大型高爐長壽冷卻壁維護關鍵技術研究與驗證

廖海歐

1.前言

隨著高爐大型化的發(fā)展，高爐冷卻壁長壽一直是熱門課題。冷卻壁長壽不僅關系到高爐本體的長壽，還直接影響一代爐齡高爐生產(chǎn)的經(jīng)濟技術指標。同樣，冷卻壁的長壽不僅是設備制造、材料等方面的技術，也是高爐冶煉設備的綜合技術，是爐殼制造及均勻應力、冷卻壁制造及再造維護、生產(chǎn)使用及操作穩(wěn)定、入爐爐料及有害元素總量均衡控制等全系統(tǒng)協(xié)同作用的結(jié)果。

冷卻壁長壽技術一直是難題，難就難在驗證難。首先是高爐冷卻壁安裝在爐內(nèi)，無法直接觀察其工作狀況及劣化趨勢。其次是一代爐齡15年左右，在大時間跨度內(nèi)對高爐設備運行進行全過程跟蹤、驗證、對照、數(shù)據(jù)分析，同樣也是難題。

馬鋼進行持續(xù)對運行10年的A高爐冷卻壁運行、破損、維護等狀況進行持續(xù)跟蹤調(diào)研，并結(jié)合制造、操作、維護等措施的效果確認，以及與同期建設投產(chǎn)的B高爐進行對比分析，驗證了圍繞國產(chǎn)高爐冷卻壁的長壽目標，采取系統(tǒng)控制的有效性。同時結(jié)合生產(chǎn)實踐大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，驗證了當今國產(chǎn)冷卻壁制造、維護技術是完全可以滿足實現(xiàn)大型高爐15年以上長壽目標要求的，并且實現(xiàn)20年的目標也是極有可能的。

2.馬鋼兩座4000m3高爐運行效果驗證

馬鋼兩座（A、B）4000m3高爐，分別于2007年2月8日和2007年5月24日投產(chǎn)，高爐作業(yè)率一直保持在99%水平。冷卻壁破損一直平穩(wěn)可控，沒有加速惡化，在線再造微創(chuàng)維護工程應用技術基本成熟，尤其是B高爐實現(xiàn)15年以上長壽目標已經(jīng)沒有困難。

按照國內(nèi)4000m3以上高爐投產(chǎn)順序，馬鋼兩座大型高爐排序為第六、第七。當時國內(nèi)特大高爐冷卻壁制造技術還處于模仿階段，設計制造沒有統(tǒng)一的標準，冷卻壁長壽制造技術開發(fā)還處于成長期，有較大的進步空間，國產(chǎn)冷卻壁運行維護的設備制造配套技術也處于探索階段。

十余年來，馬鋼圍繞2座4000m3高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)運行目標，聚焦國產(chǎn)冷卻壁長壽，提出了保高爐安全穩(wěn)定順行，保2座4000m3高爐主要經(jīng)濟技術指標維持高水平，保高爐作業(yè)率99%以上、高爐利用系數(shù)2.1以上、燃料比≤520kg/t鐵，保15年長壽等設備穩(wěn)定運行管理目標。率先提出了長壽冷卻壁維護管理量化指標，提出了實時監(jiān)控每座高爐冷卻壁3002個供水點，明確了冷卻壁可控漏水點≤60個即2%的維護控制目標，導出攻關課題，探索解決路徑。

馬鋼應用紅外成像技術監(jiān)控爐殼溫度場的變化，提出要有效控制爐殼溫度不超標≤70℃，在確保爐殼適度的冷卻強度前提下，最大限度的減少冷卻壁的漏水量。同時采取“穿管”、安裝冷卻柱等系列綜合措施恢復“無漏冷卻”。在保證當期生產(chǎn)穩(wěn)定順行的前提下，既及時控制冷卻壁漏水，又保證了高爐爐殼一定的冷卻強度，將冷卻壁與爐殼統(tǒng)籌管理。據(jù)2017年底統(tǒng)計，A高爐發(fā)現(xiàn)破損漏水點61個，及時維護修復46個；B高爐發(fā)現(xiàn)破損漏水點32個，及時維護修復14個，實現(xiàn)了預期目標。

