柳鋼5號1500 m3高爐冷卻壁漏水的影響及應對措施

錢海濤，雷發榮，文 雅

(柳州鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，廣西 柳州 545000)

柳鋼5號高爐有效容積1500 m3，設有22個風口，2個鐵口，采用陶瓷杯爐缸，高爐本體采用三段式銅冷卻壁和爐身鋼冷卻壁的薄壁爐襯技術，以及應用了軟水密閉循環系統，國產PW標準型串罐式無料鐘爐頂，雙均排壓系統，皮帶輸送機上料，4座大型頂燃球式熱風爐，嘉恒法渣粒化工藝和全干法除塵等先進技術和設備。5號高爐2008-06-02擴容中修，投產已達12年，后期爐役冷卻壁破損漏水的情況呈現加速的趨勢，影響高爐生產指標和爐況穩定性。本文簡要分析了銅冷卻壁的破損機理和對高爐的影響，重點總結了高爐軟水冷卻壁查漏方法、冷卻壁漏水的處理技術和使用維護技術。高爐在操作應對中，采取了科學的管理方法，合理維護高爐操作爐型，保證了安全生產，促進了生產指標的進步。

1 漏水冷卻壁情況簡介

1.1 冷卻壁破損情況

柳鋼5號高爐從爐底至爐喉下部共設置14段冷卻壁。爐底爐缸設置5段光面鑄鐵冷卻壁，爐腹至爐腰采用3段銅冷卻壁，爐身設置6段鑄鐵鑲磚冷卻壁，采用軟水密閉循環進行冷卻。2018年1月冷卻壁開始出現漏水現象，第6段銅冷卻壁漏水26塊，2019年1月停爐一個月進行性能恢復檢修，整體更換第6段銅冷卻壁共40塊，之后因爐況波動，冷卻壁又開始出現漏水，2019-1-25查出10層17#冷卻壁漏水，9層45#、46#、51#、52#、97#、98#、140#、141#冷卻壁漏水，2019-8-10查出9層99#冷卻壁漏水，2019年11月10日查出7層16#銅冷卻壁漏水，2019-11-13查出7層41#銅冷卻壁漏水。2019年共查出漏水冷卻壁12塊。

1.2 冷卻壁破損原因分析

(1)爐況的波動，2018～2019懸料總計26次，邊沿氣流的不穩定，尤其是邊沿管道氣流，會導致爐墻渣皮掛不住，頻繁脫落，冷卻壁溫度大幅度波動產生的熱震對冷卻壁的傷害非常大[1]。

(2)由于銅冷卻壁熱面壁體溫度過高造成的直接燒損，這主要發生在如下兩種情況中：一種是發生在冷卻水嚴重不足時，銅冷卻壁原有的渣皮得不到冷卻，溫度逐漸升高，當溫度升高到紫銅熔點1083 ℃以上時，冷卻壁直接燒損[2]；另一種是邊沿出現局部氣流發展，而局部的冷卻能力又相對不足，局部氣流通道內無爐料補充渣皮，一定時間的沖刷后渣皮脫落，造成冷卻壁直接燒損。

2 冷卻壁漏水對高爐的影響

2.1 冷卻壁漏水導致消耗增加

理論上1 kg水漏入爐內消耗的熱量需要1.117 kg焦炭來補償，由于1 kg水分解產生氫氣有1/3參加還原反應，1 kg水抵消氫氣參加還原反應后要消耗0.753 kg焦炭[3]。因此漏入的高爐水越多，消耗越高。2019年6月冷卻壁有漏水，2019-8-10查出9層99#冷卻壁漏水，從圖1可以看出2019年6月開始燃料比逐步上升，從2019年2月的529.3 kg/t上升到2019年7月的565.8 kg/t，燃料比上升36.5 kg/t，說明入爐的水較多，漏水冷卻壁水沒有控制好[4]。

2.2 冷卻壁漏水影響高爐內部氣流分布

水進入高溫區造成爐墻黏結影響氣流分布，操作爐型發生變化。漏水部位煤氣量增加，煤氣流上升過程中在煤氣流增加的部位重新分布，導致氣流不穩定，局部方位管道較盛[4]。爐況穩定性變差，上部調劑作用不明顯。

圖1 2019年2-12月燃料比

2.3 造成爐溫波動

冷卻壁漏水無法定量分析，操作上把控爐溫難度增大，由于煤氣分布不均勻，變化較大導致高爐爐溫波動增加[4]，另外由于氣流的波動造成渣皮頻繁脫落也會引起爐溫大幅度波動。

3 應對措施

3.1 查出漏水的冷卻壁

冷卻壁漏水后，給高爐操作指標提升，甚至是順行都帶來了極大的挑戰，高爐根據冷卻壁漏水的苗頭及時查漏并妥善的處理，可有效的避免大量冷卻壁漏水引起的爐況波動，為保證查漏過程中作業人員及冷卻設備安全，具體操作應遵循以下步驟進行查漏作業。

