高爐爐缸爐底安全管理淺議

曹鋒 沈忱 劉長(zhǎng)喜 馬勇健 陳建 王凱

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

爐缸爐底是高爐工作環(huán)境最惡劣的區(qū)域，其內(nèi)襯耐材由于受到機(jī)械侵蝕和化學(xué)侵蝕的作用，易發(fā)生局部溫高、燒穿事故［1］。爐缸、爐底燒穿是高爐煉鐵生產(chǎn)中最嚴(yán)重的安全事故，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，甚至?xí)K止高爐一代爐役的生產(chǎn)。2005年，國(guó)內(nèi)某冶金公司就曾發(fā)生高爐爐底燒穿引發(fā)噴爆，鐵水泄漏，導(dǎo)致10人死亡、6人受傷的重大生產(chǎn)安全事故。爐缸爐底是高爐煉鐵生產(chǎn)的高安全風(fēng)險(xiǎn)部位，對(duì)高爐爐缸爐底安全管理進(jìn)行探討，以期為改進(jìn)高爐煉鐵安全生產(chǎn)提供參考。

1 爐缸爐底安全管理理論

安全管理理論的發(fā)展經(jīng)歷了事故學(xué)理論、技術(shù)危險(xiǎn)理論、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)理論、本質(zhì)安全理論四個(gè)發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全管理將是現(xiàn)代安全生產(chǎn)科學(xué)管理的必然發(fā)展趨勢(shì)，但在當(dāng)下和未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，最為前沿的安全科學(xué)管理模式是基于風(fēng)險(xiǎn)的安全管控模式［2］。從本質(zhì)安全理念來(lái)看，爐缸爐底安全管理的核心是建造具備滿足高爐一代爐役要求的“永久性”內(nèi)襯的爐缸爐底。爐缸爐底燒穿事故時(shí)有發(fā)生，表明在現(xiàn)階段生產(chǎn)力水平下，爐缸爐底尚不能實(shí)現(xiàn)事前的以人本物本協(xié)調(diào)機(jī)制的本質(zhì)型安全管理，則對(duì)爐缸爐底落實(shí)基于事前、事中、事后的“系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)”的安全管理，不失為當(dāng)前最科學(xué)的安全管理。就此看來(lái)，爐缸爐底的安全管理，實(shí)質(zhì)上是爐缸爐底燒穿風(fēng)險(xiǎn)的管控，其重要的方面，就是通過(guò)科學(xué)管理，保障爐缸爐底的長(zhǎng)期安全工作（即長(zhǎng)壽）。

2 爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

爐缸是高爐的核心關(guān)鍵部位，是高爐冶煉進(jìn)程的起始和終結(jié)。在高爐的一代爐役期間，爐缸爐底始終都是浸泡在高溫液態(tài)渣鐵中，爐缸爐底的內(nèi)襯受液態(tài)渣鐵的熔蝕、沖刷，鐵水的滲透，熱應(yīng)力、堿金屬及鋅的破壞，水蒸氣、CO2對(duì)炭磚的氧化等作用，會(huì)逐漸減薄，埋設(shè)在其中的熱電偶測(cè)溫逐步上升，當(dāng)爐缸爐底內(nèi)襯過(guò)快、異常侵蝕時(shí)，爐缸爐底的監(jiān)測(cè)溫度快速升高，爐缸爐底發(fā)生燒穿的風(fēng)險(xiǎn)增加，形成安全隱患，在不能有效延緩、控制侵蝕的情況下，就可能發(fā)生爐缸爐底燒穿事故。一旦發(fā)生爐缸爐底燒穿事故，有的情況下會(huì)誘發(fā)重大的爆炸事故，毀壞一座生產(chǎn)車間；有的情況下高爐不能繼續(xù)生產(chǎn)，只能大修或另建。事實(shí)上，高爐爐缸爐底燒穿存在發(fā)生火災(zāi)、爆炸、灼燙、中毒等安全事故的極高風(fēng)險(xiǎn)，可造成人員傷亡、設(shè)備設(shè)施損壞的重大安全生產(chǎn)事故。高爐爐缸爐底燒穿時(shí)，1 500℃左右的高溫鐵水從爐缸爐底燒穿處流出，可燒壞爐殼、管道，傾瀉在爐基區(qū)域，破壞爐基混凝土、鐵軌等，遇有可燃物會(huì)引起火災(zāi)。對(duì)于爐基有積水，或采用水冷爐缸爐底的高爐，若燒穿涌出的高溫鐵水燒壞爐缸冷卻設(shè)備及爐底供水管道，會(huì)發(fā)生鐵水遇水的劇烈爆炸。飛濺的高溫鐵水，氣化的蒸汽可導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員灼燙傷害。爐缸爐底燒穿時(shí)，伴隨有大量煤氣泄漏，易致使人員煤氣中毒。做好爐缸爐底安全管理，管控爐缸爐底燒穿的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)高爐煉鐵安全生產(chǎn)十分重要。