3.國產(chǎn)馬鋼A 高爐長壽冷卻壁運行情況調(diào)研

A 高爐于 2004 年初完成設計，同年 12 月熱風爐動工建造，2007年 2 月 8 日高爐點火開爐，9 日順利出第一爐鐵水。開爐 20 天后，高爐利用系數(shù)達2.26t/m3·d，實現(xiàn)順利開爐達產(chǎn)。除2014年初出現(xiàn)了一次使用劣質(zhì)爐料而引發(fā)的爐況較長時間的大幅波動外，高爐總體保持了穩(wěn)定順行，到2017年12月6日（計10.67年），單位爐容鐵水量為 8450t/m3，達到中小高爐一代爐役大修的產(chǎn)鐵水平。由于熱風總管破損，2017年12月6日安排大規(guī)模年修，借此機會對國產(chǎn)A 高爐冷卻壁長壽運行進行調(diào)研，驗證爐體建設、冷卻壁在線再造維護、生產(chǎn)操作及入爐原料有害元素等對國產(chǎn)長壽冷卻壁的影響。見圖1。

圖1 A高爐十年運行生產(chǎn)經(jīng)濟技術指標 kg/t,t/m3.d

馬鋼2007年初投產(chǎn)的2座特大型高爐，模仿寶鋼高爐建造。爐殼由馬鋼冶建制造（舞陽BB503鋼板），銅冷卻壁由山東魯寶制造，球鐵冷卻壁由武漢冶建制造，灰鐵冷卻壁由漯河冶機制造，高爐耐材內(nèi)襯，以及1層高導熱炭磚、2、3、4層半石墨炭磚、5～14層陶瓷杯、15～19層半石墨炭磚，都達到是當期2500m3高爐的最好國產(chǎn)制造水平。

3.1高爐爐殼及長壽冷卻壁的爐型完整驗證

高爐涼爐到一定水平后，打開爐頂檢修孔進行檢查拍照，發(fā)現(xiàn)高爐內(nèi)型基本規(guī)整，沒有冷卻壁壁體整塊缺失及嚴重變形和熔蝕，也沒有局部粘結(jié)、結(jié)瘤。8～15段絕大部分耐材及冷卻壁鑲磚全部侵蝕完。高爐爐殼完整，未出現(xiàn)爐皮開裂，脫焊以及局部煤氣泄漏等狀況。高爐冷卻壁的熱面主要以煤氣磨損為主，冷卻壁材質(zhì)變化較大的交界處13 段（銅冷卻壁向球墨鑄鐵冷卻壁過渡）與17 段（球墨鑄鐵向灰口鑄鐵過渡，鑲磚向倒扣過渡）的侵蝕程度較其他段相對嚴重。

3.2球鐵長壽冷卻壁的侵蝕驗證

16段冷卻壁鑲磚筋條壁較完整，但出現(xiàn)了較多裂紋，且鑲磚筋條被磨損了15～35mm（剩余30～50mm）。表明了含塵煤氣流的沖刷磨損破壞作用明顯。

15段冷卻壁鑲磚筋條中上部磨損了20～30mm剩下45～55mm，下部磨損較多只剩10～30mm。另外整個冷卻壁壁體裂紋多，尤其是與14段連接部位，龜裂嚴重，但無小塊脫落現(xiàn)象。

14段球鐵鑲磚冷卻壁總體外觀較規(guī)整，但壁體縱裂、龜裂、磨損、局部壁體脫落、小塊壁體缺失等較嚴重，近50%冷水管裸露。

13段球鐵鑲磚冷卻壁總體外觀也較規(guī)整，但磨損變形最為嚴重的25根水管漏水，占整個高爐61個漏水點的41%。測量發(fā)現(xiàn)，該段60塊冷卻壁長度普遍增加了2～10mm，寬度增加了1～5mm。下部為銅冷卻壁，是冷卻強度的過渡段。

