徐彬 李明

（九江萍鋼鋼鐵有限公司  江西九江  332500）

摘要：  通過對九江萍鋼鋼鐵有限公司4號高爐因爐缸砌筑耐材質量差、生產運行期間有害元素負荷重等因素影響，一代爐齡壽命較短，爐缸環(huán)炭溫度上漲較快，運行三年不到，環(huán)炭溫度上漲就超過500℃，爐缸安全生產風險增加，為消除爐缸侵蝕安全風險，故對高爐進行停爐大修，大修期間對爐缸破損情況進行了調查，重點分析影響4號高爐爐缸壽命的關鍵因素。

關鍵詞： 高爐；爐缸；環(huán)炭溫度；破損調查

1 前言

九江煉鐵廠4^#高爐第四代爐齡于2022年1月19日開爐，投產后爐缸環(huán)炭溫度多次上漲，至2024年5月20日，環(huán)炭溫度最高漲至501℃（對應標高9101mm，第二層冷卻壁，標點TE-LG01003-2）。期間高爐通過控制富氧量降低冶強等措施抑制環(huán)炭溫度上升，至2024年下半年，高爐環(huán)炭溫度大幅波動的頻次顯著增多，爐缸安全風險增加，2024年11月7日4#高爐環(huán)炭溫度（對應標高9101mm，第二層冷卻壁，標點TE-LG01003-2）呈上升趨勢，由原210.2℃上升至546℃左右、2024年12月27日4#高爐環(huán)炭溫度（對應標高9101mm，第二層冷卻壁，標點TE-LG01012-2）呈上升趨勢，由原188℃上升至449.8℃，上升波動幅度較大，為有效控制爐缸環(huán)炭溫度持續(xù)上升，當前4#高爐采取控制富氧量、堵風口及使用高鈦炮泥等控制措施，最高點環(huán)炭降至266℃左右。因環(huán)炭溫度波動較大，存在較大安全風險，且影響產量和經濟技術指標的提升，導致成本上升，為消除安全隱患，于2025年2月6日停爐大修，至此一代爐齡3年零18天，共計產鐵561.64萬t，單位高爐爐容產鐵量3155.26t/m³。

2 高爐簡介

2.1 原設計設計要求的指標、參數(shù)

2.2爐缸設計

高爐內型高爐公稱容積為1780m3。爐缸直徑D=9750mm、爐缸高度h=4200mm。高徑比Hu/D=2.4175。高爐內型設計時特別注意適當加深死鐵層深度，死鐵層深度h0=2100mm，h0/d＝21.54%。高爐設置26個風口和兩個鐵口，見圖1。

圖1 4號高爐爐缸圖

2.3 高爐冷卻結構

爐體冷卻結構設計采用薄壁、薄爐襯方式，其中爐缸及風口段采用光面鑄鐵冷卻壁；爐腹、爐腰、爐身下部采用4段銅冷卻壁；爐身中、上部采用鑲磚鑄鐵冷卻壁；爐喉采用水冷爐喉鋼磚，整個爐體100%水冷卻。爐底爐缸采用4段光面鑄鐵冷卻壁（材質為RTCr），圓周分39塊，每塊設4根φ76x6冷卻水管，冷卻水流速>1.6m/s, 水管間距240mm。設計表比面積為0.994。

2.4 爐缸熱電偶設計

除爐基、爐底封板中心各1個熱電偶外，爐缸不同高度上布置10層熱電偶，特別是爐底、爐缸異常侵蝕區(qū)布置9層，其中滿鋪碳磚有3層，第1層7個點（中心1個+圓周1*6個），第2-3層各26個點（中心1*2個+圓周2*12）；鐵口下方環(huán)碳設計7層熱電偶，其中5-9層環(huán)碳下沿各24個點（2*12），共120個點，其余2層各12個點（1*12）；鐵口以上設置1層熱電偶13個點（1*13）。爐缸全部設計共218個點。

