鞍鋼3200 m3高爐爐缸長(zhǎng)壽與高產(chǎn)能匹配探索實(shí)踐

李林春，趙東明，張延輝，楊長(zhǎng)亮

（1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠10號(hào)高爐（3200 m3）于2013年5月15日投產(chǎn)，隨著投產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，受設(shè)計(jì)原因、耐材施工質(zhì)量缺陷、投產(chǎn)后原料質(zhì)量波動(dòng)等諸多因素的影響，高爐爐缸局部受到一定程度的侵蝕，其中3號(hào)鐵口出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度持續(xù)升高和側(cè)壁溫度波動(dòng)幅度大的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著高爐產(chǎn)能釋放以及安全生產(chǎn)。為此，分析了爐缸炭磚侵蝕原因，采取了一系列護(hù)爐措施，在爐缸長(zhǎng)壽基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能提升，本文對(duì)此做一介紹。

1 存在問(wèn)題及原因分析

1.1 爐缸構(gòu)造及現(xiàn)狀

10號(hào)高爐爐缸砌筑結(jié)構(gòu)如圖1所示。高爐爐缸側(cè)壁第5～12層采用德國(guó)西格里超微孔碳磚，13～15層采用國(guó)產(chǎn)微孔碳磚，第5～12層超微孔碳磚外側(cè)采用模壓微孔小塊炭磚；爐缸側(cè)壁內(nèi)側(cè)第7～15層采用國(guó)產(chǎn)小塊微孔剛玉磚陶瓷杯結(jié)構(gòu)。

圖1 10號(hào)高爐爐缸砌筑結(jié)構(gòu)Fig.1 Hearth Masonry Construction of No.10 BF

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算3號(hào)鐵口下部爐缸環(huán)碳剩余厚度，見(jiàn)圖2，可以看出炭磚呈逐漸侵蝕狀態(tài)。

圖2 3號(hào)鐵口下部爐缸環(huán)碳剩余厚度Fig.2 Residual Thickness of Carbon Bricks around Hearth beneath Lower Part of No.3 Taphole

1.2 侵蝕原因分析

1.2.1 爐缸側(cè)壁正常生產(chǎn)侵蝕

高爐爐缸側(cè)壁除了鐵水流動(dòng)、鐵水滲透和熱應(yīng)力等機(jī)械磨損外，還存在碳的溶解、爐料中有害雜質(zhì)以及裂解碳和水蒸氣等引起的混合化學(xué)反應(yīng)侵蝕，以上因素共同作用導(dǎo)致?tīng)t缸側(cè)壁受到不同程度的自然侵蝕。

1.2.2 爐缸側(cè)壁非正常侵蝕

由于10號(hào)高爐爐缸砌筑施工時(shí)正處于冬季，炭磚與冷卻壁之間密實(shí)程度不夠，爐殼與冷卻壁之間壓漿不密實(shí)，造成生產(chǎn)過(guò)程中高溫煤氣流形成通道，高溫煤氣流竄到爐殼與冷卻壁間；加之日常操作中冷卻設(shè)備破損未得到及時(shí)更換，大量水進(jìn)入爐缸形成水煤氣，水煤氣進(jìn)入固有通道，導(dǎo)致?tīng)t缸側(cè)壁熱負(fù)荷急劇增加，使?fàn)t缸側(cè)壁局部侵蝕加劇。

1.2.3 高爐后期操作因素導(dǎo)致側(cè)壁侵蝕

在開(kāi)爐生產(chǎn)過(guò)程中，爐前操作鐵口深度控制不到位，或炮泥質(zhì)量變差和波動(dòng)導(dǎo)致鐵口深度頻繁波動(dòng)，均會(huì)造成鐵口區(qū)域泥包不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)悶炮等現(xiàn)象，致使?fàn)t缸側(cè)壁區(qū)域受損，加劇側(cè)壁侵蝕。同時(shí)，高爐采用中心加焦模式生產(chǎn)，焦炭質(zhì)量惡化且中心焦炭過(guò)多會(huì)造成中心死料柱增大，導(dǎo)致?tīng)t缸渣鐵透液性下降，爐缸環(huán)流增加，形成爐缸側(cè)壁局部侵蝕。