3.3長壽銅冷卻壁基本完好的驗證

12段銅鑲磚冷卻壁總體外觀良好，冷卻壁燕尾槽內(nèi)部的鑲磚已經(jīng)脫落。冷卻壁沒有發(fā)生開裂、熔蝕以及燒損等現(xiàn)象，鑲磚筋條出現(xiàn)部分磨損。

11段銅鑲磚冷卻壁好于12段，但冷卻壁燕尾槽內(nèi)部的鑲磚已經(jīng)脫落。10段以下冷卻壁幾乎沒有磨損。

4.長壽冷卻壁使用效果驗證分析

4.1冷卻壁的破損原因

主要在高爐冶煉過程中，含塵氣流沖刷及爐料的磨損導致。

4.2冷卻壁材料耐磨性能要求不同

由于強化冶煉耐材爐襯對冷卻壁的保護很快消失，加上爐身、爐腰、爐腹等各個不同區(qū)域的溫度、爐料工況的差異，使得冷卻壁材料耐磨性能要求不同。

4.3冷卻壁材料的耐磨性與環(huán)境

冷卻壁材料的耐磨性與爐內(nèi)冶煉的工作環(huán)境，以及不同區(qū)域的熱流強度不一致。適度的冷卻強度與材料的耐磨性能有效協(xié)同，才能夠滿足長壽的要求。

4.4調(diào)研驗證

調(diào)研驗證了保持較為完整的10～12段銅冷卻壁，其熱面有少量的磨損，侵蝕最多的是12段，上部缺失17mm左右，下部缺失26mm左右。這對20年的長壽爐齡不構(gòu)成威脅。

調(diào)研驗證了有害元素對鑄鐵冷卻壁的破損有一定影響。從壁面、壁間及背面進行取樣分析，發(fā)現(xiàn)堿金屬沿高爐高度方向的分布上下都較高，中間軟熔帶的位置較低，最高在爐腹區(qū)達到8%以上。爐體爐身鋅含量較高，9段的鋅只有2%，而14段達到40%以上。爐腹、爐身鋅元素達15%左右。

調(diào)研驗證發(fā)現(xiàn)，有害元素在高爐周向分布不均勻，其中在1號鐵口與4號鐵口分布相對較多，兩個方向爐體侵蝕也相對嚴重，與四個鐵口出鐵的均勻性有內(nèi)在的聯(lián)系。

年修效果跟蹤驗證，A高爐年修投產(chǎn)后一年（2019年初），爐缸1號鐵口區(qū)域碳磚溫度預警，降負荷維持生產(chǎn)，且更換的三代（13、14、15）180塊球鐵冷卻壁出現(xiàn)15個漏水點，2020年又出現(xiàn)21個漏水點。對比沒有檢修更換的B高爐，在爐役后期保持高水平穩(wěn)定生產(chǎn)狀況下，2年僅新增加了25個漏水點。

5.長壽冷卻壁協(xié)同保障驗證

5.1高爐爐殼及爐體應力穩(wěn)定是冷卻壁長壽的基礎

針對高爐爐殼裂紋導致煤氣泄漏的安全隱患，我們在馬鋼大型高爐建設時，重點強調(diào)了爐殼應力消除的設計制造質(zhì)量要求，并認真落實，特別引進應力消除設備，對爐殼的每條組裝焊縫及時進行了應力消除。2座高爐運行近15年來，至今沒有爐殼本體煤氣泄漏狀況，爐體四周的煤氣濃度安全達標。

