí)銅冷卻壁基體的局部EDS分析

下面，將重點(diǎn)從受力、設(shè)計(jì)、操作、有害元素等方面補(bǔ)充分析漣鋼8號高爐銅冷卻壁損壞的原因：

4.1受力方面的原因分析

漣鋼8號高爐銅冷卻壁蝕損最嚴(yán)重的是爐腰部位的第7段銅冷卻壁，其次為爐腹第6段銅冷卻壁的上半部分。而其上的第8段、第9段銅冷卻壁并沒有多大的蝕損。從國內(nèi)高爐銅冷卻壁過早損壞的情況來看，也都是爐腹上部與爐腰中下部磨損程度遠(yuǎn)大于爐身下部，有些檢修的高爐只更換了爐腹?fàn)t腰兩段。為什么總是爐腰與爐腹的銅冷卻壁蝕損最嚴(yán)重？

這主要是因?yàn)闋t腰與爐腹上部的冷卻壁需要承受相對于其它部位冷卻壁高得多的來自于散狀爐料的側(cè)壓力。

圖5 數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ完P(guān)于逆流顆粒與氣流對爐底及爐墻垂直壓力的對比

Katayama與安賽樂.米塔爾全球研究與發(fā)展部基礎(chǔ)研究員D.Pomeroy以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)學(xué)模型研究了逆流顆粒與氣流對爐底及爐墻所產(chǎn)生的垂直壓力。他們的研究能很好地闡釋這一點(diǎn)。他們的研究結(jié)果表明：混合爐料在爐腰部位對爐墻產(chǎn)生的壓力最大，而在爐腹與爐腰的界面處產(chǎn)生的壓力也會比爐身下部及爐腹下部大得多。如圖5所示。因爐腰與爐腹上部爐墻壁所受壓力遠(yuǎn)高于其它部位，故當(dāng)銅冷卻壁失去渣皮保護(hù)而產(chǎn)生磨損工況時(shí)，顯然這兩個(gè)部位的銅冷卻壁磨損會顯著大于其它部位。

D.Pomeroy研究了氣流速度對爐墻壓力的影響。結(jié)果表明，氣流對爐腰/爐腹界面處的爐墻壓力影響不大，而對爐身/爐腰界面處的爐墻壓力影響很大，有氣流與無氣流時(shí)的爐墻壓力可相差近一倍。

D.Pomeroy也研究了爐腰半徑對爐墻壓力的影響。結(jié)果表明：在同樣的爐體高度下，存在一個(gè)特定的爐腰半徑，使得爐身/爐腰界面處的爐墻壓力達(dá)到最大，這時(shí)縮小爐腰半徑，該處爐墻壓力降低不多，而擴(kuò)大爐腰半徑，該處爐墻壓力降低較大；而爐腰/爐腹界面處的爐墻壓力則隨著爐腰直徑的加大而加速加大。當(dāng)爐腰直徑從6.2m增加到7.55m時(shí)，該處的爐墻壓力從104KPa增加到了222KPa，亦即增加了一倍多_[3]。這說明：過于矮胖的高爐，或者說爐腹角偏小的高爐，其爐腰/爐腹界面將會承受比普通高爐高得多的爐墻壓力。

4.2  設(shè)計(jì)方面的原因分析

從設(shè)計(jì)方面來看，國內(nèi)認(rèn)為銅冷卻壁的常見設(shè)計(jì)缺陷為：高爐工作爐腹角過大，銅冷卻壁長度過長、燕尾槽設(shè)計(jì)過淺等。國內(nèi)湯清華認(rèn)為銅冷卻壁磨損與爐腹和爐身角有關(guān)系。眾所周知的是：爐腹角太大爐腹?fàn)t墻不易掛渣，而爐身角太小爐身邊沿煤氣流不易控制，易出管道氣流。冷卻壁不易掛渣和邊沿氣流過盛都加速銅冷卻壁磨損_[4]。

