本鋼5 號(hào)高爐爐缸破損調(diào)研分析

趙 喜 高立波

1.概述

本鋼板材煉鐵廠5號(hào)高爐于2001年11月1日擴(kuò)容改造大修后開爐至2017年12月20日停爐，生產(chǎn)16年1個(gè)月，累計(jì)生鐵產(chǎn)量2763.8萬噸，單位爐容產(chǎn)鐵量達(dá)到10630t/m3。見表1。

高爐爐缸采用“陶瓷杯+UCAR小塊炭磚風(fēng)冷爐底”復(fù)合結(jié)構(gòu)，在爐底風(fēng)冷管上部鋪滿高導(dǎo)熱炭素?fù)v料，搗實(shí)找平。爐底共砌六層國產(chǎn)大塊炭磚，爐底下部第1-2層為石墨炭磚，第3-6層為半石墨炭磚。爐缸側(cè)壁環(huán)砌37層美國UCAR熱壓小塊炭磚，上部采用15層半石墨炭碳化硅磚和2層剛玉磚。爐底第六層炭磚上部采用2層剛玉莫來石磚，側(cè)壁亦采用剛玉莫來石砌筑，爐底爐缸內(nèi)側(cè)形成陶瓷質(zhì)杯體。

2.爐缸運(yùn)行及采取的措施

2015年6月6日，2號(hào)鐵口下方81號(hào)、82號(hào)、83號(hào)、84號(hào)水管水溫差及熱流強(qiáng)度出現(xiàn)超高現(xiàn)象，其中82號(hào)水溫差達(dá)到1.40℃，熱流強(qiáng)度達(dá)到12.5wkJ/m2?h，之后由于高爐產(chǎn)量出現(xiàn)下降，熱流強(qiáng)度逐漸下降，并出現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。2017年，利用3次休風(fēng)時(shí)間，分別在爐缸二段中部，即爐缸“象腳”區(qū)域附近安裝了淺表電偶33點(diǎn)、貼皮電偶47點(diǎn)。2017年3月10日，爐缸二段淺表電偶點(diǎn)TE4183（2號(hào)鐵口下方，80號(hào)-82號(hào)水管之間）出現(xiàn)上升趨勢(shì)，最高達(dá)到317℃，同時(shí)水溫差及熱流強(qiáng)度也出現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)此采取了相應(yīng)措施，把產(chǎn)量由5500t/d -5600t/d降低到5200t/d-5300t/d；用釩鈦礦護(hù)爐，使鐵中鈦含量在0.15%-0.20%；爐溫控制在0.5%-0.6%。之后的爐溫逐漸下降，運(yùn)行趨于平穩(wěn)。2017年9月1日該點(diǎn)溫度又出現(xiàn)上升，為了保證高爐爐缸安全生產(chǎn)，進(jìn)一步限產(chǎn)到5000t/d。2017年12月份爐缸溫度波動(dòng)頻繁，其中爐缸溫度點(diǎn)TE4075（3 號(hào)鐵口左下方）持續(xù)升高，最高達(dá)316℃，因此進(jìn)一步限產(chǎn)到4500t/d。 2017年12月18日控料線停爐，放殘鐵對(duì)爐缸進(jìn)行了整體澆筑。見表2。

表1 2013-2018年本鋼5號(hào)高爐技術(shù)指標(biāo)比較

表2 本鋼5號(hào)高爐爐缸溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及采取的措施 ℃

表3 2號(hào)鐵口下方象腳區(qū)域侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù) mm

3.爐缸重點(diǎn)部位破損調(diào)查分析

3.1 爐缸鐵口區(qū)域侵蝕情況

鐵口區(qū)工作條件惡劣，渣鐵環(huán)流沖刷加劇了爐缸的破損，鐵口成為環(huán)流的終點(diǎn)，也是爐缸破損情況的分界線。在實(shí)際調(diào)查中，爐缸陶瓷杯已基本被侵蝕，部分已與渣鐵殼粘接在一起，有3個(gè)鐵口區(qū)域炭磚被不同程度侵蝕，最嚴(yán)重的部位為鐵口附近及鐵口下方。

