馬鋼A 高爐爐缸侵蝕機理及護爐生產(chǎn)

凌明生，李駿峰，郝團偉

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

馬鋼A 高爐（4000m3，以下簡稱A 爐）于2017 年2 月投產(chǎn)，配有4 個鐵口（標(biāo)高11300mm），至今運行13 余年。目前A 爐處于一代爐齡后期，隨著爐缸炭磚溫度升高，爐缸的安全長壽問題成為了當(dāng)前的重點。經(jīng)歷了2019 年1 月4 日爐缸炭磚B2 點最高上升至684℃后，A 爐進入爐缸特護階段，逐步采取了加鈦球、用含鈦炮泥、降冶強、提高局部冷卻強度等措施后爐缸狀況好轉(zhuǎn)。然而從生產(chǎn)實踐來看，長時間護爐生產(chǎn)，尤其是含鈦物料護爐也會帶來爐缸堆積，影響爐缸活性，不利于爐況穩(wěn)定順行。所以，在保證爐缸安全的前提下，順應(yīng)爐況變化高爐適時調(diào)整應(yīng)對，并做好爐況、產(chǎn)量及長壽之間的平衡，獲得了較好的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。

1 爐缸侵蝕機理

爐缸壽命決定了高爐的長壽，故A 爐采用的是抗渣鐵侵蝕能力較強的陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底結(jié)構(gòu)。隨著冶煉生產(chǎn)的進行，作為渣鐵液的盛放區(qū)，爐缸下部周期性經(jīng)受著高溫渣鐵的聚集與排放，爐內(nèi)渣鐵液面隨之流動升降沖刷，以及高溫煤氣流的沖蝕成為了爐缸區(qū)域主要的破損原因，其中鐵口區(qū)域侵蝕相比更為嚴重。由于高爐冶煉造堿性渣，作為酸性的高爐內(nèi)襯，需要經(jīng)受高溫下的化學(xué)性渣化。風(fēng)口燃燒帶位于爐缸上部，燃燒生成的高溫煤氣流使得此處成為整個高爐最高溫度區(qū)域，所以具備較好耐高溫性能的爐襯常被應(yīng)用在此區(qū)域，此外爐缸部位還要承受不容小覷的側(cè)向壓力。因此，隨著高爐冶煉的進行，爐缸侵蝕在所難免，而采取有效措施延長爐缸壽命對于高爐長壽至關(guān)重要。

爐缸炭磚是一種緩蝕內(nèi)襯，即侵蝕掉一層，就減薄一層，難以修補，所以爐役后期爐缸安全制約了高爐的壽命。從侵蝕機理出發(fā)，高爐爐役后期應(yīng)從減少渣鐵液滲透侵蝕、鐵水環(huán)流沖蝕方面著手來延長高爐壽命。張建良等[1]研究表明，高爐爐缸侵蝕嚴重部位縱向主要集中在鐵口中線以下1-3m（死料柱根部附近），周向主要為鐵口區(qū)域，受周期性出鐵帶來的鐵水沖刷以及受死料柱透液性變差后的環(huán)流加強的影響，爐缸侵蝕在所難免。因此，爐缸維護的基本原理就是要控制爐襯的侵蝕速度，采取適當(dāng)?shù)淖o爐措施在爐襯表面形成相對穩(wěn)定的“凝鐵層”，從而延長爐缸壽命。

2 護爐生產(chǎn)

護爐的關(guān)鍵是在鐵水與炭磚層之間形成“凝鐵層”，起到阻隔高溫鐵水，達到保護爐缸側(cè)壁的目的。有研究表明[2，3，8]，“凝鐵層”形成是一個復(fù)雜熱化學(xué)演變的過程，高爐爐缸冷卻系統(tǒng)使得與炭磚熱面接觸的鐵水冷卻、黏度上升并析出石墨碳，與熔點較高的化合物等黏附在炭磚表面形成保護膜，也有與漂浮在鐵水中的焦粉、灰分黏附在炭磚表面形成保護層，所以形成的物相為復(fù)雜的混合物（含結(jié)晶石墨、渣鐵殼、渣鐵焦堿金屬混合物等）。從形成條件來看，第一，要保證爐缸冷卻強度達到要求；第二，適當(dāng)降低冶煉強度，保證礦石得到充分還原，降低渣中亞鐵含量，提升鐵的飽和度，提高石墨碳的析出；第三，保證爐缸熱量充足，配加含鈦物料，保證高熔點含鈦化合物的生成。通過對爐缸碳磚保護層機理的研究能夠更好的為高爐爐役后期控制炭磚溫度上升提供技術(shù)支持，所以，為應(yīng)對爐缸問題，A 爐采取了降冶強，加鈦球、含鈦炮泥，增大冷卻強度，以及爐缸灌漿等措施，盡管爐缸炭磚溫度存在起伏，但整體趨勢可控，收到了較好的護爐效果。

