高爐上漲的分析及應(yīng)對措施

趙奇強，孫劉恒，高成云

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

高爐上漲問題在國內(nèi)引起越來越多的關(guān)注，目前國內(nèi)高爐發(fā)現(xiàn)底板上漲的有數(shù)十座之多，如沙鋼5 800 m3高爐[1]、馬鋼 4 000 m3高爐[2]、山東萊鋼 3 200 m3高爐[3]、朝陽 2 600 m3高爐[4]和昆鋼 1 350 m3高爐[5]等都發(fā)生了上漲，其中包含了巨型高爐、大型高爐、中小型高爐，分布地域遍布南北各地，但總的來說，上漲的高爐案例大部分位于長江以南區(qū)域。對于高爐上漲，國內(nèi)外大部分觀點是有害金屬侵蝕引起的耐火材料異常膨脹導(dǎo)致，但是近期也有些學(xué)者認為高爐上漲是因為高爐盲板力引起的。作者通過詳細案例并結(jié)合建模計算，對高爐上漲的原因進行剖析，并提出高爐抗?jié)q和防漏設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2 高爐上漲案例分析

以杭鋼1#1 250 m3高爐為例，作者全程參與到該高爐全生產(chǎn)過程跟蹤、高爐上漲處理過程、拆爐跟蹤、取樣化驗分析和高爐建模計算等幾個方面工作。杭鋼1#1 250 m3高爐于2007年10月15日建成投產(chǎn)，高爐保持高產(chǎn)順行，2009年首次發(fā)現(xiàn)爐底封板有上翹跡象，2010年5月對爐底板四周進行測量，平均上漲70 mm，到停爐中修前爐體四周爐底板上漲幅度為130～150 mm，2012年3月爐缸溫度快速升高，該部位爐殼溫度超過70℃，杭鋼決定停爐中修[6]。

2.1 高爐原爐底爐缸結(jié)構(gòu)

杭鋼1#1 250 m3高爐采用了炭磚+陶瓷杯的綜合爐底爐缸結(jié)構(gòu)，爐缸直徑8.6 m，死鐵層深度2.8 m，爐缸環(huán)炭分兩層砌筑，靠冷卻壁側(cè)砌筑一層微孔模壓小炭塊，靠鐵水側(cè)砌筑大塊微孔炭磚，微孔炭磚和模壓小炭塊之間設(shè)80 mm石墨質(zhì)搗打料，詳細結(jié)構(gòu)見表1。

該高爐爐缸環(huán)炭采用微孔模壓小炭塊+大塊微孔炭磚結(jié)構(gòu)的目的是把碳搗料層推進爐內(nèi)，遠離冷卻壁，以提高碳搗料層開爐的燒結(jié)溫度。死鐵層深度2.8 m，約是爐缸直徑的32.6%，其目的是為了使爐底死料柱懸浮，減輕環(huán)流對爐缸環(huán)炭的沖刷強度，以避免大蒜頭侵蝕出現(xiàn)。但從后面扒爐情況來看，以上措施并未使高爐爐底爐缸情況改善，相反，碳搗層推向爐內(nèi)加速了有害金屬元素的聚集，死鐵層過深，鐵水壓力增加，增大了鐵水對炭磚的侵蝕。

表1 杭鋼1#1 250 m3高爐原爐底爐缸結(jié)構(gòu)

2.2 高爐扒爐情況跟蹤

高爐停爐后，我公司對該高爐扒爐進行了全程跟蹤和取樣，扒爐過程發(fā)現(xiàn)，整個爐缸區(qū)域靠冷卻壁砌筑的模壓小炭塊保存較完好，但內(nèi)層砌筑的大塊環(huán)炭侵蝕較嚴重，炭磚內(nèi)部存在白色金屬，炭磚質(zhì)地疏松，內(nèi)外層環(huán)炭之間的碳素搗打料層存在大片的白色金屬層，厚度為30～50 mm，此外，在爐缸、爐底部位炭磚的橫縱向磚縫中均大量存在10 mm厚度左右的白色金屬層，高爐內(nèi)部侵蝕情況見圖1、圖2。

圖1 爐底爐缸炭磚侵蝕圖

圖2 爐缸碳搗料層侵蝕圖

隨后對各部位取樣進行了化驗分析，結(jié)果顯示爐缸炭磚縫隙及碳素搗打料中白色金屬以Zn為主，含少量K、Na元素,爐底炭磚縫隙中金屬以Pb為主?；灲Y(jié)果詳見表2。

表2 杭鋼1#1 250 m3高爐爐底爐缸取樣化驗分析 /%

2.3 高爐盲板力計算分析

高爐盲板力建模計算過程如下：

以高爐風(fēng)口截面為界，在高爐底板上翹時，在此截面上爐殼存在著上、下兩個有效的分力。垂直向上分力包括：鼓風(fēng)對該截面產(chǎn)生向上的垂直分力F1；豎直向下的分力包括：爐殼及附屬設(shè)備耐火材料的重力F2，風(fēng)口以上固態(tài)爐料的重力F3，高爐底板及爐底炭磚結(jié)構(gòu)自身的抗彎力F4，風(fēng)口以下液態(tài)渣鐵及爐缸直徑范圍內(nèi)爐底炭磚重量按照全部通過高爐底板傳遞到高爐基礎(chǔ)。設(shè)爐底板處截面力為F總，則

