仉翼鵬，曾偉濤

(武漢鋼鐵有限公司，湖北 武漢 430000)

摘 要: 對銅冷卻壁在武鋼大型高爐的應用情況進行了闡述。選取 8 號高爐為代表，對武鋼銅冷卻壁高爐爐墻結厚的過程進行跟蹤分析，找出爐墻結厚的原因，并提出防止爐墻結厚、維護銅冷卻壁高爐操作爐型的對策措施。邊緣氣流長期不足、操作制度未能適應入爐料結構變化、渣皮脫落后操作不合理是武鋼銅冷卻壁高爐爐墻結厚的主要原因。須通過十字測溫和爐身熱負荷管理辦法，控制適宜的邊緣氣流，入爐料結構發生變化后要進行針對性調整，渣皮脫落后的煤氣流控制要遵循疏通中心引導邊緣的原則，才能從根源上消除銅冷卻壁爐墻結厚現象，保持銅冷卻壁高爐良好的操作爐型。

關鍵詞: 銅冷卻壁; 爐墻結厚; 操作爐型; 爐料結構; 邊緣氣流; 爐身熱負荷; 渣皮脫落

        銅冷卻壁在武鋼高爐中的應用武漢鋼鐵有限公司( 以下簡稱“武鋼”) 5 號高爐，有效容積 3 200m³，1991 年投產，是中國第一座有效容積 3 200 m³ 的高爐，采用了武鋼第一代薄壁型高爐系統，也是我國第一座使用軟水密閉循環冷卻系統和全球墨鑄鐵冷卻璧的薄壁型高爐，實際生產 15 年零 8 個月，一代爐容產鐵 11 096. 6 t /m³ 。

2004 年后，5 號高爐第二代爐齡、6 號高爐、7 號高爐、8 號高爐這幾座武鋼大型高爐，都是銅冷卻壁高爐，均使用了武鋼第二代薄壁型高爐系統，有兩個重要改進。一是取消風口以上冷卻璧的砌磚，采用磚壁合一的全覆蓋冷卻璧，進一步減薄高爐內襯。 二是在高熱負荷區采用銅冷卻璧，提高了爐腹、爐腰、爐身中下部的冷卻強度，8 號高爐甚至在爐缸風口帶都使用了銅冷卻璧^［1］。

武鋼大型高爐，應用銅冷卻壁，實現了高富氧率、大噴吹、高利用系數，高爐日均利用系數達到2. 2 ～ 2. 8 t /m³，預計一代爐役可達到 20a 以上，單位爐容產鐵 15 000 t /m³。8 號高爐投產 11a 后，才開始出現冷卻壁破損，生產 12a 以上，未出現爐缸側壁溫度升高現象，爐底溫度正常，實現了高爐高產長壽的目標。

但武鋼大型高爐應用銅冷卻壁后，出現了較多次數的爐墻結厚現象。2017 年以后，武鋼高爐爐料結構發生較大變化，球團礦的配比從 20 %以上降低到 15%以下，無論 8 號高爐還是武鋼的其它高爐，爐墻結厚的次數顯著增加，高爐的生產指標出現了較大程度的下滑。

唯一的例外是 8 號高爐 2019 年還實現了高利用系數。其原因，一是 2018 年更換了 12 個二套，縮小進風面積; 二是經過 2018 年布料溜槽三次脫落后的波動調整后，2019 年有了最好的操作爐型。

本文選取了 8 號高爐作為武鋼銅冷卻壁高爐的代表，跟蹤分析了 8 號高爐 2019 ～ 2021 年的 14 次爐墻結厚現象，找出 8 號高爐爐墻結厚的原因，并提出了防止措施。分析表明，邊緣氣流長期不足、操作制度未能適應入爐料結構變化、渣皮脫落后操作不合理是武鋼銅冷卻壁高爐爐墻結厚的主要原因。銅冷卻壁高爐要控制適宜的邊緣氣流，才能從根源上防止爐墻結厚。當爐料結構發生較大變化時，操作制度上要及時予以針對性調整以相適應; 銅冷卻壁高爐渣皮脫落后，不能采用大幅抑制邊緣氣流結住渣皮，要采用引導中心氣流的辦法來修復操作爐型。

