安全長壽爐缸內襯結構在高爐上的應用

把握技術環節  助力高爐長壽

                  --安全長壽爐缸內襯結構在高爐上的應用

    隨著國內高爐的大型化發展以及冶煉強度的不斷提高，高爐長壽已成為煉鐵工序的重要技術特征。煉鐵技術的發展，冷卻制度的不斷完善及銅冷卻壁的應用，使得爐身下部、爐腰及爐腹情況得以改善，限制高爐長壽的關鍵環節轉移至爐缸爐底的壽命。目前，應用較多的爐缸結構為高導熱壓小塊碳磚爐缸和陶瓷杯復合爐缸結構。而碳復合磚的應用，使得高爐長壽又邁上了一個新的臺階。碳復合磚的導熱性、抗渣鐵侵蝕性和抗堿侵蝕性等都優于碳磚和剛玉質磚，對實現高爐安全長壽有重要作用。本文以應用碳復合磚的柳鋼5號高爐生產數據及爐缸溫度數據為基礎，對碳復合磚的應用情況進行分析。

高爐爐缸結構設計及高爐生產狀況

高爐爐缸爐底內襯結構

    柳鋼5號高爐（1580m3）自2015年7月14日開爐生產，開始了當代爐役生產。爐缸側壁全部采用碳復合磚砌筑，在爐底內襯結構設計中，自下而上分別采用了1層石墨碳磚（500mm）、2層微孔碳磚（2×500mm）和3層碳復合磚（3×400mm）。高爐爐缸直徑為8.8m，鐵口傾角為10°，鐵口中心線標高為10.0m，死鐵層深度為1.7m，占爐缸直徑的19.3%。爐底每一層耐火材料的下部均布置了熱電偶，爐缸側壁不同標高部位也布置了熱電偶，每一高度部位布置3個測點。高爐有東、西2個鐵口，22個風口。高爐冷卻水量為3400m3/h，爐缸側壁共有40塊冷卻壁，單管冷卻水流速為1.78m/s。

高爐生產狀況分析

    柳鋼5號高爐自開爐后迅速達產，高爐有效容積利用系數在2.6t/(m3·d)左右，爐缸截面利用系數為64t/(m2·d)。高爐有效容積利用系數與爐缸截面利用系數成正比。2016年后，高爐原燃料變化頻繁，礦石種類繁多，導致爐料質量波動較大，高爐爐況頻繁波動。此外，高爐堿金屬負荷較高，達到5kg/tHM以上，2016年爐身上部結瘤。隨后，柳鋼適當控制冶煉強度，發展邊緣氣流，爐身結瘤問題得到解決。該階段高爐焦比、燃料比處于較高值，其中焦比達到450kg/tHM，燃料比達到600kg/tHM。2016年底，高爐爐況恢復正常，高爐利用系數和燃料比達到較好的狀態。5號高爐利用系數和燃料比隨時間的變化趨勢如圖所示。

高爐爐缸安全狀況分析

    柳鋼5號高爐第7層熱電偶位于高爐爐缸側壁及爐底交界部位，一般侵蝕最為嚴重的區域。選取該部位鐵口區域附件的熱電偶，其3個測點熱電偶溫度的變化趨勢隨時間的變化關系如下圖所示。

    從圖中可以看出，3個測點的溫度隨時間的變動較大，對于每一個測點，溫度波動范圍約為50℃，而3個測點溫度的變化趨勢在同一時間保持一致，反應出爐缸的傳熱系統較為通暢，高爐爐缸中產生的熱量能夠較好地傳出到冷卻系統，爐缸傳熱系統內沒有氣隙的存在。該部位碳復合磚的厚度為設計的原始厚度，碳復合磚幾乎沒有受到侵蝕。

   下圖給出了高爐第7層爐缸側壁及爐底交界部位的熱電偶沿周向部位的溫度分布情況。

    熱電偶插入碳復合磚的深度為300mm。從上圖可以看出，熱電偶溫度在不同方位的數值不同，其中鐵口部位及鐵口周邊的溫度相對較高，高爐爐缸周向部位熱電偶最高值位于西鐵口附近，最高溫度達到311℃，遠離鐵口部位的熱電偶溫度較低。高爐第7層熱電偶周向位置的平均溫度為264℃。從各熱電偶溫度數據可以推測，高爐爐缸側壁碳復合磚幾乎沒有被侵蝕。