2 護(hù)爐措施

2.1 提高原燃料質(zhì)量

堅(jiān)持精料方針，同時(shí)為了更加適合當(dāng)前高爐生產(chǎn)，打破“七分原料+三分操作”傳統(tǒng)思維，調(diào)整為“五分原料+四分操作+一分設(shè)備管理”模式。10號(hào)高爐使用焦炭以化工自產(chǎn)為主，同時(shí)配少量外購(gòu)焦炭，日常在關(guān)注焦炭灰分、揮發(fā)分、含硫量等化學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，更加重視焦炭M40、M10、焦炭粒徑、焦炭反應(yīng)性CRI和焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度CSR等指標(biāo)情況，結(jié)合高爐自身生產(chǎn)需求，不斷提高對(duì)原燃料質(zhì)量的要求，焦炭M40由89.0%提高到90.1%，M10由 5.8%降低到 5.4%，CRI由 24.2%降低到23.2%，CSR由63.7%提高到65.3%，焦炭平均粒徑由50.8 mm提高到52.5 mm。焦炭質(zhì)量的改善和穩(wěn)定為高爐穩(wěn)定順行、活躍爐缸、減少爐缸環(huán)流提供了保障。

2.2 重視爐型和爐缸管理

合理的爐型是高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定順行和降低綜合焦比的基礎(chǔ)，高爐操作者不只要注重爐型管理，更重要的是保證長(zhǎng)期合理的操作爐型。

2.2.1 建立高爐爐型診斷模型

10號(hào)高爐通過(guò)建立高爐診斷模型和在爐身新增加8個(gè)方向的水溫差和熱負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)控，逐漸摸索出適合高爐自身的相關(guān)參數(shù)。爐腹煤氣量和爐腹煤氣指數(shù)計(jì)算公式分別見(jiàn)式（1）、（2）。

式中，V為爐腹煤氣量，m3/min；V風(fēng)為高爐鼓風(fēng)風(fēng)量，m3/min；V氧為富氧量，m3/h；W煤為平均每小時(shí)噴吹煤量，t/h；H煤%為煤粉中 H 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%；K為爐腹煤氣指數(shù)，m/min。

10號(hào)高爐堅(jiān)持提高風(fēng)壓和增加風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓410 kPa、頂壓235 kPa，風(fēng)量由4 800 m3/min提升至5 100 m3/min，見(jiàn)圖3。利用日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（1）（2）計(jì)算，摸索出適合高爐的爐腹煤氣量為6 500～7 000 m3/min，爐腹煤氣指數(shù)為55～60 m/min，超出以上范圍，高爐需要立即調(diào)整，避免長(zhǎng)時(shí)間偏離合理范圍后高爐出現(xiàn)爐況波動(dòng)，導(dǎo)致?tīng)t缸不活躍。

圖3 2018年10號(hào)高爐入爐風(fēng)量變化趨勢(shì)Fig.3 Change Trend of Blast Volume Charged into No.10 BF in 2018

2.2.2 加強(qiáng)爐缸狀態(tài)管理

保持爐缸活躍性是高爐順行、降低消耗的基礎(chǔ)。高爐鐵水物理熱不達(dá)標(biāo)、長(zhǎng)期低爐溫會(huì)導(dǎo)致?tīng)t缸不活躍。爐缸物理熱指數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

式中，Ktp為爐缸物理熱指數(shù)；tp為每次鐵的平均鐵水溫度，℃；[Si]為每次鐵的平均鐵水 Si含量，%。

實(shí)踐證明，鐵水溫度1 500～1 510℃、鐵水Si含量0.4%～0.5%對(duì)保持爐缸活躍有利，10號(hào)高爐爐缸物理熱Ktp的適宜范圍為2.5～3.0。10號(hào)高爐物理熱指數(shù)、鐵水硅數(shù)變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 10號(hào)高爐物理熱指數(shù)、鐵水硅數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 Change Trend of Physical Heat Index and Silicon Content in Molten Iron of No.10 BF