2  2019 ～ 2021年 8號高爐爐墻結厚情況

8 號高爐 2019 年出現了 4 次，2021 年出現了 10次爐墻結厚現象，而 2020 年沒有出現爐墻結厚現象。

2． 1 2019 年爐墻結厚分析

2019 年，8 號高爐出現了 4 次爐墻結厚現象，全年爐墻結厚天數 27 d，對高爐指標造成了較大影響。如表 1 所示。

爐墻結厚的原因為: 平時操作制度上邊緣氣流過重，入爐球團礦減少，未做針對性調整，甚至反向采用進一步抑制邊緣氣流的布料制度。

2．2  2020 年沒有出現爐墻結厚原因及啟示

2020 年初開始，武鋼 8 號高爐爐腰 7 段冷卻壁水管爆發式損壞，損壞數量多，如表 2 所示。

從表 2 看出，從 2020 年 1 月 1 日第一根冷卻壁水管破損，到 2020 年 12 月，破損水管已達 66 根，其中 7 段破損水管 59 根，12 月底對 7 段進行更換。

2020 年 8 號高爐冷卻壁水管每月損壞 5 根以上，頻繁休風處理破損冷卻壁水管，被迫在 7 段加裝柱型冷卻器，勉強維持生產。爐腰段冷卻壁冷卻能力不足導致渣皮剝落頻繁，壁體熱應力集中，磨損和溶蝕嚴重，陷入水管破損 － 冷卻不足 － 渣皮頻繁脫落 －水管繼續破損的惡性循環中。爐腰冷卻壁集中破損造成的冷卻能力不足和頻繁休風，是 8 號高爐 2020年沒有形成爐墻結厚的主要原因。

從表 2 看出，8 號高爐的冷卻壁破損集中在爐腰爐腹段。2020 年 7 段爐腰段集中破損，更換冷卻壁后，2021 年又出現 6 段爐腹段的集中破損。對冷卻壁鉆孔取樣及破損調查后，認為爐腰爐腹段破損機理是爐料自上而下的摩擦導致的磨損。如圖 1 所示，冷卻壁的磨損程度自上而下減輕，證明爐料的下降與冷卻壁壁體的摩擦是破損的主要原因。如圖 2所示，爐腹爐腰段鉆孔取樣能取到成塊未軟融的礦石，證明了爐料未能軟融而產生的下降摩擦，是此兩段冷卻壁破損的主要原因。而爐腰甚至爐腹段還有未能軟融的礦石，也提示平時的操作制度軟融帶位置控制過低，邊緣氣流重，導致邊緣礦石軟融位置太低。

2． 3 2021 年爐墻結厚分析

武鋼 8 號高爐 2020 年 12 月份更換了 7 段爐腰段冷卻壁后投產。但依然沿用了 2020 年的操作制度，造成 2021 年出現了 10 次爐墻結厚現象，全年爐墻結厚天數達 41 d，對高爐指標造成了較大影響。 如表 3 所示。

從 2021 年爐墻結厚現象可以看出，平時操作制度邊緣氣流過重，入爐球團礦減少，未做針對性調整甚至反向采用進一步抑制邊緣氣流的布料制度，脫皮脫落后的處理方法存在誤區，是 2021 年出現爐墻結厚的主要原因。

3 8 號高爐爐墻結厚原因

武鋼大型高爐，在高熱負荷區采用銅冷卻璧，提高了爐腹、爐腰、爐身中下部的冷卻強度。銅冷卻璧的導熱系數約 340 W，約為鑄鐵冷卻壁的 10 倍。相較于鑄鐵冷卻壁，銅冷卻壁具有兩個顯著特點。一 是銅冷卻壁表面工作溫度低，冷卻壁熱面工作溫度在 60 ℃以內。高爐冷卻壁進水溫度在 40 ℃ 左右，銅冷卻壁正常工作溫度在 45 ～ 55 ℃ ; 二是銅冷卻壁形成渣皮時間短，可以在 15 ～ 30 min 重新凝結渣皮^［3］。表 4 為銅和鑄鐵冷卻壁的特性對比。

