李建偉¹，路連軍¹，趙建宇¹，孫賽陽²

( 1． 河北津西鋼鐵集團(tuán)股份有限公司，河北 遷西 064001; 2． 北京聯(lián)合榮大工程材料股份有限公司，北京 101400)

摘要: 針對1 280 m³ 高爐爐缸側(cè)壁局部溫度異常升高問題，通過對冷卻壁熱流強(qiáng)度測量及炭磚厚度模擬計算，推斷出高爐爐缸侵蝕部位及狀況，并在護(hù)爐期間采用均勻堵風(fēng)口、配加高鈦塊礦、降低冶煉強(qiáng)度、控制鐵水成分( 鐵水含鈦、硅、硫) 等措施，使高爐爐缸溫度逐步得到控制，直至安全停爐。

關(guān)鍵詞: 高爐; 爐缸; 溫度; 侵蝕; 護(hù)爐; 鈦; 均勻堵風(fēng)口

0 引言

高爐長壽一直是煉鐵系統(tǒng)重要的研究課題，在高爐爐役后期，隨著高爐長時間生產(chǎn)，內(nèi)部爐襯部分已經(jīng)有了不同程度的侵蝕，尤其是爐缸部分對高爐壽命起著決定性的作用。通過對高爐冷卻壁水溫差、冷卻壁熱流強(qiáng)度、爐缸熱電偶溫度、爐皮溫度等指標(biāo)的檢測，及時準(zhǔn)確地對高爐爐缸侵蝕狀況進(jìn)行判斷，并采取合理的護(hù)爐措施，保證高爐爐役后期的安全生產(chǎn)，直到停爐大修。

目前，利用含鈦物質(zhì)進(jìn)行高爐護(hù)爐已經(jīng)成為了煉鐵行業(yè)的共識，其原理是鈦礦中的含鈦物質(zhì)在進(jìn)入高爐后被還原，隨著鐵水的流動到達(dá)爐缸各個部位，與高爐中的碳氮元素反應(yīng)形成高熔點(diǎn)的碳氮化合物及復(fù)合體。在高爐侵蝕嚴(yán)重的部分，爐襯的溫度較低，促進(jìn)這些化合物沉積，形成難以融化的保護(hù)層，阻止鐵水的進(jìn)一步侵蝕。現(xiàn)階段的護(hù)爐方式一般分為 2 種; 一種是開爐不久就開始加入 TiO₂，如陽春新鋼鐵有限公司^［1］; 另一種是通過檢測高爐的運(yùn)行情況，當(dāng)高爐爐缸的溫度發(fā)生異常變化時，開始大量加入鈦礦，如首鋼、柳鋼、漢鋼等^{［2 － 8］}。同時在選用鈦礦上也有著相應(yīng)的要求，選擇合理的操作方式^［9，10］，保證護(hù)爐的同時也要減少對高爐軟融帶的影響。

1 高爐概況

津西鋼鐵 8#高爐于 2007 年 12 月投產(chǎn)，有效容 積12 80 m³，設(shè)計2 個鐵口、20 個風(fēng)口。爐底炭磚原設(shè)計采用 4 層炭磚臥砌，從下至上依次為半石墨炭磚 2 層( 600 mm × 2) 、微孔炭磚 2 層( 600 mm + 750 mm) ，總高度 2 550 mm。截止 2020 年 10 月停爐， 共計生產(chǎn) 5 年 4 個月，( 2015 年 5 月份大修) 累計產(chǎn)鐵 549 萬 t，平均單位爐容產(chǎn)鐵 4 300 t /m³。2020 年 下半年，對高爐采取有效護(hù)爐方案，高爐正常運(yùn)行， 直至 10 月初停爐大修。

2 高爐冷卻系統(tǒng)及爐缸工作狀況

2． 1 冷卻系統(tǒng)、爐底和爐缸狀況

高爐爐體采用 100% 工業(yè)水冷卻，通過在爐底 板下埋設(shè)水冷管的形式冷卻。爐底、爐缸采用灰鑄 鐵冷卻壁( 1 ～ 5 層) ，爐腹采用球墨鑄鐵冷卻壁( 6 ～ 7 層) ，爐腰采用冷卻板和冷卻壁( 第 8 層) ，爐身采 用板壁結(jié)合形式冷卻( 9 ～ 23 層冷卻壁、1 ～ 12 層冷 卻板) ，爐喉部位采用水冷式鋼磚( 上下 2 層) 。

