郭雪峰 劉森 項寶勝 馬召 馬朝帥

某大型高爐爐頂氣密箱β角電機電流持續出現異常波動，采取爐頂打水降溫、增加氣密箱冷卻水量(由9t/h增至12t/h)及氮氣量(由2600m³ /h增至最大3000m³ /h)等措施后，電流值未完全恢復至正常水平。

為確定氣密箱的故障原因，防止故障擴大，結合檢修對氣密箱開蓋內部檢查，同時，提前做好氣密箱更換檢修準備。檢查發現，氣密箱內動靜環密封石墨塊斷裂、部分脫落；同時發現布料溜槽掛臂燒損龜裂，目測吊掛軸出現約 100mm 橫向位移，存在溜槽掉落情況，形成重大事故風險。在拆除布料溜槽的過程中，因槽體及掛臂變形無法將溜槽摘下，所以要將掛臂切斷。

一、氣密箱設計使用要求

第一，使用溫度：中心短時超限溫度600℃，每次不超過30min，一年內不超過20次。

第二，水冷系統：水冷氣密箱冷卻水采用工業凈環水，來水壓力 0.8～1MPa，來水溫度≤35℃；采用開路水冷系統，利用“U”型水封原理將高爐煤氣與外界隔絕；正常工況運行時，冷卻水水量為6～8m³ /h；出現頂溫異常升高、料流流速慢等異常工況時，冷卻水量應適當增加為10～15m³ /h；增加水量時應逐漸加量，每次增加1m³ /h，每次間隔20分鐘；高爐停風檢修時，冷卻水水量為3m³ /h，復風前應先將冷卻水量恢復至正常值。

第三，氮氣密封系統：水冷氣密箱采用氮氣進行密封，氮氣壓力比爐頂頂壓高1～2KPa，形成微正壓，防止爐頂煤氣竄入氣密箱內部。正常工況運行時，氮氣用量為 1000～1500m³ /h；異常工況時，應加大氮氣用量至3000m³ /h；如遇到爐內壓力或氮氣壓力波動較大，氣密箱回水管路發生水封擊穿時，應適當減少氮氣用量，先恢復水封。加水時間至少半小時，待水封徹底穩定后再逐步恢復氮氣的正常用量。

二、設備檢查的拆解情況

故障發生后，高爐停風，對設備進行初步檢查，情況如下：

爐喉鋼磚多處開裂，個別脫落(見圖 1)，爐喉鋼磚材質為M7，最高使用溫度為600°。

(一)氣密箱旋轉圓筒冷卻水路堵塞

拆解前對氣密箱通水檢測時發現，進水流量在2t/h時，冷卻水從上水槽溢出，懷疑冷卻水下通道堵塞，冷卻水可能進入爐內，從熱成像儀看到溜槽有暗點，由此推測，氣密箱曾因內部冷卻水路堵塞，回水不暢，造成水從上水槽溢出進入爐內。通過切割檢查及拆解發現，水路堵塞嚴重，冷卻水回水管道已堵塞，旋轉圓筒冷卻水道已被水垢堵塞，旋轉圓筒立水槽有超過60%的區域出現堵塞(見圖2)。

旋轉圓筒底部兩側的隔熱裝置位于溜槽正上方，受溜槽遮擋的部位基本和出廠前狀態一致，而無溜槽遮擋的一側隔熱裝置鋼板已燒損，只剩下固定螺栓和部分已碳化的隔熱纖維棉(見圖 3)。隔熱保護裝置為1Cr18Ni9Ti奧氏體耐熱不銹鋼(工作溫度可達750～800℃)及保溫隔熱棉。

(二)氣密箱拆解檢查

布料溜槽母體側面變形開裂、溜槽掛臂變形和龜裂。布料溜槽吊掛軸目測出現約 100mm 的橫向位移(見圖4)。在拆除布料溜槽的過程中，因槽體及掛臂變形無法將溜槽摘下，被迫將掛臂切斷。

對氣密箱進行拆解，將石墨塊全部取出后檢查，60件石墨塊中有46塊完全斷裂。氣密箱的隔離圈存在軸向變形，隔離圈上表面與箱體基準面高差達到了14mm，嚴重超出了 1.6mm 的標準要求，安裝在旋轉圓筒上的銅密封片變形，有因摩擦而磨損的現象。氣密箱隔離圈存在徑向變形，已造成隔離圈與箱體實質性接觸(見圖5)。

三、原因分析

第一，通過爐喉鋼磚開裂、溜槽掛臂移位、旋轉圓筒隔熱裝置燒損、布料溜槽變形開裂等現象初判，爐頂溫度偏高。該氣密箱使用溫度要求為中心短時超限溫度600℃，每次不超過30分鐘，一年內不超過20次。對爐頂十字測溫中心點監測數據分析(見圖6)，可以看出，一爐中心溫度多次超過 600℃。由此可見，多次異常高溫是此次事故的主要原因。同時，由于頂溫比爐喉實際溫度滯后的客觀實際，不能及時增加冷卻水量，導致高溫燒損嚴重。