當高爐冷卻壁進水溫度在 40 ℃左右，銅冷卻壁的正常工作溫度 45 ～ 55 ℃。低于 45 ℃，爐墻結厚; 高于 55 ℃，銅冷卻壁熱負荷過高，渣皮脫落，不利于冷卻壁長壽。這說明銅冷卻壁的操作區間只有 10 ℃左右，相對于鑄鐵冷卻壁 90 ℃ 左右的操作區間，銅冷卻壁操作區間比較狹窄。鑄鐵冷卻壁溫度下降幾十度才出現爐墻結厚，且易發現。而銅冷卻壁溫度下降 1 ～ 3 ℃，就已出現爐墻結厚，難以及時發現。

而且由于銅冷卻壁形成渣皮的時間短，導致銅冷卻壁結厚非常迅速，幾個小時內就形成爐墻結厚，故難及早發現。

通過對 2019 ～ 2021 年武鋼 8 號高爐發生的 14次爐墻結厚現象進行跟蹤分析，發現邊緣氣流長期不足、操作制度未能適應入爐料結構變化、渣皮脫落后操作不合理，是高爐爐墻結厚的原因。

3．1 邊緣氣流長期不足

武鋼高爐高產長壽的核心在于強力抑制邊緣氣流，開放中心氣流，這種模式的弊端在于邊緣氣流長期不足。8 號高爐發生的銅冷卻壁爐墻結厚，均是首先從爐腹段開始出現結厚，然后自下而上往上擴展，完全符合邊緣氣流不足導致爐墻結厚的特征。

2020 年對 8 號高爐冷卻壁的破損調查也證明了這一點，邊緣氣流不足，不單是 8 號高爐爐腹爐腰段破損的主要原因，也是 8 號高爐銅冷卻壁結厚的主要原因之一。操作水平高，周期性地疏松邊緣維護一下爐型，利用設備故障引起的改壓和休風機會調整一下氣流，可以延長結厚的周期，但不能完全避免爐墻結厚。

3．2 操作制度未能適應入爐料結構變化

統計 8 號高爐爐墻結厚的次數，發現跟球團礦的配比減少有強烈的關系。2009 年以來，高爐的基本布料制度沒有大的改變，以 C987651 332223 ↓ O_L98765 44322↓O⁹⁸ _S 22↓為主，隨著球團礦的配比逐年減少，尤其是 2017 年以后，球團礦的配比從 20%以上降低到 15%以下，高爐爐墻結厚的次數、爐墻結厚的天數大幅增加。如圖 3 所示。

球團礦比例減少，從爐料的布料堆角和熔滴性能兩方面影響高爐，既加重邊緣氣流，也惡化爐料的熔滴性能。球團礦堆角小，易滾動，球團礦比例減少，加重邊緣氣流。根據寶鋼對不同爐料結構做熔滴試驗的結果，球團礦比例減少 10 %，軟化區間增加 10 ℃，熔滴滴下溫度增加 10 ℃，爐料的熔滴性能變差。武鋼 8 號高爐自 2017 ～ 2021 年以來，布料制度沒有大的改變，以 C987651 332223 ↓ O_L9876544322↓O⁹⁸ _S 22↓為主，隨著球團礦的配比逐年減少，高爐爐墻結厚的次數逐步增加。高爐的用料結構調整，應穩定球團礦比例，通過塊礦和燒結比例來調整爐渣堿度。

