郭雪峰 劉森 項寶勝 馬召 馬朝帥

某大型高爐爐頂氣密箱β角電機電流持續(xù)出現(xiàn)異常波動，采取爐頂打水降溫、增加氣密箱冷卻水量(由9t/h增至12t/h)及氮氣量(由2600m³ /h增至最大3000m³ /h)等措施后，電流值未完全恢復(fù)至正常水平。

為確定氣密箱的故障原因，防止故障擴大，結(jié)合檢修對氣密箱開蓋內(nèi)部檢查，同時，提前做好氣密箱更換檢修準備。檢查發(fā)現(xiàn)，氣密箱內(nèi)動靜環(huán)密封石墨塊斷裂、部分脫落；同時發(fā)現(xiàn)布料溜槽掛臂燒損龜裂，目測吊掛軸出現(xiàn)約 100mm 橫向位移，存在溜槽掉落情況，形成重大事故風險。在拆除布料溜槽的過程中，因槽體及掛臂變形無法將溜槽摘下，所以要將掛臂切斷。

一、氣密箱設(shè)計使用要求

第一，使用溫度：中心短時超限溫度600℃，每次不超過30min，一年內(nèi)不超過20次。

第二，水冷系統(tǒng)：水冷氣密箱冷卻水采用工業(yè)凈環(huán)水，來水壓力 0.8～1MPa，來水溫度≤35℃；采用開路水冷系統(tǒng)，利用“U”型水封原理將高爐煤氣與外界隔絕；正常工況運行時，冷卻水水量為6～8m³ /h；出現(xiàn)頂溫異常升高、料流流速慢等異常工況時，冷卻水量應(yīng)適當增加為10～15m³ /h；增加水量時應(yīng)逐漸加量，每次增加1m³ /h，每次間隔20分鐘；高爐停風檢修時，冷卻水水量為3m³ /h，復(fù)風前應(yīng)先將冷卻水量恢復(fù)至正常值。

第三，氮氣密封系統(tǒng)：水冷氣密箱采用氮氣進行密封，氮氣壓力比爐頂頂壓高1～2KPa，形成微正壓，防止爐頂煤氣竄入氣密箱內(nèi)部。正常工況運行時，氮氣用量為 1000～1500m³ /h；異常工況時，應(yīng)加大氮氣用量至3000m³ /h；如遇到爐內(nèi)壓力或氮氣壓力波動較大，氣密箱回水管路發(fā)生水封擊穿時，應(yīng)適當減少氮氣用量，先恢復(fù)水封。加水時間至少半小時，待水封徹底穩(wěn)定后再逐步恢復(fù)氮氣的正常用量。

二、設(shè)備檢查的拆解情況

故障發(fā)生后，高爐停風，對設(shè)備進行初步檢查，情況如下：

爐喉鋼磚多處開裂，個別脫落(見圖 1)，爐喉鋼磚材質(zhì)為M7，最高使用溫度為600°。

(一)氣密箱旋轉(zhuǎn)圓筒冷卻水路堵塞

拆解前對氣密箱通水檢測時發(fā)現(xiàn)，進水流量在2t/h時，冷卻水從上水槽溢出，懷疑冷卻水下通道堵塞，冷卻水可能進入爐內(nèi)，從熱成像儀看到溜槽有暗點，由此推測，氣密箱曾因內(nèi)部冷卻水路堵塞，回水不暢，造成水從上水槽溢出進入爐內(nèi)。通過切割檢查及拆解發(fā)現(xiàn)，水路堵塞嚴重，冷卻水回水管道已堵塞，旋轉(zhuǎn)圓筒冷卻水道已被水垢堵塞，旋轉(zhuǎn)圓筒立水槽有超過60%的區(qū)域出現(xiàn)堵塞(見圖2)。

旋轉(zhuǎn)圓筒底部兩側(cè)的隔熱裝置位于溜槽正上方，受溜槽遮擋的部位基本和出廠前狀態(tài)一致，而無溜槽遮擋的一側(cè)隔熱裝置鋼板已燒損，只剩下固定螺栓和部分已碳化的隔熱纖維棉(見圖 3)。隔熱保護裝置為1Cr18Ni9Ti奧氏體耐熱不銹鋼(工作溫度可達750～800℃)及保溫隔熱棉。

(二)氣密箱拆解檢查

布料溜槽母體側(cè)面變形開裂、溜槽掛臂變形和龜裂。布料溜槽吊掛軸目測出現(xiàn)約 100mm 的橫向位移(見圖4)。在拆除布料溜槽的過程中，因槽體及掛臂變形無法將溜槽摘下，被迫將掛臂切斷。

對氣密箱進行拆解，將石墨塊全部取出后檢查，60件石墨塊中有46塊完全斷裂。氣密箱的隔離圈存在軸向變形，隔離圈上表面與箱體基準面高差達到了14mm，嚴重超出了 1.6mm 的標準要求，安裝在旋轉(zhuǎn)圓筒上的銅密封片變形，有因摩擦而磨損的現(xiàn)象。氣密箱隔離圈存在徑向變形，已造成隔離圈與箱體實質(zhì)性接觸(見圖5)。

三、原因分析

第一，通過爐喉鋼磚開裂、溜槽掛臂移位、旋轉(zhuǎn)圓筒隔熱裝置燒損、布料溜槽變形開裂等現(xiàn)象初判，爐頂溫度偏高。該氣密箱使用溫度要求為中心短時超限溫度600℃，每次不超過30分鐘，一年內(nèi)不超過20次。對爐頂十字測溫中心點監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(見圖6)，可以看出，一爐中心溫度多次超過 600℃。由此可見，多次異常高溫是此次事故的主要原因。同時，由于頂溫比爐喉實際溫度滯后的客觀實際，不能及時增加冷卻水量，導(dǎo)致高溫燒損嚴重。

