內(nèi)蒙古建龍高爐冷卻壁破損分析及技改實踐

樊曉東 李健忠 賀建國

烏海市包鋼萬騰鋼鐵有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古烏海 016000

高爐冷卻設(shè)備對高爐的正常生產(chǎn)起著安全衛(wèi)士的作用，一旦高爐冷卻設(shè)備損壞，輕者造成生產(chǎn)不順，重者會引發(fā)重大安全事故。本文基于內(nèi)蒙古建龍1#高爐冷卻壁破損實際情況，對冷卻壁的破損原因進(jìn)行全面梳理，與此同時，有針對性的實施了冷卻壁修復(fù)技改工程。技改工程實施后高爐送風(fēng)投產(chǎn)，后續(xù)生產(chǎn)中各項指標(biāo)良好?；诖?，通過本文的闡述，可以為日后高爐冷卻壁的維護(hù)以及同類型的高爐冷卻壁修復(fù)工程提供有價值的參考。

1 高爐簡況

內(nèi)蒙古建龍1#高爐于2011年4月投產(chǎn)，有效容積12003。2019年3月進(jìn)行了停爐中修工作，對4段（爐腹）、5段（爐腰）、6-7段（爐身）破損的冷卻壁進(jìn)行更換。2020年3月因疫情原因又進(jìn)行爐停爐檢修，并對冷卻壁進(jìn)行整體噴涂，2020年4月9日送風(fēng)開爐生產(chǎn)。2020年6月14日發(fā)現(xiàn)5段35號冷卻壁內(nèi)管損壞，至10月下旬，1#高爐陸續(xù)共發(fā)現(xiàn)10塊冷卻壁損壞，高爐操作困難，各項生產(chǎn)指標(biāo)逐步下滑，正常的生產(chǎn)已難以維系，最終于2020年10月31日進(jìn)行了降料面中修并實施了冷卻壁修復(fù)工程，將4-11段（爐腹、爐腰、爐身全部冷卻壁）冷卻壁全部更換。

2 冷卻壁修復(fù)前生產(chǎn)情況

內(nèi)蒙古建龍1#高爐于2020年4月9日開爐后生產(chǎn)指標(biāo)良好，單日高爐利用系數(shù)最高達(dá)到3.52。2020年6月14日第一次發(fā)現(xiàn)5段35號冷卻壁損壞，與此同時高爐爐況開始出現(xiàn)波動，后續(xù)生產(chǎn)中冷卻壁損壞的數(shù)量也陸續(xù)增加，高爐操作難度增大，主要體現(xiàn)在：高爐周期性氣流頻繁，爐體渣皮脫落嚴(yán)重；熱制度不穩(wěn)定，爐溫控制困難，呈現(xiàn)出爐溫峰谷波動；爐體各段水溫差波動幅度大，冷卻制度控制困難；高爐強化與提產(chǎn)受限，制約生產(chǎn)節(jié)奏[1]。

為了維持生產(chǎn)，生產(chǎn)中只能將損壞的冷卻壁采取逐步減水、通氮氣直至斷水堵死的措施。至2020年10月31日中修前，高爐爐皮偶有發(fā)紅的現(xiàn)象出現(xiàn)，爐內(nèi)管道、懸料事故頻發(fā)，高爐各項指標(biāo)都在較低水平徘徊（4-10月1#高爐利用數(shù)和綜合焦比變化趨勢如下圖1、圖2所示），高爐正常的生產(chǎn)已經(jīng)難以維系。

圖1 1#高爐4-10月利用系數(shù)變化趨勢圖

圖2 1#高爐4-10月綜合焦比變化趨勢圖

3 冷卻壁損壞情況

內(nèi)蒙古建龍1#高爐冷卻壁共分為11段（1-3段為爐缸、4段為爐腹、5段為爐腰、6-11段為爐身，其中4-7段冷卻壁水管為內(nèi)管（N）、背管（B）雙層管路結(jié)構(gòu)），從6月14日發(fā)現(xiàn)5段35號冷卻壁內(nèi)管損壞到2020年10月31日中修時，共有10塊冷卻壁損壞，其詳細(xì)情況如下表1所示：

