高爐長壽技術(shù)研究

張紅啟 張 明 王志剛 劉衛(wèi)國

1.前言

高爐長壽是一個(gè)系統(tǒng)工程，牽涉到設(shè)計(jì)、選材、施工、生產(chǎn)和維護(hù)等各個(gè)方面。山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠6號(hào)高爐第二代爐役于2010年9月17日開爐投產(chǎn)，實(shí)際爐容1000m3。2016年12月，爐缸側(cè)壁溫度高點(diǎn)達(dá)到420℃，進(jìn)入后期護(hù)爐生產(chǎn)階段，采取長壽技術(shù)和管理措施后，爐缸側(cè)壁溫度高點(diǎn)得到有效抑制。目前，爐缸側(cè)壁溫度長期穩(wěn)定運(yùn)行在300℃以下，維持高效低耗生產(chǎn)狀態(tài)。

截止2017年12月，6#高爐累計(jì)出鐵量為806.32萬噸，單位容積產(chǎn)鐵量達(dá)到8063.22噸，達(dá)到了高爐長壽高效低耗生產(chǎn)目標(biāo)（見表1）。

2.影響高爐長壽的因素分析

高爐能否長壽主要取決于以下因素的綜合效果：一是高爐大修設(shè)計(jì)或新建時(shí)采用的長壽技術(shù)，如合理的爐型、優(yōu)良的設(shè)備制造質(zhì)量、高效的冷卻系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)的耐火材料；二是良好的施工水平；三是穩(wěn)定的高爐操作工藝管理和優(yōu)質(zhì)的原燃料條件；四是有效的爐體維護(hù)技術(shù)[1]。

表1 萊蕪分公司2017年6號(hào)高爐生產(chǎn)績效

3.長壽技術(shù)研究與實(shí)施措施

6號(hào)高爐總結(jié)吸取同立級(jí)高爐長壽經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上一代爐役爐缸的破損情況，貫穿“高爐長壽就是最大的效益”思路，從大修前爐缸設(shè)計(jì)和選材選型，大修過程施工質(zhì)量把關(guān)，開爐后操作制度的選取和調(diào)整，到后期的高效護(hù)爐生產(chǎn)，形成了6號(hào)高爐高效生產(chǎn)狀態(tài)下的長壽模型。

3.1 采用爐缸耐材熱面形成渣鐵凝固層為導(dǎo)向的長壽設(shè)計(jì)

6號(hào)高爐大修爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的操作理念是以爐缸耐材熱面渣鐵凝固層的穩(wěn)定為指導(dǎo)方針，確立“高導(dǎo)熱性熱壓碳磚+陶瓷杯”的爐缸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。熱壓小塊碳磚配置結(jié)構(gòu)采用優(yōu)良的熱壓小塊碳磚緊貼冷卻壁砌筑，其低孔隙度能阻止鐵水和渣的滲透，具有高抗堿性能，可吸收部分熱應(yīng)力，配以高效的水冷系統(tǒng)，靠爐墻的有效的傳熱體系，將碳磚的熱面溫度降低，將爐缸的熱流迅速傳遞給冷卻系統(tǒng)帶出爐外，從而在爐缸側(cè)壁爐襯耐材的熱面形成一層穩(wěn)定的凝結(jié)保護(hù)層，抵抗?fàn)t缸側(cè)壁的“象腳型”侵蝕，建立和穩(wěn)定爐底爐缸渣皮是爐缸長壽的關(guān)鍵。

碳磚加陶瓷杯結(jié)構(gòu)是在碳磚爐缸的熱面設(shè)置一層陶瓷內(nèi)襯，靠陶瓷內(nèi)襯優(yōu)良的抗渣鐵和化學(xué)侵蝕性能來保護(hù)爐缸耐材不受侵蝕。其設(shè)計(jì)的理念是在碳磚熱面設(shè)置陶瓷耐材作為人造渣皮，初期人造渣皮比爐缸自動(dòng)再生渣皮更穩(wěn)定，對(duì)碳磚的保護(hù)將更理想，從而延長爐缸使用壽命[2]。

3.2 采用高導(dǎo)熱碳磚及微孔結(jié)構(gòu)的耐材選型及質(zhì)量管控

結(jié)合一代爐役后期爐缸各電偶測(cè)溫情況，大修拆除過程中確認(rèn)了爐缸侵蝕嚴(yán)重的部位在爐缸陶瓷杯墊（死鐵層下部）和爐缸側(cè)壁的結(jié)合處出現(xiàn)“象腳”侵蝕，爐底碳磚侵蝕程度較輕。大修時(shí)對(duì)爐缸的大碳磚實(shí)行保護(hù)性拆除，保留底部兩層碳磚，更換爐底上部的兩層微孔和超微孔碳磚，同時(shí)對(duì)爐缸側(cè)壁“象腳”侵蝕部位的碳磚換型為高導(dǎo)熱性熱壓碳磚結(jié)構(gòu)。

