高爐爐缸長(zhǎng)壽現(xiàn)狀分析與技術(shù)研究

孫小東，何海熙，趙 寬，徐 燦，張大偉

(1.中冶賽迪信息技術(shù)(重慶)有限公司，重慶 401122；2.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶 400053)

高爐煉鐵是鋼鐵工業(yè)全流程的源頭，裝滿(mǎn)礦石原料的爐身內(nèi)部呈高溫、高壓狀態(tài)，爐缸里充滿(mǎn)的高溫熔融液態(tài)鐵水和爐渣，溫度高達(dá)1 500 ℃左右，氣體壓力超過(guò)300 kPa，因此，爐缸是高爐冶煉過(guò)程中最容易破損的區(qū)域，爐缸燒穿等事故嚴(yán)重影響高爐的生產(chǎn)作業(yè)率和長(zhǎng)壽成本。

高爐爐缸長(zhǎng)壽是一項(xiàng)具有綜合性技術(shù)特點(diǎn)的系統(tǒng)工程，高爐爐缸壽命與爐型設(shè)計(jì)、耐材質(zhì)量、施工安裝、操作冶煉等多種因素都存在較大的影響。

1 爐缸長(zhǎng)壽現(xiàn)狀

隨著世界高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，目前我國(guó)高爐長(zhǎng)壽技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，高爐壽命也隨之大幅度地延長(zhǎng)，部分達(dá)到10～15年，甚至更長(zhǎng)的壽命，為鋼鐵工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是我國(guó)高爐的長(zhǎng)壽和先進(jìn)國(guó)家相比，尚有一定的差距。

1.1 爐缸長(zhǎng)壽案例

世界上的爐缸長(zhǎng)壽示范案例較多，本文以巴西圖巴朗鋼廠(chǎng)1號(hào)高爐和我國(guó)的寶鋼3號(hào)高爐為例，圖巴朗鋼廠(chǎng)1號(hào)高爐一代爐役壽命為28.4年，屬于目前全球范圍內(nèi)長(zhǎng)壽高爐的典范。我國(guó)的寶鋼3號(hào)高爐一代爐役壽命為19年，且其高效的生產(chǎn)效率，代表了我國(guó)高爐長(zhǎng)壽的最高水平(見(jiàn)表1)。

表1 爐缸長(zhǎng)壽案例表

1.2 爐缸事故案例

爐缸事故是最嚴(yán)重的高爐生產(chǎn)事故之一，不僅有可能造成生產(chǎn)人員傷亡，還會(huì)給鋼廠(chǎng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至有可能會(huì)終止高爐一代爐役，給鋼鐵企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。

表2列出了近10年來(lái)我國(guó)發(fā)生爐缸事故的部分1 000級(jí)以上高爐。

續(xù)表

由表2可以看出，高爐爐缸破損位置和服役時(shí)間都不同，但是共同點(diǎn)是服役時(shí)間都比較短，大部分沒(méi)超過(guò)4年，給鋼鐵企業(yè)的安全和成本帶來(lái)了巨大的損失，同時(shí)帶來(lái)了惡劣的社會(huì)影響。爐缸破損主要原因在于爐缸自身的冷卻能力不足、爐缸自身的耐材設(shè)計(jì)不合理、入爐原料有害元素富積、爐缸熱電偶溫度點(diǎn)配置過(guò)少導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷爐缸侵蝕狀況等。

2 爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)

爐缸長(zhǎng)壽技術(shù)貫穿高爐的全生命周期，主要包括爐缸的設(shè)計(jì)技術(shù)、爐缸耐材的選擇、施工與安裝質(zhì)量、原燃料條件和操作模式、智能化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)等。

2.1 爐缸設(shè)計(jì)技術(shù)

爐缸設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是在高爐爐缸內(nèi)部建立均衡的傳熱體系，有效的協(xié)調(diào)冷卻能力和耐材結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)爐缸侵蝕進(jìn)行智能化的預(yù)測(cè)與分析，從而既實(shí)現(xiàn)較高的冶煉強(qiáng)度，又實(shí)現(xiàn)爐缸的長(zhǎng)壽健康。

