馬洪斌

(秦皇島首秦金屬材料有限公司)

摘 要：結(jié)合首秦2座高爐爐體冷卻壁的使用及管理實踐，闡述了1號高爐爐體冷卻壁的破損原因和2號高爐爐體銅冷卻壁的使用經(jīng)驗，并總結(jié)了首秦高爐爐體冷卻制度的控制原則。

關(guān) 鍵 詞：高爐；冷卻壁；破損；冷卻制度

首秦1號高爐(1200m3)于2004年6月6日開爐，2號高爐(1780m3)于2006年5月31日開爐。2座高爐爐體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，冷卻壁破損情況也不同。1號高爐爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁破損嚴重，2010年11月進行了整體更換，但2011年11月中修時觀察，爐腹、爐腰、爐身下部的冷卻壁破損又比較嚴重，大量冷卻壁的水管已經(jīng)露出；2號高爐爐體冷卻壁保存完好，沒有冷卻壁破損情況。本文從2座高爐爐體的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，對爐體冷卻結(jié)構(gòu)進行了對比，闡述了1號高爐冷卻壁破損分析，及2號高爐爐體銅冷卻壁使用經(jīng)驗，總結(jié)了首秦高爐爐體冷卻制度的控制原則。

1 高爐爐體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及開爐后生產(chǎn)情況

1．1 高爐爐體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2座高爐爐腹及以上區(qū)域采用磚壁合一的薄爐襯結(jié)構(gòu)形式，耐火磚內(nèi)襯采用冷鑲方式與冷卻壁砌成一體。1號高爐冷卻壁全部為鑄鐵材質(zhì)，2號高爐第6、7、8段為銅冷卻壁，磚襯和冷卻壁之間采用燕尾槽連接，鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁燕尾槽深均為78mm；冷卻壁與冷卻壁之間的水平縫和豎縫采用搗打料進行填充和搗同。第6、7段采用SiC磚鑲嵌，第8～11段采用Si3N4結(jié)合SiC磚鑲嵌，爐身中、上部第12～15段采用磷酸浸漬的高密度黏土磚鑲嵌，鑲磚內(nèi)面采用噴涂料進行噴涂保護。1、2號高爐爐體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計分別見表1、2。

1．2 高爐開爐后生產(chǎn)情況

1號高爐投產(chǎn)以后，生產(chǎn)指標不斷進步，煤比曾長期穩(wěn)定在180～200kg/t。2號高爐開爐第三天產(chǎn)量完成4058t，利用系數(shù)2．28，達到設(shè)計產(chǎn)能，當月完成焦比349kg／t，取得了新建高爐投產(chǎn)快速強化冶煉的好成績，開爐實踐充分體現(xiàn)了薄壁爐襯高爐“接近操作爐型的特點”。1、2號高爐投產(chǎn)后前三年指標對比見表3。

2 高爐爐型及冷卻參數(shù)對比

2．1 高爐爐型參數(shù)對比

首秦1、2號高爐與首鋼2號高爐爐型參數(shù)對比見表4。

2．2 高爐冷卻壁設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

高爐冷卻壁設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)對比見表5。

首秦1號高爐冷卻壁為前排管和后排管，首秦2號高爐冷卻壁只有前排管，首鋼2號高爐銅冷卻壁只有前排管，球墨鑄鐵冷卻壁為前排管、后排管和凸臺管(除第6段)。首秦1號高爐與首鋼2號高爐冷卻壁管間距一致，首秦2號高爐冷卻壁管間距稍小。首秦1號高爐、首秦2號高爐與首鋼2號高爐相比，冷卻水管直徑稍大。

