馬鋼A 高爐爐缸侵蝕機(jī)理及護(hù)爐生產(chǎn)

凌明生，李駿峰，郝團(tuán)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(jiǎn)稱A 爐）于2017 年2 月投產(chǎn)，配有4 個(gè)鐵口（標(biāo)高11300mm），至今運(yùn)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(zhǎng)壽問題成為了當(dāng)前的重點(diǎn)。經(jīng)歷了2019 年1 月4 日爐缸炭磚B2 點(diǎn)最高上升至684℃后，A 爐進(jìn)入爐缸特護(hù)階段，逐步采取了加鈦球、用含鈦炮泥、降冶強(qiáng)、提高局部冷卻強(qiáng)度等措施后爐缸狀況好轉(zhuǎn)。然而從生產(chǎn)實(shí)踐來看，長(zhǎng)時(shí)間護(hù)爐生產(chǎn)，尤其是含鈦物料護(hù)爐也會(huì)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(shí)調(diào)整應(yīng)對(duì)，并做好爐況、產(chǎn)量及長(zhǎng)壽之間的平衡，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

1 爐缸侵蝕機(jī)理

爐缸壽命決定了高爐的長(zhǎng)壽，故A 爐采用的是抗渣鐵侵蝕能力較強(qiáng)的陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底結(jié)構(gòu)。隨著冶煉生產(chǎn)的進(jìn)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(dòng)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(yán)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(gè)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(jìn)行，爐缸侵蝕在所難免，而采取有效措施延長(zhǎng)爐缸壽命對(duì)于高爐長(zhǎng)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(bǔ)，所以爐役后期爐缸安全制約了高爐的壽命。從侵蝕機(jī)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(zhǎng)高爐壽命。張建良等[1]研究表明，高爐爐缸侵蝕嚴(yán)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(qiáng)的影響，爐缸侵蝕在所難免。因此，爐缸維護(hù)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(hù)爐措施在爐襯表面形成相對(duì)穩(wěn)定的“凝鐵層”，從而延長(zhǎng)爐缸壽命。

2 護(hù)爐生產(chǎn)

護(hù)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(dá)到保護(hù)爐缸側(cè)壁的目的。有研究表明[2，3，8]，“凝鐵層”形成是一個(gè)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(diǎn)較高的化合物等黏附在炭磚表面形成保護(hù)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(hù)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(qiáng)度達(dá)到要求；第二，適當(dāng)降低冶煉強(qiáng)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(diǎn)含鈦化合物的生成。通過對(duì)爐缸碳磚保護(hù)層機(jī)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(duì)爐缸問題，A 爐采取了降冶強(qiáng)，加鈦球、含鈦炮泥，增大冷卻強(qiáng)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(shì)可控，收到了較好的護(hù)爐效果。

2.1 鈦礦護(hù)爐

配加含鈦物料之所以能護(hù)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(diǎn)化合物（TiC 熔點(diǎn)3150℃，TiN 熔點(diǎn)2950℃），在爐缸侵蝕部位低溫區(qū)團(tuán)聚形成了抗渣鐵層阻隔了鐵水對(duì)炭磚的侵蝕，從而達(dá)到了護(hù)爐的效果。

文獻(xiàn)資料表明[4，5]，日本的神戶3 號(hào)高爐和加古川1 號(hào)高爐的解剖發(fā)現(xiàn)了Ti（C，N）晶體，而鞍鋼新1 號(hào)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(hào)高爐在使用鈦礦護(hù)爐的過程效果不明顯。李永全等[6]用實(shí)驗(yàn)表明，溫度梯度對(duì)Ti（C，N）的形成和團(tuán)聚有強(qiáng)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(tuán)聚，并且呈現(xiàn)出強(qiáng)烈地團(tuán)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(hù)爐沒有效果的原因是：由于長(zhǎng)期的高強(qiáng)度冶煉，鐵水環(huán)流較強(qiáng)，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(fù)荷與鈦收得率趨勢(shì)