3個(gè)鐵口第1-37層UCAR炭磚都出現(xiàn)不同程度侵蝕，侵蝕嚴(yán)重部位集中出現(xiàn)在16-25層，3個(gè)鐵口眼全部侵蝕成“凹”陷，鐵口下方“象腳”區(qū)域侵蝕最為嚴(yán)重，侵蝕范圍也最大。3個(gè)鐵口下方象腳區(qū)侵蝕范圍分別為4500mm-5480mm。其中2號(hào)鐵口下方區(qū)域較為特殊，侵蝕最嚴(yán)重部位出現(xiàn)在8-12層，尤其第9層炭磚出現(xiàn)了局部嚴(yán)重侵蝕現(xiàn)象，剩余厚度248.1mm；2號(hào)鐵口到3號(hào)鐵口下方象腳區(qū)出現(xiàn)連續(xù)侵蝕現(xiàn)象；而1號(hào)鐵口到3號(hào)鐵口之間象腳區(qū)域有未侵蝕區(qū)域。經(jīng)過分析認(rèn)為，這與3個(gè)鐵口之間的夾角不同有很大關(guān)系。見表3。

3.2 非鐵口區(qū)域侵蝕調(diào)查

在破損調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)18號(hào)-19號(hào)風(fēng)口下方象腳區(qū)侵蝕最嚴(yán)重，從14層-1層UCAR炭磚均出現(xiàn)不同程度侵蝕情況，其中第6層炭磚侵蝕深度達(dá)619mm，炭磚僅182.5mm，此處為爐缸淺表電偶溫度最高點(diǎn)，2017年12月份出現(xiàn)波動(dòng)，溫度最高達(dá)到320℃，侵蝕部位與溫度升高部位相吻合，同時(shí)此區(qū)域侵蝕長度范圍達(dá)到6100mm，炭磚侵蝕高度達(dá)2000mm，一直延伸到24號(hào)風(fēng)口下方。見表4、表5。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，Zn含量隨著環(huán)炭磚磚襯的減薄混合物中的明顯增加，尤其在2號(hào)鐵口下部急劇增加，這種情況在日后生產(chǎn)中需引起重視。

4.爐底大炭磚侵蝕情況

2018年1月1日，在清理殘鐵過程中發(fā)現(xiàn)爐底大炭磚侵蝕嚴(yán)重，爐缸四周邊緣第6、5、4、3層大炭磚僅剩余部分，爐底侵蝕形狀為“鍋底”形。隨著爐缸殘鐵清理發(fā)現(xiàn)，第2層大炭磚已侵蝕掉大約160mm。2月3日，在清理爐底第2層大炭磚，距離3號(hào)鐵口1160mm距離處，發(fā)現(xiàn)第2層大炭磚夾縫間侵蝕進(jìn)鐵水，并已經(jīng)形成冷凝鐵片，并已延伸到爐底第1層炭磚上面，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)第1層炭磚表面局部有環(huán)裂現(xiàn)象。

對(duì)第二層炭磚夾縫中鐵片進(jìn)行化學(xué)分析，通過數(shù)據(jù)分析炭磚夾縫鐵片[Si]為0.234%，說明鐵水已經(jīng)侵入到炭磚內(nèi)部，由于鐵水中[Si]含量不高，長期低爐溫操作會(huì)加劇對(duì)爐底的侵蝕。所以在爐役后期要重視爐溫的控制水平，防止長期低爐溫操作加劇爐底的侵蝕作用。

針對(duì)爐底炭磚及爐底炭磚表面侵蝕物進(jìn)行了采樣并化驗(yàn)分析，通過數(shù)據(jù)看出，Zn更多吸附在磚外渣皮，鉀鈉更容易進(jìn)入碳內(nèi)部對(duì)炭磚造成破壞。Zn含量過低容易對(duì)炭磚起到破壞作用。見表6。

表4 18號(hào)-19號(hào)風(fēng)口下方象腳區(qū)破損調(diào)查數(shù)據(jù) mm

表5 爐缸環(huán)砌炭磚工作熱面混合物檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 爐底大塊炭磚侵蝕面渣鐵混合物成分