3 破損調查

3.1冷卻壁破損調查

爐身冷卻壁第14層破損兩塊，15層破損三塊，均是2022年至2024年高爐生產期間損壞。扒爐后發(fā)現(xiàn)整個風口區(qū)域以上冷卻壁無爐料粘結現(xiàn)象，冷卻壁保存較好。

3.2爐缸破損調查

本次破損調查過程對爐缸爐底炭磚的侵蝕狀況進行了測量、拍照，但由于拆爐過程中多次爆破，從底部向上破壞性施工，搶工程進度。加上爐內蒸汽較大，照相效果不理想，故只有扒爐口附近的爐缸侵蝕數(shù)據(jù)僅進行了測量和人工觀察，其它方位未能有效采集到侵蝕數(shù)據(jù)。

3.2.1 殘鐵口

4#高爐殘鐵口位于26#風口下（正北方位），標高7.8m，第7層環(huán)炭位置，殘鐵口處殘余炭磚厚度600mm。放出殘鐵127.05t。

3.2.2 扒爐口

扒爐口在13#~16#風口下方、一二段冷卻壁區(qū)域。見圖2。

        （a）正面                                        （b）側面

圖2 扒爐口

從扒爐口看殘鐵外形，以及后續(xù)扒爐的情況觀測，爐內殘鐵呈“鐵鍋”狀，殘鐵最寬的部位在環(huán)炭7-10層，殘鐵底部有一層約400mm左右厚的陶瓷墊（第一層陶瓷墊保存完成、未見侵蝕），第五層環(huán)炭保存較為完好，第六層炭磚也還剩余1.32m左右，侵蝕最嚴重的是第7-10層環(huán)炭，殘余厚度只剩0.31-0.5m，從第11層開始往上，炭磚侵蝕程度又逐步減弱。

炭磚侵蝕情況見圖3

         （a）5-6層殘余炭磚                               （b）9層環(huán)炭殘余部分

圖3 環(huán)炭層炭磚侵蝕后殘余炭磚圖片

南扒爐口處環(huán)炭環(huán)裂相當嚴重，剩余的長度雖最薄處剩余約350mm左右。

3.2.3 風口帶

從圖片可以看出，風口下部的澆注料完好。

圖4 風口帶

3.2.4 第11層-16層炭磚侵蝕情況：

第11-16層的炭磚侵蝕后的剩余厚度相對均勻，除第12層之外的剩余厚度都在0.61m-0.7m之間。12層環(huán)炭剩余厚度0.4m，炭磚與冷卻壁之間的搗打料保存完好，炭磚縫隙之間大量鉛、鋅等有害元素滲入。

3.2.5 炭磚縫隙夾雜情況

           （a）8-10層環(huán)炭縫中金屬物                    （b）炭磚環(huán)裂                   

圖5 炭磚破損情況及夾雜物

從圖5看出（和第一層陶瓷杯相同高度為第5層炭磚），第5層炭磚保存尚好，但是靠近冷卻壁側向爐內延伸300mm后出現(xiàn)200mm寬度環(huán)裂粉化。再向爐內延伸炭磚保存尚好。

3.2.6 殘鐵及陶瓷杯墊情況

（a）殘鐵塊和底部陶瓷墊                                  （b）爐缸中心底部殘鐵               

圖6 炭磚破損情況及夾雜物

經測量爐缸內部剩余殘鐵平均厚度約700mm，中心最底部殘鐵到了第5層環(huán)炭中部，也就是第一層陶瓷墊中部。殘鐵呈“鐵鍋狀”，主要是爐內殘鐵未放干凈所致。陶瓷墊剩余約300-400mm厚，陶瓷杯已侵蝕干凈無殘余。

