降低高爐風口小套損壞數量生產實踐

王文鵬，王大鵬，王先軍，張國強

（1.承德建龍特殊鋼有限公司，河北 承德 067300；2.河北省鍛造用鋼技術創新中心，河北 承德 067300）

中冶賽迪工程技術股份有限公司設計的某公司1#高爐（爐容1350m3）于2011 年1 月28 日點火投產。爐體設計22 個風口，風口小套內徑Φ115mm、Φ120mm，風口小套角度斜5°，采用工業水冷卻，水壓1.5MPa，單個風口小套水流量28m3/h ～32m3/h。

2015 年以前，1#高爐風口小套極少損壞，共計損壞9 個，2015 年開始，風口小套損壞數量逐年上升，且呈周期性集中損壞（備注：2018 年10 月～11 月大修）。為了分析風口小套頻繁損壞的原因，對1#高爐2015 年～2019 年風口小套損壞數量及損壞形式進行統計，結果見圖1。

由圖1 可知，2015 年～2019 年1#高爐風口小套共計損壞201 個，從表2 可以看出，風口小套損壞形式主要為上表面熔損，占損壞數量的88.56%，其次為焊口開裂，占損壞數量的6.47%。

圖1 1#高爐2015 年～2019 年風口小套損壞數量及損壞形式統計

1 風口小套損壞原因分析

根據2015 年～2019 年1#高爐風口小套損壞統計結果可知，風口小套損壞形式主要為上表面熔損，占損壞數量的88.56%，風口小套熔損示意圖如圖2 所示。關于風口小套熔損最基本的熔損機理是：當風口溫度超過受熱極限，風口小套難以及時將熱量傳導出去，從而導致風口小套溫度過高；當達到銅質小套劇烈氧化900℃界限溫度時，風口小套就會出現熔損現象[1]。本文將著重對導致風口小套上表面熔損的主要原因進行分析。

圖2 風口小套熔損示意圖

1.1 風口小套上表面熔損原因

（1）堿金屬影響[2]。部分釩鈦磁鐵礦堿金屬含量高，加上燒結配吃循環料，導致堿金屬和鋅循環富集，使高爐內焦炭熱強度變差，粉化嚴重，加劇爐缸的堆積，惡化爐缸死焦柱的透氣透液性，熔化的渣鐵長期沿爐墻滴落到風口小套上，導致風口小套燒損。

（2）爐缸氣流狀況影響[3]。受原料質量、爐溫波動等影響氣流紊亂，風口大量下塊或渣皮脫落，有時出現大塌料或連續出現滑尺塌料，導致風口小套燒損。

（3）渣鐵外排影響。由于高爐內渣鐵不能及時排出爐外，導致渣鐵的積攢空間減小，使料柱透氣性惡化。同時渣鐵外排的不均勻不及時，會使受原料質量、爐溫波動等影響氣流紊亂，風口大量下塊或渣皮脫落，導致風口小套燒損。受原料質量、爐溫波動等影響氣流紊亂，風口大量下塊或渣皮脫落，有時出現大塌料或連續出現滑尺塌料，導致風口小套燒損。

（4）其他影響。煤粉的質量、冷卻制度等等，也會加劇風口小套燒損。

2016 年～2018 年，煉鐵廠相繼采取停配堿金屬含量較高的循環料，提高一級焦配吃比例到80%以改善焦炭質量，同時優化操作制度，保持合理的操作爐型，保持高爐長期穩定順行等措施，對風口小套損壞起到一定的緩解作用，但不能根本解決壞套問題。

1.2 小套損壞機理研究

2019 年1 月～3 月，煉鐵廠委托院校對小套損壞機理進行研究。對1#高爐損壞下線的風口小套熔損部位進行取樣，沿熔損方向對樣品表面進行磨樣處理，露出侵蝕表面到被侵蝕的金屬之間的部分，如圖3 所示。

試樣表面用酒精清洗后，做EDS 掃描及成分分析，被掃描部位分層掃描圖像和掃描結果如圖4 和表1 所示。

對比分析譜圖1 點與譜圖2 點掃描結果，風口小套遠離侵蝕層側，主要以Cu 元素為主，有C、Fe、Zn 元素滲透到小套內部。在侵蝕層外緣位置，主要以Fe 元素的氧化物為主，有大量的堿金屬富集現象。通過風口小套試樣縱剖面元素成分分析，風口小套由內向外，Fe元素及鈉元素含量顯著增加，K元素含量略有增加，Zn 元素含量呈下降趨勢，表面風口小套熔損部位有Zn 元素滲透到風口小套內部形成鋅銅合金（黃銅），且表面包裹有Fe 元素的氧化物。

圖3 風口小套檢測試樣縱剖面位置

圖4 被侵蝕的邊緣分層掃描圖像圖

表1 被侵蝕的邊緣熔損金屬層成分分析結果

高爐內鋅富集的原因[4]：燒結礦等原料中的鋅在高爐內以ZnO 的形式存在，在高溫的條件下被固體碳還原成鋅蒸氣，隨著煤氣流向高爐上方運動，遇冷時鋅蒸氣被氧化為ZnO 固體顆粒，吸附在爐料的表面，同時爐料的下降，又重新被還原成鋅蒸氣，如此循環，在高爐內形成鋅富集。

