太鋼高爐長壽維護技術(shù)實踐

梁建華

（太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

1 問題的提出

世紀之初，我國處于基礎(chǔ)設(shè)施、地產(chǎn)的大建設(shè)時期，鋼鐵需求旺盛，另外由于我國鋼材成本優(yōu)勢，國際市場需求較強，在國內(nèi)外大量訂單促進下，高爐鐵水供不應(yīng)求，各鋼鐵企業(yè)為提高自身產(chǎn)能搶占市場，大部分高爐一代爐齡未到情況下，積極進行擴容改造，對高爐長壽技術(shù)重視不夠。

近年來，在市場利益促進下，我國鋼鐵產(chǎn)能增速斐然，為國家建設(shè)及地區(qū)發(fā)展做出突出的貢獻，然而隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施及地產(chǎn)建設(shè)逐漸進入平穩(wěn)階段，為有效抑制鋼鐵產(chǎn)能的進一步擴張和滿足民眾對美好生態(tài)環(huán)境訴求，我國適時推出供給側(cè)改革政策，提出新時代發(fā)展思路，及時對污染性企業(yè)進行產(chǎn)能出清，對新建、改建鋼鐵項目進行嚴格把控，企業(yè)對高爐的擴容改造動力得到有效抑制。新時期，鋼鐵企業(yè)把目光轉(zhuǎn)向高爐長壽技術(shù)方向，以期通過提高高爐使用壽命，提升高爐建設(shè)初期投資效率[1]。

太鋼不銹煉鐵廠現(xiàn)役兩座爐齡十年以上高爐，依次為三高爐（1800 m3）、五高爐（4350 m3）。兩座高爐在高爐長壽方面各有亮點：

1）三高爐。2007年7月30日投產(chǎn)至今，一代爐齡11年8個月，冷卻方式為全冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐身冷卻器無一損壞，爐殼無燒紅、開裂和跑煤氣等現(xiàn)象，爐身渣皮穩(wěn)定；爐缸溫度可控，投產(chǎn)至今沒有因為爐缸問題使用釩鈦礦。

2）五高爐。2006年10月13日投產(chǎn)至今，一代爐齡12年5個月，是現(xiàn)役大型高爐一代爐役壽命最長的高爐，自2010年爐身爐皮開始燒紅到現(xiàn)在，通過階段性爐身硬質(zhì)壓入進行爐身造襯修復(fù)，目前爐身渣皮穩(wěn)定可控；爐缸溫度自投產(chǎn)到2013年3月爐缸磚襯溫度超過400℃（五高爐護爐標準核定爐缸區(qū)域磚襯電偶400℃為爐缸安全黃色警戒區(qū)域），累計安全生產(chǎn)77個月。2013年3月開始進入護爐階段，至2015年底超過400℃溫度測溫點共計19處（爐缸溫度監(jiān)控點共計48處），其中磚襯殘厚低于600 mm的薄弱位置16處，2016年以來，隨著鐵廠技術(shù)人員護爐技術(shù)及理念的提升，爐缸超過400℃溫度測溫點和磚襯殘厚低于600 mm的薄弱位置的數(shù)量得到有效控制，爐缸薄弱位置得到有效保護，沒有發(fā)生新的侵蝕，具備安全生產(chǎn)條件。

2 三高爐長壽維護技術(shù)

2013年太鋼不銹煉鐵廠隨著六高爐的投產(chǎn)，自產(chǎn)冶金焦日均產(chǎn)能約8000 t，其中包含1000 t小塊焦。主要表現(xiàn)為大塊冶金焦保供2座大高爐，大高爐富余的大塊焦、小塊焦需要三高爐消化，三高爐除消化自產(chǎn)焦中的小塊焦外，還需配以部分外購焦。

因此，三高爐的長壽技術(shù)是建立在焦炭種類多、成不穩(wěn)定的前提下，通過優(yōu)化焦炭布料實現(xiàn)爐缸活躍性及爐型的穩(wěn)定[2]。三類冶金焦性能見表1。

表1 三高爐使用冶金焦分析及粒級組成

2.1 焦炭衰減模型

從表1可以看出，自產(chǎn)焦中大塊焦粒級分布80%在＞40 mm，而小塊焦粒級分布92%在25～40 mm，粒級差別較大，通過鐵廠技術(shù)人員自主開發(fā)的焦炭衰減模型計算得出，此兩類焦炭到達爐缸焦堆后的平均粒徑分別為：41 mm和21 mm，從爐料透氣性管理理念考慮，此二者焦炭同時使用必須分級入爐。另外，一般2000 m3以下高爐爐缸焦堆平均粒徑達不到小于22 mm，故自產(chǎn)小塊焦應(yīng)分布在爐墻邊緣，自產(chǎn)大塊焦應(yīng)分布在爐缸中心[3]。

