高爐爐缸高效運(yùn)行的改進(jìn)措施

供稿|謝孔明，高維平

本鋼7號高爐(2850 m3)于2005年9月開爐，累計生鐵產(chǎn)量為2505.15萬t，單位爐容生鐵產(chǎn)量9095 t/m3。2016年以來，7號高爐爐缸2段、3段冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度不斷升高，超過安全生成警戒線，給高爐生產(chǎn)和順行帶來嚴(yán)重危害。目前，7號高爐爐缸存在隨時被燒穿的局面，通過在入爐礦石中增加釩鈦礦、優(yōu)化調(diào)整布料矩陣、及時放凈鐵水及爐渣、控制冶煉強(qiáng)度、局部使用內(nèi)徑110 mm和長度630 mm的風(fēng)口、根據(jù)水溫差和熱流強(qiáng)度趨勢臨時堵部分風(fēng)口等技術(shù)措施。爐缸水溫差和熱流強(qiáng)度逐步降低，在安全范圍內(nèi)合理運(yùn)行，生鐵成本、燃料消耗、鐵水質(zhì)量等指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到正常水平。

高爐冷卻結(jié)構(gòu)和爐缸狀況

高爐爐體冷卻系統(tǒng)

高爐爐底冷卻采用在爐底磚下埋設(shè)水冷管的方式，水冷管管徑為φ89 mm×5.5 mm的不銹鋼管，鋼管間距為300 mm，共計48根。爐缸、風(fēng)口帶、爐腹、爐腰、爐身、爐喉均采用冷卻壁冷卻方式，其中爐缸區(qū)域設(shè)4段灰鑄鐵光面冷卻壁，壁厚165 mm；風(fēng)口區(qū)為1段異形光面冷卻壁，壁厚250 mm，材質(zhì)為灰鑄鐵；爐腹第1段為4層雙進(jìn)雙出銅冷卻板(物化性能：Cu+Ag≥99.5%，S≤0.01%，P≤0.02%，電導(dǎo)率≥85%IASC，抗拉強(qiáng)度≥175 N/mm2)；爐腹第2段、爐腰至爐身下部采用軋制銅冷卻壁(物化性能：Cu≥99.95%，P≤0.002%，O2≤0.003%，S≤0.004%，電導(dǎo)率≥98%IASC，對應(yīng)導(dǎo)熱率≥380 W/(m·K)，總冷卻高度為9150 mm；爐身中部采用3段滿鑲磚冷卻壁，壁厚340 mm，材質(zhì)為鐵素體球墨鑄鐵；爐身上部采用3段滿鑲磚冷卻壁冷卻，材質(zhì)為鐵素體球墨鑄鐵；爐喉鋼磚分為上下兩部分，材質(zhì)為鑄鋼。

高爐冷卻系統(tǒng)水量

爐體冷卻系統(tǒng)分為高、中壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)和軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。由于高爐冶煉的進(jìn)一步強(qiáng)化，爐內(nèi)熱流強(qiáng)度的波動頻繁，熱震現(xiàn)象也較嚴(yán)重，因而為了加強(qiáng)冷卻，對水壓的要求也越來越高。風(fēng)口冷卻水壓力要求1.0～1.5 MPa，其他部位冷卻水壓力應(yīng)比爐內(nèi)壓力至少高0.05 MPa。具體見表1。

表1 爐缸爐底冷卻壁布置

(1) 高壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)口小套、十字測溫裝置、爐頂水冷站和爐頂灑水裝置等。高壓工業(yè)水的供水量1550 m3/h，供水壓力為1.5 MPa。

(2)中壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)用于高爐爐役后期打水。中壓工業(yè)水的供水量為300 m3/h，供水壓力為0.6 MPa。

(3)軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻范圍包括爐底水冷管、冷卻壁、風(fēng)口中套和熱風(fēng)爐設(shè)備(熱風(fēng)閥)。軟水的供水量6150 m3/h，供水壓力為0.85 MPa。

爐底、爐缸結(jié)構(gòu)

7號高爐爐底、爐缸采用“國產(chǎn)大塊炭磚和陶瓷杯+美國小塊炭磚”結(jié)構(gòu)，底層滿鋪2層國產(chǎn)石墨炭磚及3層國產(chǎn)半石墨炭磚；爐缸側(cè)壁環(huán)砌43層美國UCAR熱壓小塊炭磚，上部采用17層國產(chǎn)半石墨炭-碳化硅磚和2層剛玉磚；陶瓷杯杯底采用2層剛玉莫來石磚，杯壁采用1層剛玉莫來石磚。

