高爐爐役末期維護與監(jiān)控技術(shù)

車玉滿，郭天永，姚碩，姜喆，劉炳南，費靜

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

我國高爐向大型化、現(xiàn)代化發(fā)展迅速，高爐裝備達(dá)到世界先進水平。銅冷卻壁（銅冷卻板）、軟水或除鹽水密閉循環(huán)系統(tǒng)的普及應(yīng)用，使高爐爐身壽命得到大幅度提升。優(yōu)質(zhì)耐火材料在爐缸的應(yīng)用，例如引進美聯(lián)炭（UCAR）、德國西格里（SGL）、日本NDK炭磚以及國內(nèi)優(yōu)質(zhì)炭磚，使導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)不斷提高，高爐整體壽命得到延長。業(yè)界認(rèn)為高爐長壽目標(biāo)為，一代爐齡不中修20年，單位爐容產(chǎn)量1.5萬t/m3［1］。但是，由于國內(nèi)企業(yè)不斷提高冶煉強度，許多大型高爐出現(xiàn)銅冷卻壁過早破損等問題，銅冷卻壁平均壽命僅7～10年；同時也有一些高爐出現(xiàn)爐缸侵蝕過早、過快的情況，甚至發(fā)生爐缸燒穿事故。除少數(shù)企業(yè)外，我國高爐一代爐役壽命普遍低于12年，還有些企業(yè)的高爐一代爐役壽命僅能維持在 4～5 年，遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)［2］。

高爐長壽是一項復(fù)雜而綜合的技術(shù),與高爐設(shè)計、選材、施工質(zhì)量和日常操作制度及維護密切相關(guān)，其中優(yōu)良設(shè)計、規(guī)范選材標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格施工質(zhì)量是高爐長壽的基礎(chǔ)，但在高爐投產(chǎn)以后，日常操作制度與維護則成為唯一可控手段，尤其爐役末期維護，是保證高爐安全、長壽的重要環(huán)節(jié)。

1 銅冷卻壁損壞后維護技術(shù)

自2001年武鋼1高爐首次在爐腹、爐腰和爐身下部高熱負(fù)荷區(qū)域使用銅冷卻壁開始，我國新建或大修的高爐基本都采用銅冷卻壁或銅冷卻板，其中使用銅冷卻壁居多。雖然銅冷卻壁具有導(dǎo)熱系數(shù)高、在熱面渣皮容易形成等優(yōu)點，但國內(nèi)絕大數(shù)高爐在生產(chǎn)7～9年后均出現(xiàn)了銅冷卻壁破損問題，與有關(guān)資料介紹一代銅冷卻壁壽命可達(dá)20年、甚至30年的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。鞍鋼高爐銅冷卻壁壽命見表1。

表1 鞍鋼高爐銅冷卻壁壽命Table 1 Longevity of Copper Cooling Staves to BF in Ansteel

通常，當(dāng)銅冷卻壁局部破損后，首先可以采用安裝金屬軟管、安裝微型冷卻器等措施維護生產(chǎn)；當(dāng)銅冷卻壁大面積破損后，必須采用降料線、整體更換冷卻壁措施。

（1）安裝金屬軟管

在破損冷卻壁冷卻水通道穿金屬軟管，并在金屬軟管與銅冷卻壁之間的間隙灌澆注料，提高破損冷卻壁有效傳熱能力。但如果澆注料導(dǎo)熱系數(shù)低，則澆注料不能有效燒結(jié)、與冷卻壁形成一體。因此，要使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的澆注料，最好使用導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 15 W/（m·K）的澆筑料［3-4］。