從漣鋼6、7、8號高爐的爐型設(shè)計(jì)來看，這三座高爐設(shè)計(jì)的爐身角分別是82°41′56″、82.2063°、81.8333°，8號高爐的爐身角屬于三座高爐中最小的，但也并不是小很多。而設(shè)計(jì)的爐腹角分別是78°41′24″、77.9053°、77.9052°，8號高爐設(shè)計(jì)的爐腹角雖然比6號高爐小了將近1°，但和7號高爐基本一致，見圖6。

但考慮到實(shí)際工作爐型，即在冷卻壁前的耐火材料消失后的爐型，漣鋼6、7號高爐銅冷卻壁前的耐火材料是按等厚度設(shè)計(jì)的，故它們在耐火材料消失后，爐身角與爐腹角都不會改變，而8號高爐爐腹銅冷卻壁采用的是轉(zhuǎn)折式設(shè)計(jì)，壁上耐材并不是按等厚度設(shè)計(jì)的，在耐火材料消失后，其實(shí)際工作的爐腹角將由爐腹銅冷卻壁的安裝角度來決定，這時(shí)其實(shí)際爐腹角便會成為79°41′49″，這樣反而比6號高爐的爐腹角大了1°多。顯然成了三座高爐中實(shí)際爐腹角最大的高爐，相比7號高爐實(shí)際爐腹角則將大2°多。根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算，同樣質(zhì)量的顆粒置于這樣的斜面上，這2°多的差異將使顆粒在斜面上受到的磨擦力減少16.7%,而在斜面上受到的下行拉力將增加2.67%。因此不能否認(rèn)漣鋼8號高爐實(shí)際爐腹角偏大對爐腹銅冷卻壁掛渣能力的影響。但同時(shí)也應(yīng)肯定8號高爐較大的實(shí)際爐腹角也是有利于減少爐腹所受爐料的磨損的。

圖6  漣鋼6、7、8號高爐設(shè)計(jì)的爐身角與爐腹角對比

從長度最長的爐腹銅冷卻壁來看，漣鋼6、7、8號高爐爐腹銅冷卻壁的安裝高度分別是2750、2870、2900mm，壁面長度分別為2804.4、2960.9、2935.7mm，漣鋼8號高爐的安裝高度最大，但相比7號高爐僅多了30mm（見圖7），這也不至于造成太大的差別。

圖7漣鋼6、7、8號高爐爐腹銅冷卻壁的設(shè)計(jì)圖對比

從磨損最嚴(yán)重的爐腰銅冷卻壁來看，漣鋼6、7、8號高爐爐腹腰冷卻壁的安裝高度分別是1835mm、1970mm、1970mm，長度方面三者沒有多大的差別。但從燕尾槽的設(shè)計(jì)來看，三座高爐燕尾槽的設(shè)計(jì)間距都是107mm，燕尾槽外開口寬度分別是55、54、53mm，燕尾槽深度分別是40、35、35mm（見圖8），顯然8號高爐燕尾槽外開口較窄，槽內(nèi)能夠留存的渣量也要偏少一些，這會造成其掛渣能力相對要弱。

圖8漣鋼6、7、8號高爐爐腰銅冷卻壁的設(shè)計(jì)圖對比

而從銅冷卻壁壁體設(shè)計(jì)厚度來看，漣鋼6、7、8號三座高爐的壁體設(shè)計(jì)厚度分別是120、120、115mm，顯然8號高爐銅冷卻壁設(shè)計(jì)厚度有些偏薄。而8號高爐冷卻水道設(shè)計(jì)得有些大，從冷卻壁熱面距冷卻水道的距離來看，漣鋼6、7、8號三座高爐冷卻水道距燕尾槽底部的銅體壁厚分別是22.5、19.5、15mm，這意味著在同等的磨損速度下，從燕尾槽消失后至磨穿漏水，漣鋼6號高爐銅冷卻壁的使用壽命將比8號高爐延長50%。而冷卻水道距燕尾槽槽口的銅體壁厚分別是62.5、54.5、50mm，這也意味著在同等的磨損速度下，漣鋼6號高爐銅冷卻壁至少要比8號高爐延長25%的使用壽命。

