梁南山

（漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司  湖南婁底  417009）

摘  要：結(jié)合三座高爐大中修后的銅冷卻壁狀況，指出漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁過(guò)早破損的根本原因是沒(méi)有形成牢固的粘附物保護(hù)層。并分別從受力、設(shè)計(jì)、布料、操作、有害元素等方面對(duì)銅冷卻破損的影響進(jìn)行了探討。提出了一些防止銅冷卻壁破損的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：高爐；銅冷卻壁；破損

1  前言

漣鋼8號(hào)高爐有效容積2800m³，由首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司總包承建，于2011年初開(kāi)始籌建，2013年3月23日開(kāi)爐投產(chǎn)。8號(hào)高爐冷卻壁在開(kāi)爐后的最初幾年中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)水管損壞的情況。在2016年8月1號(hào)鐵口處第三段冷卻壁最先損壞了一根水管。但伴隨著高爐冶煉的強(qiáng)化，自2020年7月開(kāi)始出現(xiàn)了冷卻壁水管頻繁破損的情況，判斷大多為銅冷卻壁水管破損。2020年12月中修停爐前累計(jì)已查出損壞水管15根。八號(hào)高爐中修之前的冷卻壁水管損壞記錄情況見(jiàn)表1。

表1 漣鋼8號(hào)高爐中修前冷卻壁水管損壞記錄

2  銅冷卻壁破損狀況

從停爐后的爐內(nèi)狀況來(lái)看，漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁的損壞情況較為嚴(yán)重。特別是第7段銅冷卻壁，大部已不見(jiàn)燕尾槽，差不多已成光面。多數(shù)只有上部還保留有4-5條槽的痕跡，少部分冷卻孔道都已露出。第8、9段銅冷卻壁雖然大多保留有燕尾槽的痕跡，但也可見(jiàn)槽的深度已經(jīng)很小，局部已經(jīng)蝕損成了平面。第6段銅冷卻壁的上半部分基本已蝕損成了平面，下半部分尚可見(jiàn)燕尾槽，離轉(zhuǎn)折處以上越遠(yuǎn)，燕尾槽的蝕損也就越厲害，轉(zhuǎn)折處以下的燕尾槽還保留得比較完好。燕尾槽內(nèi)已沒(méi)有噴涂料，而是被金屬或非金屬粘附物充填著。從銅冷卻壁的損壞情況來(lái)看，絕大多數(shù)看起來(lái)是磨損的跡象，只有2塊銅冷卻壁表現(xiàn)為熔損的狀態(tài)。

漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁的設(shè)計(jì)厚度為125mm，燕尾槽設(shè)計(jì)深度為35mm。從拆換下來(lái)的銅冷卻壁損壞程度來(lái)看，7段銅冷卻壁絕大多數(shù)磨損最嚴(yán)重的部位在中段，大多數(shù)殘余厚度僅剩60-65mm，亦即蝕損了60-65mm厚。少部分甚至已露出冷卻水孔道。而保留有部分燕尾槽的部分殘余厚度多在100-120mm之間。

而熔損的第7段銅卻壁熔損最大的也是中部。邊上一根水管掐斷了水的銅冷卻壁熔出了一個(gè)寬約150mm長(zhǎng)約800mm的缺口，缺口處爐殼已僅靠銅冷卻壁后的硅熔膠自流澆注料來(lái)保護(hù)了。缺口處的殘余銅壁厚度極薄，熔損表面為鐵銹似的紅色及黃色粘附物。

3  銅冷卻壁破損時(shí)間判斷

漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁為第6、7、8、9段，前面各設(shè)有8個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，后面各設(shè)有4個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?。在這些測(cè)溫點(diǎn)都還比較正常。

從漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁溫度的整體變化來(lái)看，表現(xiàn)為開(kāi)爐后至2013年8月前整體溫度較低，開(kāi)爐半年即2013年9月后急劇升高，在較高溫度下運(yùn)行半年左右時(shí)間即至2014年2月后開(kāi)始下降。隨后銅冷卻壁壁溫度保持在一定的區(qū)間內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，只是在2020年10月出現(xiàn)頻繁破損后，破損段的銅冷卻壁溫度才表現(xiàn)為顯著升高（見(jiàn)圖1）。  

圖1漣鋼8號(hào)高爐各段銅冷卻壁平均溫度變化

另外從4段銅冷卻壁的溫度差異來(lái)看，爐腹第6段銅冷卻壁溫度始終都是最低的，而溫度最高的銅冷卻壁在2017年6月之前都是第9段，而2018年5月之后則變成了第7段。

由于銅冷卻壁上渣皮脫落后結(jié)渣很快，僅僅根據(jù)銅冷卻壁平均溫度的變化較難準(zhǔn)確判別銅冷卻壁上噴涂料及壁體蝕損的時(shí)間點(diǎn)。為此，特對(duì)銅冷卻壁每日小時(shí)級(jí)溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再對(duì)每日標(biāo)準(zhǔn)差的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這樣可以較為準(zhǔn)確地反映銅冷卻壁溫度變化的幅度（見(jiàn)圖2）。