1)冷卻能力

在爐缸內(nèi)部，高溫鐵水的熱量經(jīng)過(guò)耐火材料(陶瓷杯、碳磚、搗打料等，見(jiàn)圖1)和冷卻壁進(jìn)行傳輸，最終由冷卻水帶走，有學(xué)者認(rèn)為“冷卻水是高爐最好的耐火材料”，因此，足夠的冷卻能力設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)爐缸部位長(zhǎng)壽的有效途徑，若冷卻能力不足，將嚴(yán)重影響爐缸壽命，國(guó)內(nèi)外都存在可觀(guān)的因冷卻能力不足導(dǎo)致的爐缸事故經(jīng)驗(yàn)，所以應(yīng)充分保障冷卻系統(tǒng)的平衡能力，以達(dá)到保護(hù)爐缸耐材的目的。

2)爐缸結(jié)構(gòu)

鐵水的高溫高壓特性對(duì)爐缸形成很強(qiáng)的靜壓力，本身就需要對(duì)爐缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗強(qiáng)壓設(shè)計(jì)。此外，由于分布在各個(gè)方向的鐵口會(huì)循環(huán)間隔出鐵，引起的鐵水環(huán)流會(huì)對(duì)爐缸和爐底產(chǎn)生較強(qiáng)的侵蝕，因此，合適的爐缸死鐵層深度可以有效地保護(hù)鐵水環(huán)流帶來(lái)的侵蝕，如果死鐵層過(guò)深，鐵水形成的靜壓力就會(huì)過(guò)大，就會(huì)對(duì)爐缸和爐底形成較大的剪切應(yīng)力，產(chǎn)生不利的侵蝕影響。在生產(chǎn)過(guò)程中，死鐵層深度與原燃料和操作條件都存在理論上的強(qiáng)相關(guān)性，因此，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)針對(duì)原燃料和操作條件，對(duì)爐缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能取得良好的長(zhǎng)壽效果。

2.2 爐缸耐火材料

爐缸和爐底部位的耐材配置決定高爐一代爐役，一般主要包括陶瓷杯、炭磚、碳素?fù)v打料等。

陶瓷杯的損壞原因一方面是鐵水侵蝕，另外一方面是堿金屬、鋅等有害元素與耐火磚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沿著氣孔或裂紋方向進(jìn)行滲透，破壞了陶瓷材料的理化性能，導(dǎo)致陶瓷杯破損，因此，陶瓷杯(墊)材料的氣孔應(yīng)越小越好。目前隨著納米技術(shù)等工藝制造的提高，陶瓷杯產(chǎn)品技術(shù)正向微氣孔化的方向發(fā)展。

炭磚是爐缸和爐底部位最關(guān)鍵的耐火材料。良好的炭磚可以將高導(dǎo)熱系數(shù)與強(qiáng)抗侵蝕性能集成為一體。如果忽視炭磚的抗侵蝕性能，一味地追求高導(dǎo)熱系數(shù)，則不僅達(dá)不到爐缸長(zhǎng)壽的效果和要求，還會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，因此，超微孔化、強(qiáng)抗侵蝕、高導(dǎo)熱能力是未來(lái)炭磚的性能發(fā)展方向。

碳素?fù)v打料一般情況下會(huì)用于填充炭磚與冷卻壁之間的縫隙。雖然用量很少，但卻是均衡熱傳導(dǎo)體系中的關(guān)鍵一環(huán)。就目前國(guó)內(nèi)爐缸事故的經(jīng)驗(yàn)分析看，碳搗料層是很多爐缸燒穿的核心原因。碳素?fù)v打料的砌筑位置貼爐缸冷卻壁，生產(chǎn)過(guò)程中溫度比較低，因此碳搗料在常溫或超常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)就非常關(guān)鍵。

2.3 施工與安裝

爐缸和爐底部位的耐材要承受高溫、高壓渣鐵的沖刷，因此對(duì)耐火材料的施工安裝具有嚴(yán)格的高質(zhì)量需求。從國(guó)內(nèi)外的爐缸事故案例分析可以看出，爐缸耐火材料的磚縫較大、較多，在生產(chǎn)過(guò)程從爐缸內(nèi)部滲入了高溫高壓的液態(tài)渣鐵，造成爐缸燒穿等嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故，與施工安裝過(guò)程中的砌筑質(zhì)量有巨大的關(guān)系。

因此，是施工安裝的重點(diǎn)是盡可能的減少磚縫，減少爐缸侵蝕的薄弱環(huán)節(jié)，將磚縫控制在不高于0.5 mm，甚至是0.3 mm，這樣的砌筑規(guī)范才能很好地保障爐缸的長(zhǎng)壽安全。

尤其是高爐的大修爐缸質(zhì)量管理，應(yīng)建立一支質(zhì)檢過(guò)硬的隊(duì)伍，并記錄詳細(xì)的施工安裝檔案，便于未來(lái)的爐缸安全分析和查詢(xún)。