3 爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)管控

解決好爐缸爐底的長(zhǎng)壽問(wèn)題，就可很好地做到高爐爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)的防控。爐缸長(zhǎng)壽就是解決爐缸侵蝕的問(wèn)題，過(guò)快、異常侵蝕的主要原因是爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、砌筑水平、烘爐及操作過(guò)程管控不佳或者內(nèi)部工作狀態(tài)失常［3］。在高爐一代爐役中，從高爐設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、砌筑施工、開(kāi)爐、操作、生產(chǎn)管理與維護(hù)、配套工程等，每一環(huán)節(jié)均做到先進(jìn)可靠，才能實(shí)現(xiàn)爐缸爐底真正的長(zhǎng)壽［3］。下面結(jié)合工作實(shí)踐和已有研究，對(duì)爐缸爐底事前、事中、事后安全風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行討論。

3.1 事前風(fēng)險(xiǎn)管控：本質(zhì)安全的長(zhǎng)壽策略

為實(shí)現(xiàn)高爐爐缸爐底安全長(zhǎng)壽，專家學(xué)者們從爐缸爐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、砌筑質(zhì)量、烘烤等方面，對(duì)構(gòu)造長(zhǎng)壽爐缸爐底開(kāi)展了大量研究［4-9］，這些在高爐投用前所采取的保證高爐爐缸爐底長(zhǎng)壽的策略，就是基于本質(zhì)化安全思想，對(duì)爐缸爐底的事前安全風(fēng)險(xiǎn)管控。可概括為：①設(shè)計(jì)高爐合適的容積比、死鐵層深度、鐵口參數(shù)，以利于活躍爐缸、減輕環(huán)流。②合理選用抗壓、抗沖刷優(yōu)質(zhì)耐材，注重導(dǎo)熱性能的匹配，優(yōu)化爐缸爐底砌筑結(jié)構(gòu)。③以“無(wú)過(guò)熱、低應(yīng)力”為核心，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)：如采用除鹽水，銅冷卻壁，水冷爐底，保證合適的冷卻水流速（約2 m/s）、碳素?fù)v料熱導(dǎo)率（達(dá)到15～20 W/（m·K））、冷卻壁比表面積（1.0以上），重視冷卻壁的制造和安裝質(zhì)量。④完善的爐襯、冷卻水監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)：在爐缸爐底的磚襯里布置充足的熱電偶，用于監(jiān)測(cè)爐缸爐底的磚襯溫度；設(shè)置冷卻水進(jìn)出口壓力、流量、溫度監(jiān)測(cè)和記錄；配置包括爐缸侵蝕模型等的高爐專家系統(tǒng)。⑤精心組織施工，確保良好的砌筑等施工質(zhì)量。⑥嚴(yán)格執(zhí)行制定好的正確爐缸爐底烘烤制度。

