太鋼5號高爐(4350m3)爐缸直徑14.20m，38個風(fēng)口，爐缸容積855.14m3，約占高爐容積的20%。爐缸工作狀態(tài)主要從以下幾個點來評定：(1)各探尺下料均勻，探尺偏差在0.50m內(nèi);(2)各鐵口出鐵過程中，鐵水測溫偏差≯30℃，生鐵硅含量偏差不大于0.20%，爐渣二元堿度偏差不大于0.04;(3)鐵口不卡焦炭和不噴濺;(4)爐底溫度和爐缸側(cè)壁溫度在一定范圍內(nèi)波動，不呆滯;(5)風(fēng)口圓周工作均勻、明亮活躍，無生降和掛渣現(xiàn)象;(6)鐵口深度穩(wěn)定且易于控制，各鐵口見渣時間偏差在20min以內(nèi)，各鐵口排放均衡。爐缸工作狀態(tài)不僅對高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定順行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高，生鐵質(zhì)量和爐前作業(yè)的改善等有著重要影響，而且事關(guān)高爐的生產(chǎn)安全和長壽。
通過分析5號高爐爐底溫度和爐缸側(cè)壁溫度，結(jié)合爐內(nèi)壓量關(guān)系的適應(yīng)性，高爐接受高煤比、高利用系數(shù)強(qiáng)化冶煉的能力，鐵口工作狀態(tài)和排放的均衡穩(wěn)定性，渣鐵熱量和成分的均勻、穩(wěn)定性，來對大型高爐爐缸活躍性進(jìn)行判斷。
1影響爐缸活躍性的因素
1.1焦炭質(zhì)量
高爐料柱的重力通過死料堆傳遞給爐缸內(nèi)積存的渣鐵，在爐料重力和鐵水浮力之間的平衡下，死料堆中的部分焦炭沉侵在鐵水中。要研究爐缸工作狀態(tài)的活躍性，不但要研究爐缸的環(huán)流和中心流，還要研究爐缸區(qū)死料堆的性質(zhì)和工作狀態(tài)，而其起決定作用的是焦炭質(zhì)量。
大型高爐生產(chǎn)要實現(xiàn)爐缸工作狀態(tài)的穩(wěn)定，首先要盡可能實現(xiàn)焦炭質(zhì)量，特別是焦炭熱態(tài)性能指標(biāo)的穩(wěn)定。焦炭質(zhì)量對死料柱透液性和爐缸工作狀態(tài)起著關(guān)鍵作用。焦炭的高溫性能低，會嚴(yán)重影響其在高爐軟熔帶和滴落帶中的骨架作用，降低高爐的整體透氣性[1]。5號高爐爐芯溫度電偶的插入位置在第二層大碳磚下的爐底正中心，稱為爐芯。5號高爐爐底平鋪三層大塊碳磚，加2層陶瓷墊結(jié)構(gòu)，爐缸側(cè)壁采用UCAR熱壓小塊碳磚，爐芯溫度在一定程度上可作為爐缸活躍性的一個反映。
在5號高爐，焦炭M10對爐芯溫度作用明顯，即焦炭M10在一段時間處于較高值時，爐芯溫度相對會在較低位運(yùn)行一段時間，這在2010年9月至2012年4月在5號高爐體現(xiàn)得尤為明顯。5號高爐生產(chǎn)實踐和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，爐芯溫度的反應(yīng)變化比焦炭質(zhì)量的變化要滯后15～20天的時間。焦炭M10的變化會對爐芯溫度產(chǎn)生顯著影響。良好的焦炭質(zhì)量是保證爐缸活性的關(guān)鍵。死料柱的透液性和爐缸活性主要取決于爐芯焦的粒度，主要是入爐焦炭的強(qiáng)度和粒度。維持較好的焦炭M10和入爐粒級對穩(wěn)定爐芯溫度，活躍爐缸相當(dāng)重要，以消除鐵口卡焦和爐芯溫度長期低下的情況。熱態(tài)性能指標(biāo)好的焦炭，在爐內(nèi)能起到很好的料柱骨架作用，保證爐缸良好的透氣、透液性，有利于爐缸渣鐵排放。