第二，溜槽懸掛臂由于承受了較高溫度的熱輻射，局部變形嚴重，溜槽支撐軸兩側卡板螺栓在高溫下強度大幅度降低，溜槽旋轉產生的哥式力大于支撐軸所受的摩擦力，使得支撐軸向一側移動，將卡板螺栓剪斷。整體式懸掛臂的結構極大地提高了溜槽懸掛臂的高溫強度，避免了溜槽支撐軸由于受高溫(800℃以上)發生“U”型彎變形。從此次整體懸掛臂下底面燒損情況看，整體懸掛臂下端支撐軸處的整體強度高于懸掛臂上端，高溫熱膨脹時的熱應力向強度較低的懸掛臂上部釋放，導致上部變形明顯，將溜槽抱緊，導致檢修時溜槽拆卸困難，被迫將掛臂切斷，增加了故障處理的難度和時間。

第三，對各部位堵塞物進行化驗，具體成分見表1，判斷旋轉圓筒堵塞物主要成分為水垢，部分成分為煤氣粉塵。

結合高爐爐喉溫度分析，中心溫度偏高導致氣密箱旋轉，圓筒底板隔熱保護裝置燒損，使通道內的冷卻水過熱而產生結垢，結垢后影響冷卻水的冷卻效果，繼而旋轉圓筒溫度繼續升高，加劇結垢，最終導致通道堵塞。通道堵塞后，造成旋轉圓筒底板因冷卻不均出現嚴重的永久變形。旋轉圓筒的永久變形在軸向上的同時，導致隔離圈與靜環之間垂直方向高差超出允差(1.6mm)范圍，石墨塊受垂直方向力而被剪斷，造成石墨密封失效，石墨塊密封抗剪切力弱是石墨密封失效的重要原因。

受底板受熱變形影響，安裝在旋轉圓筒上的銅密封片與下水槽的旋轉間隙減小，旋轉阻力增加，導致運行電流值增大。受爐內氣流突然沖擊或密封壓差不均的影響，氮氣密封平衡失效，煤氣中的灰分進入旋轉圓筒下的底面冷卻板內，形成板結物堵塞冷卻通道，導致水冷效率降低，不能及時將熱量帶走，旋轉圓筒底板承受較高溫度加劇變形，同時，轉時旋轉隔離圈與箱體發生剮蹭，運行時β角電機電流值增大。

同時，冷卻水回水管路沒有安裝電磁流量計，回水流量沒有形成閉環監控，導致通道堵塞未及時發生，是造成事故的直接原因。

四、后續措施

第一，嚴格控制爐溫，針對頂溫比爐喉實際溫度滯后的客觀實際，繼續探索頂溫與十字測溫中心溫度的對應關系，確定更精準的打水時機，以便準確控制頂溫。在氣密箱下部增加測溫點方案，監控氣密箱煤氣側的實際溫度變化，方便第一時間采取正確的應對措施。對氣密箱氮氣與水的用量進行匹配研究，保證密封充足均勻，滿足目前的高爐工況，建立足夠穩定的煤氣/氮氣密封平衡。

第二，改進吊掛臂設計，將保護套兩端各延長100mm，用于保護吊掛軸兩端，減少吊掛軸兩端受熱侵蝕，同時采用銷軸的形式，待另一側的卡板與溜槽懸掛臂安裝后進行焊接加固。

第三，研究氣密箱內部水路的清洗方法，在高爐定修時增加水路清洗例行項目，延緩水路的結垢速度。

第四，優化旋轉圓筒底板隔熱保護裝置，對石墨塊密封重新設計選型，達到增強抗剪切力的目的；加裝電磁流量計，對回水流量形成閉環監控。

五、結束語

此次高爐氣密箱故障的主要原因如下：

第一，高爐爐溫多次超 600℃，超出氣密箱的使用要求，異常高溫導致布料系統部件不同程度受損是此次事故的主要原因。

第二，布料溜槽掛臂高溫熱膨脹時的熱應力，向強度較低的懸掛臂上部釋放，導致上部變形明顯，將溜槽抱緊，檢修時溜槽拆卸困難，被迫將掛臂切斷。

第三，旋轉圓筒隔熱裝置燒損，導致氣密箱冷卻水系統結垢堵塞，旋轉圓筒結構變形，運行時旋轉隔離圈與箱體發生剮蹭，導致β角電機電流值增大，冷卻水回路流量計缺失，沒有及時監測到流量變化是此次事故的直接原因。

第四，旋轉圓筒底板隔熱保護裝置及石墨塊密封選型不適應首鋼京唐高爐工藝要求，是此次事故的重要原因。