表2 常見材料導熱系數（20℃）

圖5 是1#高爐2017 年～2019 年入爐鋅負荷的變化，可以看出，入爐鋅負荷長期處于0.5kg/t以上，遠高于行業標準≤0.15kg/t。而這正是由于高爐內鋅富集的存在，導致入爐鋅負荷一值居高不下的主要原因。

圖5 某公司1#高爐2017 年～2019 年入爐鋅負荷的變化趨勢

高爐風口小套起到通風冷卻的作用，主要是將熱量及時帶走，使溫度維持在較低范圍內的。一般來說，風口小套的材質是銅，由表2 可知，常溫下純銅的導熱系數為381W（m·K），導熱能力強，可以承受較高的輻射傳熱，將熱量及時帶走。由于高爐內鋅富集現象的出現，會在風口小套表面吸附ZnO固體顆粒形成銅 鋅合金，使風口小套的導熱系數降低，造成風口小套溫度升高。

綜上所述，風口小套損壞的主要原因為，入爐鋅負荷長期高于行業標準，且在爐內循環富集，致使Zn 元素滲透到小套表面，與Cu 元素黃銅合金附著小套表面，形成Cu-Zn 合金，由于銅-鋅合金的導熱系數遠低于純銅的導熱系數，破壞了小套傳熱體系，熱量不能及時傳導出去，導致小套的損壞。另受釩鈦冶煉渣鐵性能變差及入爐堿負荷高影響，滴落到小套表面的渣鐵易附著在小套表面，進一步降低小套的導熱性，加劇小套的損壞[5]。

2 降低風口小套損壞措施

根據風口小套損壞研究結果，煉鐵廠一方面從源頭控制鉀鈉鋅等有害元素入爐量，另一方面調整高爐操作制度、提高排堿排鋅效果，以達到降低風口小套損壞數量的目的。

2.1 從物料進廠源頭控制入爐堿金屬和鋅量

每天對進廠鐵粉堿金屬和鋅、鐵水鋅等進行抽檢，建立預警機制；將進廠原燃料堿金屬和鋅納入采購標準。但受釩鈦磁鐵礦資源條件限制，入爐鋅負荷一值居高不下，長期處于0.5kg/t以上，遠高于行業標準≤0.15kg/t。

2.2 提高高爐排堿排鋅效果

1#高爐為釩鈦冶煉，從源頭上降低堿鋅負荷空間很小，所以主要從高爐操作制度上提高排堿排鋅效果。

2.2.1 送風制度的調整

合理的送風制度可以使高爐內的熱制度更趨合理，爐缸熱量更加均勻。隨著鼓風動能的提高，爐內煤氣流速會增加，能縮短Zn 元素在高爐內的停留時間，有利于Zn 元素隨煤氣的排出，增加爐塵對Zn 元素的吸附量，從而提高排鋅率。

2.2.2 熱制度的調整

熱制度是保證高爐內Zn 等有害元素的排放的重要條件，但是Zn 等有害元素相較于Fe 來說更難還原，因此需要更高的溫度來使其還原。配加30%～35%的干熄一級焦，提高料柱透氣性，提高入爐風量及鼓風動能，同時降低焦炭含水對頂溫的影響。上部布料以強力發展中心氣流為主，兼顧邊緣氣流，提高頂溫150℃以上。

2.2.3 造渣制度的調整

在一定的的爐溫下，排堿率會隨著爐渣堿度的降低，而相應提高。因此可以在鼓風動能充足、爐缸活躍、物理熱充足的前提下，爐渣堿度下控0.05 倍，改善渣鐵流動性，消減釩鈦冶煉的影響，同時抑制爐缸內鉀鈉的還原反應，使鉀鈉以硅酸鹽的形式隨爐渣排出爐外，提高排堿率。

2.2.4 及時排放渣鐵

增加出鐵操作的次數可以減少爐渣在高爐內的停留時間，減少Zn 元素的沉積，有利于排堿[6]。

3 改善措施應用效果

圖6 2019 年1#高爐風口小套損壞數量

2019 年在高爐入爐鋅負荷持續升高的條件下，5 月份開始調整高爐操作方針，提高排堿排鋅效果。可以看到：6 月～12 月份小套燒損數量明顯降低，其中除8 月、9 月和11 月，小套燒損各一個，其他月份都無燒損，取得了顯著的應用效果。小套燒損的減少不僅節約了大量小套備件費用，同時也減少了更換風口小套所需的高爐休風時間，提高了高爐生產能力，保證了高爐平穩順行，為1#高爐的穩產高產提供了條件，創造了較大的經濟效益[7]。

4 結論

（1）通過理論研究及生產實踐，風口小套損壞的主要原因為，鋅元素滲透到小套表面，與銅元素黃銅合金附著小套表面，破壞了小套傳熱體系，熱量不能及時傳導出去，導致小套的損壞。

（2）渣鐵性能變差及入爐堿負荷高影響，滴落到小套表面的渣鐵易附著在小套表面，進一步降低小套的導熱性，加劇小套的損壞。

（3）通過改善原燃料條件、提高料柱透氣性，提高鼓風動能及頂溫水平，下控爐溫水平及爐渣堿度，抑制爐缸內鉀鈉的還原反應，提高高爐排堿排鋅效果，可有效降低風口小套燒損數量。