圖2漣鋼8號(hào)高爐各段銅冷卻壁溫度平均標(biāo)準(zhǔn)差的變化

再結(jié)合壁體溫度，綜合判斷：在開(kāi)爐初期，高爐銅冷卻壁受到噴涂料的保護(hù)，銅冷卻壁溫度相對(duì)較低，波動(dòng)也不大。銅冷卻壁上的噴涂料大約保持了6-9個(gè)月的時(shí)間，在2013年12月左右已基本消失，其中位置最上的第9段噴涂料最早消失。失去噴涂料保護(hù)的銅冷卻壁溫度較高且波動(dòng)也很大。在經(jīng)歷幾個(gè)月的時(shí)間即2014年3月之后，初步形成了相對(duì)穩(wěn)定的渣皮保護(hù)層，隨后銅冷卻壁溫度便基本在一定的范圍內(nèi)隨著爐況的變化而波動(dòng)。參照銅冷卻壁溫度及標(biāo)準(zhǔn)差的變化判斷，2018年5月后為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，即為第7段銅冷卻壁燕尾槽開(kāi)始急劇磨損的時(shí)間，而2019年12月第7段銅冷卻壁溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其它銅冷卻壁急劇升高，即為其燕尾槽被蝕損完全幾乎成為光面的時(shí)間。在此之前，到第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間（2018年5月）段內(nèi)，該段溫度的走高應(yīng)主要受高爐裝料制度調(diào)整、氣流改變及軟融帶位置變化而產(chǎn)生。其后，則同時(shí)還受冷卻壁蝕損的影響。第6段銅冷卻壁因測(cè)溫點(diǎn)位于冷卻壁中部，該處燕尾槽并沒(méi)有完全消失，故其溫度及標(biāo)準(zhǔn)差沒(méi)有象第7段一樣具有明顯的表征。

從各段銅冷卻壁周向各點(diǎn)溫度的變化來(lái)看，第8、9段銅冷卻壁周向各點(diǎn)的溫度差異相對(duì)比較大，多在5-10℃之間。在中修前的爐役期內(nèi)，第8、9段銅冷卻壁并沒(méi)有出現(xiàn)個(gè)別溫度測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)高于其它溫度測(cè)點(diǎn)的情況。而第6、7段銅冷卻壁溫度在2018年5月之前周向各點(diǎn)的溫度差異比較小，通常在5℃以內(nèi)。但在2018年5月后，蝕損最為嚴(yán)重的7段銅冷卻壁后面第4個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始較大地高出其它位置測(cè)點(diǎn)的溫度，可以判斷從此時(shí)起該部位銅冷卻壁即最先開(kāi)始出現(xiàn)較大蝕損。2019年10月后，前面第8個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度也出現(xiàn)了大幅升高的現(xiàn)象，判斷該部位銅冷卻壁壁體此時(shí)最先開(kāi)始蝕損，并已蝕損相當(dāng)部分。

4  銅冷卻壁破損原因探討

漣鋼最先使用銅冷卻壁的是2003年12月投產(chǎn)的6號(hào)高爐（2200m³），后續(xù)建設(shè)的7、8號(hào)高爐也相繼采用了銅冷卻壁，并分別于2009年10月及2013年3月投產(chǎn)。但根椐6號(hào)高爐2018年大修及7號(hào)高爐2017年中修時(shí)的爐體狀況來(lái)看，服役時(shí)間更長(zhǎng)的6、7號(hào)兩座高爐的銅冷卻壁在大中修時(shí)的蝕損不多，絕大多數(shù)銅冷卻壁尚可繼續(xù)使用。

6號(hào)高爐經(jīng)15年?duì)t役2018年大修時(shí)第5段爐腹銅冷卻壁熱面燕尾槽筋條蝕損僅5-10mm，部分還基本沒(méi)有蝕損；爐腰第6段銅冷卻壁僅蝕損10-20 mm，爐身下部第7段銅冷卻壁依然保持完好，蝕損量較小，蝕損多的也只有10-20mm。7號(hào)高爐中修時(shí)僅更換了2塊銅冷卻壁。倒是最后投產(chǎn)的8號(hào)高爐銅冷卻壁蝕損嚴(yán)重，部分甚至蝕損到了水道處。

漣鋼7號(hào)高爐中修停爐后，其銅冷卻壁大都狀況良好，其上的鑄鐵冷卻壁倒損壞嚴(yán)重。7號(hào)高爐殘留在銅冷卻壁上的粘附物厚度多在30mm以下，一般在20mm左右，它主要靠冷卻壁熱面上用于鑲磚的燕尾槽形成牢固的粘附，其中停爐降料面后爐腹段銅冷卻壁粘附物保留較多，而爐腰與爐身下部銅冷卻壁上粘附物保留較少，銅冷卻壁燕尾槽尚都清晰可見(jiàn)，少見(jiàn)磨損的痕跡。

而漣鋼8號(hào)高爐中修停爐后銅冷卻壁之上的鑄鐵冷卻壁基本完好，而銅冷卻壁特別是爐腰爐腹段銅冷卻壁蝕損嚴(yán)重。銅冷卻壁從上到下都極少粘附物，爐腰與爐腹銅冷卻壁上半部分燕尾槽基本都已消失（見(jiàn)圖3）。可見(jiàn)，8號(hào)高爐銅冷卻壁過(guò)早蝕損的根本原因是由于其上沒(méi)有形成牢固的粘附物保護(hù)層。

圖3漣鋼7、8號(hào)高爐中修時(shí)銅冷卻壁粘附情況對(duì)比

從國(guó)內(nèi)10多座高爐銅冷卻壁損壞的分析來(lái)看，銅冷卻壁損壞的原因不外乎設(shè)計(jì)、安裝、材質(zhì)、冷卻、操作等幾個(gè)方面。

