徐彬 李明

（九江萍鋼鋼鐵有限公司  江西九江  332500）

摘要：  通過(guò)對(duì)九江萍鋼鋼鐵有限公司4號(hào)高爐因爐缸砌筑耐材質(zhì)量差、生產(chǎn)運(yùn)行期間有害元素負(fù)荷重等因素影響，一代爐齡壽命較短，爐缸環(huán)炭溫度上漲較快，運(yùn)行三年不到，環(huán)炭溫度上漲就超過(guò)500℃，爐缸安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)增加，為消除爐缸侵蝕安全風(fēng)險(xiǎn)，故對(duì)高爐進(jìn)行停爐大修，大修期間對(duì)爐缸破損情況進(jìn)行了調(diào)查，重點(diǎn)分析影響4號(hào)高爐爐缸壽命的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞： 高爐；爐缸；環(huán)炭溫度；破損調(diào)查

1 前言

九江煉鐵廠4^#高爐第四代爐齡于2022年1月19日開(kāi)爐，投產(chǎn)后爐缸環(huán)炭溫度多次上漲，至2024年5月20日，環(huán)炭溫度最高漲至501℃（對(duì)應(yīng)標(biāo)高9101mm，第二層冷卻壁，標(biāo)點(diǎn)TE-LG01003-2）。期間高爐通過(guò)控制富氧量降低冶強(qiáng)等措施抑制環(huán)炭溫度上升，至2024年下半年，高爐環(huán)炭溫度大幅波動(dòng)的頻次顯著增多，爐缸安全風(fēng)險(xiǎn)增加，2024年11月7日4#高爐環(huán)炭溫度（對(duì)應(yīng)標(biāo)高9101mm，第二層冷卻壁，標(biāo)點(diǎn)TE-LG01003-2）呈上升趨勢(shì)，由原210.2℃上升至546℃左右、2024年12月27日4#高爐環(huán)炭溫度（對(duì)應(yīng)標(biāo)高9101mm，第二層冷卻壁，標(biāo)點(diǎn)TE-LG01012-2）呈上升趨勢(shì)，由原188℃上升至449.8℃，上升波動(dòng)幅度較大，為有效控制爐缸環(huán)炭溫度持續(xù)上升，當(dāng)前4#高爐采取控制富氧量、堵風(fēng)口及使用高鈦炮泥等控制措施，最高點(diǎn)環(huán)炭降至266℃左右。因環(huán)炭溫度波動(dòng)較大，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，且影響產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的提升，導(dǎo)致成本上升，為消除安全隱患，于2025年2月6日停爐大修，至此一代爐齡3年零18天，共計(jì)產(chǎn)鐵561.64萬(wàn)t，單位高爐爐容產(chǎn)鐵量3155.26t/m³。

2 高爐簡(jiǎn)介

2.1 原設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)、參數(shù)

2.2爐缸設(shè)計(jì)

高爐內(nèi)型高爐公稱容積為1780m3。爐缸直徑D=9750mm、爐缸高度h=4200mm。高徑比Hu/D=2.4175。高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)時(shí)特別注意適當(dāng)加深死鐵層深度，死鐵層深度h0=2100mm，h0/d＝21.54%。高爐設(shè)置26個(gè)風(fēng)口和兩個(gè)鐵口，見(jiàn)圖1。

圖1 4號(hào)高爐爐缸圖

2.3 高爐冷卻結(jié)構(gòu)

爐體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用薄壁、薄爐襯方式，其中爐缸及風(fēng)口段采用光面鑄鐵冷卻壁；爐腹、爐腰、爐身下部采用4段銅冷卻壁；爐身中、上部采用鑲磚鑄鐵冷卻壁；爐喉采用水冷爐喉鋼磚，整個(gè)爐體100%水冷卻。爐底爐缸采用4段光面鑄鐵冷卻壁（材質(zhì)為RTCr），圓周分39塊，每塊設(shè)4根φ76x6冷卻水管，冷卻水流速>1.6m/s, 水管間距240mm。設(shè)計(jì)表比面積為0.994。

2.4 爐缸熱電偶設(shè)計(jì)

除爐基、爐底封板中心各1個(gè)熱電偶外，爐缸不同高度上布置10層熱電偶，特別是爐底、爐缸異常侵蝕區(qū)布置9層，其中滿鋪碳磚有3層，第1層7個(gè)點(diǎn)（中心1個(gè)+圓周1*6個(gè)），第2-3層各26個(gè)點(diǎn)（中心1*2個(gè)+圓周2*12）；鐵口下方環(huán)碳設(shè)計(jì)7層熱電偶，其中5-9層環(huán)碳下沿各24個(gè)點(diǎn)（2*12），共120個(gè)點(diǎn)，其余2層各12個(gè)點(diǎn)（1*12）；鐵口以上設(shè)置1層熱電偶13個(gè)點(diǎn)（1*13）。爐缸全部設(shè)計(jì)共218個(gè)點(diǎn)。