因此，可以肯定8號高爐銅冷卻壁從冷卻水道到熱面的有效抗磨損厚度偏薄、燕尾槽設(shè)計(jì)掛渣能力偏弱也是其使用壽命偏短的一個(gè)重要影響因素。

圖9漣鋼6、7、8號高爐爐腰銅冷卻壁燕尾槽設(shè)計(jì)對比

4.3  布料方面的原因分析

每座高爐槽下各倉的布置與安排不同，爐料轉(zhuǎn)運(yùn)的途徑與方式也存在不同，裝料的程序也不盡相同，最終分布于爐內(nèi)的爐料也會不同。特別是實(shí)際分布于外環(huán)的爐料，它對冷卻壁上形成渣皮保護(hù)層具有重要影響。

從漣鋼三座高爐的情況來看：

6號高爐槽下礦槽是一列式布置，其礦槽稱量斗的放料順序是先球團(tuán)后燒結(jié)最后為塊礦，同時(shí)其到上料主皮帶沒有設(shè)計(jì)中間斗。故其主皮帶上供礦時(shí)也是球團(tuán)最先，隨后為燒結(jié)礦與焦丁的混合料，中間幾乎為全燒結(jié)礦，最后為塊礦。

7號高爐槽下礦槽是以雙排共稱量斗的形式布置，其中燒結(jié)礦一排八個(gè)礦槽，球團(tuán)與塊礦為另一排八個(gè)礦槽。每個(gè)稱量斗的通常的放料順序是先放燒結(jié)再放塊礦或球團(tuán)，其供礦皮帶到上料主皮帶間設(shè)計(jì)有兩個(gè)中間斗。其排料時(shí)通常從尾部的8號稱量斗開始排料，故其主皮帶上供礦時(shí)通常最先一段幾乎全是燒結(jié)礦，隨后為燒結(jié)礦與球團(tuán)及焦丁的混合料，再后是燒結(jié)礦與塊礦的混合料。即它的礦石爐料幾乎都是混合的。

8號高爐槽下礦槽是以雙排共稱量斗的形式布置，其每個(gè)礦槽稱量斗的放料順序通常也是先放燒結(jié)再放塊礦或球團(tuán)，同時(shí)其上料皮帶到主皮帶間也設(shè)計(jì)有兩個(gè)中間斗。排料時(shí)通常從頭部的1號小燒稱量斗開始排料。但8號高爐與7號高爐不同的是，在2017年5月取消燒結(jié)礦分級入爐后，其原有的頭部3個(gè)小燒結(jié)礦槽停止使用。故在供礦皮帶上頭部基本為球團(tuán)礦，但在中間斗內(nèi)，球團(tuán)礦與燒結(jié)礦會有一個(gè)混合的過程。其主皮帶上供礦時(shí)通常最先一段是球團(tuán)與燒結(jié)礦的混合料，隨后為燒結(jié)礦與塊礦焦丁的混合料，后面為燒結(jié)礦與塊礦的混合料。

根據(jù)三座高爐通常的布料矩陣，按10%左右的球團(tuán)比例測算，6號高爐球團(tuán)基本都布在最外環(huán)的礦石中，7號高爐最外環(huán)礦石中基本沒有球團(tuán)，而8號高爐球團(tuán)大約有一半會布在最外環(huán)。據(jù)此測算三座高爐最外環(huán)爐料的初始爐渣成分如表2所示。即6、7、8號三座高爐靠近爐墻的最外環(huán)初始爐渣的二元堿度分別為0.73、1.74、1.38。這在很大程度上意味著漣鋼8號高爐最外環(huán)布料所形成的初始爐渣堿度與高爐終渣的成分比較接近，其熔點(diǎn)會相對比較低，故比較容易熔化而難于長厚。從整個(gè)爐役期來看，漣鋼6、7號高爐都出現(xiàn)過爐墻結(jié)厚乃至結(jié)瘤的情況，而漣鋼8號自開爐到此次中修7年多的時(shí)間里從來都沒有出現(xiàn)過爐墻結(jié)厚與結(jié)瘤的情況，而且其冷卻水溫差長期以來也通常要高于6、7號高爐。這可能也與這種實(shí)際布料效果有關(guān)。