3．3 銅冷卻壁渣皮脫落后操作不合理

掛渣能力強，操作區間窄是銅冷卻壁的操作特點。銅冷卻壁形成渣皮時間短，可以在 15 ～ 30 min重新凝結渣皮。銅冷卻壁渣皮脫落后，盡量采用疏導中心、退壓差、退礦焦比的辦法來修復操作爐型，謹慎采用大幅抑制邊緣氣流的辦法來結住渣皮。渣皮脫落和邊緣管道產生后，采用上礦焦比、抑制邊緣的措施穩定氣流，結果是邊緣氣流穩定了，但很容易造成爐墻結厚。如 2021 年 3 月 22 ～ 3. 24 日，2021 年 10 月 15 ～ 18 日，2021 年 12 月 15 日 ～ 19 日，這 3次爐墻結厚，都是采用大幅抑制邊緣氣流的辦法結住渣皮引發的。對 8 號高爐 2019 ～ 2021 年 14 次的爐墻結厚進行分析統計，爐墻結厚的原因如表 5 所示。

4 杜絕銅冷卻壁高爐爐墻結厚的技術措施

4． 1 控制合理的邊緣氣流

分析近幾年武鋼 8 號高爐爐墻結厚的現象及原因，煤氣流分布不合理，中心過開，邊沿過重，會逐漸造成爐墻結厚。防止爐墻結厚，控制合理的邊緣氣流是關鍵。

合理煤氣流分布的特征。筆者曾有機會去日本千葉川崎髙爐考察，他們解決爐墻結厚的經驗，是一定要使十字測溫的邊沿溫度如煮熟的蝦米那樣，使其尾巴翹起來。回國以后，筆者按照這個原則去調節邊沿煤氣流強度，起到了十分明顯的效果。目前，已經普及了爐墻熱負荷控制，再結合爐喉溫度的控制，特大型高爐的邊沿氣流控制日臻完善^［2］。

邊緣氣流過分發展也會導致爐墻結厚。邊緣氣流過分發展，會從兩方面造成爐墻結厚。一是形成頻繁而劇烈的管道行程。劇烈的管道行程會將已經下降和軟熔爐料吹到高爐上部，造成軟熔的爐料重新凝固，直接造成爐墻結厚。二是導致中心氣流不足，不但高爐風量偏少，順行情況變差，而且會造成軟熔帶上移，會形成爐墻結厚。

對武鋼大型高爐而言，要應用爐喉十字測溫技術，普及爐墻熱負荷控制，不能僅依賴爐頂紅外成像來指導高爐操作。在上部料面的控制上，中心加焦的高爐要形成平臺 + 漏斗的料面。對中心加焦的武鋼高爐而言，料面控制要遵循 3 大原則，一是邊緣平臺不能過窄，二是中心無礦區不能過大，三是料面邊緣還要有倒角。這樣才能控制合理的邊緣氣流，保持爐況長期穩定順行。

4．2 采用適應爐料結構變化的操作制度

武鋼高爐的入爐原燃料條件不是不好，但欠穩定性。因為送料料線長和燒結機設備老舊故障率高，燒結礦產量與高爐產量匹配困難，難以通過固定或者小幅度的調整燒結礦的入爐配比，實現高爐物料平衡。燒結機無故障，送料料線順暢，入爐燒結配80%左右; 當送料料線發生故障或者燒結機發生故障時，入爐燒結配比降低到 58% ～ 60%，變動幅度達到 20%。高爐燒結礦的配比不穩定，高爐的爐料結構就不穩定。爐料結構改變后，爐料的軟融性能、布料特性隨之改變。操作者的調劑手段沒能適應這種操作條件的變化，軟融帶的位置變化，也是爐墻頻繁結厚的一個重要原因。如表 6 所示。

由表 6 可以看出，8 號高爐入爐爐料結構變化大，每月球團礦的配比變化在 8 %以上，對煤氣流分布有較大影響，應在操作制度上予以調整。尤其是當入爐球團配比減少 4 %以上，會顯著加重邊緣氣流，必須采取邊緣減礦或邊緣加焦的布料制度。2017 年以后，高爐入爐球團礦的配比從 20 %以上降低到 15 %以 下，操作制度未作調整，整體是以 C987651 332223↓O_L98765 44322↓O⁹⁸ _S 22↓為主，高爐爐墻結厚的次數大幅增加。這說明入爐球團礦配比變了，高爐操作制度也要隨之適應。對于 8 號高爐而言，球團配比在 15% ～ 20%，基本布料制度應變為 C987651 332223↓O_L98765 33322↓O⁹⁸ _S 22↓; 球團配 比 在 10 % ～ 15 %，基本布料制度應變為C987651 332223↓O_L98765 23322↓O⁹⁸ _S 22↓; 球團變比小于 10%，基本布料制度應變為 C987651 332223↓OL98765 13322↓O⁹⁸ _S 22↓。