表1 1#高爐冷卻壁破損情況匯總表

2020年10月31日降料面停爐后查看破損冷卻壁實物，發(fā)現(xiàn)其損壞形式有磨損、侵蝕、以及融損等形式，部分損壞冷卻壁實物如下圖3所示：

圖3 部分損壞冷卻壁實物圖

4 冷卻壁破損原因分析

1#高爐4-7段冷卻壁設(shè)計為四進(jìn)四出雙層水冷管（內(nèi)管兩根，背管兩根）管徑φ45mm，管徑偏細(xì)冷卻強度不夠，冷卻比表面積只有0.8，隨著冶煉的強化，冷卻壁的冷卻能力已經(jīng)不能滿生產(chǎn)的需求，這是影響冷卻壁壽命的根本原因[2]。

1#高爐風(fēng)口中套長度設(shè)計不合理：風(fēng)口中套長度為350mm，距爐缸耐材內(nèi)沿相差100mm，生產(chǎn)過程中容易造成因邊緣氣流過分發(fā)展而沖刷爐墻，從而大大縮短冷卻壁的壽命，這是導(dǎo)致1#高爐冷卻壁損壞一個重要的原因。

2020年6-10月受原燃料條件限制，入爐鋅負(fù)荷過高，基本維持在0.45kg/t以上，單周鋅負(fù)荷最高達(dá)到0.59kg/t。鋅對高爐的長壽有著嚴(yán)重的影響：鋅蒸汽沉積在高爐上部磚襯縫隙中，當(dāng)其氧化后體積膨脹，嚴(yán)重時破壞爐襯，甚至脹裂爐殼，是冷卻壁水管非正常損壞和高爐壽命降低的原因之一[1]。1#高爐每當(dāng)入爐鋅負(fù)荷過高時，高爐爐況也容易波動，造成局部渣皮脫落頻繁（4-8段局部熱電偶溫度過高）。由于冷卻壁熱面溫度的頻繁波動，產(chǎn)生熱應(yīng)力，對冷卻設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞作用，俗稱熱震[2]，從而導(dǎo)致冷卻壁壽命大大縮短。

當(dāng)冷卻壁開始損壞后，1#高爐爐內(nèi)懸料、管道等事故較為頻繁，造成邊緣氣流極不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致渣皮頻繁的脫落、加劇了對冷卻壁的沖刷，使冷卻壁的破損和高爐爐況的波動形成惡性循環(huán)。

5 冷卻壁修復(fù)工程技改方案

5.1 重新設(shè)計4-7段冷卻壁

在進(jìn)行1#高爐冷卻壁技改工程時對4-7段冷卻壁進(jìn)行了重新設(shè)計：新冷卻壁本體設(shè)計厚度210mm（燕尾槽深度80mm），采用球墨鑄鐵（材質(zhì)牌號QT400-20）材質(zhì)，鑲磚厚度120mm，鑲磚采用冷鑲氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)，增強襯體的抗侵蝕和抗沖刷磨損能力，且需要在開爐前在鑲磚熱面噴涂50mm厚的造襯料，為形成合理的操作爐型提供基礎(chǔ)保證；在冷卻壁水管設(shè)計方面，將原來4-7段冷卻壁背部的水管全部取消，保留現(xiàn)有的爐殼開孔位置，將四進(jìn)四出改為五進(jìn)五出的單層水管，且將蛇形管設(shè)置改為豎直管，冷卻水下進(jìn)上出；將冷卻壁水管管徑由現(xiàn)在的Φ45X5的改為Φ60X6，冷卻比表面積提高到1.2；冷卻壁安裝好后，從爐內(nèi)將相鄰冷卻壁間縫隙進(jìn)行勾縫處理，背部采用壓漿方式填充冷卻壁和冷卻壁之間以及爐殼與冷卻壁之間縫隙；

5.2 重新設(shè)計風(fēng)口中套及其配套設(shè)備設(shè)施

由于1#高爐之前風(fēng)口中套長度設(shè)計不合理，本次技改工程時對風(fēng)口中套重新設(shè)計，將風(fēng)口中套延長至爐缸內(nèi)壁，使風(fēng)口小套伸入爐內(nèi)大于400mm，利于控制煤氣流分布，以減少煤氣在一次分布時對爐墻造成的沖刷。同時，可以增大下部調(diào)節(jié)的空間，適當(dāng)活躍死焦柱，改善此區(qū)域的透氣性。由于風(fēng)口中套尺寸更改，與之配套的直吹管、噴煤槍、風(fēng)口組合磚等相關(guān)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行了重新設(shè)計[3]。