3.2 事中風(fēng)險(xiǎn)管控：延緩侵蝕的技術(shù)措施

高爐爐役期間所采取的利于高爐爐缸爐底長(zhǎng)壽的技術(shù)措施，就是對(duì)爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)的事中管控。爐缸爐底侵蝕是個(gè)不可逆的過(guò)程，探究高爐生產(chǎn)過(guò)程中，爐缸爐底過(guò)快、異常侵蝕成因，找出延緩侵蝕的對(duì)策，確保爐缸爐底達(dá)成設(shè)計(jì)爐役周期壽命，是管控爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)的重要內(nèi)容，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐探索和前人研究成果［7,10-11］，將延緩爐缸爐底侵蝕的主要技術(shù)措施總結(jié)為：①保持高爐長(zhǎng)期的穩(wěn)定順行，避免或減少任何對(duì)爐缸長(zhǎng)壽不利的操作。高爐穩(wěn)定順行是爐缸長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)。②強(qiáng)化爐缸區(qū)域溫度、熱流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和預(yù)警，測(cè)算侵蝕厚度，推算安全系數(shù)，及時(shí)精準(zhǔn)掌握侵蝕情況，及早采取應(yīng)對(duì)措施。③準(zhǔn)確測(cè)判、適時(shí)更換損壞冷卻設(shè)備，嚴(yán)控冷卻設(shè)備往爐內(nèi)漏水，定期進(jìn)行爐基排水，減少漏水對(duì)爐缸碳磚的損害。④從篩分、料序、質(zhì)量信息等方面，加強(qiáng)對(duì)入爐原燃料的管理和控制，降低入爐原燃料質(zhì)量對(duì)爐況的影響。⑤控制爐內(nèi)鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素，減輕對(duì)爐缸磚襯的損壞，也利于改善爐況順行。如可采取燒結(jié)礦中減少或停配除塵灰，來(lái)降低入爐堿金屬及鋅負(fù)荷；適當(dāng)降低爐渣堿度，定期排堿，來(lái)降低堿金屬的富集。⑥調(diào)整裝料制度，來(lái)穩(wěn)定改善煤氣流，保持爐況穩(wěn)定。一方面利于爐缸保護(hù)層穩(wěn)定，對(duì)保持護(hù)爐效果有促進(jìn)作用；另一方面利于降低邊沿溫度，穩(wěn)定爐墻水溫差，減少熱損失，提高爐溫。⑦圍繞降低鐵口區(qū)域冶強(qiáng)，增長(zhǎng)回旋區(qū)深度，利于吹透中心，強(qiáng)化爐缸熱交換，活躍爐缸，減小鐵水環(huán)流，來(lái)優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)。⑧控制合適的鐵水成分及物理熱，保證爐缸熱量充沛，有助于改善爐缸內(nèi)渣鐵的流動(dòng)性、活躍爐缸和高爐順行，使用鈦礦護(hù)爐時(shí)，有利于提高鐵水鈦含量。⑨優(yōu)化爐前操作，選擇合適泥質(zhì)、打泥參數(shù)、鐵口深度、出鐵次數(shù)等合理的出鐵及出鐵口的維護(hù)制度，維持鐵口深度和出鐵速度的均衡、穩(wěn)定，保持爐缸內(nèi)渣鐵液面的相對(duì)穩(wěn)定，有利于穩(wěn)定爐缸工作狀態(tài)和減緩爐缸侵蝕。⑩采取提冷卻水流量、降冷卻水溫度、局部通高壓工業(yè)水，爐墻打水等手段，強(qiáng)化高溫區(qū)冷卻，使得爐缸耐材熱面更容易形成保護(hù)層，從而緩解爐缸侵蝕。需要說(shuō)明的是爐墻打水冷卻基本上只能起到冷卻爐墻的作用，有利于保護(hù)爐墻，但對(duì)炭磚冷卻效果不是很大。另通工業(yè)水冷卻時(shí)要關(guān)注工業(yè)水結(jié)垢對(duì)冷卻效果的影響。加含鈦爐料護(hù)爐，在合適［Ti］量和冷卻強(qiáng)度下，護(hù)爐效果明顯，噸鐵TiO2加入量通常為5~10 kg，較適宜的［Ti］質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%～0.12%，爐缸溫度急劇升高時(shí)，可進(jìn)一步臨時(shí)提高鈦負(fù)荷及鐵水［Ti］，實(shí)踐表明常態(tài)化加鈦?zhàn)o(hù)爐，利于形成穩(wěn)定的保護(hù)層，以確保高爐炭磚溫度及冷卻水溫差在受控范圍以內(nèi)，也可以穩(wěn)定較高的冶煉強(qiáng)度水平。平衡好冶煉強(qiáng)度和護(hù)爐之間的關(guān)系，控制合理的冶煉強(qiáng)度是最有效的護(hù)爐措施之一。降低冶煉強(qiáng)度措施有：降富氧、減風(fēng)、退負(fù)荷、堵風(fēng)口等。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)控制冶強(qiáng)，降低爐缸內(nèi)鐵水?dāng)_動(dòng)、環(huán)流速度，有利于渣鐵凝結(jié)層的緩慢形成，對(duì)爐缸炭磚起到保護(hù)作用。綜合應(yīng)用提高冷卻強(qiáng)度、加鈦礦護(hù)爐和控制、降低冶煉強(qiáng)度等護(hù)爐措施，重視護(hù)爐與操作制度調(diào)整的協(xié)同，優(yōu)化煤氣分布，改善爐缸活性，減弱鐵水環(huán)流，改善高爐順行狀態(tài)，提升護(hù)爐效果。