從安裝方面來(lái)看，漣鋼八號(hào)高爐停爐中修拆卸冷卻壁的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：進(jìn)出水管處波紋管伸縮良好，波紋管內(nèi)也沒(méi)有被灌入灌漿料，沒(méi)有出現(xiàn)銅冷卻壁進(jìn)出水管拉斷的現(xiàn)象，冷卻壁在爐內(nèi)也沒(méi)有發(fā)生顯著的撓曲變形。顯然安裝方面并沒(méi)有出現(xiàn)本鋼5號(hào)高爐那樣的情形。

從材質(zhì)方面來(lái)看，漣鋼八號(hào)高爐中修拆卸下來(lái)的銅冷卻壁表面比較光滑，并沒(méi)有出現(xiàn)龜裂、明顯蝕坑等現(xiàn)象，這表明其材質(zhì)也沒(méi)有問(wèn)題。對(duì)于國(guó)內(nèi)鞍鋼康磊等人提出的銅冷卻壁因 所謂“氫病”造成損壞的原因筆者也不太認(rèn)同。如果氫病是造成銅冷卻壁損壞的主因，而氫氣在高爐風(fēng)口帶以上都會(huì)存在，氫氣的濃度也只有在爐身上部低溫區(qū)完成間接還原反應(yīng)后才會(huì)降低。那么爐內(nèi)處于高溫部位的所有銅冷卻壁都會(huì)因“氫病”而損壞，而不應(yīng)是爐腰及爐腹部位的銅冷卻壁損壞嚴(yán)重，爐腰以上的銅冷卻壁損壞較輕?？道诘热苏J(rèn)為銅冷卻壁壁體中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，達(dá)到 0.0038%，這可能是渣鐵中氧在高溫下向銅基體擴(kuò)散的結(jié)果_[1]。而筆者認(rèn)為這么低的氧含量很可能因檢測(cè)誤差而產(chǎn)生誤判。而湘鋼1號(hào)高爐的檢測(cè)結(jié)果也證明了“氫病”不應(yīng)是銅冷卻壁破損的主要原因。湘鋼 1號(hào)高爐銅冷卻壁氫元素含量冷熱面相同，均為 0.1 ppm，而氧含量和氮含量熱面比冷面稍高，但都在 10 ppm 以下。初始氧含量平均值為 8.75 ppm，說(shuō)明在使用 8 年后銅冷卻壁氧元素含量沒(méi)有明顯增加_[2]。再者，從漣鋼7號(hào)高爐2017年中修時(shí)對(duì)銅冷卻壁熱面微裂處的SEM-EDS分析也表明，即便靠近微裂處的銅冷卻壁基體，檢測(cè)到的也是100%的銅含量。并沒(méi)有氧向銅冷卻壁基體內(nèi)擴(kuò)散的表征（見(jiàn)圖4）。

圖4漣鋼7號(hào)高爐中修時(shí)銅冷卻壁基體的局部EDS分析

下面，將重點(diǎn)從受力、設(shè)計(jì)、操作、有害元素等方面補(bǔ)充分析漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁損壞的原因：

4.1受力方面的原因分析

漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁蝕損最嚴(yán)重的是爐腰部位的第7段銅冷卻壁，其次為爐腹第6段銅冷卻壁的上半部分。而其上的第8段、第9段銅冷卻壁并沒(méi)有多大的蝕損。從國(guó)內(nèi)高爐銅冷卻壁過(guò)早損壞的情況來(lái)看，也都是爐腹上部與爐腰中下部磨損程度遠(yuǎn)大于爐身下部，有些檢修的高爐只更換了爐腹?fàn)t腰兩段。為什么總是爐腰與爐腹的銅冷卻壁蝕損最嚴(yán)重？

這主要是因?yàn)闋t腰與爐腹上部的冷卻壁需要承受相對(duì)于其它部位冷卻壁高得多的來(lái)自于散狀爐料的側(cè)壓力。

圖5 數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ完P(guān)于逆流顆粒與氣流對(duì)爐底及爐墻垂直壓力的對(duì)比

Katayama與安賽樂(lè).米塔爾全球研究與發(fā)展部基礎(chǔ)研究員D.Pomeroy以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)學(xué)模型研究了逆流顆粒與氣流對(duì)爐底及爐墻所產(chǎn)生的垂直壓力。他們的研究能很好地闡釋這一點(diǎn)。他們的研究結(jié)果表明：混合爐料在爐腰部位對(duì)爐墻產(chǎn)生的壓力最大，而在爐腹與爐腰的界面處產(chǎn)生的壓力也會(huì)比爐身下部及爐腹下部大得多。如圖5所示。因爐腰與爐腹上部爐墻壁所受壓力遠(yuǎn)高于其它部位，故當(dāng)銅冷卻壁失去渣皮保護(hù)而產(chǎn)生磨損工況時(shí)，顯然這兩個(gè)部位的銅冷卻壁磨損會(huì)顯著大于其它部位。

D.Pomeroy研究了氣流速度對(duì)爐墻壓力的影響。結(jié)果表明，氣流對(duì)爐腰/爐腹界面處的爐墻壓力影響不大，而對(duì)爐身/爐腰界面處的爐墻壓力影響很大，有氣流與無(wú)氣流時(shí)的爐墻壓力可相差近一倍。