表1中自產(chǎn)小塊焦與外購大塊焦對比，入爐前自產(chǎn)小塊焦平均粒徑為35.22 mm，外購大塊焦平均粒徑為54.38 mm，通過鐵廠技術(shù)人員自主開發(fā)的焦炭衰減模型計算得出，此兩類焦炭到達爐缸焦堆后的平均粒徑分別為：21 mm和23 mm，衰減率分別為：40%和58%，二者到達爐缸焦堆的平均粒徑略顯不足，因此，若入爐焦炭中沒有自產(chǎn)大塊焦時，通過控制高爐煤比不超180 kg/t和鐵水后期測溫1495℃以上，改善爐缸活躍性，減少液態(tài)渣鐵對側(cè)壁侵蝕，結(jié)合焦炭衰減率考慮，自產(chǎn)小塊焦衰減率低，適合分布在靠近爐墻側(cè)，穩(wěn)定邊緣氣流，從而實現(xiàn)三高爐操作爐型的長期穩(wěn)定，投產(chǎn)至今，爐身冷卻器無一損壞，爐殼無燒紅、開裂和跑煤氣等現(xiàn)象，爐身渣皮穩(wěn)定。

2.2 高爐布料量化模型

從2.1可知，自產(chǎn)小塊焦應(yīng)布置在靠近爐墻側(cè)，自產(chǎn)大塊或者外購焦應(yīng)布置在爐芯側(cè)，鐵廠組織技術(shù)人員自主開發(fā)了高爐布料量化模型，指導(dǎo)實操作業(yè)。以表2為例。

表2 三高爐某階段布料制度

通過將表2參數(shù)、礦焦批及爐型參數(shù)輸入到高爐布料量化模型進行計算得知，爐缸焦堆分為三個區(qū)，依次為快速反應(yīng)區(qū)（占比45%）、緩變疏散區(qū)（占比29%）、中心無礦區(qū)（占比26%），進而指導(dǎo)焦炭分級入爐比例為：自產(chǎn)小塊焦靠外側(cè)布置且比例控制在45%以內(nèi)，極限值74%，負責(zé)將影響爐缸狀態(tài)及高爐順行，自產(chǎn)大塊焦布置在最中心無礦區(qū)且比例不小于26%，若自產(chǎn)大塊焦不足而用外購焦代替時，必須控制高爐煤比不超180 kg/t和鐵水后期測溫1495℃以上，改善爐缸活躍性，進而避免或者減緩爐缸側(cè)壁遭受液態(tài)渣鐵環(huán)流侵蝕，影響高爐一代爐役壽命，三高爐投產(chǎn)至今近11年，爐缸溫度可控，沒有因為爐缸問題使用釩鈦礦。

3 五高爐長壽維護技術(shù)

2006年10月13日投產(chǎn)至2013年3月爐缸磚襯溫度超過400℃開始進入安全護爐階段，累積安全生產(chǎn)77個月。爐缸側(cè)壁磚襯溫度超過400℃的位置從2013年3月出現(xiàn)第一個點，到2015年12月累積達19處，占比爐缸側(cè)壁總檢測點的39.58%（監(jiān)測點共計48處），形勢嚴峻[4]。自2016年開始，鐵廠加強護爐過程管理及趨勢管理，主要工作分為以下兩個部分。

3.1 爐缸側(cè)壁渣鐵殼狀態(tài)趨勢監(jiān)控

爐缸側(cè)壁侵蝕一般過程為：液態(tài)渣鐵環(huán)流加劇，局部熱流強度增大，1150℃溫度線逐漸向耐材側(cè)推進，渣鐵殼隨之逐漸變薄，局部熱流強度增加到一定程度，1150℃溫度線將推動耐材熱面，渣鐵殼消失，耐材在渣鐵流的不斷沖刷下逐漸膨脹、脫落，如果這種趨勢持續(xù)發(fā)展而局部熱流強度得不到有效控制，最終將造成爐缸燒穿，高爐一代爐役被迫結(jié)束，同時帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。因此高爐爐役后期安全運行的核心措施就是爐缸側(cè)壁渣鐵殼狀態(tài)監(jiān)控，渣鐵殼穩(wěn)定是保障爐缸側(cè)壁安全的重要參數(shù)。

表3 五高爐某階段爐缸側(cè)壁渣鐵殼厚度參數(shù)

