鞍鋼2580 m3高爐爐役末期維護(hù)措施

謝明輝，車玉滿，李曉春

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠7號(hào)高爐（2580 m3）第七代爐役于2004年9月11日開爐，設(shè)有30個(gè)風(fēng)口，3個(gè)鐵口，采用串罐無料鐘爐頂，配置4座外燃式熱風(fēng)爐，應(yīng)用爐頂TRT余壓發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)。7號(hào)高爐第七代爐役設(shè)計(jì)使用壽命15年，并首次在爐缸關(guān)鍵部位引進(jìn)德國SGL微孔炭磚，爐缸、爐底采用微孔炭磚與陶瓷杯相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。爐底第1層取消高導(dǎo)熱石墨炭磚，在爐底第1層、第2層和第3層砌筑350 mm厚國產(chǎn)半石墨炭磚，第4層砌筑350 mm厚國產(chǎn)微孔炭磚，第5層砌筑600 mm厚德國SGL公司7RD-N微孔炭磚。爐缸環(huán)炭第1層到第6層砌筑德國SGL公司7RD-N微孔炭磚，鐵口以上砌筑國產(chǎn)模壓半石墨-SiC小塊炭磚。爐缸熱面砌筑國產(chǎn)大塊陶瓷杯，爐底熱面砌筑質(zhì)量較差剛玉莫萊石磚構(gòu)，風(fēng)口組合磚為灰剛玉大塊組合磚，每個(gè)風(fēng)口組合磚由上下兩塊磚組成［1］。

7號(hào)高爐開爐非常順利，開爐1周內(nèi)利用系數(shù)超過 2.0 t/（m3·d），投產(chǎn)后1個(gè)月最高日產(chǎn)達(dá)到6 500 t，利用系數(shù)超過2.5 t/（m3·d）。但在2017年5月，爐缸2段單塊冷卻壁熱流強(qiáng)度達(dá)到19.6 kW/m2，且爐缸炭磚原始檢測電偶幾乎全部損壞，存在安全隱患。為了保證7號(hào)高爐爐役末期安全，有效延長一代爐役使用壽命，對(duì)爐缸侵蝕狀況進(jìn)行了分析，并采取了一系列維護(hù)措施，本文對(duì)此做一介紹。

1 高爐爐缸侵蝕狀況

7號(hào)高爐爐缸第1～6層環(huán)炭侵蝕情況需重點(diǎn)關(guān)注，每層安裝8點(diǎn)16支電偶，監(jiān)控炭磚溫度變化。2013年5月以后，原始熱電偶逐漸損壞，為有效監(jiān)控爐缸炭磚溫度，在爐缸第1～3層環(huán)炭密集布置新增加電偶。隨著7號(hào)高爐爐役延長，高爐爐缸炭磚溫度、爐缸冷卻壁熱流強(qiáng)度持續(xù)上升。2017年局部爐缸、爐底的熱電偶溫度大幅度上升。2017年7月1日，20號(hào)風(fēng)口下方第2段30#～31#冷卻壁炭磚溫度持續(xù)升高，新增加電偶溫度由179℃上升至近年最高值303℃，熱流強(qiáng)度達(dá)到15.01 kW／（m2·h），次月2段28#～29#冷卻壁溫度達(dá)到歷史最高值361℃，熱流強(qiáng)度達(dá)到19.6 kW／（m2·h），檢測數(shù)據(jù)表明，爐缸炭磚已被嚴(yán)重侵蝕，高爐進(jìn)入爐役末期，需要重點(diǎn)維護(hù)。

2 高爐爐役末期維護(hù)措施

2.1 重視爐役末期護(hù)爐

（1）對(duì)熱負(fù)荷高部位2段29#冷卻壁采用管道泵加壓供水，單管水量32 m3/h，流速3.0 m/s。同時(shí)，保證軟水總流量不低于3 700 m3/h，其它冷卻壁單管水量23 m3/h，流速2.18 m/s，保證足夠冷卻強(qiáng)度。