D.Pomeroy也研究了爐腰半徑對(duì)爐墻壓力的影響。結(jié)果表明：在同樣的爐體高度下，存在一個(gè)特定的爐腰半徑，使得爐身/爐腰界面處的爐墻壓力達(dá)到最大，這時(shí)縮小爐腰半徑，該處爐墻壓力降低不多，而擴(kuò)大爐腰半徑，該處爐墻壓力降低較大；而爐腰/爐腹界面處的爐墻壓力則隨著爐腰直徑的加大而加速加大。當(dāng)爐腰直徑從6.2m增加到7.55m時(shí)，該處的爐墻壓力從104KPa增加到了222KPa，亦即增加了一倍多_[3]。這說(shuō)明：過(guò)于矮胖的高爐，或者說(shuō)爐腹角偏小的高爐，其爐腰/爐腹界面將會(huì)承受比普通高爐高得多的爐墻壓力。

4.2  設(shè)計(jì)方面的原因分析

從設(shè)計(jì)方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)認(rèn)為銅冷卻壁的常見(jiàn)設(shè)計(jì)缺陷為：高爐工作爐腹角過(guò)大，銅冷卻壁長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、燕尾槽設(shè)計(jì)過(guò)淺等。國(guó)內(nèi)湯清華認(rèn)為銅冷卻壁磨損與爐腹和爐身角有關(guān)系。眾所周知的是：爐腹角太大爐腹?fàn)t墻不易掛渣，而爐身角太小爐身邊沿煤氣流不易控制，易出管道氣流。冷卻壁不易掛渣和邊沿氣流過(guò)盛都加速銅冷卻壁磨損_[4]。

從漣鋼6、7、8號(hào)高爐的爐型設(shè)計(jì)來(lái)看，這三座高爐設(shè)計(jì)的爐身角分別是82°41′56″、82.2063°、81.8333°，8號(hào)高爐的爐身角屬于三座高爐中最小的，但也并不是小很多。而設(shè)計(jì)的爐腹角分別是78°41′24″、77.9053°、77.9052°，8號(hào)高爐設(shè)計(jì)的爐腹角雖然比6號(hào)高爐小了將近1°，但和7號(hào)高爐基本一致，見(jiàn)圖6。

但考慮到實(shí)際工作爐型，即在冷卻壁前的耐火材料消失后的爐型，漣鋼6、7號(hào)高爐銅冷卻壁前的耐火材料是按等厚度設(shè)計(jì)的，故它們?cè)谀突鸩牧舷Ш螅瑺t身角與爐腹角都不會(huì)改變，而8號(hào)高爐爐腹銅冷卻壁采用的是轉(zhuǎn)折式設(shè)計(jì)，壁上耐材并不是按等厚度設(shè)計(jì)的，在耐火材料消失后，其實(shí)際工作的爐腹角將由爐腹銅冷卻壁的安裝角度來(lái)決定，這時(shí)其實(shí)際爐腹角便會(huì)成為79°41′49″，這樣反而比6號(hào)高爐的爐腹角大了1°多。顯然成了三座高爐中實(shí)際爐腹角最大的高爐，相比7號(hào)高爐實(shí)際爐腹角則將大2°多。根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算，同樣質(zhì)量的顆粒置于這樣的斜面上，這2°多的差異將使顆粒在斜面上受到的磨擦力減少16.7%,而在斜面上受到的下行拉力將增加2.67%。因此不能否認(rèn)漣鋼8號(hào)高爐實(shí)際爐腹角偏大對(duì)爐腹銅冷卻壁掛渣能力的影響。但同時(shí)也應(yīng)肯定8號(hào)高爐較大的實(shí)際爐腹角也是有利于減少爐腹所受爐料的磨損的。

圖6  漣鋼6、7、8號(hào)高爐設(shè)計(jì)的爐身角與爐腹角對(duì)比

從長(zhǎng)度最長(zhǎng)的爐腹銅冷卻壁來(lái)看，漣鋼6、7、8號(hào)高爐爐腹銅冷卻壁的安裝高度分別是2750、2870、2900mm，壁面長(zhǎng)度分別為2804.4、2960.9、2935.7mm，漣鋼8號(hào)高爐的安裝高度最大，但相比7號(hào)高爐僅多了30mm（見(jiàn)圖7），這也不至于造成太大的差別。

圖7漣鋼6、7、8號(hào)高爐爐腹銅冷卻壁的設(shè)計(jì)圖對(duì)比

從磨損最嚴(yán)重的爐腰銅冷卻壁來(lái)看，漣鋼6、7、8號(hào)高爐爐腹腰冷卻壁的安裝高度分別是1835mm、1970mm、1970mm，長(zhǎng)度方面三者沒(méi)有多大的差別。但從燕尾槽的設(shè)計(jì)來(lái)看，三座高爐燕尾槽的設(shè)計(jì)間距都是107mm，燕尾槽外開(kāi)口寬度分別是55、54、53mm，燕尾槽深度分別是40、35、35mm（見(jiàn)圖8），顯然8號(hào)高爐燕尾槽外開(kāi)口較窄，槽內(nèi)能夠留存的渣量也要偏少一些，這會(huì)造成其掛渣能力相對(duì)要弱。

圖8漣鋼6、7、8號(hào)高爐爐腰銅冷卻壁的設(shè)計(jì)圖對(duì)比

而從銅冷卻壁壁體設(shè)計(jì)厚度來(lái)看，漣鋼6、7、8號(hào)三座高爐的壁體設(shè)計(jì)厚度分別是120、120、115mm，顯然8號(hào)高爐銅冷卻壁設(shè)計(jì)厚度有些偏薄。而8號(hào)高爐冷卻水道設(shè)計(jì)得有些大，從冷卻壁熱面距冷卻水道的距離來(lái)看，漣鋼6、7、8號(hào)三座高爐冷卻水道距燕尾槽底部的銅體壁厚分別是22.5、19.5、15mm，這意味著在同等的磨損速度下，從燕尾槽消失后至磨穿漏水，漣鋼6號(hào)高爐銅冷卻壁的使用壽命將比8號(hào)高爐延長(zhǎng)50%。而冷卻水道距燕尾槽槽口的銅體壁厚分別是62.5、54.5、50mm，這也意味著在同等的磨損速度下，漣鋼6號(hào)高爐銅冷卻壁至少要比8號(hào)高爐延長(zhǎng)25%的使用壽命。