(1)初查階段：

①閥門檢查。查漏操作前須檢查相關閥門處于正確的開或閉狀態，并確認通暢無堵塞；打開所查管段上下兩端的排水閥確認能正常排水、排氣；所查管段除兩端總閥外，如中間還有隔斷三通閥，需確認該閥處于打開通水狀態。②安裝壓力表。在待查管路排水閥上安裝壓力表，安裝位置以方便操作、觀察為原則視現場具體情況定。③管路憋壓。關閉管路上端出水總閥與下端進水總閥，觀察壓力表壓力變化情況，若壓力下降則可以初步判斷該管路漏水，繼而進行控水查漏最終確認。

(2)確認階段：

①控水操作。關閉管路上端出水總閥→控小下端進水總閥→打開上端排水閥→根據排水閥出水情況適當調整進水總閥開度(控水至管內壓力小于爐內壓力，保證排水閥有水出、冷卻壁不斷水)。②查漏操作。便攜式煤氣報警儀檢測查漏、觀察出水頭是否有氣泡、點火查漏。

(3)送水操作。查漏完成后應及時恢復冷卻壁供水，送水操作程序：

①如確認該冷卻水管無漏水時，應盡快恢復正常軟水冷卻，下部人員:送水前先聯系并確認上部人員遠離排水閥，然后緩慢開啟下端進水總閥直至全開；上部人員：觀察排水閥水流穩定、水溫下降后，關閉排水閥并將上端出水總閥打開，恢復正常供水?；謴退退?，上、下部人員檢查管路各排氣、排水閥是否關閉，閥門方向是否正確，有無異常漏水、排水情況。②如確認該冷卻水管漏水時，可改通工業水臨時恢復冷卻，改工業水應采用下進上出的方式供水，如漏水較大，經技術部門同意也可采用上進下出的供水方式。強調：無論采用哪種方式供水，在恢復通水時閥門都必須緩慢開啟，待出水口水流穩定后才能全開閥門。③查出漏水并改通工業水的管路，應盡快查出漏水點所在的冷卻壁層數，并擇機實施穿管修復，或將漏水所在層水管分開單獨通工業水冷卻，其余上下層不漏的水管盡快恢復軟水冷卻。④記錄匯報。查漏結束且恢復正常后，班組做好交接班記錄，書面告知其它班組，并于2個工作日內將查漏結果、管路改造(或通水)情況書面報技術科、機動科、點檢站等主管部門。⑤任何時候出現金屬軟管爆裂，確認安全情況下盡快關閉爆裂水管的上、下端水閥，避免大量冷卻水外排影響高爐的正常冷卻從而影響高爐的正常生產。

3.2 漏水冷卻壁處理技術

(1)漏水冷卻壁通工業水冷卻，減少入爐水量。

查出漏水并改通工業水的管路，應盡快查出漏水點所在的冷卻壁層數，單層通工業水冷卻，銅冷卻壁如果破損面積擴大，爐內的焦炭會經過銅壁破損的地方進入銅冷卻壁水管內造成水管堵塞，如果冷卻壁外不能及時打水降溫就會發生爐殼發紅燒穿的事故，影響高爐安全生產。5號高爐在銅冷卻壁破損后，冷卻壁進水改成上進下出，進水管內徑由DN25改成DN40，排水管內徑由DN25改成DN50，進水管應保持一定的高度以保證足夠的水壓沖擊爐內壓力，排水管末端長1.5米成90°豎直安裝，使管里形成一定的水壓與爐內的壓力形成一個相互阻力，這樣可以保證排水量夠大，進入管內的焦炭及鐵礦石便會隨著水流更順暢地排出。為了防止冷卻壁被焦炭堵塞，5號高爐冷卻壁排水管加裝了一個反沖裝置如圖2，冷卻壁排水管DN25(4)閥門接一條高壓水管。如果冷卻壁管被堵塞，就把排水管的DN50(7)閥關閉，而打開DN25(3)、DN25(4)閥開高壓水反沖。反沖3-5秒之后，打開DN40(6)閥門排出堵塞的焦炭，反沖完恢復閥門即可。

圖2 冷卻壁排水管反沖裝置示意圖

(2)利用休風機會將漏水的冷卻壁穿管。

冷卻壁穿管修復原理為：在破損的冷卻壁內穿入小于原水管內徑的軟金屬波紋管，軟金屬波紋管的兩端分別與冷卻水連接形成新的冷卻通道，并在軟金屬波紋管和原水管之間灌入高導熱的碳質灌漿料[5]，其結構如圖3所示。

冷卻壁穿管的方法：高爐休風后首先找出破損冷卻壁的位置，斷開破損冷卻壁的進出水管，在破損冷卻壁內用鋼絲做引線，將相應長度的軟金屬波紋管由引線引出，焊好進出水管后，對破損冷卻壁進行封堵，用專用設備向波紋管與水管間空隙壓入碳質灌漿料，波紋管內通工業凈環水，開路循環[5]。

5號高爐冷卻壁穿管修復后，既消除了向高爐內漏水的現象，又不影響冷卻壁的冷卻效果，徹底解決了漏水造成的各種危害和損失，效果較好。修復后的冷卻壁水管未出現漏水現象，延長了冷卻壁的使用壽命。