式中：P：風(fēng)口處鼓風(fēng)壓力，A：爐缸斷面積，G1：固定在爐殼設(shè)備重量，G2：爐頂鋼法蘭上的爐頂設(shè)備重量，G3：爐缸環(huán)炭和爐底圓周部分炭磚重量，G4：爐殼重量。

F1～F3均可由高爐設(shè)計參數(shù)算出，見表3，F(xiàn)4需通過建模進行模擬計算，其設(shè)定參數(shù)見表4，建模計算結(jié)果見圖3。

建模計算結(jié)果表明，高爐生產(chǎn)后期，即爐缸炭磚受到一定侵蝕的前提下，高爐盲板力最大可使杭鋼1#1 250 m3高爐上漲3.4 mm，考慮到液態(tài)渣鐵的重力并未考慮到對抗盲板力的范圍內(nèi)，以及鼓風(fēng)入爐壓力取值較大，實際高爐的上漲值還會小于該模擬值?？傮w而言，建模計算結(jié)果為高爐正常的上漲范圍內(nèi)，盲板力不會引起高爐的異常上漲。

表3 杭鋼1#1 250 m3高爐各分力值

表4 模型結(jié)構(gòu)各組成的物性參數(shù)

圖3 杭鋼1#1 250 m3高爐模擬結(jié)果

2.4 高爐上漲原因及分析

可能引起高爐上漲的因素主要有:由高爐鼓風(fēng)產(chǎn)生的盲板力；有害金屬元素在爐底爐缸聚集和反應(yīng)產(chǎn)生的分子力。上述建模計算結(jié)果已證明，盲板力不是高爐異常上漲的主要原因。

作者跟蹤國內(nèi)多個上漲高爐拆爐過程發(fā)現(xiàn)，在這些高爐的內(nèi)部普遍存在大量的有害金屬元素，它們沉積在爐底爐缸各個砌體的縫隙中，連接成片，厚度多達幾十毫米，以環(huán)炭和冷卻壁之間炭素搗打料層最多，有些還侵入爐缸環(huán)炭，造成環(huán)炭的疏松和膨脹。根據(jù)這些金屬在各個部位的分布情況，作者認為有害金屬主要是通過炭磚與冷卻壁間炭素搗打料層以氣態(tài)的形式向下滲透，在合適的溫度下沉積，并橫向侵蝕炭磚磚縫，有害金屬的侵蝕程度在有高爐爐底煤氣泄漏的情況下會加重。由此可見，高爐盲板力可引起高爐微漲，但高爐的異常上漲不是盲板力原因造成的，高爐異常上漲本質(zhì)原因是有害金屬沉積和對炭磚侵蝕造成的炭磚異常膨脹，其上漲的實質(zhì)是分子力。

高爐發(fā)生有害金屬侵蝕需具備有害金屬在爐內(nèi)富集這一條件，高爐排有害金屬操作及控制入爐有害金屬負荷均可減緩或避免有害金屬在爐內(nèi)的富集，從而減緩和避免高爐的上漲，但只控制入爐有害金屬負荷，不強化排有害金屬操作，爐內(nèi)有害金屬通過積累一樣可以達到富集?？刂茽t內(nèi)有害金屬進出平衡是解決高爐上漲的有效途徑。

3 防漲型高爐的設(shè)計

高爐設(shè)計可采取一些措施來減緩高爐上漲的趨勢，通過幾年的總結(jié)和實踐，中冶華天設(shè)計出一種新型防漲型高爐，該防漲型爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點為：

（1）雙層封板結(jié)構(gòu)；

（2）炭磚+陶瓷半杯綜合爐底爐缸；

（3）風(fēng)口防漏水措施；

（4）炭磚與冷卻壁縫隙采用灌注料。

該結(jié)構(gòu)有效阻斷了水及金屬蒸汽向下侵蝕途徑，使不定型耐火材料得到有效燒結(jié)，炭磚及陶瓷杯的材料性能得到有效發(fā)揮，從而減少了有害金屬在爐底爐缸砌體中的沉積和對炭磚的侵蝕。

目前由中冶華天設(shè)計的該新型防漲型高爐已在河北安豐及福建三明的三座高爐應(yīng)用，以上三座高爐已分別于2016年和2018年投產(chǎn)，實踐效果良好，目前高爐高產(chǎn)順行，爐底爐缸溫度穩(wěn)定，爐底封板與高爐基礎(chǔ)貼合良好，沒有上漲跡象。近期，另有五座中冶華天新設(shè)計該結(jié)構(gòu)高爐即將投產(chǎn)使用。

4 結(jié)語

（1）高爐盲板力對高爐上漲產(chǎn)生的影響有限，不是高爐異常上漲的主要原因。

（2）高爐上漲的根本原因是有害金屬元素聚集和對爐缸炭磚侵蝕后造成的爐缸炭磚膨脹造成的。

（3）避免高爐上漲的有效措施是降低入爐原料有害金屬負荷和采取有效的高爐排有害金屬操作。

（4）高爐可采取一些防上漲設(shè)計，但這些設(shè)計只能減緩高爐上漲的趨勢，不從根本上解決上漲問題。