馬鋼4000m3高爐長壽操作實踐

安吉南

1.前言

馬鋼A、B高爐有效容積4000m3，分別于2007年2月8日和5月24日開爐投產(chǎn)。主要內(nèi)型尺寸見表1。其中爐體采用薄爐襯、全冷卻壁結(jié)構(gòu)，消除無冷區(qū)并利于形成光滑的操作內(nèi)型，其中13～16段均采用有雙層冷卻水管（直管+蛇形管）的低鉻球墨鑄鐵冷卻壁，并采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。爐缸采用國產(chǎn)炭磚+進口炭磚+進口陶瓷杯復(fù)合結(jié)構(gòu)，鐵口區(qū)域采用優(yōu)質(zhì)微孔大塊炭磚BC-8SR，爐底一層為國產(chǎn)高導(dǎo)熱炭磚，二到四層為國產(chǎn)半石墨炭磚，第五層為進口NDK大塊炭磚。爐缸側(cè)壁為進口微孔炭磚BC-7S，爐缸上部十五層到十九層為國產(chǎn)半石墨炭磚。2018年4月起，B高爐爐缸1TH方向局部區(qū)域炭磚出現(xiàn)持續(xù)侵蝕，七八層爐缸炭磚溫度最高達233/358℃（插入深度50/150mm），使用“兩點法”計算最低殘厚779mm。A高爐在2018年11月出現(xiàn)爐缸1TH至2TH區(qū)域炭磚溫度快速上升現(xiàn)象，出現(xiàn)方位與B高爐接近，最高溫度達442/684℃（插入深度50/150mm），計算最低殘厚343mm。通過上、下部調(diào)劑，鈦礦護爐，冷卻方式的改進等綜合措施，至2021年9月A高爐大修前，兩高爐炭磚溫度點保持可控，經(jīng)濟技術(shù)指標維持較高水平，保證了兩座高爐一代爐役中后期的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運行。

表1 馬鋼高爐主要內(nèi)型尺寸

2.面對的問題

2.1 冷卻壁損壞狀況

2017年，馬鋼A高爐由于高爐爐身中下部冷卻壁損壞較嚴重，尤其是銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁交接段（13段）的球墨鑄鐵冷卻壁損壞較多，一塊冷卻壁（13～41#）全部斷水，僅靠安裝4個銅冷卻柱來維持生產(chǎn)，嚴重影響高爐的穩(wěn)定順行與安全運行。B高爐目前運行近12年無中修，冷卻壁總體運行情況可控，熱面由下至上240根直通管共漏30根通道，其中7根銅冷卻壁通道，23根鑄鐵冷卻壁通道，位置分布周向不集中，冷面漏2根通道，漏水通道基本集中在爐身中下部，大部分已進行拆分或穿管。2019至2022年，B高爐陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有新的冷卻壁損壞，漏水冷卻壁對爐役中后期高爐煤氣流的正常分布帶來不良影響，也給高爐的安全生產(chǎn)帶來威脅。

2.2 爐缸部位

B高爐爐缸溫度上升區(qū)域在5-8層炭磚位置（基本處于象腳區(qū)標高），主要溫度偏高方位是1TH區(qū)域。2018年5月24日，此點溫度達到監(jiān)控以來的最高值358℃，根據(jù)安徽工業(yè)大學(xué)爐缸模型計算，炭磚殘厚為779mm，原始炭磚厚度為1420mm。A高爐爐缸11～12層（10790mm標高）1TH右下方B1/B2點炭磚溫度快速升高，最高值達到684℃，兩點法計算殘厚為343mm（見圖1、圖2）。

圖1 A高爐11-12層（10790mm標高）B1/B2點

圖2 B高爐7-8層（8380mm）A1/G1點

2018年，馬鋼4000m3高爐先后出現(xiàn)爐缸局部炭磚溫度上升的現(xiàn)象，由于受限于焦炭質(zhì)量影響，中心氣流穩(wěn)定性不佳，加上外界原燃料條件階段波動，易產(chǎn)生渣皮脫落，造成爐況波動。大型高爐爐缸直徑大，爐缸死焦堆的體積也相應(yīng)增大，足夠的焦炭熱強度和粒度，才能保證死焦堆具有足夠的透氣透液性，以降低鐵水環(huán)流對爐缸炭磚的侵蝕。馬鋼4000m3高爐入爐焦炭粒度長期處于行業(yè)同類型高爐下游水平，M40/M10波動偏大，灰分偏高。焦炭質(zhì)量劣化加之近年來高爐指標逐年攀升、邊緣氣流發(fā)展環(huán)流加劇，以及持續(xù)性的高冶強對爐缸安全產(chǎn)生了一定影響，加大了爐缸鐵水的環(huán)流效應(yīng)，加速了鐵水對爐缸側(cè)壁炭磚的侵蝕速度（見表2）。