    下圖給出了西鐵口方位不同標高條件下熱電偶溫度的變化情況。熱電偶插入碳復合磚深度為300mm。

    從上圖可以看出，最高熱電偶溫度位于鐵口中心線以下0.8m處。由此可見，隨著鐵口深度的增加，熱電偶溫度呈現先升高后降低的趨勢。即以該部位為分界線，離該部位越遠的部位，熱電偶溫度越低。高爐高度部位的熱電偶平均溫度為285℃。

高爐爐缸側壁熱電偶溫度與爐底熱電偶溫度一般呈負相關關系。爐底中心部位熱電偶溫度越高，高爐爐缸活性越好。

    上圖給出了高爐爐缸側壁熱電偶溫度與爐底熱電偶溫度隨時間的變化趨勢。從圖中可以看出，2016年間，爐底熱電偶溫度處于較高水平，爐缸側壁熱電偶溫度較低；2017年以來，高爐爐底溫度顯著降低，而爐缸側壁熱電偶溫度升高。這表明高爐爐缸活性逐漸變差，這與高爐原燃料變化頻繁及高爐生產不穩定關系密切。但高爐仍然處于安全的狀態。

碳復合磚內襯結構效果突出

兩代爐役內襯結構應用效果分析

    柳鋼5號高爐于2008年6月中修擴容投產，有效容積為1500m3，高爐爐缸直徑8.80m，有22個風口、2個鐵口，采用東、西出鐵場的布置，鐵口間夾角162°。爐缸爐底采用“大塊碳磚+陶瓷杯復合爐缸爐底”結構。2012年7月，5號高爐因東鐵口發生鐵口冷卻壁燒穿漏水事故而被迫停爐搶修，柳鋼在鐵口中心線至風口帶內壁區域采用澆注料進行爐缸修復。經過2年的生產，2014年2月開始，5號高爐多個方位的爐缸溫度呈上升趨勢且上升較快，最高溫度達到525℃（停爐實測電偶插入碳磚深度為160mm），為開爐生產以來的最高值，高爐爐缸側壁熱電偶溫度隨時間的變化趨勢如下圖所示。

    2015年5號高爐爐缸側壁高點溫度集中在爐缸側壁標高7.97m~8.76m區域，鐵口標高9.80m，即在鐵口標高下1.04m~1.83m的區域。爐缸側壁熱電偶溫度的持續升高嚴重影響了高爐爐缸的安全狀況，隨后，高爐采取了堵風口降低冶煉強度、加大釩鈦礦的使用量及降低煤比提高焦比等一系列措施，爐缸側壁熱電偶溫度升高的趨勢得到了控制。熱電偶溫度降低到380℃以下。

    柳鋼5號高爐上一代爐役采用傳統的爐缸內襯結構，生產6年后，爐缸側壁熱電偶溫度大范圍升高，熱電偶插入深度為160mm的熱電偶溫度達到525℃。隨后采取的一系列降低產量、鈦礦護爐等措施，打亂了高爐正常生產節奏，大幅增加了高爐生產成本。而當前爐役，高爐生產近2年后，高爐爐缸側壁熱電偶溫度保持平穩的趨勢，熱電偶插入深度為300mm的溫度最高值僅為320℃，且大部分熱電偶溫度均低于300℃，熱電偶插入深度為200mm的溫度一般在150℃~250℃，遠低于上一代爐役高爐爐缸側壁熱電偶溫度。這顯現出高爐爐缸爐底采用碳復合磚的優越性，可以不必因高爐爐缸的安全問題而休風減產，也不必采用特殊的護爐手段增加額外的成本。柳鋼5號高爐兩代爐役不同爐缸內襯結構應用效果對比分析結果如下表所示。

