馬鋼A 高爐爐缸侵蝕機理及護爐生產

凌明生，李駿峰，郝團偉

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

馬鋼A 高爐（4000m3，以下簡稱A 爐）于2017 年2 月投產，配有4 個鐵口（標高11300mm），至今運行13 余年。目前A 爐處于一代爐齡后期，隨著爐缸炭磚溫度升高，爐缸的安全長壽問題成為了當前的重點。經歷了2019 年1 月4 日爐缸炭磚B2 點最高上升至684℃后，A 爐進入爐缸特護階段，逐步采取了加鈦球、用含鈦炮泥、降冶強、提高局部冷卻強度等措施后爐缸狀況好轉。然而從生產實踐來看，長時間護爐生產，尤其是含鈦物料護爐也會帶來爐缸堆積，影響爐缸活性，不利于爐況穩定順行。所以，在保證爐缸安全的前提下，順應爐況變化高爐適時調整應對，并做好爐況、產量及長壽之間的平衡，獲得了較好的經濟技術指標。

1 爐缸侵蝕機理

爐缸壽命決定了高爐的長壽，故A 爐采用的是抗渣鐵侵蝕能力較強的陶瓷杯復合爐缸爐底結構。隨著冶煉生產的進行，作為渣鐵液的盛放區，爐缸下部周期性經受著高溫渣鐵的聚集與排放，爐內渣鐵液面隨之流動升降沖刷，以及高溫煤氣流的沖蝕成為了爐缸區域主要的破損原因，其中鐵口區域侵蝕相比更為嚴重。由于高爐冶煉造堿性渣，作為酸性的高爐內襯，需要經受高溫下的化學性渣化。風口燃燒帶位于爐缸上部，燃燒生成的高溫煤氣流使得此處成為整個高爐最高溫度區域，所以具備較好耐高溫性能的爐襯常被應用在此區域，此外爐缸部位還要承受不容小覷的側向壓力。因此，隨著高爐冶煉的進行，爐缸侵蝕在所難免，而采取有效措施延長爐缸壽命對于高爐長壽至關重要。

爐缸炭磚是一種緩蝕內襯，即侵蝕掉一層，就減薄一層，難以修補，所以爐役后期爐缸安全制約了高爐的壽命。從侵蝕機理出發，高爐爐役后期應從減少渣鐵液滲透侵蝕、鐵水環流沖蝕方面著手來延長高爐壽命。張建良等[1]研究表明，高爐爐缸侵蝕嚴重部位縱向主要集中在鐵口中線以下1-3m（死料柱根部附近），周向主要為鐵口區域，受周期性出鐵帶來的鐵水沖刷以及受死料柱透液性變差后的環流加強的影響，爐缸侵蝕在所難免。因此，爐缸維護的基本原理就是要控制爐襯的侵蝕速度，采取適當的護爐措施在爐襯表面形成相對穩定的“凝鐵層”，從而延長爐缸壽命。

2 護爐生產

護爐的關鍵是在鐵水與炭磚層之間形成“凝鐵層”，起到阻隔高溫鐵水，達到保護爐缸側壁的目的。有研究表明[2，3，8]，“凝鐵層”形成是一個復雜熱化學演變的過程，高爐爐缸冷卻系統使得與炭磚熱面接觸的鐵水冷卻、黏度上升并析出石墨碳，與熔點較高的化合物等黏附在炭磚表面形成保護膜，也有與漂浮在鐵水中的焦粉、灰分黏附在炭磚表面形成保護層，所以形成的物相為復雜的混合物（含結晶石墨、渣鐵殼、渣鐵焦堿金屬混合物等）。從形成條件來看，第一，要保證爐缸冷卻強度達到要求；第二，適當降低冶煉強度，保證礦石得到充分還原，降低渣中亞鐵含量，提升鐵的飽和度，提高石墨碳的析出；第三，保證爐缸熱量充足，配加含鈦物料，保證高熔點含鈦化合物的生成。通過對爐缸碳磚保護層機理的研究能夠更好的為高爐爐役后期控制炭磚溫度上升提供技術支持，所以，為應對爐缸問題，A 爐采取了降冶強，加鈦球、含鈦炮泥，增大冷卻強度，以及爐缸灌漿等措施，盡管爐缸炭磚溫度存在起伏，但整體趨勢可控，收到了較好的護爐效果。