3.2.7 爐底封板及搗料層

（a）封板上漲造成的斷裂錯層                        （b）封板下方搗料層

圖7 封板及搗料層

爐基封板邊緣被拉扯上漲的跡象，封板平均上漲約13cm左右，西南角上漲最少，其它方位上漲高爐相差不多，西鐵口下方有明顯裂開的錯層。

封板下方的搗料層裂縫較多，裂縫產生的主要原因是在封板被上漲的爐殼拉裂后爐缸內的高溫煤氣竄入封板以下，造成炭素搗料被煤氣炙烤后干裂收縮。但煤氣通道封堵難度較大，在高爐生產過程當中雖然做了灌漿、貼板、澆注等多種措施進行封堵，但其封堵效果均不是很好。

結論：第九層環(huán)炭（標高9.101米、3-4號風口下方）侵蝕嚴重，其中剩余厚度最薄位置只有340mm，接近1780高爐爐缸的安全厚度（具體見東北大學陳良玉教授的報告:標高 9101mm 的內襯安全厚度 LP 為337mm），第八層環(huán)炭（標高8.700米、20-21號風口下方）侵蝕嚴重，剩余厚度最薄位置只有330mm，比1780高爐爐缸的安全厚度低約36mm（具體見東北大學陳良玉教授的報告:標高 8299mm 的內襯安全厚度 LP 為366mm），第七層環(huán)炭（標高8.299米、19號風口下方）侵蝕亦嚴重，剩余厚度最薄位置只有310mm，比1780高爐爐缸的安全厚度低約56mm而且炭磚存在裂紋、縫隙之間有大量鉛鋅等有害元素滲入，因此4號高爐這次停爐大修是準確、及時的。

3.3 爐缸侵蝕總圖描繪

圖8 爐缸侵蝕圖

紅色實線為殘留炭磚界面，侵蝕最深處是爐缸7-10層環(huán)炭處，停爐前數(shù)次環(huán)炭溫度急漲也是在8層環(huán)炭。

4 4#高爐爐缸侵蝕較快原因分析

4.1 炭磚質量

炭磚選用方大碳素材料科技股份有限公司產品，具體理化指標（見下表）

表2 半石墨質炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚理化性能指標

表3 炭素搗料（BFD-S9）理化性能要求

續(xù)表3 炭素搗料（BFD-S10）理化性能要求

碳磚和炭素搗料均是使用方大碳素生產的合格產品，碳磚質量正常。

4.2 堿金屬危害

九鋼高爐入爐有害元素負荷偏高，在這一代爐齡的2022-2024年期間，高爐入爐鉛負荷常年維持在0.25kg/t.Fe左右，鋅負荷常年保持在0.60-0.9kg/t.Fe左右。而這次4號高爐扒爐，在殘存炭磚縫隙當中發(fā)現(xiàn)大量鋅、鉛等凝結而成的板狀、片狀金屬塊，鋅金屬片最寬時達到35mm（見圖6（a）），以及鋅、鉛蒸汽冷凝后產生的黃白色粉末（見圖6（d）），主要是鋅元素在爐缸段炭磚夾縫內遇冷后沉積，長大，不斷的脹大炭磚縫隙，造成炭磚開裂嚴重甚至粉化，同時產生異常膨脹，這是導致4號高爐本體連續(xù)上漲、爐基封板拉裂、風口上翹的重要原因之一。

4.3 鐵水、渣、環(huán)流造成的侵蝕

4號高爐停爐前數(shù)次環(huán)炭溫度急漲，均是在高爐大溝檢修期間或是檢修后短時間內迅速上漲，分析其原因，主要是修溝期間，鐵口維護難度上升，炮泥質量沒有跟上造成鐵口深度下降，同時出鐵間隔時間增加等因素疊加，造成高爐渣鐵排放不順暢，爐缸內部渣鐵液面上升，鐵水沿著炭磚氣孔、磚縫和裂紋向炭磚內部滲透，并對炭磚產生物理破損和熔蝕，造成炭磚結構被破壞，炭磚碎塊逐步被鐵水溶解產生侵蝕。同時滲入炭磚縫隙當中的鐵水導致炭磚脆化并產生體積膨脹，使炭磚熱面產生脆化層，在鐵水反復的接觸當中炭磚體積反復收縮膨脹后開裂破損。