2．3 高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)冷卻工藝參數(shù)對比

首秦1、2號高爐與首鋼2號高爐相比，軟水量較小，來水溫度較低(見表6)。

2．4 高爐爐內(nèi)噴涂造襯后的爐襯厚度對比

首秦1號高爐于2007年7月第一次中修爐內(nèi)噴涂，2號高爐于2008年7月第一次中修爐內(nèi)噴涂。3座高爐爐內(nèi)噴涂后的爐襯厚度相比較，首秦2號高爐爐襯相對較薄，1號高爐爐襯相對較厚(見表7)。

3 首秦1號高爐爐體冷卻壁破損

3．1 爐體冷卻壁破損情況

隨著高爐冶煉強度不斷提高和爐體逐步老化，1號高爐爐體冷卻壁損壞數(shù)量逐年增加。特別是進入2010年以后，經(jīng)過6年的生產(chǎn)，爐體冷卻水箱進入了加速損壞時期。截止到2010年11月，冷卻壁更換前，爐體冷卻壁共損壞93根，其中前排86根(第6段7根、第7段22根、第8段54根、第9段3根)，后排5根，未分段前排2根，主要集中在第7、8段冷卻壁部位，均是高爐熱負荷最大處。由于冷卻壁破損嚴重，爐腹、爐腰多處出現(xiàn)了爐皮發(fā)紅現(xiàn)象，被迫外加噴水冷卻，對高爐的正常生產(chǎn)造成了嚴重威脅。1號高爐爐體冷卻壁破損情況如圖1所示。

3．2  球墨鑄鐵冷卻壁破損機理

燃燒帶形成爐料下降和煤氣運動最活躍的區(qū)域，在循環(huán)區(qū)內(nèi)煤氣的溫度高達2000℃以上。從循環(huán)區(qū)逸出的超高溫煤氣和渣鐵流動對爐腹部位劇烈的沖刷。由于在爐腹、爐腰和爐身下部正是軟熔帶根部和焦炭焦窗的所在區(qū)域，軟熔帶氣流分布的隨機變化會引起爐腰和爐身下部相應(yīng)的溫度變化，溫度的波動將引起耐火材料、渣皮的嚴重剝落。該區(qū)域的長壽主要取決于冷卻設(shè)備是否能長期可靠的工作。

球墨鑄鐵冷卻壁金相組織的基體是鐵素體和少量的珠光體，生鐵中的碳以球狀石墨的形式存在，熱導(dǎo)率比普通鑄鐵略低。當冷卻壁受高溫作用發(fā)生裂紋時，裂紋不向熱影響區(qū)以外傳播，允許的使用溫度較高，通常以珠光體的相變溫度760℃作為球墨鑄鐵冷卻壁的允許工作溫度。球墨鑄鐵冷卻壁中珠光體所占的比例小于15％，由于組織內(nèi)珠光體發(fā)生相變，將造成原來組織的破壞而導(dǎo)致裂紋。因此，球墨鑄鐵冷卻壁的熱面溫度不能長期高于760℃，否則必然發(fā)生冷卻壁的破損。爐腹、爐腰、爐身下部的熱負荷較高，爐況異常時，若熱負荷超過冷卻壁最大承受能力，冷卻壁熱面溫度上升至760℃以上，則易發(fā)生裂紋、變形，造成冷卻壁破損[1]。

3．3 高爐操作對爐體冷卻壁破損的影響

(1)煤氣流分布的穩(wěn)定。爐內(nèi)邊緣的不穩(wěn)定煤氣流，造成冷卻壁熱面溫度的波動，使冷卻壁急冷急熱，冷卻壁變形，進而破損。國內(nèi)外冷卻壁使用經(jīng)驗表明，球墨鑄鐵冷卻壁急冷急熱次數(shù)超過800次，就會出現(xiàn)破損[1]。1號高爐煤氣流分布的穩(wěn)定性長期偏差，高爐應(yīng)尋求合理的布料模式與煤氣流分布模式，提高煤氣流分布的穩(wěn)定程度，減少不穩(wěn)定的邊緣氣流對冷卻壁的破壞。

