濟鋼1 750 m3高爐爐役后期爐缸侵蝕分析及對策

張雷忠，張國營，楚強，王聰，王洪瑞

（山鋼股份濟南分公司煉鐵廠，山東濟南 250101）

生產技術

濟鋼1 750 m3高爐爐役后期爐缸侵蝕分析及對策

張雷忠，張國營，楚強，王聰，王洪瑞

（山鋼股份濟南分公司煉鐵廠，山東濟南 250101）

爐役后期的護爐生產實踐以及爐缸侵蝕模型表明，濟鋼2#1 750 m3高爐爐缸側壁呈現為較大蘑菇型侵蝕。分析認為爐缸侵蝕的主要原因是鐵水環流的影響以及爐缸局部熱流強度過高；另外，90°的鐵口夾角布置以及長期頻繁使用洗爐劑也加劇了爐缸的侵蝕。通過改進灌漿操作，開發局部強化冷卻技術，提高了爐缸的冷卻效果。同時優化操作制度，有效減緩了磚襯的侵蝕，保證了爐役后期爐缸工作本質安全。

高爐；爐役后期；爐缸侵蝕；護爐

1 高爐概況

濟鋼2#1 750 m3高爐于2005年4月1日點火投產，設置24個風口，兩個鐵口。鐵口夾角因場地限制設置為90°。爐缸爐底采用進口炭塊+陶瓷砌體復合爐襯結合水冷炭磚薄爐底結構。爐缸爐底共砌筑13層炭磚，其中爐底滿鋪6層，爐缸環側7層，爐底最下部平砌2層600mm高的高導熱石墨炭磚，爐底中心（在石墨炭磚上）立砌1層800mm高的微孔炭磚，再上砌兩層400mm高的陶瓷杯。爐缸四周側壁外側3～13層為微孔炭磚，爐缸側壁內側7～13層為陶瓷杯砌體。生產期間分別于2006年11月和2008年3月進行了兩次項修，對風口區磚襯進行了局部更換。整體更換了8段冷卻壁，將4段冷卻壁換為鐵銅復合式。從2008年開始，高爐爐缸側壁溫度先后出現異常升高的現象。2008年5月，高爐爐缸爐底交接處8.095 m G1點（5～6號風口方位）、E1點（1號鐵口方位）、D1點（21號風口方位）、C1點（2號鐵口方位）溫度分別上升至980、950、800、700℃，達到歷史最高水平，爐缸處于不安全生產狀態。通過采取綜合技術及管理措施，2012年以來基本控制住了爐缸溫度快速升高的趨勢，爐缸各點溫度均從最高點回落，爐缸側壁溫度最高點基本維持在500℃以下，證明了目前的綜合護爐措施是有效的。

2 侵蝕模型計算

由于高爐爐缸側壁溫度異常偏高，為了精準地計算出高溫點部位實際殘留厚度，為制定護爐措施提供指導，2012年4月依歷史最高溫度計算爐缸側壁（5～8號風口方位）的侵蝕情況。經計算，5～8號風口方位軸截面溫度場和侵蝕情況見圖1、圖2。

圖1 高爐5～8號風口方位軸截面溫度場

圖2 高爐5～8號風口方位軸截面內襯侵蝕情況

模型圖表明，爐缸內襯軸截面侵蝕形貌爐底為淺鍋底型侵蝕，爐底內襯剩余厚度2 040mm，侵蝕線位于第2層陶瓷磚中；第2段冷卻壁中部最小剩余厚度為710mm。基本判斷：爐底內襯剩余厚度大，安全；爐缸側壁第2段冷卻壁中部為較大蘑菇型侵蝕，是相對危險區域，炭磚最小剩余厚度為710mm。這個厚度已經接近行業內規定的安全厚度（600mm），侵蝕情況非常嚴重。綜合起來，爐缸屬中期偏后狀態。

3 爐缸侵蝕原因分析

3.1 鐵水環流的影響

高爐爐缸內鐵水流動實驗和數學模型研究表明爐底層鐵水主要以紊流方式流動，流速較低，而沿爐墻側壁和爐心焦炭周邊流動的鐵水主要以層流方式流動，流速很快。鐵水的密度和環流強度在鐵口出鐵時顯著增大，因此鐵口區域鐵水高速機械環流沖刷是造成該區域溫度較高和異常侵蝕的主要原因［1］。另外對于爐缸死鐵層較淺和鐵口夾角較小的高爐，當死料柱透氣性和透液性顯著下降時，滴落帶下落的鐵水難以穿過中心焦柱而大量流向爐缸周邊，必然加重爐缸側壁熱流負荷，側壁炭磚受到渣鐵強烈沖刷而發生侵蝕。濟鋼2#1 750 m3高爐自2008年以來，因大量使用低品質料冶煉，渣比升高，渣鐵流動性差，造成高爐實際風速和鼓風動能大幅降低，爐缸很難維持一個比較活躍的狀態，直接導致爐缸鐵水環流加劇，使爐缸侵蝕加重。