（2）安裝微型冷卻器

金屬軟管再被侵蝕后，在冷卻壁安裝微型冷卻壁。以2個微型冷卻壁最大間距不大于400 mm為標(biāo)準(zhǔn)，選擇需要安裝微型冷卻壁數(shù)量。根據(jù)有關(guān)資料介紹，微型冷卻壁使用效果和使用壽命與使用部位熱面煤氣溫度密切相關(guān)。在爐內(nèi)煤氣溫度1 200℃以上區(qū)域，微型冷卻壁的使用效果和壽命均不佳［3］，即在爐腹、爐腰和靠近爐腰的爐身下部區(qū)域，當(dāng)銅冷卻壁大面積破損后，不適合采用安裝微型冷卻壁的方法，最好采用冷卻壁更換技術(shù)。

（3）更換冷卻壁

在爐腹、爐腰和靠近爐腰的爐身下部區(qū)域冷卻壁大量破損時，最好采用休風(fēng)降料線更換破損冷卻壁。更換冷卻壁作業(yè)的關(guān)鍵是選擇爐殼開孔數(shù)量，開孔數(shù)量依據(jù)爐殼強度計算結(jié)果來選擇。在新冷卻壁安裝完成后，一定要在冷卻壁與爐殼之間壓入硬質(zhì)耐火材料。

2 爐役末期爐缸維護技術(shù)

到目前為止，高爐一代爐役壽命依然取決于爐缸壽命，當(dāng)高爐進入爐役末期后，保護爐缸炭磚不被進一步侵蝕或減緩侵蝕速度的關(guān)鍵是在其熱面形成“永久性”保護層，隔離炭磚與液態(tài)鐵水的直接接觸［5-6］，但如何能夠形成永久穩(wěn)定的保護層，且在保護層脫落后能夠快速恢復(fù)是關(guān)鍵。

2.1 爐缸炭磚熱面保護層組成

迄今為止，爐缸內(nèi)炭磚熱面尤其是鐵口以下炭磚熱面是否能夠形成保護層問題還存在爭論。根據(jù)鞍鋼10座高爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鐵口以下炭磚熱面可以形成渣殼保護層，且其組成與鐵口以上渣殼存在明顯差異，一般組成如下：

（1）金屬鐵和鐵氧化物。當(dāng)爐缸炭磚被逐漸侵蝕，炭磚剩余厚度變薄，炭磚熱阻減小，同時爐缸整體總熱阻也減小，炭磚熱面溫度降低到鐵水凝固溫度以下時，液態(tài)鐵水凝固形成以金屬鐵和鐵氧化物為主的凝固層［6］。

（2）石墨C凝固層。當(dāng)炭磚熱面溫度降低到鐵水凝固溫度以下時，鐵水會逐漸析出石墨C，石墨C不斷結(jié)晶，并與熔融狀態(tài)的金屬鐵和鐵氧化物混合，產(chǎn)生以石墨C為主的凝固層［6］。

（3）渣層。理論上鐵口以下區(qū)域形成渣層比較困難。已知液態(tài)熔渣密度約為2.4 g/cm3，液態(tài)鐵水密度約為7.0 g/cm3，熔渣密度遠(yuǎn)小于鐵水密度，在鐵水浮力作用下，鐵口以下區(qū)域形成渣殼比較困難，且死鐵層越深，鐵水浮力越大，形成渣殼越困難。但是，在出鐵過程鐵口虹吸作用、風(fēng)口煤氣流對爐缸攪拌作用下，鐵口上部的熔渣也會沉降到鐵口以下，同時，鐵口以下死料柱中的焦炭灰分也會部分生成熔渣。由于炭磚內(nèi)表面溫度低于熔融渣鐵凝固溫度，在炭磚內(nèi)表面具備形成一定厚度渣殼條件［5-6］。

鞍鋼10座高爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些高爐鐵口以下炭磚雖然已經(jīng)破損嚴(yán)重，但在炭磚前端形成帶有多種顏色凝固層，最厚處可達(dá)到800 mm以上，取樣并做電鏡掃描和化學(xué)分析，凝固層成分主要是石墨 C、MFe、FeO，并含有一定量 Al2O3和SiO2，個別高爐還含有 TiN［5］。