為了發(fā)揮爐殼與冷卻壁的協(xié)同作用，馬鋼提出保持爐殼在合適的溫度下安全運行，實現(xiàn)高爐爐殼整體的熱應力均勻，不因局部應力波動而加速冷卻壁破損速度，以有效遏制高爐中后期漏水冷卻壁數(shù)量快速增加的趨勢，在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)冷卻設備的穩(wěn)定運行。其措施是使用紅外監(jiān)控檢測爐殼表面溫度，同時開發(fā)系列冷卻壁在線再造維護設備及維修裝備，以及嚴格控制爐殼溫度不超70℃的工程應用技術路徑及技術措施，并總結(jié)出爐殼表面不同溫度階段，進而采用精準的恢復冷卻維護措施。這是國產(chǎn)冷卻壁滿足長壽高爐生產(chǎn)的最直接、最科學、最經(jīng)濟的路徑。見表1。

5.2有效控制破損冷卻壁壁體侵蝕是冷卻壁長壽的關鍵

圍繞冷卻壁在線再造有效控制爐殼溫度的維護技術措施，開發(fā)了高爐冷卻壁兩次穿管（￠45、￠25）恢復“無漏冷卻”，保持爐殼溫度不超標及延緩破損冷卻壁壁體侵蝕的專利技術，效果得到了驗證。

同時，開發(fā)了高爐冷卻壁 “微創(chuàng)”鑲嵌高強冷卻柱再造 ，恢復“無漏冷卻”的同時實現(xiàn)了冷卻柱與殘留冷卻壁體相互保護，協(xié)同延緩破損冷卻壁壁體侵蝕，及始終保持爐殼冷卻強度，實現(xiàn)溫度不超標的專利技術，效果驗證良好。

圍繞冷卻壁在線再造技術，開發(fā)了能夠滿足現(xiàn)場高效實施的金屬軟管、高強耐磨旋流冷卻柱。尤其是新型復合材料的冷卻柱發(fā)明專利技術，在線使用2年實現(xiàn)了無損，驗證效果大大超出預期，值得同行推廣應用。

5.3控制入爐有害元素的總量均衡是冷卻壁長壽的保障

高爐煉鐵生產(chǎn)按照節(jié)能減排新要求，正向“經(jīng)濟料入爐”及“固危廢循環(huán)入爐”轉(zhuǎn)變。為適應這一轉(zhuǎn)變，2015年12月馬鋼2座4000m3高爐先后建立了爐底應力監(jiān)控模型，使固廢、危廢科學“入爐”后可以迅速找到高爐穩(wěn)定順行操作的平衡點，大大減少了爐況的波動，協(xié)同保護爐體的各種侵蝕破損，也為高爐冷卻壁長壽提供了有益的保護。見圖2。

圖2 爐底應力實時檢測數(shù)據(jù)變化驗證

通過應力曲線數(shù)據(jù)分析，進一步提高固危廢循環(huán)入爐的認識。如鋅、堿有害元素對高爐爐缸磚襯破壞作用是煉鐵界的共識，但一直沒有量化標準。通過首先停用OG泥進行驗證，期間爐況及爐底板應力均相對穩(wěn)定；通過量化的應力數(shù)據(jù)找到了鋅、堿元素與爐況的對應關系，及時準確優(yōu)化了有害元素入爐控制標準，5年來高爐的穩(wěn)定性日趨良好。2019至2020年連續(xù)生產(chǎn)13年的后期B高爐在長期保持高水平經(jīng)濟運行指標的生產(chǎn)狀況下，僅新增加了55個漏水點，且每年入爐循環(huán)消化煉鋼污泥72000噸。

表1 爐殼應力智慧控制路徑驗證

6.國產(chǎn)長壽冷卻壁制造技術進步方向

目前我國鋼鐵產(chǎn)能已是全球第一，特大型高爐也最多。大型高爐都安裝有千余塊冷卻壁，冷卻壁的破損無法避免。冷卻壁破損通常只有兩種情況：一種是偶發(fā)破損，另一種是必然破損。從長壽冷卻壁的視角分析，必須區(qū)別對待、精準施策。

偶發(fā)原因：千余塊冷卻壁在制造、運輸、安裝、使用、維護中，由于不確定因素造成個別冷卻壁破損漏水屬正常情況，不必上升到“長壽”的高度來處理，只需通過在線再造維護修復，同樣能夠長壽。本文5.2已有充分驗證，該裝備制造的維護技術也日趨成熟，值得推廣應用。

