本鋼新一號高爐主鐵溝澆筑模具改造與創新

張守喜，劉慶濤

（本鋼煉鐵總廠，遼寧本溪117000）

1 引言

高爐主鐵溝是渣鐵及時排放的通道，它是高爐生產工序中的一個極為重要的環節，必不可少。本鋼新一號高爐共有4個出鐵場，主鐵溝外殼設計為全風冷結構，所有主鐵溝內襯均采用氧化鋁微粉、氮化硅、有機纖維、水泥等一次澆筑成型。由于主鐵溝結構設計上存在瑕疵，再加上高爐不斷強化管理渣鐵排放量迅猛增加，主鐵溝每天流過鐵量達1.1萬噸，流過渣量超過3千噸，導致主鐵溝內澆筑料侵蝕快影響高爐生產。主鐵溝澆筑模具不僅決定了主鐵溝內襯結構形狀，同時也決定了主鐵溝的壁厚，所以，對主鐵溝澆筑模具改造很有必要。

2 主鐵溝的結構及性能

2.1 結構

全風冷貯鐵式主鐵溝結構由鋼甲、環冷通風道、永久層、耐火磚、澆筑料、爐渣排放口、撇渣器、殘鐵孔等組成（見圖1），主鐵溝采用鋼板箱體夾層結構，鋼板之間夾層空隙寬度為120mm，夾層之間分散設置垂直鋼板拉筋，拉筋相互之間形成冷風通道，利用鼓風機作為風源對主鐵溝鋼殼進行冷卻，防止鋼殼變形。

圖1 貯鐵式主鐵溝剖面圖

2.2 性能

全風冷貯鐵式主鐵溝設計長度為22m、澆筑后寬度為1.45m、坡度為5°、最大深度為1.5m。鐵次之間，主鐵溝內部存儲60t高溫熔融渣鐵，此時紅鐵表面凝固成硬殼，確保下次連續出鐵時內部渣鐵不會凝固。由于鐵的密度大于渣的密度，渣鐵流經撇渣器時鐵水從大閘底部流進鐵罐，爐渣從撇渣器上部流進沖渣池。主鐵溝澆筑料的理化技術指標如表1所示。

表1 主鐵溝澆筑料的理化技術指標

3 主鐵溝破壞機理

3.1 機械侵蝕

高爐出鐵口高出主鐵溝水平面300mm，且主鐵溝具有5°的斜坡，高爐頂壓為0.24MPa。

出鐵時，渣鐵帶壓從出鐵口噴射而出，直接沖擊主鐵溝周圍各部位澆筑料，并且形成渦流集中沖刷侵蝕落鐵點周圍澆筑料，造成耐火材料顆粒脫落形成機械侵蝕，它是主鐵溝破壞的最主要原因,危害極大。

3.2 化學侵蝕

因主鐵溝澆筑料中含有氧化鋁微粉、氮化硅、有機纖維、水泥等部分屬于酸性材料，而爐渣屬于堿性材料，兩者相遇不可避免的發生化學反應生成化合物和水形成化學侵蝕，化合物從澆筑料中分解出來形成爐渣，水分高溫氣化蒸發掉，化學侵蝕速度極小，危害不大。

3.3 溫差應力

出鐵時，渣鐵帶壓從出鐵口噴射而出時溫度大于1,450℃，出鐵間隔期間，主鐵溝暴露在室外，出鐵過程中存儲的熱量由外向內漸漸降低，由于溫差作用主鐵溝產生內應力，使澆筑料產生開裂或裂縫，加劇侵蝕。

4 模具改造

4.1 主鐵溝炸裂及隔熱罩燒毀原因

出鐵間隔期間，主鐵溝裸露在室外，渣鐵自身攜帶的熱量由外向內漸漸降低，由于溫差作用主鐵溝鋼結構產生內應力造成連接焊縫脹裂，拉扯澆筑料產生開裂或裂縫，如圖2所示，加劇破壞，縮短使用壽命，一般只用3～5天就必須上補，最短的甚至每出鐵間隔期間修補一次，增大了爐前維護工人的勞動強度。

圖2 主鐵溝澆筑料爆裂導致鋼甲開裂

另外，主鐵溝內部耐火材料被渣鐵侵蝕掉后，造成主鐵溝寬度增加，隔熱罩外殼鋼結構距離渣鐵太近，燒毀隔熱罩，導致主鐵溝隔熱罩更換頻繁維修，增加維修和備件成本，如果該隔熱罩嚴重燒毀無法移動，如圖3所示，將造成鐵口堵不上鐵水外溢事故。