2.1 鈦礦護爐

配加含鈦物料之所以能護爐，在于高爐高溫還原氣氛下，含鈦爐料被還原出來的鈦與碳素結合形成的高熔點化合物（TiC 熔點3150℃，TiN 熔點2950℃），在爐缸侵蝕部位低溫區團聚形成了抗渣鐵層阻隔了鐵水對炭磚的侵蝕，從而達到了護爐的效果。

文獻資料表明[4，5]，日本的神戶3 號高爐和加古川1 號高爐的解剖發現了Ti（C，N）晶體，而鞍鋼新1 號高爐破損調查中并沒有在爐缸中發現有Ti（C，N），寶鋼2 號高爐在使用鈦礦護爐的過程效果不明顯。李永全等[6]用實驗表明，溫度梯度對Ti（C，N）的形成和團聚有強烈的影響，大部分Ti（C，N）晶體在溫度梯度較大的低溫端形成并團聚，并且呈現出強烈地團聚在坩堝壁和鐵水界面的傾向。由此可以推斷出可能導致鈦礦護爐沒有效果的原因是：由于長期的高強度冶煉，鐵水環流較強，爐缸侵蝕部位的溫度一直很高，在侵蝕部位鈦沉積物不但無法生成，反而因高溫導致侵蝕加劇，水溫差繼續升高。所以一方面要保持合適的鐵水環流，第二方面保持一定的[Ti]含量及侵蝕部位的溫度梯度分布，從而使得Ti（C，N）能夠生成和凝聚。

圖1 A 爐氧化鈦負荷與鈦收得率趨勢

此外，通過鈦礦護爐的熱力學研究表明[7]，鐵水[Si]及物理熱的提高對于加鈦護爐有積極的作用，即爐溫高，鐵水中[Ti]的溶解度升高，高熔點的鈦化物生成量提高，利于形成保護層，減緩爐缸侵蝕。然而，并非含鈦物料加入量越多越好，過多會惡化爐缸，同時從鈦收得率來看也不經濟，所以護爐應保證鐵水合適[Ti]量，同時兼顧其收得率。A 爐鈦負荷、鐵水含[Ti]%、鈦收得率如下圖1、圖2 所示。由圖1、圖2 可知，鈦負荷大致在3～5.5kg/t，結合鐵水含[Ti]%，鈦收得率與鈦負荷基本呈正相關。考慮到鐵水含[Ti]%過高不利于高爐穩定順行，結合生產實際，A 高爐制定了爐缸炭磚殘厚800mm 為爐缸安全的判定界限，殘厚＞800mm，鐵水含[Ti]%按0.08～0.1%控制，殘厚＜800mm 鐵水含[Ti]%＞0.1%控制。

對A 爐2019 年 鐵 水[Si]、[Ti]%數 據 擬 合 可 知，鐵 水[Ti]%≈0.2053*鐵水[Si]%，即當前冶煉條件下，鐵水[Si]含量決定了鐵水[Ti]的上限，這一結果與文獻[7]所得基本吻合，所以保持爐溫充足對于護爐尤為重要。有學者研究表明[5，6]，正常爐況條件下（1500℃物理熱），鐵水[Ti]%大于0.1%才能保證Ti（C，N）的生成，所以結合硅鈦關系，A 爐日常鐵水[Si]%應保持在不小于0.45%水平。

2.2 調整送風參數及控制冶強

為了應對爐缸炭磚溫度偏高，高爐采取了降低冶強的措施。主要通過控風、減氧的方式來控制冶強，但風量與氧量的降低對于活躍爐缸是不利的。為此，要適當改變風口布局，降低風口面積以維持足夠的風速和鼓風動能，特別是原燃料變差，保證爐缸的活躍性，減少爐缸死料柱的堆積，增加爐缸的透氣透液性，形成爐缸初始煤氣流的合理分布，能夠有效的減少環流對爐缸側壁的侵蝕和沖刷。高爐利用檢修機會調整風口布局，逐步縮小送風面積，并將炭磚溫度異常升高的區域適量換成長風口、小風口，同時在每次休風檢修后堵一個風口，并在每次休風后更換堵風口號，防止局部區域不活躍。在目前的送風制度下，A 高爐的鼓風動能維持在135～145kJ/s，保證了爐缸的活躍性。