2.2 促進爐缸炭磚熱面生成保護層方法

2.2.1 控制鐵水環(huán)流速度

鐵水環(huán)流速度加快不僅可以加速炭磚中石墨C向鐵水中轉(zhuǎn)移，還可以增加鐵水對炭磚熱面剪切力作用。當(dāng)炭磚中碳素被堿金屬化學(xué)侵蝕，煤氣中CO分解后所生成的碳素沉積在炭磚表面時，均會使炭磚熱面變得脆化、疏松脫離炭磚本體。因此，鐵水環(huán)流流速對爐缸炭磚侵蝕作用很大，而鐵水環(huán)流速度與高爐操作制度有密切關(guān)系，主要是死料柱的大小和死料柱透液性［7］。

（1）選擇合理上下部操作制度

高爐的上下部操作制度不僅決定爐內(nèi)煤氣流的分布，同時也決定爐缸工作狀態(tài)，影響爐缸炭磚侵蝕速度和炭磚熱面保護層的穩(wěn)定性。下部操作制度要保證風(fēng)口面積與風(fēng)量匹配，確保足夠鼓風(fēng)動能和回旋區(qū)長度，提高爐內(nèi)料柱的透液性和透氣性，降低鐵水環(huán)流速度。上部操作制度要保持與下部操作制度同步，維持爐況的長期穩(wěn)定順行。

寶鋼3號高爐一代爐役很少發(fā)生崩料、滑料等異常爐況，也沒有發(fā)生過懸料，一代爐役期高爐保持長期穩(wěn)定順行，為一代爐役壽命達(dá)到19年、單位爐容產(chǎn)量 15 700 t/m3奠定了基礎(chǔ)［8］。

（2）適度控制冶煉強度

我國大部分高爐操作理念是追求高冶煉強度，隨著利用系數(shù)提高，沿爐缸側(cè)壁滴落的鐵量會增加，同時造成爐缸側(cè)壁鐵水環(huán)流量和環(huán)流速度增加，不僅加劇鐵水對炭磚熱面的滲透侵蝕，也加劇鐵水環(huán)流速度對炭磚熱面剪切力作用。有關(guān)資料報道，冶煉強度與高爐壽命存在線性關(guān)系，日本通過高爐利用系數(shù)對爐缸鐵水環(huán)流速度進行了模擬研究，模擬對象為爐缸直徑13.8 m高爐，當(dāng)高爐利用系數(shù)分別為 1.6 、2.0 和 2.4 t/（m3·d）時，爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流速度分別為1.60、2.01和2.41 mm/s，結(jié)論是鐵水環(huán)流速度與利用系數(shù)呈1:1線性關(guān)系［6］。

（3）加強爐前出鐵操作制度管理

爐缸鐵口出鐵過程中，鐵水在鐵口區(qū)域爐缸內(nèi)環(huán)流加大是造成鐵口區(qū)域以及鐵口以下區(qū)域侵蝕的重要因素。目前，一些高爐擔(dān)心爐缸內(nèi)渣鐵儲存多會造成憋風(fēng)，因而每日出鐵次數(shù)過多，且每次出鐵速度過快，并要求見風(fēng)后再堵鐵口，造成出鐵過程爐缸鐵水環(huán)流速度過快、渣鐵液面不穩(wěn)定。由此，出鐵次數(shù)和出鐵速度要求維持爐缸內(nèi)鐵水液面穩(wěn)定，維持出鐵速度與爐內(nèi)鐵水生成速度一致。建議2000 m3以上的高爐每日出鐵次數(shù)不多于10次，2000 m3級高爐出鐵速度控制在5～6 t/min之間，3000 m3級高爐出鐵速度控制在 6 ～7 t/min 之間［6］。

維持鐵口深度與高爐死鐵層深度相匹配。死鐵層深度2.0 m的高爐，鐵口深度保證炮泥能夠覆蓋到鐵口中心線以下1.5 m爐墻處；死鐵層深度2.5 m的高爐，鐵口深度保證炮泥能夠覆蓋到鐵口中心線以下2.0 m爐墻處，用泥包保護炭磚熱面不被侵蝕。