1.2產(chǎn)量和煤比對爐缸活躍性的影響
5號高爐4個鐵口，東、西出鐵場布置，出鐵場兩鐵口間夾角75.7895°，死鐵層深3.0m，爐缸面積利用系數(shù)對爐缸工作狀態(tài)有直接影響。5號高爐爐缸面積利用系數(shù)和爐缸側(cè)壁溫度統(tǒng)計見圖2。
2010年后5號高爐爐缸面積利用系數(shù)和爐缸側(cè)壁標(biāo)高8.68m～10.68m溫度相關(guān)性較強(qiáng)，開爐生產(chǎn)3年后爐缸側(cè)壁開始受到一定侵蝕，這與5號高爐生產(chǎn)實際相吻合。5號高爐在爐缸面積利用系數(shù)不斷變化過程中，爐缸側(cè)壁溫度也處于波動狀態(tài)。在高利用系數(shù)生產(chǎn)時，控制正常的鐵口深度，確保渣鐵熱量穩(wěn)定充沛，維持爐缸內(nèi)渣鐵液面的穩(wěn)定和良好的透氣、透液性等，對穩(wěn)定爐缸側(cè)壁溫度有一定效果。5號高爐爐芯溫度和煤比統(tǒng)計見圖3。
5號高爐長期180kg/t以上高煤比生產(chǎn)時，爐芯溫度相對會處于較低值，例如，2008年11月至2009年11月和2010年11月至2012年4月這兩個時間段，爐芯溫度相對長期處于較低值。特別是，2010年11月至2012年4月這個時間段，爐芯溫度處于106～118℃這個開爐以來歷史最低階段，期間，2011年10月至11月爐況失常，退全焦負(fù)荷一段，爐芯溫度有小幅度上升了10℃，上升到117～126℃。但總體情況是，5號高爐在煤比不斷提高的過程中爐芯溫度呈下降的趨勢，見圖3，此時應(yīng)該密切關(guān)注爐芯溫度和爐缸側(cè)壁溫度，爐內(nèi)壓量關(guān)系和鐵口工作狀態(tài)等，將上述現(xiàn)象綜合起來分析判斷爐缸工作狀態(tài)的活躍性。進(jìn)入2012年10月，通過對5號高爐爐芯溫度波動情況分析，5號高爐在由煤比200kg/t降低到煤比170～180kg/t時，爐內(nèi)料柱的未燃煤粉量減少，有助于提高其透氣、透液性，從而對提高爐芯溫度有一定的效果。5號高爐通過分析料柱透氣、透液性并與爐內(nèi)壓量關(guān)系，爐底爐缸各層溫度以及各鐵口工作狀態(tài)來監(jiān)視爐缸工作狀態(tài)，查找爐缸狀態(tài)發(fā)生變化的原因，調(diào)整爐缸工作狀態(tài)。
1.3爐芯溫度與爐缸側(cè)壁溫度對爐缸活躍性的表現(xiàn)
高爐生產(chǎn)要求爐缸活躍，爐缸環(huán)流減弱，中心死料堆具有足夠的透液性。希望爐缸側(cè)壁的溫度應(yīng)保持足夠低的水平，而爐底中心的溫度需保持在適當(dāng)?shù)乃健?號高爐爐芯溫度與爐缸鐵口以下部位側(cè)壁溫度相關(guān)性很強(qiáng)。