3 破損調(diào)查

3.1冷卻壁破損調(diào)查

爐身冷卻壁第14層破損兩塊，15層破損三塊，均是2022年至2024年高爐生產(chǎn)期間損壞。扒爐后發(fā)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)口區(qū)域以上冷卻壁無(wú)爐料粘結(jié)現(xiàn)象，冷卻壁保存較好。

3.2爐缸破損調(diào)查

本次破損調(diào)查過(guò)程對(duì)爐缸爐底炭磚的侵蝕狀況進(jìn)行了測(cè)量、拍照，但由于拆爐過(guò)程中多次爆破，從底部向上破壞性施工，搶工程進(jìn)度。加上爐內(nèi)蒸汽較大，照相效果不理想，故只有扒爐口附近的爐缸侵蝕數(shù)據(jù)僅進(jìn)行了測(cè)量和人工觀察，其它方位未能有效采集到侵蝕數(shù)據(jù)。

3.2.1 殘鐵口

4#高爐殘鐵口位于26#風(fēng)口下（正北方位），標(biāo)高7.8m，第7層環(huán)炭位置，殘鐵口處殘余炭磚厚度600mm。放出殘鐵127.05t。

3.2.2 扒爐口

扒爐口在13#~16#風(fēng)口下方、一二段冷卻壁區(qū)域。見(jiàn)圖2。

        （a）正面                                        （b）側(cè)面

圖2 扒爐口

從扒爐口看殘鐵外形，以及后續(xù)扒爐的情況觀測(cè)，爐內(nèi)殘鐵呈“鐵鍋”狀，殘鐵最寬的部位在環(huán)炭7-10層，殘鐵底部有一層約400mm左右厚的陶瓷墊（第一層陶瓷墊保存完成、未見(jiàn)侵蝕），第五層環(huán)炭保存較為完好，第六層炭磚也還剩余1.32m左右，侵蝕最嚴(yán)重的是第7-10層環(huán)炭，殘余厚度只剩0.31-0.5m，從第11層開(kāi)始往上，炭磚侵蝕程度又逐步減弱。

炭磚侵蝕情況見(jiàn)圖3

         （a）5-6層殘余炭磚                               （b）9層環(huán)炭殘余部分

圖3 環(huán)炭層炭磚侵蝕后殘余炭磚圖片

南扒爐口處環(huán)炭環(huán)裂相當(dāng)嚴(yán)重，剩余的長(zhǎng)度雖最薄處剩余約350mm左右。

3.2.3 風(fēng)口帶

從圖片可以看出，風(fēng)口下部的澆注料完好。

圖4 風(fēng)口帶

3.2.4 第11層-16層炭磚侵蝕情況：

第11-16層的炭磚侵蝕后的剩余厚度相對(duì)均勻，除第12層之外的剩余厚度都在0.61m-0.7m之間。12層環(huán)炭剩余厚度0.4m，炭磚與冷卻壁之間的搗打料保存完好，炭磚縫隙之間大量鉛、鋅等有害元素滲入。

3.2.5 炭磚縫隙夾雜情況

           （a）8-10層環(huán)炭縫中金屬物                    （b）炭磚環(huán)裂                   

圖5 炭磚破損情況及夾雜物

從圖5看出（和第一層陶瓷杯相同高度為第5層炭磚），第5層炭磚保存尚好，但是靠近冷卻壁側(cè)向爐內(nèi)延伸300mm后出現(xiàn)200mm寬度環(huán)裂粉化。再向爐內(nèi)延伸炭磚保存尚好。

3.2.6 殘鐵及陶瓷杯墊情況

（a）殘鐵塊和底部陶瓷墊                                  （b）爐缸中心底部殘鐵               

圖6 炭磚破損情況及夾雜物

經(jīng)測(cè)量爐缸內(nèi)部剩余殘鐵平均厚度約700mm，中心最底部殘鐵到了第5層環(huán)炭中部，也就是第一層陶瓷墊中部。殘鐵呈“鐵鍋狀”，主要是爐內(nèi)殘鐵未放干凈所致。陶瓷墊剩余約300-400mm厚，陶瓷杯已侵蝕干凈無(wú)殘余。