根據(jù)多座高爐停爐后觀察到的情況，能夠牢固粘附在銅冷卻壁上的渣皮厚度在30mm左右，以銅冷卻壁能夠正常工作的熱面溫度180℃，依北科大所測得的京唐高爐渣皮的平均導(dǎo)熱系數(shù)1.66w/(m.k)_[5]，按傅里葉定律來推算，當(dāng)高爐正常生產(chǎn)中銅冷卻壁處于較高熱流強(qiáng)度70kw/m²時(shí)，渣皮的熔點(diǎn)至少須高于T=70000*0.03/1.66+180=1445℃才可維持30mm的厚度。通常的高爐渣沒有這么高的熔點(diǎn)。根據(jù)我們曾經(jīng)的檢測數(shù)據(jù)，漣鋼高爐渣的滴落溫度通常在1380℃左右。

首鋼京唐2號高爐2017年11月中修時(shí)對爐腹部位渣皮進(jìn)行的取樣分析表明，粘附在銅冷卻壁表面的渣皮其R₂也比較高（1.85），較渣皮外層的R₂（0.60）要高得多，其渣皮中間層的R₂為1.38_[5]。漣鋼7號高爐2017年３月中修時(shí)對爐腹渣皮的取樣分析也表明其R₂更是達(dá)到了2.02。而在冷卻壁上形成的高含鋅粘附物其R₂則是比較低的，只有0.77。漣鋼6號高爐2018年３月大修時(shí)爐腰銅冷卻壁上則主要是形成了高含鋅粘附物。此次8號高爐冷卻壁上高含鋅粘附物檢測到的R₂更是低至0.206。以此來看，要想在冷卻壁上形成相對牢固的渣皮保護(hù)層，高爐邊緣環(huán)帶的爐料堿度要么較高，以便形成高熔點(diǎn)的爐渣；要么較低，以便形成難熔的高鋅含量的粘附物保護(hù)層。而不宜與高爐終渣堿度接近，這樣熔點(diǎn)過低，極易熔化消失，難以維持相當(dāng)厚度的粘附物以保護(hù)冷卻壁。  

表2漣鋼三座高爐外環(huán)布料初始爐渣計(jì)算

4 .4  操作方面的原因分析

高爐操作制度特別是裝料制度與送風(fēng)制度對爐內(nèi)氣流與溫度分布會產(chǎn)生很大的影響，它們肯定也會給銅冷卻壁的使用壽命帶來影響。

許多案例表明，由于邊緣煤氣流控制不合理，出現(xiàn)局部氣流或邊緣氣流波動(dòng)過大，造成渣皮頻繁脫落， 使銅冷卻壁直接暴露在熱煤氣或爐料下，最終導(dǎo)致銅冷卻壁破損。破損的形式主要是“上部干區(qū)”的爐料磨損和“下部濕區(qū)” 的熱熔損。還有一些案例，由于長期過分壓制邊緣氣流，邊緣溫度過低，形成所謂的干區(qū)，難以形成渣皮，使銅冷卻壁直接接觸熱煤氣和爐料。而銅冷卻壁最大的缺點(diǎn)就是硬度低，耐磨性極差，極易發(fā)生磨損，且這種情況多發(fā)生在軟熔帶之上的爐身中下部。此外，還有一些銅冷卻壁的破損是發(fā)生在上部布料矩陣發(fā)生較大變化期間，如“取消中心焦”的操作過程中。取消中心焦操作，往往意味著打破現(xiàn)有煤氣流分布，重建煤氣流分布，在此過程中極易造成銅冷卻壁破損。

參照銅冷卻壁溫度及標(biāo)準(zhǔn)差的變化判斷，2018年5月后為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，即為第7段銅冷卻壁燕尾槽筋條開始較快磨損的時(shí)間，而2019年12月第7段銅冷卻壁溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其它銅冷卻壁急劇升高，即為其燕尾槽被蝕損完全幾乎成為光面的時(shí)間。2020年7月18日銅冷卻壁首次出現(xiàn)水管破損，2020年10月開始銅冷卻壁水管密集破損。從銅冷卻壁破損的時(shí)間節(jié)點(diǎn)來看，2019年及其后為關(guān)鍵期。故我們重點(diǎn)分析2018年元月后的高爐操作對銅冷卻壁的影響。