2.3 上部裝料制度的調整

為了能夠更好的適應護爐期間的爐況變化，A爐上部裝料制度適時進行了調整。護爐初期為應對偏高的爐缸炭磚溫度，風口面積縮小，鼓風動能上升，上部以疏松邊緣為主；中期隨著炭磚溫度下降，負荷、礦批的增加，高爐中心顯弱，調整上以穩定邊緣、適當發展中心氣流為主；后期受長期的護爐影響，爐缸活性下降，高爐礦批偏小，負荷偏輕，階段性壓差偏高，調整上以疏松邊緣為主，縮小礦石角差，穩定平臺氣流。料制調整過程為：C109876542233222O9876534432→（焦礦外揚0.5°）→（焦礦內收0.3°）。

上部料制根據爐況變化進行適當調整后，兩道煤氣流趨于合理分布，高爐爐況整體穩定順行。

2.4 灌漿及提高冷卻強度

利用檢修機會，在1 號鐵口附近爐殼開孔處進行無水碳素泥漿的灌漿處理，以杜絕該區域的煤氣竄氣。同時還對1 號鐵口區域的第2～4 層冷卻壁的部分通道進行高壓水強化冷卻改造，調整水壓及單通道流量，降低水溫及熱流密度，增強該區域的冷卻強度。提高冷卻強度有助于Ti（C，N）在侵蝕部位的不斷沉積，形成 “凝鐵層”保護炭磚，強化局部護爐效果。

2.5 完善監測預警機制

A 爐爐缸炭磚監測點300 余處，為了能夠全方位的對爐缸炭磚溫度進行監測，服務高爐爐役后期的安全生產，A 爐結合自身實際情況制定以下措施：

（1）加裝爐缸炭磚溫度異常報警裝置，當內點溫度高于250℃或外點溫度大于150℃亦或單點小時溫度上升超過5℃，系統均出現報警信號，便于日常的安全監控并采取相應的操作措施。

（2）對重點區域的炭磚溫度點、爐缸水溫差、爐皮溫度等采取實時監測控制，并建立相應的監測臺賬，關注相應數據的變化趨勢。同時，相關崗位工還需按時進行現場數據測量，以保證監測數據的準確性。

2.6 加強爐前出鐵管理

加強鐵口維護，穩定出鐵時間，能夠保持爐缸渣鐵液面相對穩定，從而滿足護爐生產的需要。特別是在護爐期間由于爐溫高、堿度高、鐵水含鈦高等，爐渣相對粘稠，容易造成鐵口卡焦現象，爐前要加強鐵口監測及時處理。為此，要堅決杜絕鐵口連續偏淺、跑泥，加強四班統一操作，穩定鐵口深度（3.8m ～4.0m）；適當縮小鉆桿直徑（Φ55mm～57.5mm），加強重疊，減少鐵水環流對爐缸側壁的沖刷。

3 效果

A 爐2019 年上半年出現了兩次爐缸炭磚短時快速上升的現象，嚴格執行爐缸特護規定，及時采取了相應的應對措施，整體爐缸溫度可控，爐況整體穩定順行。由表2 數據可知，A 爐利用系數基本維持在2.0 左右水平，根據炭磚溫度及凝鐵層厚度及對參數及產能進行小幅調整，在保障爐缸安全的前提下，兼顧高爐長壽及產量，生產工作穩步進行，護爐生產效果較好。

4 結論

（1）護爐生產效果，是一系列措施的綜合反映，其中降冶強限產量，減少鐵水環流對爐缸側壁的侵蝕收效明顯。

（2）生產實踐表明，長期鈦礦、含鈦炮泥護爐會造成爐缸活性下降，爐前作業困難，所以一旦爐缸溫度快速下行，應及時減少用量或階段停用，做好爐缸炭磚溫度與鐵水含鈦的平衡。

（3）當前冶煉條件下，A 爐應該保持鐵水[Si]大于0.45%，保持爐缸熱量充沛，保持適當的“凝鐵層”厚度，從而延緩了爐缸炭磚的侵蝕。