3.2.7 爐底封板及搗料層

（a）封板上漲造成的斷裂錯(cuò)層                        （b）封板下方搗料層

圖7 封板及搗料層

爐基封板邊緣被拉扯上漲的跡象，封板平均上漲約13cm左右，西南角上漲最少，其它方位上漲高爐相差不多，西鐵口下方有明顯裂開(kāi)的錯(cuò)層。

封板下方的搗料層裂縫較多，裂縫產(chǎn)生的主要原因是在封板被上漲的爐殼拉裂后爐缸內(nèi)的高溫煤氣竄入封板以下，造成炭素?fù)v料被煤氣炙烤后干裂收縮。但煤氣通道封堵難度較大，在高爐生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中雖然做了灌漿、貼板、澆注等多種措施進(jìn)行封堵，但其封堵效果均不是很好。

結(jié)論：第九層環(huán)炭（標(biāo)高9.101米、3-4號(hào)風(fēng)口下方）侵蝕嚴(yán)重，其中剩余厚度最薄位置只有340mm，接近1780高爐爐缸的安全厚度（具體見(jiàn)東北大學(xué)陳良玉教授的報(bào)告:標(biāo)高 9101mm 的內(nèi)襯安全厚度 LP 為337mm），第八層環(huán)炭（標(biāo)高8.700米、20-21號(hào)風(fēng)口下方）侵蝕嚴(yán)重，剩余厚度最薄位置只有330mm，比1780高爐爐缸的安全厚度低約36mm（具體見(jiàn)東北大學(xué)陳良玉教授的報(bào)告:標(biāo)高 8299mm 的內(nèi)襯安全厚度 LP 為366mm），第七層環(huán)炭（標(biāo)高8.299米、19號(hào)風(fēng)口下方）侵蝕亦嚴(yán)重，剩余厚度最薄位置只有310mm，比1780高爐爐缸的安全厚度低約56mm而且炭磚存在裂紋、縫隙之間有大量鉛鋅等有害元素滲入，因此4號(hào)高爐這次停爐大修是準(zhǔn)確、及時(shí)的。

3.3 爐缸侵蝕總圖描繪

圖8 爐缸侵蝕圖

紅色實(shí)線為殘留炭磚界面，侵蝕最深處是爐缸7-10層環(huán)炭處，停爐前數(shù)次環(huán)炭溫度急漲也是在8層環(huán)炭。

4 4#高爐爐缸侵蝕較快原因分析

4.1 炭磚質(zhì)量

炭磚選用方大碳素材料科技股份有限公司產(chǎn)品，具體理化指標(biāo)（見(jiàn)下表）

表2 半石墨質(zhì)炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚理化性能指標(biāo)

表3 炭素?fù)v料（BFD-S9）理化性能要求

續(xù)表3 炭素?fù)v料（BFD-S10）理化性能要求

碳磚和炭素?fù)v料均是使用方大碳素生產(chǎn)的合格產(chǎn)品，碳磚質(zhì)量正常。

4.2 堿金屬危害

九鋼高爐入爐有害元素負(fù)荷偏高，在這一代爐齡的2022-2024年期間，高爐入爐鉛負(fù)荷常年維持在0.25kg/t.Fe左右，鋅負(fù)荷常年保持在0.60-0.9kg/t.Fe左右。而這次4號(hào)高爐扒爐，在殘存炭磚縫隙當(dāng)中發(fā)現(xiàn)大量鋅、鉛等凝結(jié)而成的板狀、片狀金屬塊，鋅金屬片最寬時(shí)達(dá)到35mm（見(jiàn)圖6（a）），以及鋅、鉛蒸汽冷凝后產(chǎn)生的黃白色粉末（見(jiàn)圖6（d）），主要是鋅元素在爐缸段炭磚夾縫內(nèi)遇冷后沉積，長(zhǎng)大，不斷的脹大炭磚縫隙，造成炭磚開(kāi)裂嚴(yán)重甚至粉化，同時(shí)產(chǎn)生異常膨脹，這是導(dǎo)致4號(hào)高爐本體連續(xù)上漲、爐基封板拉裂、風(fēng)口上翹的重要原因之一。

4.3 鐵水、渣、環(huán)流造成的侵蝕

4號(hào)高爐停爐前數(shù)次環(huán)炭溫度急漲，均是在高爐大溝檢修期間或是檢修后短時(shí)間內(nèi)迅速上漲，分析其原因，主要是修溝期間，鐵口維護(hù)難度上升，炮泥質(zhì)量沒(méi)有跟上造成鐵口深度下降，同時(shí)出鐵間隔時(shí)間增加等因素疊加，造成高爐渣鐵排放不順暢，爐缸內(nèi)部渣鐵液面上升，鐵水沿著炭磚氣孔、磚縫和裂紋向炭磚內(nèi)部滲透，并對(duì)炭磚產(chǎn)生物理破損和熔蝕，造成炭磚結(jié)構(gòu)被破壞，炭磚碎塊逐步被鐵水溶解產(chǎn)生侵蝕。同時(shí)滲入炭磚縫隙當(dāng)中的鐵水導(dǎo)致炭磚脆化并產(chǎn)生體積膨脹，使炭磚熱面產(chǎn)生脆化層，在鐵水反復(fù)的接觸當(dāng)中炭磚體積反復(fù)收縮膨脹后開(kāi)裂破損。