爐缸熱流強(qiáng)度升高

目前，爐底、爐缸安全檢測手段主要有爐缸淺層電偶檢測、爐皮紅外線測溫、人工測量水溫差和計算機(jī)熱流強(qiáng)度。爐皮紅外線測溫靈敏度低，并且不具有連續(xù)性。據(jù)統(tǒng)計爐底處爐皮溫度為25～40 ℃，爐缸處爐皮溫度為36～55 ℃，鐵口下方爐皮溫度為45～60 ℃[1]。爐缸淺層電偶檢測具有連續(xù)性、準(zhǔn)確度高；爐缸各段冷卻壁水溫差連續(xù)測量并同計算的熱流強(qiáng)度來判斷爐缸的安全狀況。2015年4月人工測量1～6段水溫差最高達(dá)到4 ℃；2015年9月年休時安裝高爐冷卻壁微小溫差與熱流強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測爐缸區(qū)域單段水溫差及熱流強(qiáng)度變化；2016年6月2#鐵口區(qū)域的2段水溫差持續(xù)升高，2段122#水溫差達(dá)到1.75 ℃，熱流強(qiáng)度12.21 W·kJ/(m2·h)；2016年10月3#鐵口區(qū)域2段159#水溫差2.27 ℃、171#水溫差1.45 ℃，熱流強(qiáng)度達(dá)到14.2 W·kJ/(m2·h)。

爐缸熱流強(qiáng)度異常的應(yīng)對措施

含鈦礦石護(hù)爐

含鈦爐料護(hù)爐原理

高爐使用釩鈦礦時，起護(hù)爐作用的是爐料中TiO2的還原生成物。TiO2在爐內(nèi)高溫還原氣氛條件下，可生成TiC、TiN及其連接固熔體Ti(CN)。這些鈦的氮化物和碳化物在爐缸爐底生成發(fā)育和集結(jié)，與鐵水及鐵水中析出的石墨等凝結(jié)在離冷卻壁較近的被侵蝕嚴(yán)重的爐缸、爐底的磚縫和內(nèi)襯表面。由于Ti的碳、氮化物的熔化溫度很高，純TiC為3150 ℃，TiN為2950 ℃，Ti(CN)是固熔體，熔點(diǎn)也很高，從而對爐缸、爐底內(nèi)襯起到了保護(hù)作用[2]。

在不大于1450 ℃的低溫區(qū)域，鈦的碳氮化合物TiN、TiC穩(wěn)定區(qū)間較大，Ti穩(wěn)定區(qū)間較小[3]。因此，在死鐵層區(qū)域內(nèi)，隨深度增加TiC和TiN含量上升；而在1800 ℃的高溫區(qū)域，Ti穩(wěn)定區(qū)間較大，TiN穩(wěn)定區(qū)間較小。從風(fēng)口到軟熔滴落區(qū)域，Ti含量明顯升高。溫度梯度對Ti(C、N)生成和沉積起決定性作用，當(dāng)某一部位受到侵蝕，侵蝕點(diǎn)內(nèi)襯的內(nèi)表面溫度較高，Ti(C、N)沉積量越多，并逐漸累積，直至這一溫度恢復(fù)正常。加釩鈦礦期間，要求鐵水中Ti控制在0.15%～0.20%之間，根據(jù)鐵水中Ti含量及時調(diào)整釩鈦礦負(fù)荷。添加釩鈦礦后鐵水中不同元素的含量見表2。

表2 配加釩鈦礦后鐵水中不同元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

釩鈦礦爐料配比入爐方案

本鋼7號高爐入爐爐料結(jié)構(gòu)為燒結(jié)礦57%+馬球11%+鑫玉球5.6%+釩鈦礦2.4%。在使用釩鈦礦護(hù)爐時，應(yīng)根據(jù)高爐的侵蝕情況和熱流強(qiáng)度加入TiO2，但是TiO2量過少起不到護(hù)爐作用，過多爐渣會變稠，流動性變差，造成下部憋風(fēng)，導(dǎo)致壓差升高給高爐順行和操作帶來不利影響。動態(tài)在線檢測爐缸水溫差和熱流強(qiáng)度的變化，當(dāng)下降到安全范圍并穩(wěn)定運(yùn)行一定周期，應(yīng)積極調(diào)整釩鈦礦入爐負(fù)荷，便于及時改善渣鐵流動性，保證良好的透氣性和透液性。

優(yōu)化裝料工藝

通過優(yōu)化布料檔位和角度，調(diào)整高爐截面礦焦配比，確保煤氣流有兩條通路，以中心為主、邊緣為輔。在保證爐況順行，壓量關(guān)系合理的前提下，中心煤氣流溫度控制在450～550 ℃，邊緣煤氣流溫度控制在90～120 ℃。在布料時保證中心礦石為15～16 t，中心焦量為5.5～6.0 t；形成1.0～1.2 m的環(huán)帶平臺和平緩的中心漏斗，減少球團(tuán)礦滾向中心從而抑制中心氣流，影響高爐穩(wěn)定順行。鐵水溫度按照大于1500 ℃，Si含量按照0.45%～0.65%平衡，保證充足的物理熱和化學(xué)熱，促進(jìn)軟熔帶上移，提高高爐利用系數(shù)。局部縮小風(fēng)口面積并適量使用長風(fēng)口，減小爐缸中心死焦堆，減輕液態(tài)渣鐵環(huán)流對碳磚的磨損和侵蝕。