在高爐裝料制度方面，漣鋼8號高爐在2019年及其后的主要變化是：

1）中心焦 從中心焦的布料圈數(shù)來看（參見圖10），漣鋼8號高爐在2019年3月之前中心焦的變化幅度并不大，但在2019年3月后高爐頻繁調(diào)整中心焦的布料圈數(shù)，中心焦的布料圈數(shù)大起大落，但整體是在向減少的方向調(diào)整。這必然帶來高爐邊緣氣流的劇烈波動(dòng)并朝整體加強(qiáng)的方向發(fā)展，使得銅冷卻壁處于極不穩(wěn)定的氣流中并伴隨溫度的升高加劇其磨損。而在2020年10月5日取消了中心加焦，直到中修前的12月初才恢復(fù)中心加焦。也正是自2020年10月開始銅冷卻壁頻繁破損。顯然正是這種裝料制度上的劇烈改變加劇了銅冷卻壁的破損。

圖10 漣鋼8號高爐2018-2020年中心焦布料圈數(shù)及7段壁溫標(biāo)準(zhǔn)差

2）布料傾角 從布料傾角的變化來看，漣鋼8號高爐布料角度整體在不斷往外移動(dòng)，在2013年開爐初期，最外環(huán)布礦角度為40.3°,2018年2月為40.8°，2019年3月為41.2°，這意味著密度較高的礦石爐料被布往了更靠近爐墻的位置，特別是2020年10月初取消中心焦之后，布料傾角更是整體外移了許多，最外環(huán)布礦角度達(dá)到了43.6°。這必然使更多的礦石爐料能夠接觸到銅冷卻壁并對邊緣的焦炭產(chǎn)生更大的壓力，從而加大爐料對銅冷卻壁的磨損作用。而且從實(shí)際操作效果來看，內(nèi)外移動(dòng)布礦角度也極易使銅冷卻壁上的保護(hù)性粘附物脫落，從而加大銅冷卻壁溫度的波動(dòng)（參見圖11），實(shí)際上也會加劇銅冷卻壁的磨損。

圖11 漣鋼8號高爐2018-2020年傾動(dòng)角度設(shè)定值及7段壁溫標(biāo)準(zhǔn)差

在高爐送風(fēng)制度方面，漣鋼8號高爐在2019年前后的主要變化是：

1） 進(jìn)風(fēng)面積 2018年11月-2019年12月是進(jìn)風(fēng)面積最小的時(shí)期，基本為0.3438m²,2020年元月后分次不斷擴(kuò)大了進(jìn)風(fēng)面積，至中修停爐前進(jìn)風(fēng)面積達(dá)到了0.3629m²。

2）實(shí)際風(fēng)速 2018年9月-2019年6月漣鋼8號高爐的實(shí)際風(fēng)速比較高，通常在270-280m/s之間；此前的實(shí)際風(fēng)速多在260-270m/s之間。而此后的實(shí)際風(fēng)速整體呈下降趨勢，2020年6月后實(shí)際風(fēng)速已降到了240-260 m/s之間（見圖12）。實(shí)際風(fēng)速的降低與銅冷卻壁損壞在時(shí)間上具有一定的重疊性。實(shí)際風(fēng)速的降低意味高爐在朝發(fā)展邊緣的方向變化，靠近爐墻的部位會產(chǎn)生更多的爐料運(yùn)動(dòng)，這也會加劇銅冷卻壁的蝕損。