表2 馬鋼4000m3高爐焦炭質(zhì)量分析

3.應(yīng)對措施

3.1 上部裝料和下部送風(fēng)制度調(diào)整

3.1.1上部裝料制度調(diào)整

馬鋼4000m3高爐自2014年開始探索平臺加漏斗的布料模式，下半年逐步取消中心加焦，其目的就是增加高爐抵抗外界原燃料條件波動的能力。目前，高爐上部裝料制度主要針對兩道氣流進行調(diào)整，使邊緣和中心氣流保持相對平衡。

焦炭是制約馬鋼鐵前生產(chǎn)的瓶頸，以焦定產(chǎn)的格局長期存在。兩座高爐配套兩座7.63m焦爐，在實際生產(chǎn)過程中焦炭總量存在缺口，通過調(diào)撥部分干熄焦補充。2018年至今，兩座高爐（目前A高爐已大修）在保證焦炭總量平衡的前提下，利用焦炭分級入爐，擴大了4個焦炭倉的篩板至28mm，改善了死焦堆的體積和孔隙度，為高爐氣流調(diào)整及出鐵制度配合打下堅實基礎(chǔ)。

目前，A高爐于2021年9月大修，B高爐仍未大修，整體冷卻壁工作狀況尚可。但2018年至2022年，B高爐陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有新的冷卻壁損壞。為保證兩高爐長壽生產(chǎn)，仍需有效控制冷卻壁破損情況。在既定的設(shè)備條件下，維護冷卻壁長壽必須形成合理的操作爐型，盡量避免氣流尤其是邊緣氣流的大幅波動，冷卻壁熱面要保持一定厚度的渣皮，使其溫度長期在允許工作溫度范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對爐體的保護。馬鋼采取的是在保證中心氣流穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，適當(dāng)控制邊緣，控制合理的礦石質(zhì)心與爐墻距離以及邊緣負荷。見圖3。

圖3 2020-2022年1月B高爐邊緣負荷及礦石質(zhì)點離爐墻距離變化

3.1.2 下部送風(fēng)制度調(diào)整

考慮到冷卻壁水管破壞程度日益加劇，必須適當(dāng)控制邊緣氣流與發(fā)展中心氣流雙管齊下。馬鋼4000m3高爐采取擴風(fēng)口，風(fēng)速達到230 m/s以上，實際風(fēng)速大于260m/s，動能逐步提高到135kj/s以上，達到降低壓差的效果（見表5）。馬鋼高爐入爐風(fēng)量增加，壓差從2014年的200kpa水平降至現(xiàn)在的170kpa水平，動能的上升，使得爐缸工作狀況明顯改善，增強了高爐穩(wěn)定性，有利于上部中心氣流的順暢和爐缸死焦堆體積的縮小。至2022年，B高爐始終保持足夠的動能，壓差水平總體合適，爐役后期爐況保持順行穩(wěn)定（見表3）。

表3 馬鋼高爐下部風(fēng)口調(diào)整情況

3.2 鈦礦護爐

由于爐缸炭磚侵燭后的不可恢復(fù)性，決定了必須要采取有效措施，在侵蝕部位形成穩(wěn)定保護殼。鈦礦護爐技術(shù)成為大型高爐爐役后期常用的措施。馬鋼4000m3高爐采用在爐料中配用高鈦球，并使用含鈦炮泥，實現(xiàn)鈦礦護爐。護爐以來的高爐鐵水中，鈦質(zhì)量分數(shù)一般為0.10%～0.120%，爐渣中鈦質(zhì)量分數(shù)為1.00%～1.30%，堿度為1.2左右。選擇這樣的渣鐵冶煉，對延長高爐爐缸、爐底壽命和保持一定的爐缸活性，有較好作用（見圖4）。