在日常操作中，10號(hào)高爐規(guī)定鐵水Si含量在0.45%～0.55%，嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間低爐溫操作，保證風(fēng)溫1 190～1 200℃以上，首選通過(guò)調(diào)整煤量實(shí)現(xiàn)熱量平衡，當(dāng)煤量連續(xù)使用3 h后爐溫和物理熱仍不達(dá)標(biāo)時(shí)，需調(diào)整焦炭負(fù)荷且必要時(shí)減風(fēng)減氧控制強(qiáng)度，以保證爐溫和鐵水物理熱達(dá)標(biāo)，待爐溫和物理熱恢復(fù)正常水平后，焦炭負(fù)荷調(diào)整到正常水平。10號(hào)高爐實(shí)現(xiàn)爐溫穩(wěn)定率和合格率均達(dá)到90%以上。

2.3 細(xì)化爐前操作

2.3.1 爐前渣鐵組織合理化

10號(hào)高爐細(xì)化爐前操作和操作制度的貫徹執(zhí)行，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和監(jiān)管，避免設(shè)備故障影響高爐出鐵節(jié)奏。同時(shí)，建立爐前耐材和炮泥管理規(guī)定，具體如下：

（1）保證日常主溝維護(hù)兩供兩備原則，鐵口停下后必須保證12～15個(gè)工作日具備開(kāi)鐵口條件；

（2）高爐主溝通鐵量必須達(dá)到合同要求，不能隨意放砂口或停下；

（3）高爐鐵口深度3.3～3.5 m，鉆頭直徑53～57 mm，保證出鐵流速 5.7～6.0 t/min，當(dāng)高爐渣鐵排放不及時(shí)，可以選擇零間隔或者負(fù)間隔出鐵，保證出凈渣鐵；

（4）建立炮泥跟蹤和評(píng)價(jià)機(jī)制。記錄高爐每次鐵的炮泥打泥量、鐵口深度、處理鐵口時(shí)間、出鐵流速、每次拔炮時(shí)間、是否使用氧氣燒鐵口以及是否折鐵口等，利用全月數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)炮泥是否滿足高爐生產(chǎn)。

2.3.2 含鈦炮泥爐缸側(cè)壁局部護(hù)爐

鐵水對(duì)TiC、TiN的潤(rùn)濕角比較小，因此鐵水很容易潤(rùn)濕并粘附Ti（C，N），在鐵水珠外形成一層Ti（C，N）薄殼，懸浮在渣鐵界面。 由于 TiC、TiN 熔點(diǎn)高 （TiC熔點(diǎn)為3 150℃，TiN熔點(diǎn)為2 950℃，高于渣鐵溫度），只能呈半熔融或固相狀態(tài)懸浮在鐵口周圍渣鐵中及其界面處，出鐵時(shí)會(huì)隨著渣鐵液面的下降逐步沉積到鐵口周圍的磚襯上，達(dá)到足夠的沉積量后，在泥包周圍磚襯上形成鈦積保護(hù)層。

10號(hào)高爐采用一種特殊的含鈦炮泥，這種含鈦炮泥引入的反應(yīng)催化劑可以大大降低TiO2的反應(yīng)溫度，鐵水溫度達(dá)到1 400℃以上即可啟動(dòng)反應(yīng)，在炮泥中加入氮化物細(xì)粉，反應(yīng)中N2析出，可以促進(jìn)反應(yīng)生成TiN。長(zhǎng)期使用這種炮泥后可使鐵口區(qū)域局部鈦保護(hù)層的結(jié)構(gòu)致密、硬度大、熱阻性大、熔點(diǎn)高，附于鐵口周圍的磚襯或凝鐵層之上，起到保護(hù)鐵口區(qū)域的作用，有效降低鐵口區(qū)域爐缸側(cè)壁溫度。