5號高爐爐芯溫度與爐缸側(cè)壁標(biāo)高9.535m、9.68m、10.515m和10.68m這4層溫度關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，特別是爐缸側(cè)壁標(biāo)高9.535m、9.68m(鐵口標(biāo)高下1.0m)關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，即當(dāng)5號高爐爐芯溫度長期處于較低值時，該處的爐缸側(cè)壁溫度將會在波動中上升，對爐缸長壽造成一定的沖擊，故應(yīng)采取措施激活爐芯溫度。爐缸側(cè)壁磚襯的受侵蝕程度，出鐵口中心以上區(qū)域相對較輕;出鐵口中心以下區(qū)域較重，尤其是在出鐵口中心以下1～2m范圍。控制合理的爐芯溫度下適當(dāng)?shù)臓t缸活性對高爐接受強(qiáng)化冶煉和鐵口以下部位的爐缸長壽有重要的現(xiàn)實意義。爐缸側(cè)壁溫度和爐芯溫度有一定的關(guān)聯(lián)度，爐芯溫度高，反應(yīng)爐芯的透液性好，爐缸渣鐵環(huán)流弱，對爐缸側(cè)壁的沖刷弱;爐芯的透液性差，爐芯溫度逐漸降低，爐缸渣鐵環(huán)流強(qiáng)，勢必加劇對爐缸側(cè)壁的沖刷。對爐芯溫度的管理，把爐芯溫度維持在一定的范圍內(nèi)，有利于爐缸側(cè)壁的維護(hù)。
鑒于爐芯溫度和爐缸側(cè)壁溫度的關(guān)聯(lián)性，特別是鐵口標(biāo)高下1.0m處的爐缸側(cè)壁溫度與爐芯溫度相關(guān)性強(qiáng)，從爐缸長壽角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)爐缸工作狀態(tài)和爐缸侵蝕模型的研究。5號高爐應(yīng)采取一定的措施來減緩鐵口標(biāo)高下1.0m處爐缸側(cè)壁的侵蝕，即減少爐缸與爐底處的“象腳”侵蝕，使?fàn)t缸與爐底形成“鍋底狀”侵蝕，從而延長其壽命。高爐爐缸溫度出現(xiàn)一個“溫度峰”值，即表明爐缸工作狀態(tài)的波動程度，將使磚襯暴露在激烈的侵蝕環(huán)境中，導(dǎo)致侵蝕發(fā)生。爐底溫度下降是爐芯溫度降低和爐缸活躍性下降的信號，是爐底凝鐵層增厚的表現(xiàn)。抬高爐芯溫度、減薄凝鐵層需要大量熱量。通過作高燃料比、保持長時間較高爐溫才能達(dá)到此目的。
2探討活躍爐缸的措施
爐缸工作狀態(tài)不良，使鐵水環(huán)流加劇，是側(cè)壁溫度升高的主要原因。爐前作業(yè)質(zhì)量變差在一定程度上能夠?qū)е聽t缸側(cè)壁溫度升高，同時也是爐缸工作狀態(tài)不良的表現(xiàn)，控制側(cè)壁溫度升高的操作措施，其出發(fā)點都在于激活爐缸中心。據(jù)5號高爐生產(chǎn)實踐和文獻(xiàn)，大型高爐活躍爐缸的措施有以下幾個點。
(1)加深死鐵層，盡量使鐵水經(jīng)過死鐵層，從死焦堆下面流過。這在設(shè)計爐型時就要對現(xiàn)有正在生產(chǎn)的各大型高爐的爐缸工作狀態(tài)和長壽情況進(jìn)行大量統(tǒng)計分析，以論證出合理的死鐵層深度。加深死鐵層深度，是抑制爐缸“象腳狀”異常侵蝕的有效措施。死鐵層加深以后，可在一定程度上避免死料柱直接沉降在爐底上，容易形成自由焦炭層，加大了死料柱與爐底之間的鐵流通道，增強(qiáng)了鐵水在整個爐缸中的流動，可在一定程度上減輕鐵水環(huán)流，容易維持爐缸的活躍狀態(tài)，有利于爐缸爐底壽命的延長。在死鐵層深度淺的高爐上，由于自由焦炭層的反復(fù)生成或消除，在爐底側(cè)壁溫度與爐底底面溫度之間經(jīng)一定時間滯后，具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。