5.3 適當(dāng)減小爐身角、爐腹角

4-7段冷卻壁水管改單層后，冷卻壁厚度減小，使高爐形成了新的爐型：主要是爐腰直徑D增大了0.25m，在爐缸直徑和爐喉直徑不變的情況下，爐腰直徑適當(dāng)擴大，導(dǎo)致爐身角減小0.5702°，爐腹角減小2.3027°。這在一定程度上可延長煤氣在爐內(nèi)停留時間，提高煤氣利用率，降低燃料比；同時可以降低爐料與爐墻的摩擦力，滿足了爐料因下降到高溫區(qū)導(dǎo)致體積膨脹而所需要更大空間的需求，減小了爐料膨脹擠壓力，降低了爐料粉化量，提高了爐內(nèi)透氣性，有利于爐料、煤氣流順暢的通過，對高爐順行有積極的作用。

5.4 投產(chǎn)后嚴(yán)格控制入爐原燃料的鋅負(fù)荷

高爐入爐鋅負(fù)荷過高時，1#高爐容易出現(xiàn)爐況波動，分析之前的鋅負(fù)荷升高時對應(yīng)爐況的表現(xiàn)，二者體現(xiàn)出較好的耦合性。因此根據(jù)煉鐵廠實際情況以及日常生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)，在投產(chǎn)后煉鐵廠從配礦方面嚴(yán)格控制高爐原料入爐鋅負(fù)荷在0.30kg/t以下；并且在公司層面作出要求：采購各種含鐵原料時必須將鋅含量作為考核指標(biāo)之一，當(dāng)含鋅量過高時，放棄購買，而不是采用扣款的方式妥協(xié)接受。

6 冷卻壁修復(fù)工程效果評價

6.1 冷卻壁修復(fù)工程預(yù)期目標(biāo)

在本次內(nèi)蒙古建龍1#高爐中修開始前，結(jié)合實際情況，明確提出：本次冷卻壁修復(fù)工程后高爐重要指標(biāo)要達(dá)到如表2所示的預(yù)期目標(biāo)。

表2 預(yù)期目標(biāo)

6.2 冷卻壁修復(fù)工程后高爐重要指標(biāo)變化情況

內(nèi)蒙古建龍1#高爐于2020年11月28日開爐生產(chǎn)，開爐第三天高爐利用系數(shù)達(dá)到3.15，開爐第15天高爐利用系數(shù)達(dá)到3.52，且后續(xù)三個月生產(chǎn)過程中高爐利用系數(shù)一直維持在3.5以上，高爐日平均利用系數(shù)基本在3.57左右，最高達(dá)到3.72，高爐利用系數(shù)完成預(yù)期目標(biāo)。

內(nèi)蒙古建龍1#高爐開爐第四天綜合焦比達(dá)到502kg/t（首次下降到510kg/t以下），開爐后前三個月全月綜合焦比分別為508kg/t、503kg/t、507kg/t，綜合焦比完成預(yù)期目標(biāo)。

在冷卻壁修復(fù)工程后，1#高爐爐內(nèi)管道、懸料等事故鮮有發(fā)生，高爐順行狀況良好。從整體評估，本次內(nèi)蒙古建龍1#高爐冷卻壁修復(fù)的技改工程效果良好，實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

7 結(jié)語

內(nèi)蒙古建龍1#高爐由于冷卻比表面積小，風(fēng)口中套長度不足，入爐Zn負(fù)荷過高等多種原因?qū)е吕鋮s壁損壞。

在實施冷卻壁修復(fù)技改工程時，通過重新設(shè)計4-7段冷卻壁、增加風(fēng)口中套長度、控制入爐原料鋅負(fù)荷等措施后，高爐重要指標(biāo)均達(dá)較好水平，內(nèi)蒙古1#高爐冷卻壁修復(fù)技改工程收到良好的效果。