2.1 鈦礦護爐

配加含鈦物料之所以能護爐，在于高爐高溫還原氣氛下，含鈦爐料被還原出來的鈦與碳素結(jié)合形成的高熔點化合物（TiC 熔點3150℃，TiN 熔點2950℃），在爐缸侵蝕部位低溫區(qū)團聚形成了抗渣鐵層阻隔了鐵水對炭磚的侵蝕，從而達到了護爐的效果。

文獻資料表明[4，5]，日本的神戶3 號高爐和加古川1 號高爐的解剖發(fā)現(xiàn)了Ti（C，N）晶體，而鞍鋼新1 號高爐破損調(diào)查中并沒有在爐缸中發(fā)現(xiàn)有Ti（C，N），寶鋼2 號高爐在使用鈦礦護爐的過程效果不明顯。李永全等[6]用實驗表明，溫度梯度對Ti（C，N）的形成和團聚有強烈的影響，大部分Ti（C，N）晶體在溫度梯度較大的低溫端形成并團聚，并且呈現(xiàn)出強烈地團聚在坩堝壁和鐵水界面的傾向。由此可以推斷出可能導(dǎo)致鈦礦護爐沒有效果的原因是：由于長期的高強度冶煉，鐵水環(huán)流較強，爐缸侵蝕部位的溫度一直很高，在侵蝕部位鈦沉積物不但無法生成，反而因高溫導(dǎo)致侵蝕加劇，水溫差繼續(xù)升高。所以一方面要保持合適的鐵水環(huán)流，第二方面保持一定的[Ti]含量及侵蝕部位的溫度梯度分布，從而使得Ti（C，N）能夠生成和凝聚。

圖1 A 爐氧化鈦負荷與鈦收得率趨勢

此外，通過鈦礦護爐的熱力學(xué)研究表明[7]，鐵水[Si]及物理熱的提高對于加鈦護爐有積極的作用，即爐溫高，鐵水中[Ti]的溶解度升高，高熔點的鈦化物生成量提高，利于形成保護層，減緩爐缸侵蝕。然而，并非含鈦物料加入量越多越好，過多會惡化爐缸，同時從鈦收得率來看也不經(jīng)濟，所以護爐應(yīng)保證鐵水合適[Ti]量，同時兼顧其收得率。A 爐鈦負荷、鐵水含[Ti]%、鈦收得率如下圖1、圖2 所示。由圖1、圖2 可知，鈦負荷大致在3～5.5kg/t，結(jié)合鐵水含[Ti]%，鈦收得率與鈦負荷基本呈正相關(guān)。考慮到鐵水含[Ti]%過高不利于高爐穩(wěn)定順行，結(jié)合生產(chǎn)實際，A 高爐制定了爐缸炭磚殘厚800mm 為爐缸安全的判定界限，殘厚＞800mm，鐵水含[Ti]%按0.08～0.1%控制，殘厚＜800mm 鐵水含[Ti]%＞0.1%控制。

對A 爐2019 年 鐵 水[Si]、[Ti]%數(shù) 據(jù) 擬 合 可 知，鐵 水[Ti]%≈0.2053*鐵水[Si]%，即當(dāng)前冶煉條件下，鐵水[Si]含量決定了鐵水[Ti]的上限，這一結(jié)果與文獻[7]所得基本吻合，所以保持爐溫充足對于護爐尤為重要。有學(xué)者研究表明[5，6]，正常爐況條件下（1500℃物理熱），鐵水[Ti]%大于0.1%才能保證Ti（C，N）的生成，所以結(jié)合硅鈦關(guān)系，A 爐日常鐵水[Si]%應(yīng)保持在不小于0.45%水平。

2.2 調(diào)整送風(fēng)參數(shù)及控制冶強

為了應(yīng)對爐缸炭磚溫度偏高，高爐采取了降低冶強的措施。主要通過控風(fēng)、減氧的方式來控制冶強，但風(fēng)量與氧量的降低對于活躍爐缸是不利的。為此，要適當(dāng)改變風(fēng)口布局，降低風(fēng)口面積以維持足夠的風(fēng)速和鼓風(fēng)動能，特別是原燃料變差，保證爐缸的活躍性，減少爐缸死料柱的堆積，增加爐缸的透氣透液性，形成爐缸初始煤氣流的合理分布，能夠有效的減少環(huán)流對爐缸側(cè)壁的侵蝕和沖刷。高爐利用檢修機會調(diào)整風(fēng)口布局，逐步縮小送風(fēng)面積，并將炭磚溫度異常升高的區(qū)域適量換成長風(fēng)口、小風(fēng)口，同時在每次休風(fēng)檢修后堵一個風(fēng)口，并在每次休風(fēng)后更換堵風(fēng)口號，防止局部區(qū)域不活躍。在目前的送風(fēng)制度下，A 高爐的鼓風(fēng)動能維持在135～145kJ/s，保證了爐缸的活躍性。