適量控制二氧化鈦的還原

采用釩鈦礦冶煉時渣中的TiO2并不影響爐渣黏度，在1450 ℃時黏度小于0.5 Pa·s[4]。在高爐的強(qiáng)還原氣氛下由于生成TiO2、TiN的固體顆粒，會使?fàn)t渣變稠甚至完全失去流動性。這些碳、氮化物還可以以網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)聚集在鐵滴表面，使鐵滴難以聚合和與爐渣分離，進(jìn)一步造成黏度增高和渣中帶鐵，增加鐵損失。同時，這些顆粒還往往成為尖晶石、鈣鈦礦等高熔點(diǎn)礦物的結(jié)晶中心，提前析出固相使?fàn)t渣失去流動性，因此，必須控制TiO2的還原，或采取氧化措施使已形成的TiC、TiN等物質(zhì)消失。

加強(qiáng)鐵口管理

爐缸鐵口承擔(dān)著液態(tài)渣鐵的排放工作，長期處于惡劣的環(huán)境中，在渣鐵排放時又受到高速高溫鐵水和爐渣的機(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕。新投產(chǎn)高爐，鐵口前段未形成有效的渣皮，保護(hù)鐵口的黏土磚受到環(huán)流渣鐵的機(jī)械沖刷，很快就會被侵蝕掉。后期整個生產(chǎn)期間鐵口主要靠梨形泥包保護(hù)。在爐役后期，維護(hù)一定深度的鐵口，對出凈渣鐵、保證高爐穩(wěn)定順行至關(guān)重要。為此，7號高爐通過提高炮泥強(qiáng)度(主要使用棕鋼玉、碳化硅、絹云母成分較高的無水炮泥)、保持適宜的打泥量并增加二次打泥，既要密實(shí)鐵口孔道，又要維護(hù)好鐵口前段泥包，嚴(yán)謹(jǐn)鐵口冒泥和潮鐵口排放渣鐵。通過以上措施，大大提高了渣鐵出凈率，而且鐵口深度確保達(dá)到3500 mm。鐵口區(qū)泥包的穩(wěn)定對及時排凈渣鐵、降低冷卻壁熱流強(qiáng)度起到了關(guān)鍵作用。

局部堵風(fēng)口作業(yè)

在爐缸侵蝕嚴(yán)重的部位的上方將風(fēng)口堵上，減弱這個部位圓周方向的環(huán)流，有利于粘質(zhì)層的形成，從而起到保護(hù)爐缸磚襯的目的。在爐缸耐材溫度有上升趨勢的部位，使用加長風(fēng)口，將風(fēng)口回旋區(qū)延長，將高溫煤氣推向爐缸中心，保護(hù)爐襯。

效果分析

采取配加釩鈦礦和護(hù)爐措施后，7號高爐爐缸2段144號、160號、183號冷卻壁熱流強(qiáng)度及周邊溫度逐步降低，消除了影響高爐安全生產(chǎn)的重大隱患(圖1)。為高爐進(jìn)一步上風(fēng)提高冶煉強(qiáng)度創(chuàng)造了有利條件，目前本鋼7號高爐風(fēng)量4650～4700 m3/min，富氧120～150 m3/min，生鐵產(chǎn)量穩(wěn)定在6300 t/d。

圖1 爐缸2段144號、160號、183號冷卻壁熱流強(qiáng)度變化

結(jié)束語

(1)采用釩鈦礦護(hù)爐對強(qiáng)化冶煉有一定的不利影響，但對防止?fàn)t缸、爐底燒穿，保證安全生產(chǎn)，延長爐體壽命起重要作用，特別是在爐役后期。

(2)配加釩鈦礦冶煉時，液態(tài)渣鐵黏度相應(yīng)升高，應(yīng)加強(qiáng)操作管理，加重邊緣負(fù)荷，提高爐渣堿度和爐溫，既能保證鈦的還原，提高護(hù)爐效果，又能改善液態(tài)渣鐵的流動性。

(3)提高冷卻強(qiáng)度，對侵蝕嚴(yán)重的部位增加冷卻水量，通過加強(qiáng)冷卻，形成粘質(zhì)層，使1150 ℃等溫線向爐缸中心移動。

(4)堵風(fēng)口作業(yè)和使用加長風(fēng)口，在爐缸局部可以起到保護(hù)爐襯的作用。