本鋼7 號高爐爐缸異常侵蝕分析

供稿|丁洪海，周洋

內容導讀

本鋼7 號高爐爐缸由陶瓷杯結構改為全炭磚結構后，二代爐齡1 年6 個月。2018?10?02 爐缸2 段2 層4、5 風口下方出現“鉆鐵”現象，表現為該處相鄰6 個溫度點突然上升，其中4 點達到最大量程824 °C 時長約5 min，2 點上升至610 °C，經5 h 后逐步恢復至突升前水平。停爐后對該位置冷卻壁拆除發(fā)現，第7 層和8 層炭磚間的橫縫寬12 mm，并有鐵片存在，其中5 風口下方侵蝕最為嚴重，呈“老鼠洞”式侵蝕，最深處炭磚剩余殘厚172 mm，證實了“鉆鐵”現象和停爐的及時性和正確性。通過分析整個爐役中爐缸2 段“象腳”區(qū)的炭磚溫度變化和停爐后破損取樣分析對比，從生產操作、有害元素和炭磚質量3 個方面闡述了炭磚異常侵蝕的原因。

本鋼7 號高爐爐容2850 m3，第一代爐齡11 年11 個月，2017?08?01 停爐后對全部冷卻壁和炭磚進行更換，爐缸側壁由美國UCAR 小塊炭磚+陶瓷杯結構改為日本NDK 大塊炭磚。2017?10?13 第二代爐役開爐后，隨著冶煉強度和產量的提高，爐缸溫度持續(xù)上升，11 個月后爐缸2 段插入炭磚150 mm的電偶溫度便達到525 °C，為保證生產安全，于2019?04?12 停爐對爐缸進行澆筑，第二代爐齡1 年6 個月。

爐缸2 段溫度變化趨勢

在7 號高爐的第二代爐役中，以爐缸2 段炭磚溫度為代表的爐缸側壁溫度變化如圖1。由圖可見，開爐后的前2 個月，爐缸溫度由30 °C 正常過渡至150 °C 左右。隨著產能提高到6700~6800 t/d，爐缸溫度一直呈快速上升趨勢，直到2018?06?30 爐況失常，爐缸嚴重不活，產量大幅下降后，爐缸溫度才出現一定程度的下降，但經過半個月的爐況恢復，產能回到6800 t/d 水平后，爐缸溫度再次出現快速上升趨勢。

圖1 爐缸2 段內外環(huán)溫度和高點溫度變化趨勢

2018 年9 月隨著提產至7000 t/d，插入炭磚深度150 mm 的TE4529 點溫度最高上升至525 °C。雖然進行了釩鈦礦護爐、壓漿、堵風口和減氧限產等一系列的措施，但爐缸溫度上行趨勢并未停止，于2018?11?16 提前年休進行涼爐29 h。復風20 d 后，爐缸溫度再次出現大幅上升現象，其中2018?12?08 TE4521 在24 h 內由370 °C 上升至455 °C，2018?12?30 達到了493 °C 的極限溫度，公司開始準備停爐澆筑。

護爐期間，2018?10?2 爐缸2 段2 層4~5 風口下方出現“鉆鐵”現象，表現為該處相鄰6 個溫度點突然上升，其中4 點達到最大量程824 °C 時長約5 min，2 點上升至610 °C，經5 h 后逐步恢復至突升前水平。停爐后對該位置冷卻壁拆除發(fā)現，第7 層和8 層炭磚間的橫縫寬12 mm，并有鐵片存在，證實了“鉆鐵”現象和停爐的及時性和正確性，如圖2 所示。

圖2 “鉆鐵”停爐后實物對比（a）和溫度變化（b）

停爐后爐缸破損調查對比

停爐后通過對爐缸進行清理和破損調查發(fā)現，除鐵口區(qū)外，8 層以上炭磚基本沒有侵蝕。位于爐缸“象腳區(qū)”的第7 層和第8 層大塊炭磚受侵蝕嚴重，在18—30—7 風口（圖3，1~30 為風口編號，1#、2#、3#分別為鐵口編號）范圍內形成了一道橫向侵蝕溝，深度800~1100 mm 之間，與停爐前爐缸2 段溫度情況一致。