圖4 2018-2022年馬鋼兩高爐鐵水中[Ti]含量變化 %

爐缸中形成鈦沉積物的原理：在渣－鐵界面即爐缸的高溫區(qū)域，發(fā)生反應(yīng)(TiO2)＋2[C]=[Ti]＋2CO（g），渣中的（TiO2）被還原成鈦，[Ti]+[C]＝TiC(s)在高溫下很難發(fā)生。鐵水中的鈦主要在渣－鐵界面生成，通過鐵水流動或擴散，到達爐缸低溫侵蝕部位，不斷生成 TiC，積累沉積，達到護爐目的。

馬鋼4000m3高爐的實踐經(jīng)驗表明，當(dāng)鐵水中[Ti]含量達到0.08%以上，就能起到護爐效果。當(dāng)爐缸炭磚溫度不太高或下降較快時，應(yīng)適當(dāng)減少鈦礦的加入，減少鈦礦對高爐爐缸生產(chǎn)帶來的負面影響；當(dāng)爐缸炭磚溫度上升較快時，要適當(dāng)增加鈦礦的加入量。

3.3 冷卻制度的調(diào)整

冷卻制度的優(yōu)化對處于爐役后期的高爐至關(guān)重要。見圖5。馬鋼4000m3高爐2021年大修前，A高爐采取了對重點部位重點防護，有輕有重的冷卻制度，利用計劃休風(fēng)新增爐缸區(qū)域冷卻壁高壓水管，提高異常溫度點區(qū)域的冷卻強度，對破損冷卻壁及時修復(fù)，減緩了冷卻壁的破損速率。兩座高爐在2015年后冷卻壁出現(xiàn)了局部破損加速的情況，技術(shù)攻關(guān)立即組織對單塊冷卻壁水管進行查漏、拆分、穿管，通過降低進水溫度、提高冷卻強度，成功在4000m3高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用，最大程度的遏制了冷卻壁破損速率，對爐型的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。另外，日常點檢制度也是保證高爐安全生產(chǎn)、延長高爐壽命必不可少的管理制度，尤其是對于爐役后期的高爐。需要加強重點部位的監(jiān)護，加大點檢頻率，及時做好高爐長壽相關(guān)的記錄臺賬和跟蹤。

圖5 2017-2022年馬鋼4000m3高爐進水溫度趨勢 ℃

4.取得的效果

通過上述一系列措施的實施，馬鋼兩座4000m3高爐冷卻壁破損速率減緩，爐缸炭磚異常溫度區(qū)域均得到了快速、有效的控制。針對2018年4000m3高爐連續(xù)爐缸溫度異常及2021年炭磚溫度短時大幅上升的情況，由于處理周期短，且未對爐況產(chǎn)生明顯影響，為高爐爐役后期的安全穩(wěn)定生產(chǎn)打下了堅實基礎(chǔ)。期間實現(xiàn)了穩(wěn)定煤比145～150kg/tfe，同時實現(xiàn)了燃料比下降，取得了較好的經(jīng)濟技術(shù)指標。目前A高爐已大修，B高爐爐缸溫度可控，爐況指標尚可，繼續(xù)保持穩(wěn)定順行生產(chǎn)中。

5.結(jié)論

（1）馬鋼4000m3高爐焦炭性能處于國內(nèi)同級別高爐的下游水平，需要長期應(yīng)對爐缸活躍性的困難。馬鋼大型高爐的生產(chǎn)實踐表明，取消中心焦和焦炭分級入爐，對改善死焦堆肥大、平衡高爐內(nèi)焦炭分布作用明顯，是發(fā)展兩道氣流的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是應(yīng)對焦炭質(zhì)量劣化和維持爐缸活躍性的根本保證。

（2）馬鋼4000m3高爐發(fā)展兩道氣流的關(guān)鍵，在于控制合理的礦石平臺與爐墻距離，距離控制的依據(jù)主要是高爐自身的爐型變化。爐役后期，針對高爐長壽的要求，應(yīng)當(dāng)以風(fēng)換氧、穩(wěn)定風(fēng)溫、提高動能，最終目的是將風(fēng)口回旋區(qū)推向中心，遠離爐墻。

（3）鈦礦能夠系統(tǒng)有效地對爐缸爐底進行維護，在加入鈦礦護爐的同時，提高冷卻壁冷卻能力，可使侵蝕部位炭磚的熱面溫度下降，促進生成鈦沉積物。鈦礦護爐過程必須根據(jù)炭磚溫度的變化調(diào)整入爐鈦負荷，做到護爐和維持爐缸活躍性的平衡。高爐爐役后期含鈦爐料護爐應(yīng)納入常態(tài)化管理。