爐底分為 2 層，每層分 7 個方向共插入 14 個測 溫點(diǎn)，7 個方向電偶深度分布情況: 4 800 mm 1 個 點(diǎn)、2 280 mm ³ 個點(diǎn)、900 mm ³ 個點(diǎn)。 爐缸側(cè)壁分為 5 層，每層分 4 個方向共插入 40 個測溫點(diǎn)。其中 1 層電偶插入深度為 200 mm 和 320 mm、2 ～ 5 層 電 偶 插 入 深 度 為 100 mm 和 220 mm。

2． 2 爐缸側(cè)壁溫度變化情況

2020 年 6 月初，高爐 2#、7#、16#風(fēng)口下方爐缸 二層冷卻壁水溫差突然上升了 0． 2 ℃，通過對爐缸各部位溫差變化實(shí)時監(jiān)測并計算，發(fā)現(xiàn)冷卻熱流強(qiáng) 度最高已達(dá) 11 500 kCal /m²·h，爐皮溫度 80 ℃，如 表 1 所示。

電偶插入爐缸 220 mm 和 100 mm 處最高溫度分別達(dá)到 655 ℃ 和 318 ℃。利用傅立葉導(dǎo)熱公式(一維) 計算，依據(jù)公式 q = λ × △t /d 和 ( 655 －318) /0． 12 = ( 1 150 － 655) /d，計算出 d = 176 mm， 求得碳磚殘余厚度 = 176 + 220 = 396( mm) 。8 #高爐9#風(fēng)口下層電偶周圍碳磚剩余厚度 396 mm。此時高爐爐缸電偶溫度、熱流強(qiáng)度均處于危險值范圍內(nèi)，可以準(zhǔn)確判定爐缸區(qū)域碳磚環(huán)狀侵蝕已形成并嚴(yán)重威脅著高爐的安全生產(chǎn)，必須采取有效護(hù)爐措施，對這 3 個點(diǎn)實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)護(hù)。

3 護(hù)爐措施

為了解決高爐爐缸側(cè)壁溫度升高問題，將護(hù)爐過程分 3 個階段恢復(fù)高爐的正常運(yùn)行。

3． 1 第一階段———控制鐵水成分

科學(xué)、合理控制鐵水中硅、硫、鈦含量是搞好護(hù)爐的 前 提。2020 年 1 ～ 5 月 8 # 高 爐 鐵 水 含 硅0． 258% 、含硫 0． 026% 、含鈦 0． 08% ，處在較高水平。6 月 8 日組織 8#高爐爐缸側(cè)壁溫度升高專題討論會，制定初步護(hù)爐方案，嚴(yán)格控制爐溫下限和硫上限，增加鐵水含鈦量，減少低溫高硫鐵水對爐缸爐底的沖刷和侵蝕。

3． 2 第二階段———降低冶煉強(qiáng)度

護(hù)爐第二階段決定通過大幅降低高爐冶煉強(qiáng)度進(jìn)行護(hù)爐，6 月 30 日計劃休風(fēng)堵 3#、7#、13#和 17#號風(fēng)口，富氧逐步控制在 5 000 m³ /h 以下，風(fēng)壓控制在 325 kPa 以下，并配加釩鈦礦( 鈦含量 11． 55% ) ， 鈦負(fù)荷控制在 6．5 左右，如表 2 所示。

3． 3 第三階段———穩(wěn)定護(hù)爐參數(shù)和高爐提產(chǎn)

通過均勻堵風(fēng)口及提高鐵水含硅、鈦成分，高爐爐缸電偶溫度、熱流強(qiáng)度、爐皮溫度得到控制，如圖1 所示。

在保證安全生產(chǎn)前提下，兼顧降低成本和提產(chǎn)，8 月17 日高爐開始取消釩鈦塊，調(diào)整鐵水含硅在0． 40% ～ 0． 45% ，含鈦在 0． 15% ～ 0． 20% ，同時風(fēng)壓提高至 340 kPa，富氧增至 8 000 m³ /h。