2.4 提高釩鈦礦護(hù)爐效果

2.4.1 提高爐缸冷卻能力

由于10號(hào)高爐采用爐缸和爐身一體式冷卻模式，爐缸冷卻能力不足。針對(duì)爐缸側(cè)壁3號(hào)鐵口溫度高的情況，在其下方增加兩臺(tái)加壓泵，對(duì)鐵口區(qū)域的6根水管加壓增加水量，增加局部區(qū)域的冷卻強(qiáng)度，促進(jìn)鐵水中鈦析出生成Ti（C，N）。同時(shí)，基于10號(hào)高爐爐底水冷管在爐基板上，爐底冷卻能力高于其他高爐，為了減少鐵水環(huán)流對(duì)側(cè)壁的侵蝕，將爐底水量由原來(lái)的600 m3/h減少至500 m3/h。

2.4.2 長(zhǎng)期使用釩鈦礦護(hù)爐

10號(hào)高爐護(hù)爐期間鐵中鈦含量控制在0.100%～0.120%，后期由于煉鋼要求Si+Ti＜0.7%，高爐減少入爐鈦量，將鐵中鈦含量控制在0.060%～0.090%，仍能滿足護(hù)爐效果。同時(shí)，在護(hù)爐期間，終渣堿度由原來(lái)的1.16提升至1.18，促進(jìn)渣中TiO2的還原，以達(dá)到護(hù)爐效果。

2.5 控制冷卻設(shè)備破損及減少中心加焦比例

10號(hào)高爐為了減少冷卻設(shè)備破損，進(jìn)行了風(fēng)口質(zhì)量提升，加強(qiáng)煤槍狀態(tài)管理，以及壞風(fēng)口減水制度建設(shè)等工作，實(shí)現(xiàn)了全年壞風(fēng)口數(shù)量的減少，避免了大量水進(jìn)入爐缸影響爐缸長(zhǎng)壽。10號(hào)高爐近年風(fēng)口破損統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，可以看出，風(fēng)口破損數(shù)量逐年降低。

表1 10號(hào)高爐近年風(fēng)口破損數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of Damaged Number of Tuyeres of No.10 BF in Recent Years 個(gè)

10號(hào)高爐優(yōu)化布料制度，通過(guò)縮小下部風(fēng)口面積和縮小布料平臺(tái)采用5檔布料增加風(fēng)量，中心加焦比例大幅度下降（見(jiàn)表2），爐芯溫度呈明顯上升趨勢(shì)（見(jiàn)圖5），爐缸更加活躍，減少了爐缸中心死料柱，減少了渣鐵環(huán)流帶來(lái)的側(cè)壁侵蝕。

表2 10號(hào)高爐近年中心加焦比例Table 2 Proportions of Adding Coke at Certer of No.10 BF in Recent Years %

圖5 2018年10號(hào)高爐爐芯溫度變化趨勢(shì)Fig.5 Change Trend of Furnace Core Temperatures of No.10 BF in 2018

3 實(shí)踐效果

通過(guò)采取上述措施，高爐近年來(lái)產(chǎn)能逐漸提升。2015-2018年10號(hào)高爐產(chǎn)能如表3所示。10號(hào)高爐2018年在確保爐缸長(zhǎng)壽前提下實(shí)現(xiàn)了歷史最好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，入爐焦比315 kg/tFe，煤比162 kg/tFe，燃料比515 kg/tFe，日平均產(chǎn)量7 500 t/d（同年4月份實(shí)現(xiàn)日平均產(chǎn)量7 780 t/d），在爐缸長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能的提升。

表3 2015-2018年10號(hào)高爐產(chǎn)能Table 3 Production Capacities of No.10 BF from 2015 to 2018 萬(wàn)t

4 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠10號(hào)高爐針對(duì)爐缸長(zhǎng)壽與高產(chǎn)能的問(wèn)題，采取了提高原燃料質(zhì)量，重視爐型和爐缸管理，細(xì)化爐前操作，提高釩鈦礦護(hù)爐效果，控制冷卻設(shè)備破損及減少中心加焦比例等措施，護(hù)爐效果明顯，在爐缸長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能的提升，值得參考和借鑒。