第二，溜槽懸掛臂由于承受了較高溫度的熱輻射，局部變形嚴重，溜槽支撐軸兩側(cè)卡板螺栓在高溫下強度大幅度降低，溜槽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的哥式力大于支撐軸所受的摩擦力，使得支撐軸向一側(cè)移動，將卡板螺栓剪斷。整體式懸掛臂的結(jié)構(gòu)極大地提高了溜槽懸掛臂的高溫強度，避免了溜槽支撐軸由于受高溫(800℃以上)發(fā)生“U”型彎變形。從此次整體懸掛臂下底面燒損情況看，整體懸掛臂下端支撐軸處的整體強度高于懸掛臂上端，高溫熱膨脹時的熱應(yīng)力向強度較低的懸掛臂上部釋放，導(dǎo)致上部變形明顯，將溜槽抱緊，導(dǎo)致檢修時溜槽拆卸困難，被迫將掛臂切斷，增加了故障處理的難度和時間。

第三，對各部位堵塞物進行化驗，具體成分見表1，判斷旋轉(zhuǎn)圓筒堵塞物主要成分為水垢，部分成分為煤氣粉塵。

結(jié)合高爐爐喉溫度分析，中心溫度偏高導(dǎo)致氣密箱旋轉(zhuǎn)，圓筒底板隔熱保護裝置燒損，使通道內(nèi)的冷卻水過熱而產(chǎn)生結(jié)垢，結(jié)垢后影響冷卻水的冷卻效果，繼而旋轉(zhuǎn)圓筒溫度繼續(xù)升高，加劇結(jié)垢，最終導(dǎo)致通道堵塞。通道堵塞后，造成旋轉(zhuǎn)圓筒底板因冷卻不均出現(xiàn)嚴重的永久變形。旋轉(zhuǎn)圓筒的永久變形在軸向上的同時，導(dǎo)致隔離圈與靜環(huán)之間垂直方向高差超出允差(1.6mm)范圍，石墨塊受垂直方向力而被剪斷，造成石墨密封失效，石墨塊密封抗剪切力弱是石墨密封失效的重要原因。

受底板受熱變形影響，安裝在旋轉(zhuǎn)圓筒上的銅密封片與下水槽的旋轉(zhuǎn)間隙減小，旋轉(zhuǎn)阻力增加，導(dǎo)致運行電流值增大。受爐內(nèi)氣流突然沖擊或密封壓差不均的影響，氮氣密封平衡失效，煤氣中的灰分進入旋轉(zhuǎn)圓筒下的底面冷卻板內(nèi)，形成板結(jié)物堵塞冷卻通道，導(dǎo)致水冷效率降低，不能及時將熱量帶走，旋轉(zhuǎn)圓筒底板承受較高溫度加劇變形，同時，轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)隔離圈與箱體發(fā)生剮蹭，運行時β角電機電流值增大。

同時，冷卻水回水管路沒有安裝電磁流量計，回水流量沒有形成閉環(huán)監(jiān)控，導(dǎo)致通道堵塞未及時發(fā)生，是造成事故的直接原因。

四、后續(xù)措施

第一，嚴格控制爐溫，針對頂溫比爐喉實際溫度滯后的客觀實際，繼續(xù)探索頂溫與十字測溫中心溫度的對應(yīng)關(guān)系，確定更精準的打水時機，以便準確控制頂溫。在氣密箱下部增加測溫點方案，監(jiān)控氣密箱煤氣側(cè)的實際溫度變化，方便第一時間采取正確的應(yīng)對措施。對氣密箱氮氣與水的用量進行匹配研究，保證密封充足均勻，滿足目前的高爐工況，建立足夠穩(wěn)定的煤氣/氮氣密封平衡。

第二，改進吊掛臂設(shè)計，將保護套兩端各延長100mm，用于保護吊掛軸兩端，減少吊掛軸兩端受熱侵蝕，同時采用銷軸的形式，待另一側(cè)的卡板與溜槽懸掛臂安裝后進行焊接加固。

第三，研究氣密箱內(nèi)部水路的清洗方法，在高爐定修時增加水路清洗例行項目，延緩水路的結(jié)垢速度。

第四，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)圓筒底板隔熱保護裝置，對石墨塊密封重新設(shè)計選型，達到增強抗剪切力的目的；加裝電磁流量計，對回水流量形成閉環(huán)監(jiān)控。

五、結(jié)束語

此次高爐氣密箱故障的主要原因如下：

第一，高爐爐溫多次超 600℃，超出氣密箱的使用要求，異常高溫導(dǎo)致布料系統(tǒng)部件不同程度受損是此次事故的主要原因。

第二，布料溜槽掛臂高溫熱膨脹時的熱應(yīng)力，向強度較低的懸掛臂上部釋放，導(dǎo)致上部變形明顯，將溜槽抱緊，檢修時溜槽拆卸困難，被迫將掛臂切斷。

第三，旋轉(zhuǎn)圓筒隔熱裝置燒損，導(dǎo)致氣密箱冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢堵塞，旋轉(zhuǎn)圓筒結(jié)構(gòu)變形，運行時旋轉(zhuǎn)隔離圈與箱體發(fā)生剮蹭，導(dǎo)致β角電機電流值增大，冷卻水回路流量計缺失，沒有及時監(jiān)測到流量變化是此次事故的直接原因。

第四，旋轉(zhuǎn)圓筒底板隔熱保護裝置及石墨塊密封選型不適應(yīng)首鋼京唐高爐工藝要求，是此次事故的重要原因。