煤氣流分布的穩(wěn)定不單是強調(diào)邊緣煤氣的穩(wěn)定，中心煤氣或者邊緣煤氣的不穩(wěn)定都將造成爐內(nèi)渣皮的脫落。邊緣煤氣分布的穩(wěn)定也不是邊緣煤氣溫度越低越好，而是邊緣煤氣溫度能夠穩(wěn)定、不劇烈波動。1號高爐十字測溫溫度分布的變化如圖2所示。

(2)邊緣煤氣溫度。在高爐冷卻制度確定、穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)下，冷卻壁熱面溫度取決于爐內(nèi)邊緣煤氣溫度。高爐投產(chǎn)后，應(yīng)防止因邊緣煤氣溫度過高造成冷卻壁熱面溫度長期高于其允許的工作溫度，致使冷卻壁過早破損。首秦1號高爐第4～15段冷卻壁的熱負荷8200kW(不包括后排管)，與2號高爐4~15段冷卻壁的熱負荷、首鋼2號高爐第6～15段冷卻壁的熱負荷基本一致。首秦1、2號高爐十字測溫溫度分布的對比示意如圖3所示。

3．4 爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計對冷卻壁破損的影響

高爐爐腹、爐腰、爐身下部的球墨鑄鐵冷卻壁處于軟熔帶的根部，工作條件非常惡劣，熱流強度大。球墨鑄鐵冷卻壁的熱面溫度不能長期高于760℃，一旦冷卻壁熱面渣皮脫落，冷卻壁熱面溫度必然超出該溫度。且球磨鑄鐵冷卻壁熱面不易形成渣皮，使該部位冷卻壁長時間暴露在爐內(nèi)高溫煤氣面前，這必然引起冷卻壁的破損(球磨鑄鐵冷卻壁熱面形成渣皮大約需要1h，銅冷卻壁熱面形成渣皮大約需要15min)。隨著高爐爐體設(shè)計、建造水平的進步，在高爐爐腹、爐腰、爐身下部使用銅冷卻壁相對能夠改變球磨鑄鐵冷卻壁破損的狀況。

3．5 高爐球墨鑄鐵冷卻壁的技術(shù)管理

高爐需要監(jiān)測爐身下部、爐腰、爐腹區(qū)域冷卻壁壁后熱電偶溫度變化，重點關(guān)注溫度沿圓周方向的均勻性及穩(wěn)定性，大致了解渣皮厚度變化、渣皮脫落情況，來判斷爐身下部、爐腰、爐腹該區(qū)域的爐型合理性及穩(wěn)定性，為球墨鑄鐵冷卻壁的維護奠定基礎(chǔ)。1號高爐爐腹、爐腰、爐身下部爐型管控標準見表8。

3．6 小結(jié)

隨著爐缸維護技術(shù)的發(fā)展，高爐爐體長壽尤其是爐腹、爐腰、爐身下部的長壽成為高爐長壽的制約性環(huán)節(jié)。邊緣煤氣溫度是影響冷卻壁熱面渣皮穩(wěn)定及厚度的主要兇素，高爐應(yīng)尋求合理的布料模式與煤氣流分布模式，提高煤氣流分布的穩(wěn)定性，防止因邊緣煤氣溫度波動而造成冷卻壁破損。

4 首秦2號高爐銅冷卻壁使用經(jīng)驗

4．1 渣皮穩(wěn)定性控制

爐內(nèi)高度方向的渣皮穩(wěn)定性，可大致反映爐內(nèi)軟熔帶根部位置，及軟熔帶根部的異常變化，為爐內(nèi)送風(fēng)制度和裝料制度的調(diào)整提供依據(jù)。2號高爐軟熔帶根部位置絕大部分時間在爐腰第7段銅冷卻壁位置。若軟熔帶根部位置達到爐腹下部，盡量采取措施提高軟熔帶根部位置，否則極有可能造成未充分分離的生料下降到風(fēng)口帶，砸壞風(fēng)口，或者軟熔帶根部以上位置不能及時形成渣皮來保護銅冷卻壁；若軟熔帶根部位置過高，則爐內(nèi)間接還原減少，不利于高爐降低燃料比。