圖3 主鐵溝內部侵蝕后導致隔熱罩外殼燒毀

4.2 主鐵溝澆筑模具改造創新

現有的高爐主鐵溝澆筑模具結構如圖4a所示，它是用0.01m厚鋼板焊接而成箱體結構，長:22m，寬：1.45m，前高：1.0m，后高：1.1m。用它澆筑的主鐵溝（見圖4b），從圖4b可以看出整體主鐵溝的耐火材料層厚度均為0.325m，由于落鐵點附近的澆筑料層較薄，抵抗沖刷侵蝕能力較弱。另外，主鐵溝隔熱罩蓋在主鐵溝上，主鐵溝兩側被鐵水沖掉后，造成主鐵溝跨距加寬，隔熱罩內壁耐火材料距離渣鐵太近，沖刷速度加快，導致主鐵溝隔熱罩燒毀，頻繁維修和更換，增加維修和備件成本，為了改變這種不利狀況，對現有的主鐵溝澆筑模具結構進行創新改進。

圖4 現有的主鐵溝澆筑模具及用它澆筑的主鐵溝示意圖

通過對高爐主鐵溝實際使用狀況條件及頻繁損壞原因進行分析，查明問題的主要原因是：主鐵溝澆筑模具的原始設計、結構形狀方面存在嚴重問題。根據《液壓流體力學》流量控制原理，對主鐵溝澆筑模具進行局部創新，如圖5a所示，用改造后的主鐵溝澆筑模具澆筑的高爐主鐵溝，如圖5b所示，落鐵點兩側位置的澆筑料比原來加厚0.15m，并形成5.5m長流量阻尼節流口，作用是當渣鐵通過該阻尼節流口產生減壓，降低渣鐵動能，減小對主鐵溝內壁的撞擊力，進而減小對主鐵溝澆筑料的機械侵蝕。

圖5 改造后的主鐵溝澆筑模具及用它澆筑的主鐵溝示意圖

4.3 鐵水具有的動能計算

改造前、后的主鐵溝澆筑模具澆筑的主鐵溝平面圖（見圖6），根據《液壓流體力學》原理，已知高爐容積：4,747m3,利用系數：2.27～2.41，在這里利用系數取2.3，由于高爐晝夜連續出鐵，鐵口直徑：φ50~φ60mm，則由公式可得：

圖6 主鐵溝澆筑模具改造前、后澆筑的主鐵溝平面圖

鐵口的平均流量：

鐵水的平均流速：

渣鐵從出鐵口流出時的動能：

渣鐵經過5.5m長節流口的動能：

渣鐵經過5.5m長節流口后的動能損失為：

式中Q——鐵口的平均流量

V——鐵水的平均流速

ρ鐵——鐵水密度

D——鐵口直徑

l——阻尼長度

λ——摩阻系數（常數）

d——阻尼寬度

E1——鐵水具有的動能

E2——鐵水流經阻尼長度后具有的動能

根據上述計算可知，渣鐵經過5.5m長阻尼節流口后，它的動能損失掉0.57N·m，說明渣鐵粒子對主鐵溝澆筑料的撞擊（機械侵蝕）沖擊動能減小0.57N·m，主鐵溝其余16.5m長度的使用壽命得到保護，實踐證明這種高爐主鐵溝抵抗沖擊（機械侵蝕）能力極強。

5 改造效果

解決了澆筑料薄厚不均、鐵次間隔期間溫差大，受熱不均，出現炸裂現象。避免經常修補，減輕工人勞動強度，滿足高爐要求。改造后主鐵溝故障率大幅下降，對新一號高爐3#出鐵場主鐵溝2018年（改造前）和2019年（改造后）故障率（見圖7）進行分析，明顯看出，改造后主鐵溝故障率大幅下降。

圖7 主鐵溝澆筑模具改造前、后故障率對比

改造后提高了隔熱罩的使用壽命，維修成本大幅度降低，對主鐵溝澆筑模具改造后，防止了隔熱罩內壁澆筑料與渣鐵接觸太近侵蝕快，提高了隔熱罩的使用壽命，保證高爐的正常生產。對新一號高爐3#出鐵場主鐵溝2018年（改造前）和2019年（改造后）隔熱罩使用壽命（見圖8）進行分析，明顯看出，改造后隔熱罩使用壽命大幅提高。

圖8 主鐵溝澆筑模具改造前、后隔熱罩的使用壽命對比

6 結論

（1）主鐵溝澆筑模具的改造，提高了爐前設備的使用水平，充分挖掘了設備本身具有的潛能，每年可降低備件、材料采購費用368萬元。

（2）主鐵溝澆筑模具改造后，防止了主鐵溝隔熱罩內壁耐火材料與渣鐵接觸太近侵蝕快，提高了主鐵溝隔熱罩的使用壽命，壽命比原來延長3倍。

（3）高爐主鐵溝工作壽命延長，改造前主鐵溝工作壽命為40天，改造后，主鐵溝工作壽命為80天，避免經常修補，減輕工人勞動強度。