2.3 上部裝料制度的調(diào)整

為了能夠更好的適應(yīng)護爐期間的爐況變化，A爐上部裝料制度適時進行了調(diào)整。護爐初期為應(yīng)對偏高的爐缸炭磚溫度，風(fēng)口面積縮小，鼓風(fēng)動能上升，上部以疏松邊緣為主；中期隨著炭磚溫度下降，負荷、礦批的增加，高爐中心顯弱，調(diào)整上以穩(wěn)定邊緣、適當(dāng)發(fā)展中心氣流為主；后期受長期的護爐影響，爐缸活性下降，高爐礦批偏小，負荷偏輕，階段性壓差偏高，調(diào)整上以疏松邊緣為主，縮小礦石角差，穩(wěn)定平臺氣流。料制調(diào)整過程為：C109876542233222O9876534432→（焦礦外揚0.5°）→（焦礦內(nèi)收0.3°）。

上部料制根據(jù)爐況變化進行適當(dāng)調(diào)整后，兩道煤氣流趨于合理分布，高爐爐況整體穩(wěn)定順行。

2.4 灌漿及提高冷卻強度

利用檢修機會，在1 號鐵口附近爐殼開孔處進行無水碳素泥漿的灌漿處理，以杜絕該區(qū)域的煤氣竄氣。同時還對1 號鐵口區(qū)域的第2～4 層冷卻壁的部分通道進行高壓水強化冷卻改造，調(diào)整水壓及單通道流量，降低水溫及熱流密度，增強該區(qū)域的冷卻強度。提高冷卻強度有助于Ti（C，N）在侵蝕部位的不斷沉積，形成 “凝鐵層”保護炭磚，強化局部護爐效果。

2.5 完善監(jiān)測預(yù)警機制

A 爐爐缸炭磚監(jiān)測點300 余處，為了能夠全方位的對爐缸炭磚溫度進行監(jiān)測，服務(wù)高爐爐役后期的安全生產(chǎn)，A 爐結(jié)合自身實際情況制定以下措施：

（1）加裝爐缸炭磚溫度異常報警裝置，當(dāng)內(nèi)點溫度高于250℃或外點溫度大于150℃亦或單點小時溫度上升超過5℃，系統(tǒng)均出現(xiàn)報警信號，便于日常的安全監(jiān)控并采取相應(yīng)的操作措施。

（2）對重點區(qū)域的炭磚溫度點、爐缸水溫差、爐皮溫度等采取實時監(jiān)測控制，并建立相應(yīng)的監(jiān)測臺賬，關(guān)注相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化趨勢。同時，相關(guān)崗位工還需按時進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.6 加強爐前出鐵管理

加強鐵口維護，穩(wěn)定出鐵時間，能夠保持爐缸渣鐵液面相對穩(wěn)定，從而滿足護爐生產(chǎn)的需要。特別是在護爐期間由于爐溫高、堿度高、鐵水含鈦高等，爐渣相對粘稠，容易造成鐵口卡焦現(xiàn)象，爐前要加強鐵口監(jiān)測及時處理。為此，要堅決杜絕鐵口連續(xù)偏淺、跑泥，加強四班統(tǒng)一操作，穩(wěn)定鐵口深度（3.8m ～4.0m）；適當(dāng)縮小鉆桿直徑（Φ55mm～57.5mm），加強重疊，減少鐵水環(huán)流對爐缸側(cè)壁的沖刷。

3 效果

A 爐2019 年上半年出現(xiàn)了兩次爐缸炭磚短時快速上升的現(xiàn)象，嚴格執(zhí)行爐缸特護規(guī)定，及時采取了相應(yīng)的應(yīng)對措施，整體爐缸溫度可控，爐況整體穩(wěn)定順行。由表2 數(shù)據(jù)可知，A 爐利用系數(shù)基本維持在2.0 左右水平，根據(jù)炭磚溫度及凝鐵層厚度及對參數(shù)及產(chǎn)能進行小幅調(diào)整，在保障爐缸安全的前提下，兼顧高爐長壽及產(chǎn)量，生產(chǎn)工作穩(wěn)步進行，護爐生產(chǎn)效果較好。

4 結(jié)論

（1）護爐生產(chǎn)效果，是一系列措施的綜合反映，其中降冶強限產(chǎn)量，減少鐵水環(huán)流對爐缸側(cè)壁的侵蝕收效明顯。

（2）生產(chǎn)實踐表明，長期鈦礦、含鈦炮泥護爐會造成爐缸活性下降，爐前作業(yè)困難，所以一旦爐缸溫度快速下行，應(yīng)及時減少用量或階段停用，做好爐缸炭磚溫度與鐵水含鈦的平衡。

（3）當(dāng)前冶煉條件下，A 爐應(yīng)該保持鐵水[Si]大于0.45%，保持爐缸熱量充沛，保持適當(dāng)?shù)摹澳F層”厚度，從而延緩了爐缸炭磚的侵蝕。