(2)適當(dāng)加高爐缸高度，高爐在大噴煤操作條件下，爐缸風(fēng)口回旋區(qū)結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變。適當(dāng)加高爐缸高度后，不僅有利于煤粉在風(fēng)口前的燃燒，而且還可以增加爐缸容積，以滿足高效強(qiáng)化生產(chǎn)條件下的渣鐵儲存，減少在強(qiáng)化冶煉條件下出現(xiàn)爐缸“憋風(fēng)”的可能性。同時，在焦炭質(zhì)量，焦炭負(fù)荷，料柱的透氣性和高爐強(qiáng)化冶煉程度一定的情況下，該項措施能減少死料柱侵入鐵水的深度。5號高爐在高煤比、高利用系數(shù)生產(chǎn)時，非常重視爐芯溫度和爐缸側(cè)壁各層溫度的變化情況，將它同爐內(nèi)壓量關(guān)系的適應(yīng)性統(tǒng)一起來考慮高爐在強(qiáng)化冶煉時的接受程度，以調(diào)整焦炭負(fù)荷。提高焦炭強(qiáng)度和改善其粒度組成，增加死焦柱緩動區(qū)的孔隙度，使鐵水容易通過。追求穩(wěn)定而良好的焦炭質(zhì)量，不僅有利于大型高爐的順行和強(qiáng)化，也有利于減輕其爐缸侵蝕。
(3)對爐前作業(yè)進(jìn)行細(xì)化管理。保持出鐵速度的均衡、穩(wěn)定，使鐵水穿過死焦堆的速度能滿足出鐵速度的需要。5號高爐通過控制開口鉆頭的大小、開口時間、鐵口出盡情況和打泥量，以控制合理的鐵口深度，減輕出鐵時在鐵口附近形成的鐵水渦流，力求始終保持爐缸內(nèi)渣鐵液面的穩(wěn)定，有利于穩(wěn)定爐缸工作狀態(tài)和減緩爐缸侵蝕。大型高爐通過控制渣鐵流速，使?fàn)t渣和鐵水保持24h長流，可保持爐缸內(nèi)渣鐵液面維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于減少鐵水環(huán)流對爐缸側(cè)壁的侵蝕。在高爐產(chǎn)量和操作條件基本不變的情況下，爐前作業(yè)和鐵口維護(hù)困難往往是爐缸不活、鐵水環(huán)流增強(qiáng)的直觀表現(xiàn)。爐缸側(cè)壁溫度上升主要取決于爐底溫度高低、鐵水環(huán)流強(qiáng)度和爐缸活躍與否[9]。經(jīng)過對2010年來5號高爐爐前出鐵次數(shù)，鐵口深度穩(wěn)定性和工作狀態(tài)等情況與爐芯溫度進(jìn)行探索分析，發(fā)現(xiàn)一段時期的出鐵次數(shù)與爐芯溫度有著一定的關(guān)聯(lián)性。
(4)爐缸內(nèi)粘稠層的消除和碳磚的脆化是高爐爐底爐缸侵蝕的主要原因。保持爐缸區(qū)長期穩(wěn)定充沛的熱量，實現(xiàn)爐熱水平的長期穩(wěn)定，是維持爐缸活性的基本措施。爐缸熱分布的關(guān)鍵是中心熱量充足，希望風(fēng)口前燃燒焦點的溫度不過分高，但沿爐缸直徑方向溫度梯度減小，爐缸整體活躍、熱量充足。達(dá)到這種理想的狀態(tài)，會使高爐“物慣性”和“熱慣性”增加。即當(dāng)高爐的熱供給或原料成分有所波動時，在一段時間內(nèi)對鐵水溫度、[Si]、[S]的影響較小。5號高爐的經(jīng)驗是，將理論燃燒溫度控制在2180～2250℃，風(fēng)速在265～275m/s，鼓風(fēng)動能在160～170kJ/s，生鐵含硅量在0.30%～0.50%，爐渣二元堿度在1.16～1.20，爐渣三元堿度在1.00～1.04，出鐵后期鐵水測溫不低于1510℃。通過控制合理的渣鐵成分和熱量，確保其良好的流動性。死料柱中心不活會導(dǎo)致鐵水靠近側(cè)壁流動，從而引起爐缸耐材的嚴(yán)重磨損，尤其在鐵水流速過快時。增加鐵口深度，可以減少鐵口下方的爐底角部侵蝕[11]。
