俞 廷，陳一清，胡正文，何 英

(南京南鋼鋼鐵聯(lián)合有限公司煉鐵事業(yè)部,江蘇南京210035)

摘 要:南鋼1、2號高爐一代爐役壽命分別達到14.2、15.6年,3號高爐至今已生產(chǎn)13年,均取得了較好的長壽效果。設(shè)計上,3座高爐均采用嵌入式陶瓷杯結(jié)構(gòu)，陶瓷杯嵌入風(fēng)口組合磚內(nèi)，在風(fēng)口組合磚下方，陶瓷杯無法自由膨脹;3號高爐吸取1、2號高爐經(jīng)驗，采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，改進冷卻壁的固定，從根本上解決因爐殼剪斷水管而導(dǎo)致冷卻壁漏水的問題。日常生產(chǎn)管理中，加強原燃料質(zhì)量管理，優(yōu)化操作制度，采取成熟的護爐措施，建立高爐長壽智能化監(jiān)測及預(yù)警體系，維持穩(wěn)定合理的煤氣流分布和活躍的爐缸狀態(tài)，是高爐長壽的重要保障。

關(guān)鍵詞:高爐；爐缸結(jié)構(gòu)；冷卻壁固定；護爐措施；長壽預(yù)警體系

南鋼有3座2000m²級高爐。1號高爐(2000m³)于2004年6月投產(chǎn),2018年9月停爐，一代爐役壽命14.2年,單位爐容產(chǎn)鐵量11736t/m³。2號高爐(2500m²)于2006年8月投產(chǎn),2022年3月停爐，一代爐役壽命15.6年，單位爐容產(chǎn)鐵量13050/m²。3號高爐(2000m²)于2010年12月投產(chǎn),至今已生產(chǎn)13年，單位爐容產(chǎn)鐵量達到11970t/m³,各項技術(shù)經(jīng)濟指標良好。南鋼高爐一代爐役期間運行平穩(wěn)，在長壽設(shè)計及生產(chǎn)管理方面取得了一定經(jīng)驗。

1高爐長壽設(shè)計

1.1 爐缸爐底結(jié)構(gòu)

良好的設(shè)計質(zhì)量、設(shè)備質(zhì)量和施工質(zhì)量是高爐長壽的必要條件。爐缸結(jié)構(gòu)合理、耐材配置得當(dāng)、冷卻壁設(shè)計合理，高效的冷卻、可靠的檢測是高爐長壽的基礎(chǔ)^[1-2]。1、2號高爐爐缸采用UCAR熱壓小塊炭磚+嵌人式陶瓷杯結(jié)構(gòu)，爐缸側(cè)壁在鐵口附近40°區(qū)域采用NMD+NMA炭磚結(jié)構(gòu)，非鐵口區(qū)域采用NMA炭磚結(jié)構(gòu)。3號高爐爐缸采用國產(chǎn)炭磚+陶瓷砌體復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)。大量實踐證明，爐缸采用獨立式陶瓷杯結(jié)構(gòu)，不論陶瓷杯的材質(zhì)如何，都難以實現(xiàn)長壽，且壽命一般在7年以下。而與獨立式陶瓷杯結(jié)構(gòu)相比，爐缸采用嵌人式陶瓷杯結(jié)構(gòu)更加安全和長壽^[3]。

南鋼3座高爐均采用嵌人式陶瓷杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)口采用剛玉莫來石組合磚，陶瓷杯嵌人風(fēng)口組合磚內(nèi)，在風(fēng)口組合磚下方，陶瓷杯無法自由膨脹。2號高爐陶瓷杯壁在鐵口中心線以上厚度為345~500mm,在象腳區(qū)厚度為1250~1390mm,材質(zhì)為剛玉莫來石小塊磚，與炭磚之間采用頂砌，中間的三角縫采用剛玉莫來石泥漿填充。陶瓷杯底為2層400mm厚的剛玉莫來石磚(見圖1),采用互鎖結(jié)構(gòu)。

爐底水冷封板上滿鋪1層400mm厚的石墨磚其上滿鋪5層400mm厚的半石墨焙燒炭塊，爐底爐缸靠近冷卻壁環(huán)砌UCAR熱壓小塊炭磚NMA。由于熱壓小塊炭磚尺寸小，爐缸側(cè)壁由多環(huán)炭磚緊靠冷卻壁砌筑而成，炭磚與冷卻壁之間沒有搗打厚縫，這對降低炭磚溫度，緩解熱應(yīng)力，避免爐缸環(huán)裂非常有利。小塊炭磚之間的2mm磚縫采用熱固性炭素膠泥黏結(jié)，由于膠泥在使用中碳化，黏結(jié)強度和導(dǎo)熱性很高，既能緩沖熱膨脹，又不會影響導(dǎo)熱，緊貼冷卻壁砌筑可防止形成氣隙。

1.2 冷卻系統(tǒng)