因此，可以肯定8號(hào)高爐銅冷卻壁從冷卻水道到熱面的有效抗磨損厚度偏薄、燕尾槽設(shè)計(jì)掛渣能力偏弱也是其使用壽命偏短的一個(gè)重要影響因素。

圖9漣鋼6、7、8號(hào)高爐爐腰銅冷卻壁燕尾槽設(shè)計(jì)對(duì)比

4.3  布料方面的原因分析

每座高爐槽下各倉(cāng)的布置與安排不同，爐料轉(zhuǎn)運(yùn)的途徑與方式也存在不同，裝料的程序也不盡相同，最終分布于爐內(nèi)的爐料也會(huì)不同。特別是實(shí)際分布于外環(huán)的爐料，它對(duì)冷卻壁上形成渣皮保護(hù)層具有重要影響。

從漣鋼三座高爐的情況來(lái)看：

6號(hào)高爐槽下礦槽是一列式布置，其礦槽稱(chēng)量斗的放料順序是先球團(tuán)后燒結(jié)最后為塊礦，同時(shí)其到上料主皮帶沒(méi)有設(shè)計(jì)中間斗。故其主皮帶上供礦時(shí)也是球團(tuán)最先，隨后為燒結(jié)礦與焦丁的混合料，中間幾乎為全燒結(jié)礦，最后為塊礦。

7號(hào)高爐槽下礦槽是以雙排共稱(chēng)量斗的形式布置，其中燒結(jié)礦一排八個(gè)礦槽，球團(tuán)與塊礦為另一排八個(gè)礦槽。每個(gè)稱(chēng)量斗的通常的放料順序是先放燒結(jié)再放塊礦或球團(tuán)，其供礦皮帶到上料主皮帶間設(shè)計(jì)有兩個(gè)中間斗。其排料時(shí)通常從尾部的8號(hào)稱(chēng)量斗開(kāi)始排料，故其主皮帶上供礦時(shí)通常最先一段幾乎全是燒結(jié)礦，隨后為燒結(jié)礦與球團(tuán)及焦丁的混合料，再后是燒結(jié)礦與塊礦的混合料。即它的礦石爐料幾乎都是混合的。

8號(hào)高爐槽下礦槽是以雙排共稱(chēng)量斗的形式布置，其每個(gè)礦槽稱(chēng)量斗的放料順序通常也是先放燒結(jié)再放塊礦或球團(tuán)，同時(shí)其上料皮帶到主皮帶間也設(shè)計(jì)有兩個(gè)中間斗。排料時(shí)通常從頭部的1號(hào)小燒稱(chēng)量斗開(kāi)始排料。但8號(hào)高爐與7號(hào)高爐不同的是，在2017年5月取消燒結(jié)礦分級(jí)入爐后，其原有的頭部3個(gè)小燒結(jié)礦槽停止使用。故在供礦皮帶上頭部基本為球團(tuán)礦，但在中間斗內(nèi)，球團(tuán)礦與燒結(jié)礦會(huì)有一個(gè)混合的過(guò)程。其主皮帶上供礦時(shí)通常最先一段是球團(tuán)與燒結(jié)礦的混合料，隨后為燒結(jié)礦與塊礦焦丁的混合料，后面為燒結(jié)礦與塊礦的混合料。

根據(jù)三座高爐通常的布料矩陣，按10%左右的球團(tuán)比例測(cè)算，6號(hào)高爐球團(tuán)基本都布在最外環(huán)的礦石中，7號(hào)高爐最外環(huán)礦石中基本沒(méi)有球團(tuán)，而8號(hào)高爐球團(tuán)大約有一半會(huì)布在最外環(huán)。據(jù)此測(cè)算三座高爐最外環(huán)爐料的初始爐渣成分如表2所示。即6、7、8號(hào)三座高爐靠近爐墻的最外環(huán)初始爐渣的二元堿度分別為0.73、1.74、1.38。這在很大程度上意味著漣鋼8號(hào)高爐最外環(huán)布料所形成的初始爐渣堿度與高爐終渣的成分比較接近，其熔點(diǎn)會(huì)相對(duì)比較低，故比較容易熔化而難于長(zhǎng)厚。從整個(gè)爐役期來(lái)看，漣鋼6、7號(hào)高爐都出現(xiàn)過(guò)爐墻結(jié)厚乃至結(jié)瘤的情況，而漣鋼8號(hào)自開(kāi)爐到此次中修7年多的時(shí)間里從來(lái)都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)爐墻結(jié)厚與結(jié)瘤的情況，而且其冷卻水溫差長(zhǎng)期以來(lái)也通常要高于6、7號(hào)高爐。這可能也與這種實(shí)際布料效果有關(guān)。