表3為五高爐某階段爐缸側(cè)壁渣鐵殼厚度趨勢相關(guān)參數(shù)，其中爐缸耐材殘厚根據(jù)最大侵蝕溫度差通過圓柱坐標計算得到，渣鐵殼厚度1、2指某個時間段始末時間點的渣鐵殼計算厚度，利用這一計算厚度趨勢判斷爐缸側(cè)壁環(huán)流發(fā)展趨勢，如表3所示，270°方向為該標高爐缸最薄弱方向，而這一時間段內(nèi)45°方向渣鐵流環(huán)流較大，開始階段如渣鐵殼厚度1所示，該45°方向渣鐵殼被完全侵蝕，而180°和225°渣鐵殼相對較厚，表明此次爐缸側(cè)壁侵蝕屬于爐缸不活躍造成局部侵蝕加劇，鑒于此，高爐操作方面就會以活躍爐缸為重點，一周后的數(shù)據(jù)如渣鐵殼厚度2所示，渣鐵殼厚度圓周均勻性明顯改善，表明經(jīng)過一周努力，爐缸活躍性改善明顯，隨即在45°方向形成新的渣鐵殼保護爐缸側(cè)壁，避免了侵蝕加劇，使護爐工作針對性更強，收效明顯。

圖1 五高爐爐缸侵蝕圓周分布圖

如圖1所示為五高爐爐缸侵蝕圓周分布圖，紅色為最大侵蝕線，藍色為階段開始渣鐵殼熱面位置線，青色為經(jīng)過一周護爐后，渣鐵殼熱面位置線。如圖所示，經(jīng)過一周護爐工作，渣鐵殼熱面位置線的圓周均勻性明顯改善，進而實現(xiàn)爐缸侵蝕的趨勢化管理。

3.2 爐缸活躍性指標量化模型

眾所周知，爐缸的安全是高爐長壽的限制性環(huán)節(jié)，也是高爐長期穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)，保證高爐一定的活躍性下限是減少爐缸侵蝕的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但現(xiàn)行活躍爐缸的措施往往以定性為主，且機理不盡相同，缺乏量化及相關(guān)性分析，鐵廠技術(shù)人員綜合護爐實踐對相關(guān)參數(shù)進行回歸分析，結(jié)合近年對高爐爐缸狀態(tài)機理研究成果，開發(fā)出爐缸活躍性指標量化模型[5]。

高爐爐缸活躍性指標量化模型包括三個活躍性下限指標：焦炭堆積區(qū)孔隙率（死焦堆焦炭平均粒徑下限為25.8 mm）、焦炭堆積區(qū)物理熱儲備（死焦堆中心焦炭溫度下限為1350℃）、液態(tài)渣鐵在爐缸的停留時間（爐缸焦炭潔凈度指數(shù)下限為150（無量綱單位））。護爐實際工作中，保證上述三個活躍性下限指標的前提下進行高爐相關(guān)操作參數(shù)優(yōu)化，以達到穩(wěn)定爐缸活躍狀態(tài)，實現(xiàn)高爐長期穩(wěn)定及長壽的目的。

4 結(jié)論

高爐長壽工作是項系統(tǒng)工程，包括爐型設(shè)計、建材驗收、施工管理、操作管理等全過程，本文僅從高爐操作方面結(jié)合太鋼高爐近年長壽生產(chǎn)實踐做簡要的共性描述：

1）國內(nèi)小高爐長壽方面，面臨的共性問題幾乎都來自原燃料復(fù)雜多變帶來的順行問題，尤其以焦炭質(zhì)量不穩(wěn)定為主，太鋼通過對入爐不同焦炭進行衰減計算，結(jié)合爐內(nèi)機理研究，通過對不同焦炭入爐位置及加入量的優(yōu)化，實現(xiàn)高爐的長期穩(wěn)定，達到長壽的目標；

2）大高爐長壽面臨的共性問題在于隨著爐容的不斷擴大，爐缸截面不斷增大，相比于小高爐爐缸死區(qū)較大不易吹透，容易造成爐缸活躍性下降進而堆積，渣鐵環(huán)流加劇，威脅高爐長壽操作，太鋼通過對爐缸側(cè)壁侵蝕狀態(tài)建模進行趨勢管理結(jié)合爐缸活躍性指標量化管理，大大降低了因爐缸堆積造成渣鐵環(huán)流侵蝕側(cè)壁的可能性，近兩年爐缸超過400℃溫度測溫點和磚襯殘厚低于600 mm的薄弱位置的數(shù)量得到有效控制，爐缸薄弱位置得到有效保護，沒有發(fā)生新的侵蝕，具備安全生產(chǎn)條件。