圖3 七號高爐風口布局示意圖

其中5#風口下方侵蝕最為嚴重，呈“老鼠洞”式侵蝕，最深處炭磚剩余殘厚172 mm，停爐扒料后在該處取樣分析，K2O 質量分數2.79%，該位置距停爐前溫度最高點TE4521/TE4529 為200 mm，嚴重威脅生產安全。

破損原因分析

生產操作分析

在操作方面，主要是保證爐況的順行和避免冷卻設備漏水[1]。經歷上一代爐役的洗禮，大家都清楚的意識到冷卻設備漏水對爐缸傳熱過程危害的嚴重性，冷卻設備漏水不僅破壞爐缸炭磚前原有的渣鐵黏滯保護層，而且使炭磚、搗料和冷卻壁間產生氣隙，阻礙傳熱過程的正常進行[2]。

因此在第二代爐役中，全廠上下嚴把漏水關，制定了十字測溫定期打壓、爐頂齒輪箱冷卻系統(tǒng)定期查漏、損壞風口及時更換等制度。即使2018 年7 月出現爐況失常的半個月中，也未出現風口大面積損壞和冷卻壁漏水現象，保證了整個水系統(tǒng)的密閉和完整，排除了漏水對爐缸炭磚壽命的影響。

有害元素分析

堿金屬和鋅在高爐中危害極大，既劣化爐料，使高爐透氣性惡化，又使爐墻結厚，破壞爐襯和炭磚[3]。在入爐料的堿金屬和鋅控制方面，公司根據各高爐原料消耗情況，定期對鋅和堿金屬進行了測算，并對有害元素含量高的原料進行控制使用，取得了一定效果，表1 列舉了2019 年停爐前堿負荷和Zn 負荷數據。

表1 2019 年停爐前Zn 負荷和堿負荷

從表中可以看出，板材7 號高爐堿金屬負荷略高于行業(yè)標準3 kg/t；而鋅負荷0.25~1.02 kg/t 不等，遠超行業(yè)標準0.15 kg/t，在破損調查中發(fā)現位于7~9 風口下，第8 層炭磚與保護磚之間的渣鐵中Zn 質量分數高達2.03%，極易造成炭磚的損傷，有待進一步改善。

炭磚質量分析

基于7 號高爐爐缸炭磚異常侵蝕這一情況，我公司和日本NDK 公司共同對7 號高爐所使用的超微孔炭磚的備用磚在國內外機構進行了多次性能檢測，見表2。通過對比發(fā)現，NDK 炭磚大部分指標能滿足技術協(xié)議要求，但導熱系數低于協(xié)議規(guī)定的18 W/（m·K）。

表2 日本NDK 超微孔炭磚檢驗對比表

無陶瓷杯的爐缸炭磚結構主要靠炭磚良好的導熱性使1150 °C 等溫線穩(wěn)定在渣鐵黏滯層中，避免炭磚和液體渣鐵的直接接觸，從而起到保護炭磚的作用。當導熱系數過低時，爐缸熱量不能及時導出，1150 °C 等溫線向炭磚內部推移，造成炭磚和液體渣鐵直接接觸，加之爐料鋅負荷和堿負荷超標，加速了爐缸炭磚的滲透熔蝕，所以炭磚導熱系數偏低是造成爐缸快速侵蝕的主要誘因。

結束語

（1）爐缸炭磚溫度的異常升高準確的反應出炭磚受侵蝕情況，事實表明，在測得溫度最高點525 °C 處炭磚剩余殘厚172 mm，隨時有燒穿的可能，停爐澆注及時合理。

（2）本鋼7 號高爐第二代爐役中，爐缸改為無陶瓷杯的炭磚結構后，由于NDK 炭磚的導熱系數偏低，導致傳熱受阻，不能形成穩(wěn)定的渣鐵黏滯層，1150 °C 等溫線向炭磚內部推移，造成炭磚與液體渣鐵直接接觸，鐵水及其環(huán)流造成的炭素的侵蝕[4]，炭磚侵蝕過速，爐缸壽命偏短。

（3）由于爐缸炭磚不能形成穩(wěn)定的黏滯層保護，而入爐原料中堿金屬和鋅負荷超標，導致堿金屬和鋅蒸汽的破壞力翻倍，加速了炭磚熔蝕和磚縫膨脹，從而炭磚快速剝落，爐缸溫度直線上升。