4 護(hù)爐效果

通過第一階段的護(hù)爐操作，使得鐵水含硅0． 40% ～0． 55%、含鈦 0． 15% ～ 0． 20%、含硫 ＜ 0． 02%，如圖2 所示。

提高生鐵含硅，有利于鈦的還原，再被氧化成熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于高爐冶煉溫度的 TiC、TiN，使鐵水黏度增加，流動性降低; 在爐缸及周邊生成的 TiC 和 TiN 以 固溶體的形式結(jié)晶析出，并逐漸沉積于爐缸受侵蝕 部位，保護(hù)爐缸不受進(jìn)一步侵蝕。同時降低硫含量，使渣鐵流動性變差，鐵水環(huán)流對爐缸的侵蝕作用變 弱，從而達(dá)到保護(hù)爐缸的目的。這樣既有利于鈦的 還原，又避免了因硅過高導(dǎo)致渣鐵流動性變差，加大爐前的勞動強(qiáng)度，使?fàn)t前出鐵陷入被動，影響高爐順行。

隨著第一階段護(hù)爐操作的進(jìn)行，爐缸熱流強(qiáng)度并沒有出現(xiàn)下行趨勢，如圖 3 所示。

因此進(jìn)行了第二階段的操作，爐缸電偶溫度得到了下降。隨著溫度下降，逐步捅開 7#、13#和 17#風(fēng)口( 剩余 3#風(fēng)口) ，7 月 12 ～ 18 日之間，2#和 7#風(fēng)口爐缸電偶上升過快，速度達(dá) 24 ℃ /天，熱電偶最高溫度達(dá) 648 ℃，7 月 18 日立即休風(fēng)堵 2#、7#、8#風(fēng) 口，爐缸電偶溫度逐漸下行。考慮爐缸電偶溫度得到控制，為了避免長時間堵 2#、7#風(fēng)口造成爐缸環(huán)流不均，8 月 4 日利用檢修機(jī)會，休風(fēng)均勻堵 3#、8#、16#風(fēng)口，如圖 4 所示，爐缸電偶溫度、熱流強(qiáng)度、爐皮溫度進(jìn)一步得到控住，如圖 4 所示。

通過第三階段的操作，高爐產(chǎn)量也逐步提升， 如圖 5 所示。

在停爐檢修過程中，清理爐缸時發(fā)現(xiàn)，7# ～ 9#風(fēng)口下方，二層冷卻壁侵蝕最薄部位 50 mm，最厚部位 100 ～ 200 mm，三層冷卻壁最薄部位剩余約350 mm。這與前期利用傅立葉導(dǎo)熱公式計算的 9#風(fēng)口下方爐缸周圍炭磚僅剩 300 ～ 390 mm 一致。

在扒爐過程中，發(fā)現(xiàn)“象腳”區(qū)侵蝕嚴(yán)重部位有大量含鈦結(jié)晶物。經(jīng)化驗(yàn)得知，含鈦量高達(dá) 3． 2% ，鋁含量達(dá) 32% ，且鈦與爐磚已在爐缸侵蝕部位形成保護(hù)層。因此，護(hù)爐期間提高鐵水含硅、含鈦成分是非常有必要的。

5 結(jié)論

( 1) 護(hù)爐過程要準(zhǔn)確找到關(guān)鍵性薄弱點(diǎn)，針對薄弱點(diǎn)電偶數(shù)值推斷爐缸炭磚侵蝕變化趨勢，彌補(bǔ)水溫差和爐皮測溫受環(huán)境影響大的不足。

( 2) 摸索適宜的冶煉強(qiáng)度。高爐護(hù)爐期間以安全生產(chǎn)為主，在護(hù)爐參數(shù)可控時，可分階段調(diào)整護(hù)爐方案兼顧產(chǎn)量的提升。

( 3) 護(hù)爐期間熱流強(qiáng)度、爐皮溫度、熱電偶溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，以儀表監(jiān)測爐缸電偶溫度數(shù)據(jù)為主，以人工測量數(shù)據(jù)為輔，同時參考最危險數(shù)值，監(jiān)控高爐爐役后期爐缸狀況。

( 4) 高爐護(hù)爐要以穩(wěn)定順行為前提，布料角度以正角差為基礎(chǔ)，開放中心穩(wěn)定邊緣。

( 5) 均勻堵風(fēng)口可以保障高爐風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量均勻，有利于渣鐵均勻環(huán)流，減緩對炭磚的侵蝕速度。

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