（2）從接線頭處檢查熱電偶損壞情況，盡可能多地恢復(fù)爐缸熱電偶,新增檢測電偶采用1點(diǎn)2支布置方式。其中，環(huán)炭1層增加27點(diǎn)54支，電偶插入深度30 mm；環(huán)炭2層增加12點(diǎn)24支，電偶插入深度30 mm；環(huán)炭3層增加21點(diǎn)42支，電偶插入深度60 mm。

（3）在2段冷卻壁部位安裝高精度無線爐殼測溫溫度計(jì)46支，覆蓋每塊冷卻壁，遠(yuǎn)程監(jiān)控爐殼溫度，確保最后防線。

（4）在2段冷卻壁進(jìn)出水管安裝高精度進(jìn)水和出水溫度計(jì)各46支，誤差0.05℃，覆蓋每塊冷卻壁，每小時(shí)自動(dòng)計(jì)算每塊冷卻壁單個(gè)水管的熱流強(qiáng)度和水溫差。

2.2 重新建立高爐爐缸長壽監(jiān)測體系

7號(hào)高爐已經(jīng)到了爐役末期，爐缸、爐底安全隱患問題越發(fā)突出，需要重點(diǎn)監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況。由于爐缸新增檢測電偶插入深度與原始電偶不同，因此，利用傳熱學(xué)原理等理論重新建立7號(hào)高爐爐缸長壽監(jiān)測體系。

2.2.1 建立爐缸監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型

對(duì)于爐缸部位單塊冷卻壁，利用爐殼溫度、冷卻壁單管水溫差、新增加炭磚電偶溫度作為輸入?yún)?shù)，建立爐缸監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型，計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)部位炭磚剩余厚度、渣鐵凝固層厚度［2］，采用數(shù)據(jù)表格、趨勢曲線等形式顯示爐缸侵蝕狀態(tài)，為高爐操作者提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，為采取有效護(hù)爐措施提供依據(jù)。

在穩(wěn)定條件下，爐缸內(nèi)襯是“被侵蝕”與“自修復(fù)”的循環(huán)過程。高爐爐缸傳熱體系結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 高爐爐缸傳熱體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Heat Transfer System Structure of BF Hearth

在高爐生產(chǎn)過程中，爐缸內(nèi)襯所承受的熱量沖擊必須由冷卻壁中冷卻水帶走，也就是炭磚所承受熱負(fù)荷與冷卻壁中冷卻水帶走的熱負(fù)荷達(dá)到平衡。熱量輸入端為爐缸內(nèi)襯所承受的熱負(fù)荷，爐缸內(nèi)襯介質(zhì)包括冷卻壁與炭磚之間的碳素?fù)v料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼；熱量輸出端為冷卻壁中冷卻水帶走的熱負(fù)荷，介質(zhì)為冷卻水。

（1）熱量輸出端熱流強(qiáng)度利用冷卻水溫差計(jì)算，具體見式（1）和式（2）。

式中，Q為熱負(fù)荷，kJ/h；c為冷卻水比熱容，kJ/（kg·℃）；m 為冷卻水流量，m3/h；，t1、 t2為冷卻水進(jìn)出溫度，℃；q出為熱量輸出端熱流強(qiáng)度，kW/m2；F 為冷卻面積，m2。

（2）熱量輸入端熱流強(qiáng)度計(jì)算，見式（3）。

式中，q入為熱量輸入端熱流強(qiáng)度，kW/m2；tp為渣鐵凝固層溫度，℃；t0為碳素?fù)v料層溫度，℃；x1為搗料層厚度，m；λ1為搗料層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；x2為炭磚厚度，m；λ2為炭磚導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；x3為陶瓷杯厚度，m；λ3為陶瓷杯導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；x4為渣鐵凝固層厚度，m；λ4為渣鐵導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

2.2.2 建立高爐爐缸長壽安全預(yù)警值

設(shè)定保證爐缸炭磚剩余厚度極限值為300 mm，利用爐缸監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型反算爐殼溫度、水溫差、熱流強(qiáng)度預(yù)警值，規(guī)定爐缸安全預(yù)警值見表1。