根據(jù)多座高爐停爐后觀察到的情況，能夠牢固粘附在銅冷卻壁上的渣皮厚度在30mm左右，以銅冷卻壁能夠正常工作的熱面溫度180℃，依北科大所測(cè)得的京唐高爐渣皮的平均導(dǎo)熱系數(shù)1.66w/(m.k)_[5]，按傅里葉定律來(lái)推算，當(dāng)高爐正常生產(chǎn)中銅冷卻壁處于較高熱流強(qiáng)度70kw/m²時(shí)，渣皮的熔點(diǎn)至少須高于T=70000*0.03/1.66+180=1445℃才可維持30mm的厚度。通常的高爐渣沒(méi)有這么高的熔點(diǎn)。根據(jù)我們?cè)?jīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，漣鋼高爐渣的滴落溫度通常在1380℃左右。

首鋼京唐2號(hào)高爐2017年11月中修時(shí)對(duì)爐腹部位渣皮進(jìn)行的取樣分析表明，粘附在銅冷卻壁表面的渣皮其R₂也比較高（1.85），較渣皮外層的R₂（0.60）要高得多，其渣皮中間層的R₂為1.38_[5]。漣鋼7號(hào)高爐2017年３月中修時(shí)對(duì)爐腹渣皮的取樣分析也表明其R₂更是達(dá)到了2.02。而在冷卻壁上形成的高含鋅粘附物其R₂則是比較低的，只有0.77。漣鋼6號(hào)高爐2018年３月大修時(shí)爐腰銅冷卻壁上則主要是形成了高含鋅粘附物。此次8號(hào)高爐冷卻壁上高含鋅粘附物檢測(cè)到的R₂更是低至0.206。以此來(lái)看，要想在冷卻壁上形成相對(duì)牢固的渣皮保護(hù)層，高爐邊緣環(huán)帶的爐料堿度要么較高，以便形成高熔點(diǎn)的爐渣；要么較低，以便形成難熔的高鋅含量的粘附物保護(hù)層。而不宜與高爐終渣堿度接近，這樣熔點(diǎn)過(guò)低，極易熔化消失，難以維持相當(dāng)厚度的粘附物以保護(hù)冷卻壁。  

表2漣鋼三座高爐外環(huán)布料初始爐渣計(jì)算

4 .4  操作方面的原因分析

高爐操作制度特別是裝料制度與送風(fēng)制度對(duì)爐內(nèi)氣流與溫度分布會(huì)產(chǎn)生很大的影響，它們肯定也會(huì)給銅冷卻壁的使用壽命帶來(lái)影響。

許多案例表明，由于邊緣煤氣流控制不合理，出現(xiàn)局部氣流或邊緣氣流波動(dòng)過(guò)大，造成渣皮頻繁脫落， 使銅冷卻壁直接暴露在熱煤氣或爐料下，最終導(dǎo)致銅冷卻壁破損。破損的形式主要是“上部干區(qū)”的爐料磨損和“下部濕區(qū)” 的熱熔損。還有一些案例，由于長(zhǎng)期過(guò)分壓制邊緣氣流，邊緣溫度過(guò)低，形成所謂的干區(qū)，難以形成渣皮，使銅冷卻壁直接接觸熱煤氣和爐料。而銅冷卻壁最大的缺點(diǎn)就是硬度低，耐磨性極差，極易發(fā)生磨損，且這種情況多發(fā)生在軟熔帶之上的爐身中下部。此外，還有一些銅冷卻壁的破損是發(fā)生在上部布料矩陣發(fā)生較大變化期間，如“取消中心焦”的操作過(guò)程中。取消中心焦操作，往往意味著打破現(xiàn)有煤氣流分布，重建煤氣流分布，在此過(guò)程中極易造成銅冷卻壁破損。

參照銅冷卻壁溫度及標(biāo)準(zhǔn)差的變化判斷，2018年5月后為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，即為第7段銅冷卻壁燕尾槽筋條開(kāi)始較快磨損的時(shí)間，而2019年12月第7段銅冷卻壁溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其它銅冷卻壁急劇升高，即為其燕尾槽被蝕損完全幾乎成為光面的時(shí)間。2020年7月18日銅冷卻壁首次出現(xiàn)水管破損，2020年10月開(kāi)始銅冷卻壁水管密集破損。從銅冷卻壁破損的時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)看，2019年及其后為關(guān)鍵期。故我們重點(diǎn)分析2018年元月后的高爐操作對(duì)銅冷卻壁的影響。

在高爐裝料制度方面，漣鋼8號(hào)高爐在2019年及其后的主要變化是：

1）中心焦 從中心焦的布料圈數(shù)來(lái)看（參見(jiàn)圖10），漣鋼8號(hào)高爐在2019年3月之前中心焦的變化幅度并不大，但在2019年3月后高爐頻繁調(diào)整中心焦的布料圈數(shù)，中心焦的布料圈數(shù)大起大落，但整體是在向減少的方向調(diào)整。這必然帶來(lái)高爐邊緣氣流的劇烈波動(dòng)并朝整體加強(qiáng)的方向發(fā)展，使得銅冷卻壁處于極不穩(wěn)定的氣流中并伴隨溫度的升高加劇其磨損。而在2020年10月5日取消了中心加焦，直到中修前的12月初才恢復(fù)中心加焦。也正是自2020年10月開(kāi)始銅冷卻壁頻繁破損。顯然正是這種裝料制度上的劇烈改變加劇了銅冷卻壁的破損。