此外，通過鈦礦護(hù)爐的熱力學(xué)研究表明[7]，鐵水[Si]及物理熱的提高對(duì)于加鈦?zhàn)o(hù)爐有積極的作用，即爐溫高，鐵水中[Ti]的溶解度升高，高熔點(diǎn)的鈦化物生成量提高，利于形成保護(hù)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(huì)惡化爐缸，同時(shí)從鈦收得率來看也不經(jīng)濟(jì)，所以護(hù)爐應(yīng)保證鐵水合適[Ti]量，同時(shí)兼顧其收得率。A 爐鈦負(fù)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(fù)荷大致在3～5.5kg/t，結(jié)合鐵水含[Ti]%，鈦收得率與鈦負(fù)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(shí)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(duì)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(xiàn)[7]所得基本吻合，所以保持爐溫充足對(duì)于護(hù)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(qiáng)

為了應(yīng)對(duì)爐缸炭磚溫度偏高，高爐采取了降低冶強(qiáng)的措施。主要通過控風(fēng)、減氧的方式來控制冶強(qiáng)，但風(fēng)量與氧量的降低對(duì)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(dòng)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(duì)爐缸側(cè)壁的侵蝕和沖刷。高爐利用檢修機(jī)會(huì)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(zhǎng)風(fēng)口、小風(fēng)口，同時(shí)在每次休風(fēng)檢修后堵一個(gè)風(fēng)口，并在每次休風(fēng)后更換堵風(fēng)口號(hào)，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(dòng)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(hù)爐期間的爐況變化，A爐上部裝料制度適時(shí)進(jìn)行了調(diào)整。護(hù)爐初期為應(yīng)對(duì)偏高的爐缸炭磚溫度，風(fēng)口面積縮小，鼓風(fēng)動(dòng)能上升，上部以疏松邊緣為主；中期隨著炭磚溫度下降，負(fù)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(zhǎng)期的護(hù)爐影響，爐缸活性下降，高爐礦批偏小，負(fù)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(tái)氣流。料制調(diào)整過程為：C109876542233222O9876534432→（焦礦外揚(yáng)0.5°）→（焦礦內(nèi)收0.3°）。

上部料制根據(jù)爐況變化進(jìn)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(qiáng)度

利用檢修機(jī)會(huì)，在1 號(hào)鐵口附近爐殼開孔處進(jìn)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(shí)還對(duì)1 號(hào)鐵口區(qū)域的第2～4 層冷卻壁的部分通道進(jìn)行高壓水強(qiáng)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(qiáng)該區(qū)域的冷卻強(qiáng)度。提高冷卻強(qiáng)度有助于Ti（C，N）在侵蝕部位的不斷沉積，形成 “凝鐵層”保護(hù)炭磚，強(qiáng)化局部護(hù)爐效果。

2.5 完善監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制

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

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

（2）對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的炭磚溫度點(diǎn)、爐缸水溫差、爐皮溫度等采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，并建立相應(yīng)的監(jiān)測(cè)臺(tái)賬，關(guān)注相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。同時(shí)，相關(guān)崗位工還需按時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.6 加強(qiáng)爐前出鐵管理

加強(qiáng)鐵口維護(hù)，穩(wěn)定出鐵時(shí)間，能夠保持爐缸渣鐵液面相對(duì)穩(wěn)定，從而滿足護(hù)爐生產(chǎn)的需要。特別是在護(hù)爐期間由于爐溫高、堿度高、鐵水含鈦高等，爐渣相對(duì)粘稠，容易造成鐵口卡焦現(xiàn)象，爐前要加強(qiáng)鐵口監(jiān)測(cè)及時(shí)處理。為此，要堅(jiān)決杜絕鐵口連續(xù)偏淺、跑泥，加強(qiáng)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(qiáng)重疊，減少鐵水環(huán)流對(duì)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(shí)快速上升的現(xiàn)象，嚴(yán)格執(zhí)行爐缸特護(hù)規(guī)定，及時(shí)采取了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)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(duì)參數(shù)及產(chǎn)能進(jìn)行小幅調(diào)整，在保障爐缸安全的前提下，兼顧高爐長(zhǎng)壽及產(chǎn)量，生產(chǎn)工作穩(wěn)步進(jìn)行，護(hù)爐生產(chǎn)效果較好。

4 結(jié)論

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

（2）生產(chǎn)實(shí)踐表明，長(zhǎng)期鈦礦、含鈦炮泥護(hù)爐會(huì)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(shí)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。