5.破損調(diào)研結(jié)論

5.1 爐缸侵蝕分析

（1）側(cè)壁侵蝕

通過分析破損調(diào)研數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)5號(hào)高爐爐缸側(cè)壁侵蝕嚴(yán)重：1號(hào)鐵口區(qū)域從第12層UCAR環(huán)碳往下侵蝕越來越嚴(yán)重，侵蝕區(qū)域?qū)挾葟?600mm到4500mm；2號(hào)鐵口區(qū)域從第15層UCAR環(huán)碳往下侵蝕越來越嚴(yán)重，侵蝕區(qū)域?qū)挾葟?400mm到5300mm，其中2號(hào)鐵口左下方第10-8層侵蝕嚴(yán)重，剩余炭磚厚度為248 mm、264 mm、284 mm，均小于300mm；3號(hào)鐵口區(qū)域從第17層UCAR環(huán)碳往下侵蝕越來越嚴(yán)重，侵蝕區(qū)域?qū)挾葟?600mm到5480mm；侵蝕最為嚴(yán)重區(qū)域?yàn)榉氰F口區(qū)域18號(hào)-19號(hào)風(fēng)口下方象腳區(qū)，從14層UCAR環(huán)炭往下均出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕情況，其中第6層炭磚侵蝕深度達(dá)619mm，剩余炭磚厚度僅182.5mm，此處為爐缸淺表電偶溫度最高點(diǎn)，溫度最高達(dá)到320℃，此處侵蝕區(qū)域?qū)挾冗_(dá)到6350mm，侵蝕區(qū)域高度達(dá)2000mm，一直延伸到22號(hào)風(fēng)口下方。驗(yàn)證了停爐的正確性和及時(shí)性，有效防止了爐缸燒穿的安全事故發(fā)生。

（2）鐵水滲透侵蝕

從高度方向上分析，爐缸側(cè)壁呈現(xiàn)明顯的象腳狀侵蝕，最嚴(yán)重區(qū)域在第6-10層，標(biāo)高7.19m-7.65m，即距離鐵口中心線(9.2m)以下1.5m-2m區(qū)域；從圓周方向上分析，爐缸侵蝕嚴(yán)重區(qū)域分布在3個(gè)鐵口下方以及18號(hào)-21號(hào)風(fēng)口下方。綜合高度和圓周方向上的侵蝕特征，可知，爐缸環(huán)流是造成爐缸侵蝕加劇的主要因素。此外，爐底大炭磚夾層均發(fā)現(xiàn)鐵的滲透現(xiàn)象，可見鐵水的滲透侵蝕也是造成爐缸炭磚侵蝕的主要原因。

（3）Zn、K、Na的侵蝕

Zn、K、Na在爐內(nèi)各位置的沉積物、渣皮、磚襯中分布極其不均勻，主要分布在鐵口上部渣皮和被鐵水熔蝕的炭磚前端脆化層中，在很多渣皮中憑肉眼就可見遍布白色和淡黃色的Zn、K爐渣，說明有富積現(xiàn)象存在。但是在爐底陶瓷墊內(nèi)、第二段冷卻壁炭磚和陶瓷杯外表面K、Na、Zn含量都不高，環(huán)裂中采樣含量也不高，說明堿金屬和鋅對(duì)風(fēng)口附近有一定的侵蝕作用，但不是鐵口下部炭磚侵蝕的主要原因。

（4）水蒸氣的破壞

高爐冷卻壁漏水后，爐內(nèi)H2O(g)含量增加，爐缸側(cè)壁炭磚或碳復(fù)合磚等耐火材料便會(huì)處在含水蒸氣氣氛條件下，對(duì)耐火材料產(chǎn)生氧化破壞。爐缸部位炭磚一旦受到氧化侵蝕，其表面會(huì)產(chǎn)生脆化區(qū)域，為疏松的粉狀物質(zhì)，在外力作用下很容易破碎，加速炭磚侵蝕。2號(hào)、3號(hào)鐵口及20號(hào)風(fēng)口方向區(qū)域冷卻壁漏水屬于比較嚴(yán)重區(qū)域，這與該區(qū)域下部對(duì)應(yīng)爐缸破損嚴(yán)重相吻合。

（5）釩鈦?zhàn)o(hù)爐效果一般

爐缸環(huán)碳表面及陶瓷杯墊表面有TiC晶體析出，并存在一定的富集層，說明釩鈦?zhàn)o(hù)爐起到了一定效果；但是該富集層很薄，富集層內(nèi)Ti含量并不高，化驗(yàn)數(shù)據(jù)僅為1.5%左右，只有少量的局部區(qū)域達(dá)到30%。同時(shí)爐缸環(huán)碳處滲鐵Ti含量僅0.101%，說明釩鈦礦護(hù)爐效果一般。