3.3 調整操作制度，穩定邊沿氣流，爐內維持良好的掛渣環境

2020年5月在操作思路上進行了大的調整,摒棄了以往靠上部料制過度壓邊來穩定邊沿的做法,通過綜合調劑手段來穩定操作爐型，調劑高爐操作爐型處于合理狀態。

圖3 冷卻壁穿管示意圖

(1)下部調整重視爐缸熱量。為解決爐缸活躍的問題,滿足鼓風動能和實際風速的要求，在穩定爐溫基礎上，以風為綱，風量由原來的3500 m3/min加至3650 m3/min。另外,考慮到冷卻璧破損以后漏水的影響,將鐵水物理熱控制在1500-1510 ℃、爐渣堿度定在1.15-1.20，以高物理熱及良好的渣鐵流動性來保證爐缸的熱狀態，防止因為漏水而造成爐涼，或者釀成其他的生產事故。

(2)調整冷卻制度。高爐爐身下部至爐缸風口區域是高爐冶煉的敏感區域，也是軟熔帶根部形成的區域，該部位對煤氣流變化非常敏感，渣皮穩定性差且易脫落。通過調劑高爐中部區域的爐體冷卻制度，使高爐有適宜的熱流強度，促進煤氣流的合理分布，有效防止和消除爐墻結厚。恢復爐況時，將高爐的軟水流量下調了300-500 m3/h，進水溫度上調3-5 ℃，有效地消除了爐墻結厚。目前軟水溫差控制4.5-5.5 ℃。

(3)氣流調整方向。在氣流的調整上，按照“穩定邊緣，打開中心，穩定中心，照顧邊緣”的原則，調整好中心和邊緣兩道煤氣流。爐況波動和冷卻壁漏水爐墻會出現結厚，需要經過一段時間適當發展邊緣氣流，逐步糾正操作爐型。爐況恢復初期礦石平臺搓堆，增加焦炭外環的布料圈數，疏導兩道氣流利于加風。逐步加風后料速加快，礦石平臺外移，擴礦批趕上料。通過整體外移布料平臺來壓住邊緣氣流，使邊緣形成穩定渣皮，穩定操作爐型。在確定中心是否強勁和邊沿是否穩定上，制訂相關操作參數。中心相關的操作參數主要有：爐頂溫度與圓周均勻性，十字測溫次中心溫度，以及探尺動態與是否偏尺；與邊沿相關的操作參數主要有：爐體總水溫差，爐身中下部溫度參數，以及爐頂溫度等。

3.4 建立高爐體檢評分

將判斷爐況趨勢，由經驗判定向數據化判定轉變，通過采集、分析的高爐各環節參數，制定高爐體檢評分標準；研究各時間段參數與高爐體檢評分的相關性，以量化反應高爐的操作，降低生產中處理爐況時的失誤次數，使得判定結果更加準確。

建立高爐體檢評分后，將爐體水溫差、爐內壓差和煤氣利用率控制在合理的操作范圍內，當操作參數偏離控制范圍后，體檢制度表就會相應的報警提醒。例如，以前在控制爐體水溫差的過程中，受冷卻壁破損的影響，總是有意識地將爐體水溫差控制的低一些。建立高爐體檢評分后，確定將爐體水溫差控制在4-6 ℃，當其他操作參數與之相沖突時都要服從之。

4 效果

通過采取上述操作措施后，生產的穩定性及各項經濟技術指標都取得了較大的進步(如圖4所示)，爐況能夠保證長期穩定順行，爐墻也再沒有發生過結厚的癥狀，高爐操作爐型得到了合理維護。

操作思路改變以后，由于對邊沿氣流控制得當，中心氣流能夠得到保證，爐況能夠達到長周期的穩定順行。隨著爐況穩定性的增強，爐內壓量關系得到改善，風氧量的使用得到有效保證。通過上下部調劑相結合，不斷地提高煤氣利用，焦比得到控制，并且基本上能夠穩定在380 kg/t左右。其他技術指標不斷提升，尤其是煤比， 2020年3月煤比132 kg/t，2020年6月煤比提升至151 kg/t，提煤降焦達到了較好的效果。

圖4 2020年3-6月焦比

5 結語

(1)爐料磨損和邊沿氣流發展是冷卻壁破損的主要原因。

(2)冷卻壁漏水要抓住苗頭及時查漏并妥善的處理，可有效的避免大量冷卻壁漏水引起的爐況波動，為保證查漏過程中作業人員及冷卻設備安全，應制定查漏作業規定，規范查漏作業。

(3)冷卻壁穿管技術可以解決冷卻壁破損漏水給高爐造成的危害和損失，保證冷卻壁冷卻效果，并延長冷卻壁的使用壽命。

(4)高爐冷卻壁使用維護技術關鍵是冷卻壁熱面必須要有一定厚度的渣皮，而維持穩定的渣皮，一是爐外要強化冷卻效果，二是爐內維持良好的掛渣環境。

(5)采取科學的管理，并建立爐況管控預警機制后，杜絕人為的干預，使得指標及爐況穩定性逐漸改善。