再就是鐵水環(huán)流沖刷侵蝕，主要在于生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中焦炭質(zhì)量變差，死焦柱下沉，造成中心透氣性變差時(shí)鐵水便沿著爐缸周邊形成環(huán)流，造成炭磚表面脆化層的沖刷侵蝕。

4.4 陶瓷杯澆注料質(zhì)量問(wèn)題

陶瓷杯與炭磚之間的溫度正好是800℃～1000℃左右，成為K、Na、Zn富集最適宜的溫度帶。陶瓷杯與炭磚之間設(shè)計(jì)有環(huán)縫帶，成為K、Na、Zn富集最適宜的溫度帶，由于陶瓷杯磚的膨脹系數(shù)大于炭磚，很顯然這種留縫在升溫過(guò)程中，陶瓷杯磚膨脹將炭磚向外推移，會(huì)導(dǎo)致炭磚和陶瓷杯變?yōu)榉鬯闋?，?duì)高爐長(zhǎng)壽是一個(gè)潛在的隱患。因此4號(hào)爐在上一次大修時(shí)即改用了全澆注陶瓷杯，旨在將這條陶瓷杯與炭磚之間環(huán)縫帶取消，從而解決這一問(wèn)題。

但此次扒爐高爐側(cè)壁陶瓷杯已被侵蝕殆盡，分析主要是澆注陶瓷杯澆注料質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致，4號(hào)高爐上一代爐齡2021年底大修時(shí)爐缸陶瓷杯使用的河南某公司的澆注料。相比較近幾次2號(hào)高爐和3號(hào)高爐在大修使用的大連某公司的澆注料，對(duì)比以往環(huán)炭溫度上漲情況，在使用大連某公司澆注料后在同等生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)溫度明顯低于使用河南某公司澆注料，對(duì)爐缸環(huán)炭的保護(hù)效果更優(yōu)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4：

表4 環(huán)炭溫度比較

續(xù)表4 環(huán)炭溫度比較

續(xù)表4 理化指標(biāo)比較

拿澆注料理化指標(biāo)來(lái)比較，大連公司澆注料Al203和SiC含量略優(yōu)于河南公司。從實(shí)際使用效果來(lái)看，大連的澆注料抗渣鐵侵蝕的能力遠(yuǎn)勝于河南公司的。

5 2025年4號(hào)高爐爐缸侵蝕調(diào)查結(jié)論

九鋼4號(hào)高爐一代爐齡生產(chǎn)期間，受有害元素鉛、鋅等侵蝕影響，高爐爐缸側(cè)壁炭磚收到較嚴(yán)重的侵蝕，陶瓷杯全部熔蝕，炭磚出現(xiàn)破損、粉化、環(huán)裂，且因?yàn)榇u縫脹大，造成高爐爐體爐殼開(kāi)裂，同時(shí)爐體連續(xù)上漲，造成爐基封板拉裂，爐缸、爐底存在較大的安全隱患。

因環(huán)碳溫度偏高，通過(guò)評(píng)審及同行業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，停爐現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)碳磚侵蝕較嚴(yán)重，同時(shí)碳磚環(huán)裂嚴(yán)重、縫隙內(nèi)夾金屬物質(zhì)，存在不可控的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)查取證，結(jié)合一代爐齡數(shù)據(jù)分析，充分說(shuō)明有害元素（鉀、鈉、鉛、鋅等）對(duì)爐缸碳磚破壞很大，直接影響爐缸壽命，給高爐爐缸的安全運(yùn)行帶來(lái)較大的隱患。

爐缸設(shè)計(jì)取消陶瓷杯與炭磚環(huán)縫帶，選用全澆注陶瓷杯爐缸，對(duì)高爐長(zhǎng)壽有著積極效應(yīng)，但應(yīng)注意所選擇澆注料的質(zhì)量。

建設(shè)時(shí)注重爐缸砌筑施工質(zhì)量，爐缸的砌筑施工質(zhì)量是影響爐缸長(zhǎng)壽的關(guān)鍵因素，也是易出問(wèn)題的環(huán)節(jié)之一，施工時(shí)要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，嚴(yán)格按耐材砌筑規(guī)范操作。

參考文獻(xiàn)

[1]  周傳典. 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2008.443-451.