(5)5號高爐長期高煤比的生產(chǎn)實踐表明，大型高爐在長期高煤比生產(chǎn)時，要更加注重爐缸工作狀態(tài)的活躍性。大型高爐在長期高煤比生產(chǎn)時易導(dǎo)致邊緣氣流發(fā)展，如果爐缸活性不足，必然會加劇爐缸側(cè)壁的侵蝕，引起側(cè)壁溫度升高。長期高煤比生產(chǎn)時活躍爐缸的主要途徑是改善焦炭質(zhì)量，增加鼓風(fēng)的穿透能力和選擇合適的風(fēng)速和鼓風(fēng)動能，追求爐缸的活躍，同時，進(jìn)行與其相適應(yīng)的高爐上部調(diào)劑，以控制合理的煤氣流分布，追求高爐操作的“上穩(wěn)下活。
(6)怎樣實現(xiàn)爐芯溫度的可控化，是大型高爐活躍爐缸的重要方面。在死料柱不活躍時，盡管鐵水溫度和含硅量保持在正常水平，但鐵水碳含量下降，硫含量增加。由于爐芯溫度和爐缸死料柱溫度有一定的相關(guān)性，可通過改善料柱溫度和工作狀態(tài)，來活躍爐缸。1)、維持爐況順行，減少偏尺、崩料、懸料、管道、渣皮脫落等現(xiàn)象和減少冷卻器漏水;2)、維持足夠且合理的理論燃燒溫度，保持穩(wěn)定而充沛的中心煤氣流溫度和適當(dāng)?shù)倪吘壝簹饬?。根?jù)側(cè)壁溫度升高達(dá)到的溫度水平，逐步加大入爐焦比，盡可能不用小塊焦。大幅度減少噴煤量和提高焦比可以加快爐缸焦炭的置換，減少噴煤對爐芯焦透液性和鐵水環(huán)流的影響。
鐵水滲透侵蝕、鐵水環(huán)流沖刷、爐襯溫度分布不同造成的應(yīng)力環(huán)裂以及800℃左右溫度區(qū)域的碳磚脆化、爐缸下部象腳型侵蝕等是高爐爐底、爐缸的主要破壞機(jī)制。當(dāng)今隨著中國高爐生產(chǎn)建設(shè)越來越趨向大型化，尤其有必要針對大型高爐的爐缸進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，在生產(chǎn)過程中確保其穩(wěn)定活躍，減少其被過度侵蝕，以實現(xiàn)大型高爐的穩(wěn)定長壽。
3結(jié)論
(1)煤比對爐芯溫度影響顯著，在高煤比生產(chǎn)情況下，爐芯溫度在通常情況下將會下行，并在較低位狀態(tài)下運(yùn)行。故高煤比生產(chǎn)時，保持穩(wěn)定充沛的爐缸熱量，良好的渣鐵流動性，減小死料柱冷凝物，實現(xiàn)熱制度和渣型的合理穩(wěn)定等，有利于爐缸工作狀態(tài)的穩(wěn)定和活躍。
(2)焦炭M10和熱態(tài)強(qiáng)度CSR對爐芯溫度作用明顯，從提高爐芯溫度，活躍爐缸的角度出發(fā)，應(yīng)加強(qiáng)焦炭強(qiáng)度的監(jiān)控，特別是這二個指標(biāo)低下，長期高煤比生產(chǎn)，并伴隨著爐芯溫度有下行趨勢時，就一定要加強(qiáng)爐缸活性的管理。
(3)影響爐缸工作狀態(tài)的因素很多，而且爐芯溫度與爐缸側(cè)壁溫度有較強(qiáng)的相關(guān)性，實現(xiàn)爐芯溫度的合理控制，研究、設(shè)計合理的爐缸結(jié)構(gòu)和提高爐缸活性等，對大型高爐接受強(qiáng)化冶煉和鐵口以下部位的爐缸長壽意義重大。