2.2.2 冷卻水溫度影響

冷卻水屬于不可壓縮流體，其物理性能也會隨著溫度、壓力變化而改變。冷卻水的理化指標(biāo)見表2。

表2 冷卻水理化指標(biāo)Table 2 Physicochemical Indexes of Cooling Water

在水的各種物理參數(shù)中，溫度對密度（ρ）、比熱焓（H）、比熱容（Cp）、導(dǎo)熱系數(shù)（λ）、黏度（運動粘度γ）指標(biāo)都會產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)水溫由40℃降低到10℃時，密度增加7.5 kg/m3、比熱焓下降125.5 kJ/kg、比熱容增加 0.017 kJ/（kg·K）、導(dǎo)熱系數(shù)下降 0.061 W/（m·K）、運動粘度增加 0.647×10-6㎡/s。

假設(shè)某高爐單塊冷卻壁面積1.856 m2，冷卻壁厚度120 mm，每塊冷卻壁4根冷卻水通道，水通道當(dāng)量直徑d=40 mm，單管水流量20 m3/h，水溫差0.6℃。當(dāng)冷卻水溫度由40℃降低到10℃時，可以多帶走2 319 kJ/h熱量，相當(dāng)于0.35 kW/m2，炭磚冷面溫度下降26℃。

可見，基于冷卻水的物理特性，改變冷卻水進水溫度對降低炭磚熱面溫度的作用不大，也就是對炭磚熱面形成渣鐵保護層的作用不大。

2.2.3 局部增加冷卻水量

高爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，存在問題的高爐均是爐缸局部炭磚侵蝕嚴(yán)重，因此，一些高爐在侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域采用高壓工業(yè)水或采用管道泵增加局部水量的方法，降低炭磚熱面溫度、促進炭磚熱面形成保護層，控制炭磚侵蝕進程。

在爐役初期，冷卻系統(tǒng)的總熱阻較大，冷卻水與管壁間的對流換熱熱阻所占的比例甚小，此時增加冷卻水量意義不大。

在爐役后期，隨著磚襯的減薄，冷卻系統(tǒng)的總熱阻減小，冷卻水與管壁間的對流換熱熱阻所占的比例逐漸變大，此時增大冷卻水量有一定的作用［9］。以鞍鋼某高爐為例，不同冷卻水量（流速）條件下冷卻系統(tǒng)的綜合換熱能力計算結(jié)果見表3。由表3可以看出，冷卻水速越大，冷卻水與管壁間的對流換熱能力越強，則冷卻水帶走熱量增多，炭磚熱面溫度下降也增多。

表3 不同水速條件下的對流換熱系數(shù)Table 3 Convective Heat-transfer Coefficients under Different Velocities of Water

可見，增加冷卻水量的作用在于使磚襯結(jié)構(gòu)形成相對穩(wěn)定的溫度梯度，使炭磚熱面溫度達(dá)到保護層形成的溫度。

2.2.4 使用含鈦爐料護爐

使用釩鈦爐料護爐的具體方法主要有三種：一是爐頂加入法，二是風(fēng)口喂線法，三是風(fēng)口噴吹法。國內(nèi)大多數(shù)高爐采用爐頂加入方法，少部分采用風(fēng)口喂線法［10］。蒂森克虜伯和迪林根公司采用3個風(fēng)口不連續(xù)護爐噴吹方式［3］。此外，還有些高爐使用含鈦炮泥保護鐵口區(qū)域炭磚方法。