3.2 特殊的鐵口夾角

造成高爐鐵水環流劇烈的另外一個重要因素是因場地狹小限制，高爐鐵口布局設計存在嚴重問題，兩個鐵口呈90°夾角布置，給爐缸維護和操作帶來難度。出鐵場平面布置如圖3所示。

圖3 濟鋼2#1 750 m3高爐出鐵場平面布置

這種鐵口布局使得爐缸工作自然失衡，沿環流方向接近鐵口部位的侵蝕要遠遠超出其他部位侵蝕速度，造成爐缸自然偏行不斷加劇，局部侵蝕越來越嚴重。

3.3 爐缸局部熱流強度過高

雖然近年來爐缸耐火材料質量得到大幅度提升，但是如果冷卻強度不夠，不能及時將爐內熱量傳出，爐缸內磚襯將直接受渣鐵侵蝕，損壞速度將大幅度提高，所以現代高爐長壽技術重要部分還是在如何發揮冷卻設備的冷卻能力上，性能良好耐火材料及砌筑質量搭配合理的冷卻強度將大幅度提高爐缸使用壽命［2］。

冷卻強度選擇與爐缸承受的熱流密度是緊密相連，現場熱流密度的計算公式為：

式中：λ為耐火材料的導熱系數；δ為相鄰兩個測溫點之間的距離；△t為相鄰兩個測溫點之間的溫差。

以高爐2009年3月侵蝕最嚴重時候的數據為例，計算可知爐缸熱流密度為64 MJ/（m2·h），而相同標高侵蝕不嚴重部位測溫點數值計算可知爐缸熱流密度約為17 MJ/（m2·h），這充分說明熱流密度在爐缸周向分布嚴重不均勻。目前國內高爐冷卻壁水流速度一般控制在1.5～2.5 m/s，濟鋼2#1 750 m3高爐爐缸鑄鐵冷卻壁單管流量在25 m3/h左右，水管水流速度為1.91 m/s。盡管流速符合基本設計要求，但是因為周向所有水管的水流量和流速是相同的，并沒有考慮周向熱流密度分布不均勻的問題，冷卻強度是相同的。冷卻系統周向均勻布置與爐缸局部熱流強度過高的現實不相適應，需要采取技術措施來彌補。

3.4 長期頻繁使用洗爐劑

1750m3高爐為濟鋼第1代大型高爐，由于對第1代大型高爐冶煉操作技術規律還沒有完全掌握，自開爐以來經常出現爐況波動，有時甚至接近1個月爐況不順。因爐況不穩定休慢風率高，反過來又影響到爐缸的活躍，被迫經常使用螢石、錳礦等洗爐劑洗爐缸，最高時全年平均噸鐵使用量達到26 kg。這些洗爐劑的大量使用進一步加劇了爐缸耐材的侵蝕。

4 綜合應對治理方案

根據高爐爐缸側壁溫度急劇上升原因，堅持“順行為基礎，爐缸為核心，風量為生命線”的大型高爐先進操作理念不動搖，堅持“以內養外，內外兼治”高爐長壽管理思路，先后改進灌漿技術、高爐局部強化冷卻等“外治”措施和“活躍爐缸中心，減少環流”為核心的高爐操作“內養”措施，并采取定期的高爐自身排堿技術，以保護爐缸，減緩鐵水對爐缸、爐底沖刷速度，降低爐缸側壁溫度，確保安全、長壽、穩定、高效生產。

4.1 改進灌漿技術

通過分析高爐爐缸的幾次異常侵蝕，可以認為爐缸磚襯與爐殼之間填充層氣隙過高是高爐爐缸侵蝕的一個重要原因，所以首先要解決導熱問題。濟鋼原有爐缸灌漿技術一直是利用休風的機會在鐵口爐缸區域進行，通過灌漿，在近120mm寬填充層加入與炭磚基本同材質碳膠，保證導熱系數。2012年以來，從灌漿位置選擇、灌漿壓力控制、漿料配比以及灌漿過程控制都進行了改進，提高了灌漿效果。

4.2 開發應用局部強化冷卻技術

2012年，在原設計基礎上進行了技術改進，高爐軟水由動力泵房送至高爐本體后，分成兩路供水，其中約3 040 m3/h的軟水用來冷卻爐體冷卻壁直冷管，另外600 m3/h的軟水冷卻爐底以及冷卻壁蛇形管系統，將冷卻爐底以及蛇形冷卻管系統的回水通過加壓泵提升壓力后循環利用，用于冷卻爐體冷卻壁直冷管系統，將爐體冷卻壁直冷管的軟水流量增加到4 000 m3/h，且在爐底以及蛇形冷卻管系統的回水上增加加壓泵提壓后，也可相應提高爐底以及蛇形冷卻管系統的流量和循環冷卻效果。通過水系統改造以后，冷卻壁單根水管流量由原來的26 m3/h提高到40 m3/h。另一項措施是改造高溫部位冷卻壁支管，局部加壓冷卻，有效降低局部區域熱流強度。