再就是鐵水環(huán)流沖刷侵蝕，主要在于生產過程當中焦炭質量變差，死焦柱下沉，造成中心透氣性變差時鐵水便沿著爐缸周邊形成環(huán)流，造成炭磚表面脆化層的沖刷侵蝕。

4.4 陶瓷杯澆注料質量問題

陶瓷杯與炭磚之間的溫度正好是800℃～1000℃左右，成為K、Na、Zn富集最適宜的溫度帶。陶瓷杯與炭磚之間設計有環(huán)縫帶，成為K、Na、Zn富集最適宜的溫度帶，由于陶瓷杯磚的膨脹系數(shù)大于炭磚，很顯然這種留縫在升溫過程中，陶瓷杯磚膨脹將炭磚向外推移，會導致炭磚和陶瓷杯變?yōu)榉鬯闋?，對高爐長壽是一個潛在的隱患。因此4號爐在上一次大修時即改用了全澆注陶瓷杯，旨在將這條陶瓷杯與炭磚之間環(huán)縫帶取消，從而解決這一問題。

但此次扒爐高爐側壁陶瓷杯已被侵蝕殆盡，分析主要是澆注陶瓷杯澆注料質量問題導致，4號高爐上一代爐齡2021年底大修時爐缸陶瓷杯使用的河南某公司的澆注料。相比較近幾次2號高爐和3號高爐在大修使用的大連某公司的澆注料，對比以往環(huán)炭溫度上漲情況，在使用大連某公司澆注料后在同等生產運行時間內溫度明顯低于使用河南某公司澆注料，對爐缸環(huán)炭的保護效果更優(yōu)。具體數(shù)據(jù)見表4：

表4 環(huán)炭溫度比較

續(xù)表4 環(huán)炭溫度比較

續(xù)表4 理化指標比較

拿澆注料理化指標來比較，大連公司澆注料Al203和SiC含量略優(yōu)于河南公司。從實際使用效果來看，大連的澆注料抗渣鐵侵蝕的能力遠勝于河南公司的。

5 2025年4號高爐爐缸侵蝕調查結論

九鋼4號高爐一代爐齡生產期間，受有害元素鉛、鋅等侵蝕影響，高爐爐缸側壁炭磚收到較嚴重的侵蝕，陶瓷杯全部熔蝕，炭磚出現(xiàn)破損、粉化、環(huán)裂，且因為磚縫脹大，造成高爐爐體爐殼開裂，同時爐體連續(xù)上漲，造成爐基封板拉裂，爐缸、爐底存在較大的安全隱患。

因環(huán)碳溫度偏高，通過評審及同行業(yè)經驗數(shù)據(jù)分析，存在較大的安全風險，停爐現(xiàn)場調查也發(fā)現(xiàn)碳磚侵蝕較嚴重，同時碳磚環(huán)裂嚴重、縫隙內夾金屬物質，存在不可控的風險。通過調查取證，結合一代爐齡數(shù)據(jù)分析，充分說明有害元素（鉀、鈉、鉛、鋅等）對爐缸碳磚破壞很大，直接影響爐缸壽命，給高爐爐缸的安全運行帶來較大的隱患。

爐缸設計取消陶瓷杯與炭磚環(huán)縫帶，選用全澆注陶瓷杯爐缸，對高爐長壽有著積極效應，但應注意所選擇澆注料的質量。

建設時注重爐缸砌筑施工質量，爐缸的砌筑施工質量是影響爐缸長壽的關鍵因素，也是易出問題的環(huán)節(jié)之一，施工時要嚴謹細致，嚴格按耐材砌筑規(guī)范操作。

參考文獻

[1]  周傳典. 高爐煉鐵生產技術手冊[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2008.443-451.