（1）使用含鈦爐料護爐效果

鞍鋼高爐在停爐大修前1～2年前都采用長期使用釩鈦礦護爐措施，基本保持鐵水［Ti］含量在0.1%左右。在已經(jīng)停爐大修的10座高爐破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，僅有2座高爐在爐缸側(cè)壁炭磚熱面形成大面積含TiC和TiN保護層，1座高爐僅在爐缸側(cè)壁局部形成TiC和TiN保護層，其它高爐無論爐缸側(cè)壁還是爐底的渣鐵凝固層中均沒有發(fā)現(xiàn)TiC和TiN物質(zhì)。

美鋼聯(lián)、新日鐵和寶鋼曾發(fā)現(xiàn)，使用含鈦物料對爐底有護爐效果，而對爐缸側(cè)壁卻沒有效果；武鋼4號高爐第二爐役停爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，加含鈦物料對“蒜頭狀”侵蝕區(qū)護爐有效，對其他區(qū)域無效［11］。

（2）鈦物料護爐效果影響因素

護爐效果差與下列因素有關(guān)：①隨著死鐵層加深，爐缸侵蝕重點已經(jīng)不在爐底和傳統(tǒng)的爐底與側(cè)壁交界位置的鐵水緩流和不流動區(qū)域，即傳統(tǒng)的“象腳”侵蝕區(qū)域，而是普遍向上移動到陶瓷墊以上200 mm到鐵口下方1.0 m的鐵水環(huán)流區(qū)域，形成“寬臉”形狀侵蝕，在鐵水環(huán)流沖刷作用下，Ti（C，N）不能長期黏附在炭磚表面。② TiC、TiN和Ti（C,N）無法在炭磚表面團聚、長大。③ TiC、TiN和Ti（C,N）不能與炭磚牢固黏結(jié)，由于黏結(jié)強度與炭磚表面潤濕性、完整性有關(guān)，同時也與鐵水環(huán)流速度有關(guān)。如果炭磚表面潤濕性好、鐵水環(huán)流速度慢，含鈦凝結(jié)物與炭磚表面黏附性強；如果炭磚熱面出現(xiàn)粉化、疏松、分層等現(xiàn)象，生成的TiC、TiN和Ti（C,N）高熔點物質(zhì)則難于長期黏附在炭磚表面，容易被鐵水環(huán)流帶走［10］。

（3）使用釩鈦礦護爐最佳時機

使用含鈦物料護爐是一項成熟技術(shù)，但實際護爐效果卻存在較大差異，一些高爐取得良好效果，也有些高爐效果不明顯或根本無效果，不僅影響爐況順行，還增加了生產(chǎn)成本。護爐效果不佳的主要原因是，在高爐爐役末期炭磚熱面已經(jīng)出現(xiàn)脆化、粉化，TiC、TiN和 Ti（C,N）不能與炭磚表面有效黏結(jié)。因此，護爐最佳時機是高爐投產(chǎn)2～4年后定期使用，保證TiC、TiN和Ti（C,N）在炭磚表面形成永久性保護層。如果炭磚已經(jīng)出現(xiàn)異常侵蝕，要選擇高爐長期休風(fēng)機會，集中加入釩鈦礦，同時配合采取堵破損嚴(yán)重部位局部風(fēng)口，降低該位置鐵水環(huán)流速度，增強護爐效果［10］。

3 完善爐體長壽監(jiān)控系統(tǒng)

高爐大修設(shè)計時，都會在爐缸安裝一定數(shù)量熱電偶，采用熱電偶法監(jiān)控爐缸炭磚溫度變化，以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)與應(yīng)用數(shù)學(xué)模型監(jiān)控炭磚侵蝕進程。當(dāng)高爐處于爐役末期，由于熱電偶自身質(zhì)量、維護等原因，原始爐缸炭磚熱電偶會有部分損壞，難以準(zhǔn)確判斷高爐爐缸的侵蝕情況及安全狀況。因此，在爐役末期建立全面高效的爐體長壽監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。

3.1 增加新熱電偶

由于高爐大修設(shè)計時安裝的原始熱電偶均采用埋入法，當(dāng)原始熱電偶損壞后無法更換，因此，需要增加新的熱電偶，尤其需要在鐵口區(qū)域每層炭磚新增加熱電偶。