圖10 漣鋼8號(hào)高爐2018-2020年中心焦布料圈數(shù)及7段壁溫標(biāo)準(zhǔn)差

2）布料傾角 從布料傾角的變化來(lái)看，漣鋼8號(hào)高爐布料角度整體在不斷往外移動(dòng)，在2013年開(kāi)爐初期，最外環(huán)布礦角度為40.3°,2018年2月為40.8°，2019年3月為41.2°，這意味著密度較高的礦石爐料被布往了更靠近爐墻的位置，特別是2020年10月初取消中心焦之后，布料傾角更是整體外移了許多，最外環(huán)布礦角度達(dá)到了43.6°。這必然使更多的礦石爐料能夠接觸到銅冷卻壁并對(duì)邊緣的焦炭產(chǎn)生更大的壓力，從而加大爐料對(duì)銅冷卻壁的磨損作用。而且從實(shí)際操作效果來(lái)看，內(nèi)外移動(dòng)布礦角度也極易使銅冷卻壁上的保護(hù)性粘附物脫落，從而加大銅冷卻壁溫度的波動(dòng)（參見(jiàn)圖11），實(shí)際上也會(huì)加劇銅冷卻壁的磨損。

圖11 漣鋼8號(hào)高爐2018-2020年傾動(dòng)角度設(shè)定值及7段壁溫標(biāo)準(zhǔn)差

在高爐送風(fēng)制度方面，漣鋼8號(hào)高爐在2019年前后的主要變化是：

1） 進(jìn)風(fēng)面積 2018年11月-2019年12月是進(jìn)風(fēng)面積最小的時(shí)期，基本為0.3438m²,2020年元月后分次不斷擴(kuò)大了進(jìn)風(fēng)面積，至中修停爐前進(jìn)風(fēng)面積達(dá)到了0.3629m²。

2）實(shí)際風(fēng)速 2018年9月-2019年6月漣鋼8號(hào)高爐的實(shí)際風(fēng)速比較高，通常在270-280m/s之間；此前的實(shí)際風(fēng)速多在260-270m/s之間。而此后的實(shí)際風(fēng)速整體呈下降趨勢(shì)，2020年6月后實(shí)際風(fēng)速已降到了240-260 m/s之間（見(jiàn)圖12）。實(shí)際風(fēng)速的降低與銅冷卻壁損壞在時(shí)間上具有一定的重疊性。實(shí)際風(fēng)速的降低意味高爐在朝發(fā)展邊緣的方向變化，靠近爐墻的部位會(huì)產(chǎn)生更多的爐料運(yùn)動(dòng)，這也會(huì)加劇銅冷卻壁的蝕損。

圖12 漣鋼8號(hào)高爐2018-2020年進(jìn)風(fēng)面積與實(shí)際風(fēng)速的變化

4.5  有害元素方面的分析

高爐的入爐料中通常含有一定量的K、Na、Pb、Zn等有害元素。其中堿金屬還原進(jìn)入生鐵的數(shù)量并不多，但因其在爐內(nèi)能夠循環(huán)富集，給冶煉過(guò)程帶來(lái)很大影響。比如鋅易在高爐內(nèi)循環(huán)富集，在煤氣管道中凝集，在高爐上部磚襯縫隙中或墻面是沉積，當(dāng)其氧化后體積膨脹會(huì)損壞爐襯或造成結(jié)瘤_[6]。

但筆者認(rèn)為，我們應(yīng)該辯證地看待這些有害元素。盡管高爐中K、Na、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬對(duì)高爐磚襯及爐料會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，然而它們?cè)诟郀t爐腹以上循環(huán)富集形成粘結(jié)物在某種程度上對(duì)保護(hù)冷卻壁卻是有利的。特別是Zn，根據(jù)我們對(duì)多座高爐停爐后的觀察與分析，能夠牢固粘附在位置稍高的冷卻壁上的粘附物大都是Zn含量很高的物質(zhì)。微觀分析也表明，Zn在冷卻壁上能夠形成六棱柱形的ZnO晶體，這種ZnO晶體交錯(cuò)可以在冷卻壁熱面形成既耐高溫又具有良好透氣性及抗熱震穩(wěn)定性的保護(hù)層。

高爐排出的布袋灰與瓦斯灰成分大體可以反映高爐內(nèi)K、Na、Pb、Zn等有害元素的變化情況。

從漣鋼8號(hào)高爐爐役期內(nèi)布袋灰的Zn含量變化來(lái)看，自開(kāi)爐到2015年10月是布袋灰Zn含量較高的時(shí)期，基本都在15%以上，多在8%左右波動(dòng)。2015年11月至2017年6月是其Zn含量中等且波動(dòng)較大的時(shí)期，多在5-15%之間波動(dòng)。而2017年7月至停爐時(shí)是其Zn含量較低且基本穩(wěn)定的時(shí)間，多在4-8%之間變化。

而從漣鋼8號(hào)高爐爐役期內(nèi)布袋灰的K₂O含量變化來(lái)看，在開(kāi)爐初期K₂O含量是很低的，2013年內(nèi)基本都在5%以下。而2014年1月至2016年2月是K₂O含量相對(duì)較高且波動(dòng)較大的時(shí)期，多在5-15%之間波動(dòng)。其后有相當(dāng)一段時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)K₂O含量。但從恢復(fù)檢測(cè)的2017年3月至2018年5月則是K₂O含量很高的時(shí)期，多在11%以上。而在2018年8月至中修停爐，則是K₂O含量較低且相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期，多在7%±3%的范圍內(nèi)變化，見(jiàn)圖13。