2.4 原燃料與操作

對(duì)高爐來(lái)說(shuō)，首先要樹(shù)立高爐長(zhǎng)壽的生產(chǎn)和操作理念?；跔t型結(jié)構(gòu)、原燃料特點(diǎn)這些基礎(chǔ)條件，找出冶煉強(qiáng)度和高爐長(zhǎng)壽相匹配的操作模式。

原燃料條件對(duì)爐缸的長(zhǎng)壽有著巨大的影響。Zn、Pb、K、Na等有害物質(zhì)隨著氣流滲入陶瓷杯和炭磚等耐材中，導(dǎo)致耐火材料的粉化與破損。而如果焦炭的質(zhì)量不高，則爐缸容易堆積，死料堆隨之變大，液態(tài)渣鐵的環(huán)流能力變強(qiáng)，加劇了爐缸內(nèi)部“象腳”部位的侵蝕狀況。原燃料條件對(duì)大型高爐的爐缸侵蝕影響較大，尤其是現(xiàn)代高爐容積向大型化方向發(fā)展，更應(yīng)該重視精料原則，努力地呵護(hù)爐缸壽命。

不同的操作模式會(huì)造成不同的爐缸活躍度，爐缸活躍度影響死料堆的形狀，死料堆的形狀影響爐缸液態(tài)渣鐵的環(huán)流能力，最終影響爐缸的長(zhǎng)壽效果。因此，爐缸的長(zhǎng)壽需要合理的爐缸活躍度和適當(dāng)?shù)乃懒隙芽紫抖?，既保證液態(tài)渣鐵的流動(dòng)特性，又保證焦炭充分地向鐵水滲碳，降低對(duì)爐缸炭磚的侵蝕。如果死料堆的形狀不合理，液態(tài)渣鐵會(huì)對(duì)爐缸形成嚴(yán)重的“象腳”侵蝕，當(dāng)氣流分布不順時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)燒壞風(fēng)口冷卻壁的情況。因此，高爐操作模式對(duì)爐缸長(zhǎng)壽安全的影響非常重大。此外，鐵口的維護(hù)情況，也影響著爐缸耐火材料的使用壽命，應(yīng)選擇合理的炮泥質(zhì)量，科學(xué)地組織出鐵生產(chǎn)。

2.5 智能化監(jiān)測(cè)和分析

爐缸長(zhǎng)壽是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，除了保證原燃料和操作條件以外，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能分析爐缸耐材的安全厚度至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法下只能依靠基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)耐材和冷卻壁熱電偶溫度進(jìn)行直接監(jiān)控。

目前，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了爐缸侵蝕模型、水溫差監(jiān)測(cè)等一批服務(wù)于爐缸安全的系統(tǒng)，對(duì)爐缸運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與診斷也越來(lái)越全面，越來(lái)越系統(tǒng)。良好的爐缸長(zhǎng)壽智能化系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的溫度和流量監(jiān)測(cè)儀表，并進(jìn)行合理的布局，儀表數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)和分析的基礎(chǔ)輸入，必須足夠準(zhǔn)確，才具備系統(tǒng)診斷的依據(jù)。圖2是某公司的爐缸侵蝕模型畫(huà)面。

通過(guò)模型軟件，不僅可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐缸溫度變化情況，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，還可以提供爐缸縱向和圓周方向的分區(qū)分層耐材溫度分布云圖，便于操作人員分析爐缸侵蝕狀況。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)爐缸耐材的殘厚進(jìn)行分析，并以趨勢(shì)圖的方式，展示碳磚殘厚的變化情況，保障爐缸的生產(chǎn)安全。

3 結(jié) 語(yǔ)

高爐爐缸的安全和長(zhǎng)壽一直是煉鐵從業(yè)人員研究的關(guān)鍵核心技術(shù)，爐缸長(zhǎng)壽的影響因素貫穿高爐的全生命周期，涉及爐缸的設(shè)計(jì)水平、施工和安裝質(zhì)量、原燃料和操作條件以及智能化監(jiān)測(cè)和分析手段等諸多方面。爐缸設(shè)計(jì)以構(gòu)建均衡的熱傳導(dǎo)體系為核心，在生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)合原燃料條件和操作模式，控制有害元素入爐，形成合理的死料堆和穩(wěn)定的凝鐵層，同時(shí)借助先進(jìn)成熟的爐缸長(zhǎng)壽智能化系統(tǒng)，保障爐缸的安全長(zhǎng)壽。