耐材質(zhì)量檢測(cè)實(shí)行專人跟蹤、現(xiàn)場(chǎng)取樣、雙地送檢、無名檢測(cè)把關(guān)制度，確保耐材質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。第一次取樣結(jié)果不符合技術(shù)條件規(guī)定時(shí)，允許再取一次，單獨(dú)復(fù)檢不合格的項(xiàng)目，復(fù)驗(yàn)樣品為第一次取樣數(shù)量的兩倍。如果第二次取樣仍不合格，則該批產(chǎn)品視為廢品，不能用來筑爐。半石墨碳磚、微孔碳磚和爐底立砌復(fù)合剛玉磚，必須在生產(chǎn)廠按設(shè)計(jì)和訂貨合同的要求進(jìn)行預(yù)砌。

3.3 設(shè)置完備的爐缸爐底測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一代爐役爐缸的侵蝕情況和爐缸熱電偶的強(qiáng)相關(guān)性說明了爐缸爐底測(cè)溫系統(tǒng)的重要和有效性。為了全面把握爐底爐缸耐材的侵蝕狀況并對(duì)爐缸異常點(diǎn)的捕捉，2010年6號(hào)高爐大修設(shè)置了完善的爐缸監(jiān)測(cè)設(shè)施，嚴(yán)格了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的熱電偶安裝質(zhì)量，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠真實(shí)地反映爐缸狀況。結(jié)合投資因素，爐底爐缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置為：

爐底設(shè)置3層深入爐心的滿鋪碳磚的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在圓周8個(gè)方向上均勻分布，每支熱電偶分別設(shè)置3-4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；爐缸在0.5m的間隔高度上設(shè)置16個(gè)方位的雙點(diǎn)熱電偶，并在每個(gè)鐵口的正下方和周圍各設(shè)置4個(gè)單獨(dú)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。爐缸冷卻水系統(tǒng)設(shè)置水溫差測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)爐缸熱負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，風(fēng)口各套、爐腹、爐腰、爐身分段冷卻壁排水管上設(shè)置測(cè)溫電偶，強(qiáng)化對(duì)各種異常情況的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

3.4 嚴(yán)把砌筑質(zhì)量關(guān)，確保爐缸無殘缺“自保護(hù)”渣鐵殼的形成

高爐爐缸爐底的砌筑質(zhì)量直接影響高爐爐缸爐底的使用壽命。磚襯的橫、縱向縫隙均不能過大，并且磚襯通過千斤頂頂實(shí)，防止鐵水從結(jié)合處大量滲入。以200mm寬、線膨脹系數(shù)為3.0×10-6碳磚為例，當(dāng)碳磚熱面達(dá)到1000℃時(shí)，單塊碳磚的橫向膨脹長度為0.6mm，因此需要保證在砌筑過程中磚縫寬度小于lmm，避免由于磚縫過寬導(dǎo)致鐵水的輕易滲入。

采用熱壓碳磚直接頂砌冷卻壁，排除由于填料的存在導(dǎo)致熱量傳輸受限的影響。而實(shí)現(xiàn)頂砌冷卻壁，需要保證炭磚與冷卻壁良好接觸，使炭磚與冷卻壁間緊密接觸，排除氣隙對(duì)傳熱的不利影響。針對(duì)熱壓碳磚施工的頂砌要求和目的，實(shí)行爐內(nèi)弧形磨磚施工工藝改進(jìn)以解決外環(huán)縫及各環(huán)碳磚間的“三角縫”超標(biāo)問題，實(shí)現(xiàn)了爐缸側(cè)壁無殘缺高質(zhì)量的長壽砌筑要求。

3.5 加強(qiáng)高爐長期穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)原料條件管理

國內(nèi)外研究結(jié)果表明，ZnO和K2O的化學(xué)侵蝕是爐缸陶瓷杯及碳磚破損的主要因素之一。目前萊鋼執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ZnO≤0.3kg/tFe，(K2O+Na2O)≤3kg/tFe，降低兩種元素循環(huán)富集量，主要從入爐原料和高爐操作兩個(gè)角度加強(qiáng)控制。