漣鋼8號(hào)高爐爐役期內(nèi)瓦期灰的Zn含量與K₂O含量的變化趨勢(shì)大體與布袋灰的一致，只是含量相對(duì)較低一些而已。

圖13 漣鋼8號(hào)高爐布袋灰Zn、K₂O含量的變化

漣鋼8號(hào)高爐布袋灰的Zn含量與K₂O含量同時(shí)都降到較低水平之后的時(shí)間，即2018年5月前后，也正是銅冷卻壁開(kāi)始較快蝕損的時(shí)間，具體表現(xiàn)為第7段銅冷卻壁溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閹锥毋~冷卻壁中最高的時(shí)間，我們判斷為第7段銅冷卻壁燕尾槽筋條開(kāi)始較快蝕損的時(shí)間。筆者認(rèn)為這不是巧合，而是Zn含量與K₂O含量降低導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)冷卻壁上難于形成粘附物保護(hù)層所帶來(lái)的結(jié)果。

另外一個(gè)值得注意的有害元素是Cl。通過(guò)對(duì)磨損銅冷卻壁壁體表面覆蓋物以及冷卻壁粘附物的分析，都可以發(fā)現(xiàn)Cl的存在，而且含量還不低。比如壁體表面覆蓋物中Cl含量達(dá)1.23%卻并沒(méi)有伴隨堿金屬；冷卻壁非金屬粘附物中Cl含量達(dá)2.733%。而在2018年以來(lái)的最近幾年中，漣鋼能源中心不斷反映煤氣中Cl含量偏高影響TRT發(fā)電及管網(wǎng)安全運(yùn)行。

圖14 漣鋼8號(hào)高爐上部銅冷卻壁蝕損情況

從8號(hào)高爐第8、9段銅冷卻壁結(jié)合部靠近縫隙處的壁面蝕損來(lái)看，特別是9段銅冷卻壁的下沿與8段銅冷卻壁上沿中間的蝕損（見(jiàn)圖14），似乎也不能完全歸結(jié)于磨損的因素所導(dǎo)致，而更象是一種上部冷卻壁豎縫積聚的某種液體向下流淌造成的蝕損。筆者認(rèn)為不能排除爐內(nèi)Cl形成FeCl₃而溶解銅冷卻壁壁體這一因素。因?yàn)镕eCl₃的熔點(diǎn)為306℃，沸點(diǎn)為316℃，具有強(qiáng)烈的吸水性并能在低溫下直接腐蝕銅。具體的化學(xué)反應(yīng)式為：Cu+ FeCl₃= Cu Cl₂+ FeCl₂。當(dāng)然這一反應(yīng)在高溫區(qū)是難以發(fā)生的，它不可能成為銅冷卻壁蝕損的主要方式，但對(duì)低溫下的銅冷卻壁壁體是可以產(chǎn)生影響的。

對(duì)生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的分析還表明，高爐噸鐵氮?dú)庀膶?duì)第7段銅冷卻壁的溫度標(biāo)準(zhǔn)差具有極高的影響強(qiáng)度，考慮到漣鋼8號(hào)高爐在7、8、9、10段安裝了爐身靜壓裝置并使用了氮?dú)?，故不能排除爐身靜壓裝置所用氮?dú)庥绊懥算~冷卻壁上粘附物保護(hù)層的形成。

5  防止高爐銅冷卻壁破損的對(duì)策

從漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁的蝕損情況來(lái)看，銅冷卻壁破損的根本原因是由于銅冷卻壁上沒(méi)有形成牢固的粘附物保護(hù)層。根據(jù)以上對(duì)各方面影響因素的分析，筆者認(rèn)為，防止銅冷卻壁破損的主要對(duì)策如下：

1）鑒于過(guò)于矮胖的高爐，或者說(shuō)爐腹角偏小的高爐，其爐腰/爐腹界面將會(huì)承受比普通高爐高得多的爐墻壓力。而爐腹角偏大，又難于掛渣。因此在高爐設(shè)計(jì)上，實(shí)際工作爐腹角（即失去耐材后的爐腹角）的選擇對(duì)于在爐腹?fàn)t腰使用了銅冷卻壁的高爐而言極其重要。

2）鑒于漣鋼8號(hào)高爐銅冷卻壁從冷卻水道到熱面的有效抗磨損厚度偏薄、燕尾槽設(shè)計(jì)掛渣能力偏弱是其壽命偏短的一個(gè)重要影響因素。因此高爐在設(shè)計(jì)或大修時(shí)應(yīng)特別注意加大銅冷卻壁冷卻水道到熱面的距離，同時(shí)改進(jìn)銅冷卻壁燕尾槽的設(shè)計(jì)參數(shù)以提高其掛渣的能力。

3）鑒于實(shí)際分布于外環(huán)的爐料對(duì)銅冷卻壁上形成渣皮保護(hù)層具有重要影響。高爐應(yīng)特別重視與注意槽下裝料順序的設(shè)計(jì)，避免在高爐邊緣環(huán)帶形成過(guò)于易熔的爐料。

4）高爐操作方面，布料方面不要過(guò)于頻繁地做大幅度的調(diào)整，應(yīng)特別注意穩(wěn)定外環(huán)的礦焦比，在沒(méi)有明顯爐墻結(jié)厚的情況下不要頻繁地改變布礦角度；送風(fēng)制度方面應(yīng)密切注意高爐實(shí)際風(fēng)速的變化，盡量避免高爐長(zhǎng)期在較低的實(shí)際風(fēng)速下工作。

5）在有害元素控制方面不能追求太低的鋅堿負(fù)荷，其實(shí)保持適當(dāng)?shù)匿\堿負(fù)荷對(duì)于在冷卻壁形成一定的保護(hù)層是有利的。但對(duì)高爐氯的帶入必須予以重視并盡量減少。

6）爐身靜壓裝置通常難以長(zhǎng)期正常工作，可以考慮棄置不用并切斷其氮?dú)夤?yīng)。

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