圖12 漣鋼8號高爐2018-2020年進(jìn)風(fēng)面積與實(shí)際風(fēng)速的變化

4.5  有害元素方面的分析

高爐的入爐料中通常含有一定量的K、Na、Pb、Zn等有害元素。其中堿金屬還原進(jìn)入生鐵的數(shù)量并不多，但因其在爐內(nèi)能夠循環(huán)富集，給冶煉過程帶來很大影響。比如鋅易在高爐內(nèi)循環(huán)富集，在煤氣管道中凝集，在高爐上部磚襯縫隙中或墻面是沉積，當(dāng)其氧化后體積膨脹會損壞爐襯或造成結(jié)瘤_[6]。

但筆者認(rèn)為，我們應(yīng)該辯證地看待這些有害元素。盡管高爐中K、Na、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬對高爐磚襯及爐料會帶來負(fù)面影響，然而它們在高爐爐腹以上循環(huán)富集形成粘結(jié)物在某種程度上對保護(hù)冷卻壁卻是有利的。特別是Zn，根據(jù)我們對多座高爐停爐后的觀察與分析，能夠牢固粘附在位置稍高的冷卻壁上的粘附物大都是Zn含量很高的物質(zhì)。微觀分析也表明，Zn在冷卻壁上能夠形成六棱柱形的ZnO晶體，這種ZnO晶體交錯(cuò)可以在冷卻壁熱面形成既耐高溫又具有良好透氣性及抗熱震穩(wěn)定性的保護(hù)層。

高爐排出的布袋灰與瓦斯灰成分大體可以反映高爐內(nèi)K、Na、Pb、Zn等有害元素的變化情況。

從漣鋼8號高爐爐役期內(nèi)布袋灰的Zn含量變化來看，自開爐到2015年10月是布袋灰Zn含量較高的時(shí)期，基本都在15%以上，多在8%左右波動(dòng)。2015年11月至2017年6月是其Zn含量中等且波動(dòng)較大的時(shí)期，多在5-15%之間波動(dòng)。而2017年7月至停爐時(shí)是其Zn含量較低且基本穩(wěn)定的時(shí)間，多在4-8%之間變化。

而從漣鋼8號高爐爐役期內(nèi)布袋灰的K₂O含量變化來看，在開爐初期K₂O含量是很低的，2013年內(nèi)基本都在5%以下。而2014年1月至2016年2月是K₂O含量相對較高且波動(dòng)較大的時(shí)期，多在5-15%之間波動(dòng)。其后有相當(dāng)一段時(shí)間沒有檢測K₂O含量。但從恢復(fù)檢測的2017年3月至2018年5月則是K₂O含量很高的時(shí)期，多在11%以上。而在2018年8月至中修停爐，則是K₂O含量較低且相對穩(wěn)定的時(shí)期，多在7%±3%的范圍內(nèi)變化，見圖13。

漣鋼8號高爐爐役期內(nèi)瓦期灰的Zn含量與K₂O含量的變化趨勢大體與布袋灰的一致，只是含量相對較低一些而已。

圖13 漣鋼8號高爐布袋灰Zn、K₂O含量的變化

漣鋼8號高爐布袋灰的Zn含量與K₂O含量同時(shí)都降到較低水平之后的時(shí)間，即2018年5月前后，也正是銅冷卻壁開始較快蝕損的時(shí)間，具體表現(xiàn)為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，我們判斷為第7段銅冷卻壁燕尾槽筋條開始較快蝕損的時(shí)間。筆者認(rèn)為這不是巧合，而是Zn含量與K₂O含量降低導(dǎo)致爐內(nèi)冷卻壁上難于形成粘附物保護(hù)層所帶來的結(jié)果。

另外一個(gè)值得注意的有害元素是Cl。通過對磨損銅冷卻壁壁體表面覆蓋物以及冷卻壁粘附物的分析，都可以發(fā)現(xiàn)Cl的存在，而且含量還不低。比如壁體表面覆蓋物中Cl含量達(dá)1.23%卻并沒有伴隨堿金屬；冷卻壁非金屬粘附物中Cl含量達(dá)2.733%。而在2018年以來的最近幾年中，漣鋼能源中心不斷反映煤氣中Cl含量偏高影響TRT發(fā)電及管網(wǎng)安全運(yùn)行。