4．3 渣皮脫落后的操作管理

銅冷卻壁渣皮脫落后的操作管理非常重要，應區別于鑄鐵冷卻壁渣皮脫落后的處理。鑄鐵冷卻壁渣皮脫落后，可以采用邊緣加礦、邊緣減焦的辦法來抑制邊緣氣流，盡快結住渣皮。但銅冷卻壁能在15 ～ 30 min 重新結住渣皮，進水溫度 40 ℃時工作區只有 45 ～ 55 ℃、掛渣能力強、操作區間窄是銅冷卻壁的操作特點。銅冷卻壁渣皮脫落后，盡量采用疏導中心、退壓差、退礦焦比的辦法修復操作爐型，要謹慎采用大幅抑制邊緣氣流的辦法結住渣皮。銅冷卻壁高爐渣皮脫落和邊緣管道產生后，采用上礦焦比、抑制邊緣的措施穩定氣流的效果不好，很容易造成爐墻結厚。

銅冷 卻 壁 渣 皮 脫 落 后，首先降低操作壓差0. 005 MPa，其次減少富氧率 1 %，再 減 輕 礦 焦 比5% ～ 10%，最后可以增加中心焦 1 環。這樣幾個小時內，煤氣流會重新穩定，操作爐型得到修復。

5 結論

通過對武鋼 8 號高爐近三年的爐墻結厚現象進行跟蹤分析，找出了爐墻結厚的原因，并提出了防止爐墻結厚、維護銅冷卻壁高爐操作爐型的對策措施。邊緣氣流長期不足、操作制度未能適應入爐料結構變化、渣皮脫落后操作不合理是武鋼銅冷卻壁高爐爐墻結厚的主要原因。

1) 2020 年對 8 號高爐冷卻壁的破損調查顯示，邊緣氣流過重，軟融帶位置控制過低，以及爐墻結厚首先從爐腹段開始，然后自下而上往上擴展，都說明邊緣氣流不足是 8 號高爐銅冷卻壁結厚的主要原因。控制適宜的邊緣氣流，才能從根源上防止爐墻結厚。

2) 8 號高爐入爐爐料結構變化大，每個月球團礦的配比變化均在 8 %以上，對煤氣流的分布有較大影響，應在操作制度上予以調整。入爐球團配比減少 4%以上，會顯著加重邊緣氣流，必須采取邊緣減礦或邊緣加焦的布料制度。

3) 銅冷卻壁渣皮脫落后的操作管理非常重要，應區別于鑄鐵冷卻壁渣皮脫落后的處理。銅冷卻壁渣皮脫落后，要謹慎采用大幅抑制邊緣氣流的辦法來結住渣皮，要采用降低操作壓差、減少富氧率、減輕礦焦比、引導中心氣流的辦法來修復操作爐型。

參考文獻

［1］ 張慶喜，曾偉濤． 銅冷卻壁高爐操作爐型維護技術［J］． 煉鐵，2021，40( 06) : 1 － 2．

［2］ 李維國． 我國特大型高爐操作和管理改進的思路［J］．煉鐵，2017，36( 05) : 1 － 7．

［3］ 張壽榮，于仲潔． 高爐失常與事故處理［M］． 北京: 冶金工業出版社，2012: 125 － 128．

［4］ 陳令坤，李向偉，陸隆文，等． 武鋼 8 號高爐高效冶煉實踐［J］． 煉鐵，2016，35( 05) : 1 － 7

［5］ 朱仁良． 寶鋼大型高爐操作與管理［M］． 北京: 冶金工業出版社，2015．