必然原因：爐身下部1112131415層冷卻壁，承受了固體爐料冶煉成液態(tài)產(chǎn)品時劇烈的物理化學反應的沖擊；溫度的波動、爐料的磨損、氣流的沖刷、有害元素的侵蝕等等，都是在高冶強生產(chǎn)條件下必須承受的洗禮。通過A高爐國產(chǎn)冷卻壁長壽運行調(diào)研驗證，11、12段采用的銅鑲磚冷卻壁完全能滿足長壽需要，15段以上鑲磚球鐵冷卻壁也基本可以滿足長壽需要。

為了實現(xiàn)關鍵的13、14段爐身冶煉爐料固液變化波動區(qū)域中少部分冷卻壁長壽，可以結(jié)合我國制造技術的進步，進行量身定制，克服短板效應，實現(xiàn)高爐冷卻壁系統(tǒng)長壽20年的目標。使用復合材料、多管制造技術以及該區(qū)域冷卻強度的精準控制技術，增加系統(tǒng)的、針對性的少量投入，可以徹底解決國產(chǎn)冷卻壁長壽技術難題。

7.長壽冷卻壁智慧生產(chǎn)展望

實現(xiàn)高爐冷卻壁長壽目標是高爐煉鐵設備人共同的理想追求。然而高爐冶煉生產(chǎn)是復雜的物理化學反應，是一個龐大的系統(tǒng)。高爐長壽從設備角度看主要是冷卻壁、爐缸耐材兩大部分，但更是爐殼及爐體、爐缸維護、冶煉操作協(xié)同作用的結(jié)果。馬鋼2座孿生高爐13年來的生產(chǎn)實踐，已經(jīng)驗證了國產(chǎn)冷卻壁的長壽效果，同時也明確了長壽高爐及冷卻壁破損維護的研究方向。

開發(fā)爐缸智慧出鐵模型對大型、特大型高爐尤為重要。A爐調(diào)研驗證了冷卻壁可以年修更換，卻意外發(fā)現(xiàn)了損害的爐缸。1號鐵口的碳磚溫度超標，也驗證了其鐵口上方冷卻壁侵蝕趨勢同步嚴重的內(nèi)在聯(lián)系。當今已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，大型高爐生產(chǎn)操作技術日趨成熟，入爐原料的穩(wěn)定，操作制度的穩(wěn)定，結(jié)合五年爐底應力模型及爐體各種參數(shù)，智慧出鐵模型可以指導生產(chǎn)操作做好4個鐵口均勻出鐵，保持爐缸耐材的侵蝕均勻，同時也可以協(xié)同鐵口上方冷卻壁沖刷磨損趨勢的均勻，為特大型高爐系統(tǒng)長壽提供了新的方向。

我國已經(jīng)是全球制造業(yè)最完整的國家，有條件量身定制研發(fā)出滿足高爐煉鐵生產(chǎn)需要的長壽冷卻壁。如針對冶煉爐料固液變化波動區(qū)域的、關鍵的少部分冷卻壁進行研發(fā)破除短板，滿足復雜工藝及維護要求的新材料、復合材料，新導熱結(jié)構(gòu)、新冷卻方式等，進行集成創(chuàng)新，以實現(xiàn)高爐冷卻壁長壽二十年的目標。

大型爐窯的應力變化是設備長壽不可忽略的因素之一，應力場數(shù)據(jù)配合溫度場數(shù)據(jù)，共同分析爐缸的工作及侵蝕狀況，為高爐長壽及大中修提供更準確的依據(jù)。同時也為大型高爐活躍爐缸提升產(chǎn)能，準確掌握各鐵口的工作狀況，采集應力數(shù)據(jù)結(jié)合出鐵量等數(shù)據(jù)，創(chuàng)新開發(fā)《智能爐缸均勻侵蝕模型》，為高爐裝備提供新的智能長壽控制技術。