關于爐缸安全的討論分析

    關于高爐爐缸爐底的內襯結構，不同的高爐采用的結構不同，而世界范圍內，每一種內襯結構都有取得長壽的案例，而每一種內襯結構也都有短壽的現象發生，其原因應具體分析。筆者認為，高爐爐缸長壽的關鍵在于高爐爐缸磚襯熱面形成的一層保護層，保護層的存在隔離開耐火材料與高溫熔融鐵水的直接接觸，避免耐火材料的熔蝕，這是高爐爐缸長壽的本質。高爐爐缸只要能保障爐缸保護層的長期存在，高爐爐缸長壽是完全可以實現的。

然而，我國高爐生產與國外不同，主要呈現出三大特征——

    一是生產不穩定。我國大部分高爐生產波動較大，鐵水溫度、鐵水成分、爐渣成分均有大幅波動。高爐生產沒有穩定的原燃料，業內一度追求低成本原燃料，且沒有大型混勻料場，使得高爐原燃料條件波動范圍大，導致高爐生產的不穩定。

    二是高冶煉強度。我國大部分高爐的利用系數及冶煉強度顯著高于高爐設計水平，高爐冶煉強度遠高于國外同立方米級高爐。

    三是低入爐品位礦冶煉。我國高爐用原燃料條件品位較低，高爐入爐礦堿金屬負荷及鋅負荷較高，有害元素在高爐內的循環富集對高爐用原燃料有較大的危害，對高爐爐況的穩定順行十分不利。柳鋼高爐的生產體現了上述3種特征。在這種條件下，高爐爐缸保護層較易脫落，耐火材料不可避免地會與高溫熔融鐵水接觸，保護層難以長期對爐缸側壁耐火材料形成保護。在當前我國的冶煉條件下，延長高爐爐缸壽命的關鍵在于耐火材料質量的提升。

    柳鋼5號高爐爐缸采用的碳復合磚內襯結構，主要成分是氧化鋁和碳。在高爐爐缸的環境條件下，當高爐爐缸保護層因爐況的不穩定、鐵水環流強度增大或有害元素對保護層的破壞等因素脫落時，高溫熔融鐵水與碳復合磚直接接觸，碳復合磚中的碳會與碳不飽和的鐵水發生碳質交換，碳復合磚熱面會形成脫碳層。而碳復合磚裸露出的氧化鋁與鐵水不潤濕，鐵水難以進一步侵蝕碳復合磚，且碳復合磚在高溫條件下導熱系數較高，可以迅速降低碳復合磚的熱面溫度，再次形成保護層，對碳復合磚進行保護。

    碳復合磚還具備良好的抗堿金屬侵蝕性能，面對高爐的高堿金屬負荷，碳復合磚的強度仍然能夠保持較好的狀態，體現出很高的抗有害元素侵蝕能力。

    此外，近年來，高爐爐體漏水的現象逐漸增多，進入到高爐爐缸磚襯中的高溫水蒸氣會與耐火材料發生反應。而碳復合磚的抗水蒸氣侵蝕性能優越，在模擬高爐爐缸條件下的失重率僅為6%左右，接近陶瓷質耐火材料的抗水蒸氣侵蝕能力，遠好于微孔碳磚的抗水蒸氣侵蝕能力（失重率為60%左右）。

    由此可見，碳復合磚優越的基礎性能和高溫性能是保障碳復合磚具有良好應用效果的前提。因此，碳復合磚內襯材料可適應高爐爐缸復雜的工況條件，是新一代長壽高爐爐缸爐底內襯的優選材料。

 --摘自《中國冶金報》

    西安鵬遠冶金設備有限公司成立于2017年2月20日，公司位于中國陜西西安，主導業務為冶金設備（電弧爐，礦熱爐，鋼包精煉爐，其他精煉爐和冶金輔助設備）設計制造、環保除塵技術設計、冶煉原料處理和先進冶煉工藝技術開發，公司的愿景是成為能夠為用戶提供先進適用的成套冶煉技術解決方案的服務型主導企業，公司矢志將“鵬遠冶金”打造成電爐行業的優秀品牌。關注我們，及時了解行業最新動態，咨詢熱線：13891839310.