5.2 爐底炭磚侵蝕分析

（1）爐齡超期

5號(hào)高爐自2001年擴(kuò)容性改造投產(chǎn)，到2017年12月已經(jīng)生產(chǎn)了接近17年，超期服役2年多，這是爐底出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕的重要原因。

（2）風(fēng)冷爐底冷卻強(qiáng)度不夠

5號(hào)高爐采用風(fēng)冷爐底結(jié)構(gòu)，爐底冷卻強(qiáng)度不夠，在服役接近17年后爐底6層炭磚侵蝕剩余1層半。對(duì)比本鋼7號(hào)高爐爐底采用水冷結(jié)構(gòu)，在服役11年后爐底陶瓷墊爐缸邊緣剩余1層，爐缸中心雖然陶瓷墊侵蝕掉，但是在大炭塊的表面形成了致密的混合物，起到了保護(hù)爐底的作用，可見爐底風(fēng)冷冷卻強(qiáng)度不夠是造成5號(hào)爐爐底侵蝕的主要原因。

（3）漂浮作用的破壞

高溫鐵水比重比較大，再加上靜壓力的作用，即使磚縫很小也會(huì)滲入，會(huì)對(duì)爐底炭磚產(chǎn)生漂浮作用，導(dǎo)致炭磚砌體破壞。

6.高爐安全長壽建議

高爐長壽要融合各方面綜合因素才能達(dá)到。首先，要完善高爐爐缸侵蝕監(jiān)測(cè)手段，完善的監(jiān)測(cè)手段才能發(fā)現(xiàn)隱患，并做出相應(yīng)的有效防范措施。其次，在高爐操作管理方面可以采取以下措施減輕爐缸侵蝕：

（1）針對(duì)大修或新建高爐，開爐達(dá)產(chǎn)不宜過快，以10天-20天冶煉鑄造鐵為宜。一方面，使?fàn)t缸一開始就生成石墨碳以封堵部分磚縫，另一方面，保證爐缸結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力得到釋放，爐缸襯磚及搗料得到二次固結(jié)，避免爐缸熱應(yīng)力破損。

（2）爐缸陶瓷墊與爐缸環(huán)碳的結(jié)構(gòu)縫及爐缸四周搗料質(zhì)量是引發(fā)爐缸發(fā)生“象腳”狀侵蝕的重要原因。爐缸環(huán)碳與陶瓷杯和爐底陶瓷墊砌筑結(jié)構(gòu)縫的科學(xué)設(shè)計(jì)和砌筑質(zhì)量要重點(diǎn)關(guān)注。

（3）適當(dāng)控制產(chǎn)量，不能過于短期追求產(chǎn)量第一；同時(shí)，一定要密切把控原燃料質(zhì)量、料柱透氣性指數(shù)、爐缸活躍性和渣鐵排放。爐底爐缸侵蝕表面上受產(chǎn)量、風(fēng)量影響明顯，但從本質(zhì)上是受爐缸透液性和鐵水流動(dòng)狀態(tài)的影響。

（4）合理有效的爐缸灌漿，可以減少氣隙，保證冷卻效果。

（5）加強(qiáng)鐵口維護(hù)，保證鐵口深度。提高炮泥質(zhì)量，嚴(yán)禁潮鐵口出鐵。各鐵口間要出鐵均勻，保證出凈渣鐵。

（6）可以考慮周期性釩鈦礦護(hù)爐，保證高爐炭磚溫度及爐缸水溫差在受控范圍內(nèi)。

（7）科學(xué)合理的設(shè)計(jì)冷卻壁的水管直徑和冷卻水流量，保證冷卻強(qiáng)度。

（8）控制入爐堿金屬和鋅的含量。高爐堿金屬負(fù)荷要控制在3.0kg/t以下，高爐鋅負(fù)荷要控制在0.15kg/t以下。

（9）高爐爐役后期生產(chǎn)期間，應(yīng)防止?fàn)t溫大幅波動(dòng)，嚴(yán)禁長時(shí)間低爐溫操作。

參考文獻(xiàn)略