其他方面措施有：①新投產(chǎn)高爐可通過(guò)冶煉鑄造鐵，使?fàn)t缸生成一層石墨碳以封堵部分磚縫，對(duì)延長(zhǎng)爐缸壽命有益；②對(duì)于施工質(zhì)量存在問(wèn)題、搗料層未達(dá)標(biāo)或搗料受熱后收縮等其他原因形成熱阻層的爐缸，可采用在爐皮兩塊冷卻壁之間的縫隙處開(kāi)孔，進(jìn)行爐缸局部壓漿處理。

3.3 事后風(fēng)險(xiǎn)管控：減小損失的預(yù)防與應(yīng)急

在高爐爐役末期，爐缸的固有爐襯侵蝕變薄到嚴(yán)重程度時(shí)，因爐況的變化，爐缸磚襯溫度隨著渣鐵保護(hù)層的生成、脫落而大幅波動(dòng)，一旦爐缸爐底出現(xiàn)異常超高溫部位，爐缸爐底燒穿的風(fēng)險(xiǎn)大增，應(yīng)通過(guò)做好預(yù)防與應(yīng)急，來(lái)對(duì)爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行事后管控，以控制和減小損失。

1）制定并嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案。從生產(chǎn)技術(shù)角度，制定針對(duì)爐缸爐底異常高溫時(shí)，維護(hù)管理高爐爐缸爐底不致于燒穿而采取的緊急控制措施方案，同時(shí)須加強(qiáng)爐缸爐底監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確研判，做好預(yù)案的動(dòng)態(tài)更新修訂，確保生產(chǎn)應(yīng)急處置有效。生產(chǎn)應(yīng)急的極端情況是爐缸側(cè)壁溫度超高或急速上升，達(dá)到控制上限，危及安全生產(chǎn)時(shí)，高爐須停風(fēng)涼爐。必要時(shí)應(yīng)停爐大修，在新理念、新技術(shù)支撐下，優(yōu)化重新砌筑爐底爐缸，使高爐重獲新生。

2）貫徹落實(shí)防止事故擴(kuò)大化的安全防控措施。加強(qiáng)對(duì)爐缸爐底燒穿后，熔融鐵水可能波及的爐基等區(qū)域的監(jiān)控，確保干燥無(wú)可燃物；在可能發(fā)生燒穿方向的爐基一定范圍內(nèi)用耐火材料砌筑擋墻；做好爐基區(qū)域封閉管理，嚴(yán)格落實(shí)進(jìn)出爐基區(qū)域報(bào)備登記。

3）編制并組織演練安全應(yīng)急處置預(yù)案。配置與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員需求相符的逃生器等應(yīng)急器材，定期組織開(kāi)展演習(xí)，使員工熟知爐缸爐底燒穿應(yīng)急疏散和救援程序。

4 結(jié)論

1）高爐爐缸爐底安全管理實(shí)質(zhì)上是爐缸爐底燒穿風(fēng)險(xiǎn)的管控，保障爐缸爐底的長(zhǎng)壽是高爐爐缸爐底安全管理的重要內(nèi)容，現(xiàn)階段最科學(xué)的爐缸爐底安全管理是基于“系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)理論”對(duì)爐缸爐底燒穿安全風(fēng)險(xiǎn)的管控。

2）爐缸爐底燒穿存在造成火災(zāi)、爆炸、灼燙、中毒等安全生產(chǎn)事故的極高風(fēng)險(xiǎn)，做好爐缸爐底安全管理，對(duì)高爐煉鐵安全生產(chǎn)非常重要。

3）對(duì)爐缸爐底安全風(fēng)險(xiǎn)管控，可采取事前本質(zhì)安全的長(zhǎng)壽策略、事中延緩侵蝕的技術(shù)措施、事后減小損失的預(yù)防與應(yīng)急。