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(fā)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(tǒng)，也是我國第一座使用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(tǒng)，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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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(xù)破損的惡性循環(huán)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(qū)，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(qū)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(qū)間只有 10 ℃左右，相對于鑄鐵冷卻壁 90 ℃ 左右的操作區(qū)間，銅冷卻壁操作區(qū)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(fā)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(fā)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(fā)現。
通過對 2019 ～ 2021 年武鋼 8 號高爐發(fā)生的 14次爐墻結厚現象進行跟蹤分析，發(fā)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(fā)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(tǒng)計 8 號高爐爐墻結厚的次數，發(fā)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 ↓ OL98765 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(qū)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 ↓ OL9876544322↓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(wěn)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(qū)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(wěn)定氣流，結果是邊緣氣流穩(wěn)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(fā)的。對 8 號高爐 2019 ～ 2021 年 14 次的爐墻結厚進行分析統(tǒng)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?；貒院螅P者按照這個原則去調節(jié)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(fā)展也會導致爐墻結厚。邊緣氣流過分發(fā)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(qū)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(wěn)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(wěn)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(fā)生故障或者燒結機發(fā)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(wěn)定，高爐的爐料結構就不穩(wěn)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↓OL98765 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?yōu)?C987651 332223↓OL98765 33322↓O98 S 22↓; 球團配 比 在 10 % ～ 15 %，基本布料制度應變?yōu)镃987651 332223↓OL98765 23322↓O98 S 22↓; 球團變比小于 10%，基本布料制度應變?yōu)?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(qū)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(qū)只有 45 ～ 55 ℃、掛渣能力強、操作區(qū)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(wěn)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(huán)。這樣幾個小時內，煤氣流會重新穩(wěn)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?？刂七m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(qū)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
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