通過調(diào)查，高爐ZnO和K2O帶入主要以燒結(jié)礦為主，現(xiàn)行可控制措施是，一方面配料過程中，調(diào)整高鋅料配比，另一方面停配高爐重力灰和干法灰，進(jìn)而降低Zn、K含量至允許范圍內(nèi)。高爐操作中，6號(hào)高爐通過適當(dāng)發(fā)展邊緣氣流、提高爐頂溫度、增加煤氣流速以及調(diào)整造渣制度操作手段中的一項(xiàng)或綜合幾項(xiàng)，達(dá)到上下部共同降低富集量。同時(shí)定期檢測(cè)進(jìn)出口產(chǎn)品ZnO和K2O含量，測(cè)算富集量是否控制范圍內(nèi)，以此驗(yàn)證操作控制效果。在高爐前端配料上，實(shí)行定期停配高ZnO料種，實(shí)現(xiàn)源頭降堿、爐內(nèi)排堿，降低爐內(nèi)堿金屬富集量，高爐保持長期穩(wěn)定順行目的。

3.6 加強(qiáng)高爐長壽化操作制度參數(shù)調(diào)整

優(yōu)化裝料制度，合理控制兩股氣流分布。結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃要求和原料條件變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整爐頂布料參數(shù)，即布料角度、布料圈數(shù)、礦批、料線等，達(dá)到以“中心氣流為主，邊緣氣流為輔”控制模式，增強(qiáng)氣流穩(wěn)定性，有效抑制邊緣氣流對(duì)爐缸上部的沖刷。

改善渣鐵成份，延緩爐缸侵蝕，6號(hào)高爐采取“高堿、中硅、低硫、高熱”八字操作方針。高堿：終渣堿度1.2-1.25，因高堿度爐渣熔化溫度高，更有利于在爐缸側(cè)壁形成穩(wěn)定的保護(hù)渣殼，降低液態(tài)渣鐵沖刷侵蝕；中硅：[Si]0.45%，有效促進(jìn)侵蝕位置鈦化物沉積；低硫：[S]0.02%-0.025%，適當(dāng)提高鐵水粘度，降低鐵水流動(dòng)性沖刷；高熱：[T]1480℃，保證爐缸充足熱狀態(tài)，減輕爐缸堆積，提高爐缸抗波動(dòng)能力。

3.7 爐缸側(cè)壁溫度升高后的高效護(hù)爐生產(chǎn)技術(shù)措施

當(dāng)出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度局部高點(diǎn)時(shí)，采取堵部分侵蝕嚴(yán)重部位上方的風(fēng)口，可以有效減緩爐缸環(huán)炭的侵蝕?？s小進(jìn)風(fēng)面積，提高鼓風(fēng)動(dòng)能，保證爐缸均勻活躍

高爐爐役后期，各層冷卻壁內(nèi)襯侵蝕嚴(yán)重，操作上控制邊緣氣流，適當(dāng)發(fā)展中心氣流，達(dá)到減輕煤氣流對(duì)內(nèi)襯侵蝕的目的。

4.結(jié)論

1.采用爐缸耐材熱面形成渣鐵凝固層為導(dǎo)向的長壽設(shè)計(jì)，實(shí)行“高導(dǎo)熱性熱壓碳磚+陶瓷杯”的爐缸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以爐缸耐材熱面渣鐵凝固層的穩(wěn)定為指導(dǎo)方針，在爐缸側(cè)壁爐襯耐材的熱面形成一層穩(wěn)定的凝結(jié)保護(hù)層，抵抗?fàn)t缸側(cè)壁的“象腳型”侵蝕[3]。

2.嚴(yán)把砌筑質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格磚縫施工監(jiān)理，實(shí)行爐內(nèi)弧形磨磚“去三角縫”施工技術(shù)，防止因局部砌筑質(zhì)量引起的氣隙、滲漏壽命縮短問題，確保爐缸無殘缺“自保護(hù)”渣鐵殼的形成。

3.正常生產(chǎn)中，保持高爐長期穩(wěn)定順行的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)入爐有害元素的管控，采取源頭定期降堿爐內(nèi)排堿技術(shù)，控制爐內(nèi)有害元素富集量的相對(duì)平衡，減少有害元素對(duì)爐缸和順行的破壞，提高高爐壽命。

4.在后期護(hù)爐生產(chǎn)中，采取長風(fēng)口、高動(dòng)能護(hù)爐技術(shù)。通過改變送風(fēng)面積，采用小風(fēng)口、長風(fēng)口，提高鼓風(fēng)動(dòng)能的護(hù)爐技術(shù)，既可以改善爐缸的工作狀態(tài)，又可以減少高溫煤氣流對(duì)爐襯的沖刷侵蝕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄒忠平,項(xiàng)鐘庸,歐陽標(biāo),等. 高爐爐缸長壽設(shè)計(jì)理念及長壽對(duì)策[J].鋼鐵研究,2011,39（1）

[2] 張壽榮 高爐長壽技術(shù)展望[J].鋼鐵研究,2009,37(4)

[3] 張壽榮,于仲潔．武鋼高爐長壽技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社．2009.