圖14 漣鋼8號高爐上部銅冷卻壁蝕損情況

從8號高爐第8、9段銅冷卻壁結(jié)合部靠近縫隙處的壁面蝕損來看，特別是9段銅冷卻壁的下沿與8段銅冷卻壁上沿中間的蝕損（見圖14），似乎也不能完全歸結(jié)于磨損的因素所導(dǎo)致，而更象是一種上部冷卻壁豎縫積聚的某種液體向下流淌造成的蝕損。筆者認(rèn)為不能排除爐內(nèi)Cl形成FeCl₃而溶解銅冷卻壁壁體這一因素。因?yàn)镕eCl₃的熔點(diǎn)為306℃，沸點(diǎn)為316℃，具有強(qiáng)烈的吸水性并能在低溫下直接腐蝕銅。具體的化學(xué)反應(yīng)式為：Cu+ FeCl₃= Cu Cl₂+ FeCl₂。當(dāng)然這一反應(yīng)在高溫區(qū)是難以發(fā)生的，它不可能成為銅冷卻壁蝕損的主要方式，但對低溫下的銅冷卻壁壁體是可以產(chǎn)生影響的。

對生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的分析還表明，高爐噸鐵氮?dú)庀膶Φ?段銅冷卻壁的溫度標(biāo)準(zhǔn)差具有極高的影響強(qiáng)度，考慮到漣鋼8號高爐在7、8、9、10段安裝了爐身靜壓裝置并使用了氮?dú)?，故不能排除爐身靜壓裝置所用氮?dú)庥绊懥算~冷卻壁上粘附物保護(hù)層的形成。

5  防止高爐銅冷卻壁破損的對策

從漣鋼8號高爐銅冷卻壁的蝕損情況來看，銅冷卻壁破損的根本原因是由于銅冷卻壁上沒有形成牢固的粘附物保護(hù)層。根據(jù)以上對各方面影響因素的分析，筆者認(rèn)為，防止銅冷卻壁破損的主要對策如下：

1）鑒于過于矮胖的高爐，或者說爐腹角偏小的高爐，其爐腰/爐腹界面將會承受比普通高爐高得多的爐墻壓力。而爐腹角偏大，又難于掛渣。因此在高爐設(shè)計(jì)上，實(shí)際工作爐腹角（即失去耐材后的爐腹角）的選擇對于在爐腹?fàn)t腰使用了銅冷卻壁的高爐而言極其重要。

2）鑒于漣鋼8號高爐銅冷卻壁從冷卻水道到熱面的有效抗磨損厚度偏薄、燕尾槽設(shè)計(jì)掛渣能力偏弱是其壽命偏短的一個(gè)重要影響因素。因此高爐在設(shè)計(jì)或大修時(shí)應(yīng)特別注意加大銅冷卻壁冷卻水道到熱面的距離，同時(shí)改進(jìn)銅冷卻壁燕尾槽的設(shè)計(jì)參數(shù)以提高其掛渣的能力。

3）鑒于實(shí)際分布于外環(huán)的爐料對銅冷卻壁上形成渣皮保護(hù)層具有重要影響。高爐應(yīng)特別重視與注意槽下裝料順序的設(shè)計(jì)，避免在高爐邊緣環(huán)帶形成過于易熔的爐料。

4）高爐操作方面，布料方面不要過于頻繁地做大幅度的調(diào)整，應(yīng)特別注意穩(wěn)定外環(huán)的礦焦比，在沒有明顯爐墻結(jié)厚的情況下不要頻繁地改變布礦角度；送風(fēng)制度方面應(yīng)密切注意高爐實(shí)際風(fēng)速的變化，盡量避免高爐長期在較低的實(shí)際風(fēng)速下工作。

5）在有害元素控制方面不能追求太低的鋅堿負(fù)荷，其實(shí)保持適當(dāng)?shù)匿\堿負(fù)荷對于在冷卻壁形成一定的保護(hù)層是有利的。但對高爐氯的帶入必須予以重視并盡量減少。

6）爐身靜壓裝置通常難以長期正常工作，可以考慮棄置不用并切斷其氮?dú)夤?yīng)。

參考文獻(xiàn)

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