爐內(nèi)圓周方向的渣皮穩(wěn)定性，特別注意圓周局部方向的渣皮頻繁脫落，這說明在圓周方向上存在局部邊緣氣流，一方面脫落的渣皮滑落到風(fēng)口帶，造成風(fēng)口損壞；另一方面渣皮脫落后，超高溫煤氣直接沖擊銅冷卻壁。因銅冷卻壁熱面易重新形成渣皮，就造成了銅冷卻壁熱面渣皮的反復(fù)脫落。

4．2 銅冷卻壁高爐操作

使用銅冷卻壁的高爐，若爐內(nèi)存在銅冷卻壁熱面渣皮在圓周局部方向頻繁脫落的現(xiàn)象，說明爐內(nèi)中心煤氣和邊緣煤氣都存在不穩(wěn)定的可能性，必須及時穩(wěn)定煤氣流分布。

(1)中心煤氣不穩(wěn)定。伴隨著壓量關(guān)系的波動，料尺工作時快時慢，十字測溫中心溫度波幅大，這是由于中心煤氣的過開引起的。過開的中心煤氣引起了爐內(nèi)上部塊狀帶中心部位的頻繁塌料，塌料的瞬間，煤氣的部分通路喪失，爐缸初始煤氣被迫從邊緣薄弱部位尋找通路，邊緣局部過盛氣流使其所經(jīng)過處的渣皮脫落。高爐需要必須及時調(diào)整裝料制度，一則在料尺工作正常的情況下，適當控制中心煤氣；二則可對邊緣煤氣適當疏導(dǎo)，使中心煤氣與邊緣煤氣的比例協(xié)調(diào)。

(2)邊緣煤氣不穩(wěn)定。一方面體現(xiàn)在初始邊緣煤氣不穩(wěn)定，由于爐缸初始煤氣向中心滲透困難，導(dǎo)致初始邊緣煤氣不穩(wěn)定，出現(xiàn)邊緣局部過盛氣流，使渣皮脫落，高爐需要提高焦炭高溫性能、調(diào)整上部裝料制度疏導(dǎo)中心；另一方面體現(xiàn)在由于上部邊緣礦焦比不均勻，對爐缸初始煤氣及二次分布產(chǎn)生影響，在薄弱部位出現(xiàn)邊緣局部過盛氣流，使渣皮脫落。高爐需要調(diào)整裝料制度，將爐料直接布到爐喉徑向相應(yīng)位置，使爐內(nèi)對邊緣礦焦比的控制能力增強。

4．3 高爐銅冷卻壁的技術(shù)管理

銅冷卻壁壁后熱電偶溫度更能反映軟熔帶根部大致位置，反映渣皮厚度變化、渣皮脫落情況，監(jiān)測爐身下部、爐腰、爐腹區(qū)域冷卻壁壁后熱電偶，重點關(guān)注溫度沿圓周方向的均勻性及穩(wěn)定性，來判斷該區(qū)域的爐型合理性及穩(wěn)定性。2號高爐爐腹、爐腰、爐身下部爐型管控標準見表9。

4．4 小結(jié)

高爐爐腹、爐腰、爐身下部是高爐長壽的制約環(huán)節(jié)，在該部位使用銅冷卻壁，依靠渣皮的保護，實現(xiàn)了高爐爐腹、爐腰、爐身下部的長壽。銅冷卻壁熱面的渣皮對爐內(nèi)煤氣分布的變化十分敏感，圓周方向局部渣皮頻繁脫落危害極大，是爐內(nèi)煤氣分布不穩(wěn)定的表現(xiàn)，必須及時調(diào)整、穩(wěn)定煤氣流分布。