表1 爐缸安全預(yù)警值Table 1 Safety Warning Values for Furnace Hearth

2.3 建立正確操作制度

高爐操作方針確定為“高硅、高鈦、高風(fēng)、高壓”，爐溫控制以0.5%～0.7%為基準(zhǔn)，爐渣堿度控制在1.15～1.20，鐵水含鈦控制在0.08%～0.20%。

（1）采取“雙高”操作護(hù)爐措施

在采用釩鈦礦護(hù)爐期間，由于鐵水［Ti］含量及爐渣（TiO2）含量增加，降低了渣鐵的流動(dòng)性,給高爐順行帶來不利影響。為了改變鈦球?qū)Ω郀t順行的影響，建立“雙高”作法，即高溫高鈦操作法，實(shí)現(xiàn)加鈦不破壞高爐順行的目的［3］。

（2）采取“雙全”操作護(hù)爐措施

“雙全”操作法即全風(fēng)全壓操作，全風(fēng)量，減少或停止富氧量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)爐芯溫度逐漸下降，爐底中心溫度低于次中心溫度，而且爐缸邊緣溫度逐漸上升，爐缸呈現(xiàn)堆積跡象時(shí)，及時(shí)采用“雙全”操作方法。適當(dāng)縮小風(fēng)口面積，提高鼓風(fēng)動(dòng)能，吹透中心，提高爐缸工作狀態(tài)，消除爐缸堆積。如果風(fēng)口面積過大，則風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能不足，邊緣氣流發(fā)展，中心氣流不足，造成死料柱增大，發(fā)生中心堆積，爐芯溫度下降；但是如果風(fēng)口面積過小，則鼓風(fēng)動(dòng)能增大，風(fēng)速過高，造成焦炭在回旋區(qū)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)互相碰撞，發(fā)生嚴(yán)重粉化，影響爐缸透氣性和透液性。因此，根據(jù)高爐特點(diǎn)和原燃料條件，按照產(chǎn)能與風(fēng)口面積匹配程度，回旋區(qū)面積等于爐缸面積1/2的原則，確定不同產(chǎn)能時(shí)的風(fēng)口面積，制定7號(hào)高爐風(fēng)口面積控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 7號(hào)高爐風(fēng)口面積控制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Control Standard for Tuyere Area of No.7 BF

在爐役末期，根據(jù)爐缸侵蝕狀態(tài)和活躍狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，確定冶煉強(qiáng)度、風(fēng)量、富氧量、風(fēng)口面積、操作焦比，適當(dāng)提高高爐生產(chǎn)規(guī)模。

3 實(shí)踐效果

對(duì)7號(hào)高爐2017年3月的爐缸炭磚檢測溫度、冷卻水溫差和熱流強(qiáng)度進(jìn)行綜合模擬計(jì)算，得出爐缸局部炭磚剩余厚度已經(jīng)下降到300 mm左右，高爐進(jìn)入爐役末期。通過加強(qiáng)高爐安全管理與監(jiān)控，采取一系列高爐爐役末期維護(hù)措施，截至2020年12月，7號(hào)高爐第七代爐役壽命已達(dá)16年3個(gè)月，單位爐容產(chǎn)量為11 675 t/m3，兩項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)鞍鋼高爐一代爐役指標(biāo)新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了高爐高效、長壽的目標(biāo)。

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠為了確保7號(hào)高爐爐役末期安全，有效延長一代爐役壽命，加強(qiáng)了高爐安全管理與監(jiān)控，采取了重視爐役末期護(hù)爐、重新建立高爐爐缸長壽監(jiān)測體系、建立正確操作制度等維護(hù)措施，截至2020年12月，一代爐役壽命達(dá)到16年3個(gè)月，單位爐容產(chǎn)量為11 675 t/m3，實(shí)現(xiàn)了高爐高效、長壽的目標(biāo)，值得參考和借鑒。