在安裝新熱電偶時需特別注意鉆孔深度，以電偶頭能夠接觸到炭磚為宜，不必鉆入太深，防止炭磚出現(xiàn)開裂。電偶安裝完后用搗料搗實電偶孔，一是保證電偶與炭磚緊密接觸；二是密封電偶孔，防止煤氣泄漏，形成煤氣通道。

3.2 安裝冷卻壁單管進出水溫度計

由于新增加炭磚電偶只能做到單點單支，無法采用常規(guī)方法建立傳熱數(shù)學(xué)模型，還需要安裝冷卻壁單管進水和出水高精度溫度計。尤其在鐵口區(qū)域的每塊冷卻壁進水管和出水管處，均需安裝高精度溫度計，在線檢測每塊冷卻壁進、出水溫度，根據(jù)每塊冷卻壁中冷卻水流量和冷卻壁面積，間接計算熱流強度，結(jié)合熱電偶法中熱電偶溫度，推算爐缸炭磚剩余厚度［12］。

3.3 安裝爐殼無線溫度計

在爐役末期，當(dāng)原始熱電偶損壞后，由于受出鐵主溝以及其它環(huán)境因素限制，有些區(qū)域安裝新的熱電偶和安裝冷卻壁單管進、出水溫度計比較困難，為消除檢測盲區(qū)，需要在爐殼安裝無線磁性溫度計，實時在線檢測爐殼溫度，溫度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射裝置傳輸?shù)礁郀t主控室一級計算機系統(tǒng)中，實時遠(yuǎn)程監(jiān)控爐殼溫度。

3.4 加強爐缸炭磚侵蝕綜合判斷

利用新增加電偶、爐殼測溫、水溫差等檢測數(shù)據(jù)，建立包括保護層、炭磚、搗打料、冷卻壁、爐殼的完整傳熱體系，建立爐缸侵蝕監(jiān)控系統(tǒng)，建立爐殼溫度、水溫差、熱流強度三級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值，以數(shù)據(jù)表格、趨勢曲線等形式監(jiān)控炭磚侵蝕進程，及時向高爐操作者和管理人員提供爐缸內(nèi)的侵蝕程度，為采取有效護爐措施提供依據(jù)，延長爐役末期壽命。

為提高爐缸炭磚侵蝕綜合判斷結(jié)果準(zhǔn)確性，需要完善爐役末期傳熱模型輸入?yún)?shù)。爐缸侵蝕傳熱模型最重要輸入?yún)?shù)有兩個：一是炭磚和碳素?fù)v打料的導(dǎo)熱系數(shù)。由于進入爐役末期，炭磚受到滲鐵、堿金屬化學(xué)等侵蝕作用，二者的理化指標(biāo)會發(fā)生一定變化，需要采用以往停爐大修后破損調(diào)查所取檢測的同類型炭磚和碳素?fù)v料導(dǎo)熱系數(shù)，同時由于導(dǎo)熱系數(shù)不是常數(shù)，而是溫度函數(shù)，需要對導(dǎo)熱系數(shù)事先做擬合計算或采用拉格朗日插值法進行預(yù)處理。二是檢測數(shù)據(jù)。由于檢測數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)缺陷或產(chǎn)生虛假值，在輸入模型前需要對孤立點數(shù)據(jù)和不完備數(shù)據(jù)做預(yù)處理，過濾誤差數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

我國大型高爐目前存在的主要問題是一代爐役壽命過低，平均不足12年，而銅冷卻壁壽命平均7～10年，已經(jīng)成為制約安全生產(chǎn)和降低成本的關(guān)鍵因素。高爐長壽是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了提高設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)該重點提高日常維護技術(shù)和操作水平，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提高爐役末期爐缸維護技術(shù)和爐體長壽監(jiān)控技術(shù)水平，有效延長爐役末期壽命，保證高爐安全受控。