5 高爐爐體冷卻制度的控制原則

5．1 以確保冷卻水速為出發(fā)點

在正常冷卻條件下，冷卻水流量調(diào)整的核心是合理的冷卻水水速，確保冷卻水與冷卻壁道壁的對流傳熱系數(shù)保持在高水平，并且滿足在極限熱流強度下水溫差不超允許值。按1號高爐設(shè)計計算，高爐后排管系統(tǒng)水量不宜低于270m3／min，前排管系統(tǒng)水量不宜低于1825m3／min，使兩者最低限度滿足1．5m／s的水速。按2號高爐設(shè)計計算，前排管系統(tǒng)水量不宜低于2280m3／min，使最低限度滿足1．5m／s的水速。同樣，冷卻水流量無限制的提高對于渣皮厚度的影響也有限。

5．2 以穩(wěn)定煤氣流分布為基礎(chǔ)

煤氣流分布穩(wěn)定性是指爐喉徑向各點煤氣流速隨時間的變化情況，即高爐維持一定煤氣流分布形態(tài)的能力，煤氣流分布的穩(wěn)定性決定了高爐是否能夠?qū)崿F(xiàn)長期的順穩(wěn)。高爐爐內(nèi)渣皮的穩(wěn)定性與爐內(nèi)煤氣流分布的穩(wěn)定性、爐內(nèi)邊緣熱負荷的合理性密切相關(guān)，其中爐內(nèi)煤氣流分布的穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，降低爐內(nèi)十字測溫各點溫度的波動幅度至關(guān)重要，穩(wěn)定煤氣流分布就是要提高高爐保持其煤氣流分布形態(tài)的能力。首秦高爐煤氣流分布波動管控標準見表10。

5．3 以控制合理熱負荷為重心

冷卻制度管理方面，以熱負荷管理取代水溫差管理。因為水溫差管理是在以前水量相對穩(wěn)定情況下的特殊產(chǎn)物，而在水量經(jīng)常調(diào)整的情況，熱負荷管理更為科學(xué)。若爐內(nèi)出現(xiàn)在氣流相對穩(wěn)定的情況，熱負荷低于管控標準，甚至經(jīng)常下大塊的現(xiàn)象，爐內(nèi)可以考慮通過煤氣流分布的調(diào)整來提高爐內(nèi)邊緣熱負荷，適當減薄渣皮厚度。若爐內(nèi)出現(xiàn)在氣流相對穩(wěn)定的情況，熱負荷高于管控標準，爐內(nèi)可以考慮通過煤氣流分布的調(diào)整來降低爐內(nèi)邊緣熱負荷，適當增加渣皮厚度。1、2號高爐冷卻制度管控標準分別見表11、12。

6 結(jié)語

(1)隨著爐缸維護技術(shù)的發(fā)展，高爐爐體長壽，尤其是爐腹、爐腰、爐身下部的長壽成為高爐長壽的制約性環(huán)節(jié)。高爐應(yīng)提高煤氣流分布的穩(wěn)定性，防止因邊緣煤氣溫度波動造成冷卻壁破損。

(2)高爐爐腹、爐腰、爐身下部使用銅冷卻壁，依靠渣皮的保護，實現(xiàn)了長壽，通過渣皮的穩(wěn)定成為銅冷卻壁高爐穩(wěn)定、順行的關(guān)鍵。高爐在爐腹、爐腰、爐身下部使用銅冷卻壁，相對使用鑄鐵冷卻壁在長壽方面更具有優(yōu)勢。

(3)高爐爐體冷卻制度的控制應(yīng)以確保冷卻水速為出發(fā)點，以穩(wěn)定煤氣流分布為基礎(chǔ)，以控制合理熱負荷為重心。

7 參考文獻

[1]   張賀順，馬洪斌，陳軍．首鋼3號高爐爐體冷卻制度的初步研究[C]∥中國金屬學(xué)會煉鐵分會．2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集．北京：中國金屬學(xué)會，2010：823—827