4.3 優化調整操作制度

1）優化生產保障條件。控制穩定合適的爐料結構，使用輔料降低爐料結構變化幅度，保持較好且穩定的焦炭和噴吹煤粉質量。

2）控制適宜全壓差，為釋放風量創造條件。高頂壓有利于高爐強化冶煉，一旦原燃料劣化對爐缸造成嚴重影響時，過高的頂壓不利于高爐釋放風量、活躍爐缸，甚至出現中心不暢，為此將爐頂壓力適度降低，使中心氣流更為流暢，以改善料柱透氣性，促進爐況順行穩定，為逐步提高風量創造條件。高爐頂壓正常保持200 kPa左右，全壓差控制在165 kPa以內，透氣性指數基本在21 m3/（kPa·min）以上。

3）合理配置送風參數，追求初始氣流合理性。下部調劑是煤氣流控制基礎，風口回旋區是煤氣流分布的起點，對氣流2、3次分布起主導作用。合理的風口參數調整對煤氣流的分布顯得非常重要。根據特殊的鐵口夾角在兩個鐵口上方配置兩個直徑110mm風口；整體風口長度加長到600mm，整體風口面積向0.268 m2發展，通過風口布局的調整達到提升風量和動能活躍中心氣流的目的。

4）合理控制熱制度及造渣制度，持之以恒強化護爐效果。根據護爐需要，爐溫控制在0.4%～0.55%，爐渣堿度控制在1.15～1.2，配加釩鈦礦或釩鈦球，保持鐵水中［Ti］為0.10%～0.15%，達到持續護爐效果。在側壁溫度處于下降趨勢以后，繼續堅持釩鈦礦護爐，不能因溫度下降就停止護爐而導致溫度反彈，造成護爐效果失效。

5）開發應用爐缸、爐底侵蝕模型。為了監控爐缸、爐底侵蝕狀況和爐缸工作狀態，使用一兩點法和有限元法相結合，開發了高爐爐缸、爐底侵蝕在線檢測模型。通過在線侵蝕模型的應用可以檢測爐缸、爐底等溫線分布，記錄爐缸、爐底歷史最大侵蝕邊界位置（耐火材料的殘存厚度），比較1 150℃凝固線位置與殘存厚度間距大小，實時掌握爐缸側壁最薄處殘存厚度，為及時調整護爐制度提供參考依據。

5 綜合治理效果

綜合治理技術的實施，有效消除了爐缸耐材間氣隙，提高其導熱性，再配合局部強化冷卻，大大提高了爐缸冷卻系統的冷卻效果，減緩了爐缸磚襯的侵蝕，高爐爐缸側壁高點溫度出現明顯下降（如圖4所示）。

圖4 2011年以來爐缸側壁最高點溫度變化趨勢

爐缸側壁最高點基本控制在目標范圍內，低于歷史最高溫度，未出現大幅度反彈，為爐缸安全生產提供了保障。爐役后期的爐缸特護是一個系統工程，必須通過爐內爐外兩個方面做工作，制定合理的護爐制度才能在取得護爐效果的前提下保持爐況的穩定，防止因不合理的護爐制度影響爐況的穩定。在達到護爐效果后應繼續執行護爐制度，達到溫度不反彈的護爐效果。

［1］項鐘庸.國外高爐爐缸長壽技術述評［J］.煉鐵，2013（5）：56-62.

［2］周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊［M］.北京：冶金工業出版社，2002.

Hearth Erosion Analysisand Countermeasuresof J inan Steel’s1750m3BF in theLater Stageof Campaign

ZHANG Leizhong,ZHANG Guoying,CHU Qiang,WANG Cong，WANG Hongrui
（The Ironmaking Plant of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Furnace protection practice of Jinan Steel’s No.2 1 750 m3BF in the later stage of campaign and the hearth erosion model showed that the hearth sidewall erosion was presented large mushroom.The analysis considered that the main reasons of the hearth erosion were the influences of hot metal circulation and high heat flux in the local;In addition,iron notch arrangement with 90° angle and long-term frequent use of cleaning agent exacerbated the hearth erosion.By improving grouting operation and developing local strengthening cooling technology,the cooling effect of the hearth was enhanced.At the same time,by optimizing operation system,the brick lining erosion was mitigated.Therefore,the hearth work safety in the later stage of campaign was ensured.

blast furnace;later stage of campaign;hearth erosion;furnace protection

TF573+.1

B

1004-4620（2014）04-0007-03

2014-03-10

張雷忠，男，1973年生，1994年畢業于武漢冶金科技大學鋼鐵冶金專業。現為濟鋼煉鐵廠2#高爐車間副主任，工程師，從事煉鐵工藝操作管理工作。