高爐冷卻系統(tǒng)直接關(guān)系到各種冷卻元件的壽命，進而關(guān)系到整個高爐的壽命。南鋼高爐組合使用銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁，其中1號高爐第一代爐腹采用T型鑄鐵冷卻壁，2號高爐爐腹采用冷卻板，共計4層，每層48塊。投產(chǎn)后僅2年左右，冷卻壁就陸續(xù)開始漏水，主要表現(xiàn)為鑄鐵冷卻壁熱面開裂[見圖2(a)]、銅冷卻壁熱面破損及管根開裂[見圖2(b)],導(dǎo)致1、2號高爐分別于2012、2018年中修更換冷卻壁。3號高爐吸取1、2號高爐的經(jīng)驗，目前冷卻壁無破損，進設(shè)計優(yōu)化如下:

(1) 采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。冷卻壁由2根環(huán)管供水，其中1根環(huán)管供冷卻壁直冷管，另1根環(huán)管供冷卻壁蛇形管。冷卻壁回水分為4個扇區(qū)，每個扇區(qū)布置5根回水集管，分別對應(yīng)于每塊冷卻壁的4根直冷管和1根蛇形管。每根回水集管至冷卻壁回水總管上設(shè)有調(diào)節(jié)閥和流量計。在冷卻壁間直冷管的進出水聯(lián)管上，設(shè)8層熱電偶和1層流量計，每層8只檢測元件。自動測量水溫及水量，進行爐體熱負荷計算，以便及時進行生產(chǎn)調(diào)節(jié)。在事故狀態(tài)時，冷卻壁可在短期內(nèi)轉(zhuǎn)為無壓汽化冷卻。膨脹罐上設(shè)有水位檢測裝置和充N2穩(wěn)壓措施，可實現(xiàn)系統(tǒng)自動穩(wěn)壓、自動排氣、自動檢漏和自動補水。

(2)改進冷卻壁固定形式。第1~4段冷卻壁水管與爐殼間設(shè)置補償器;第5~9段冷卻壁采用復(fù)合孔，配固定銷及4個螺栓進行安裝定位;第10~15段冷卻壁設(shè)置固定點、滑動點和浮動點(如圖3所示)，水管與爐殼直接焊接固定，從根本上解決因爐殼剪斷水管而導(dǎo)致冷卻壁漏水的問題。并且，冷卻壁水管由中60x6mm,改為70x7mm,增加冷卻壁比表面積;銅冷卻壁間的聯(lián)絡(luò)管，由剛性連接改進為柔性連接，冷卻壁體與水管的連接增加螺紋，提高強度。

2爐缸侵蝕狀況

(2) 1號高爐第一代停爐后進行爐缸破損調(diào)查，風(fēng)口中心線至鐵口中心線炭磚完好，陶瓷杯厚度仍有230mm;鐵口中心線至爐底殘鐵上表面炭磚結(jié)構(gòu)基本完整，仍有陶瓷杯殘留;死鐵層以下的侵蝕相對較嚴重，呈鍋底狀，最低點位于爐底第3層炭磚上方約30mm處，剩余炭磚厚度1230mm左右。

(3) 2號高爐第一代爐役后期，爐缸側(cè)壁▽7.092m，6號鐵口下方第2段冷卻壁131號管水溫差、熱流強度分別達到最高點2.21°C、142.12MJ/(m² ·h)。在爐缸側(cè)壁▽7.325m、角度95°處，插入深度分別為400,300mm的2個熱電偶，最高溫度分別達到447°C、413°C，爐缸侵蝕模型測算的炭磚殘余厚度為655mm(見圖4),而停爐后爐缸侵蝕調(diào)查實測的殘余厚度約560mm。

南鋼3號高爐投產(chǎn)至今冷卻壁無破損，爐缸側(cè)壁溫度在安全范圍內(nèi)，其中鐵口中心線▽9.494m以上的炭磚淺點溫度(實際插人深度300mm)在120~190°C，象腳區(qū)域最高溫度為421°C(▽7.092m)，爐底第3層炭磚最高溫度為878°C，從侵蝕畫面(見圖5)可以看出，爐缸呈類似鍋底狀侵蝕，爐底炭磚最低殘余厚度為1561mm，側(cè)壁最低殘余厚度為1120mm，處于安全可控狀態(tài)。

3 日常管理經(jīng)驗

3.1 加強原燃料質(zhì)量管理

精料是高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)高爐長壽的基本條件，原燃料質(zhì)量波動必然會導(dǎo)致爐況不穩(wěn)，從而影響高爐壽命4。南鋼高爐原燃料質(zhì)量管理實行焦炭分類、分倉人爐，利用熱風(fēng)爐廢氣預(yù)熱烘干焦炭，穩(wěn)定人爐水分，降低焦末量;調(diào)整篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，抓好槽下原燃料篩分，嚴格控制篩分速度(礦石<120t/h),降低人爐粉末量;穩(wěn)定燒結(jié)礦配比，將混勻料品種控制在8~10種，堿度合格率控制在92%以上。為確保原燃料強度及冶金性能相對穩(wěn)定，制訂了原燃料質(zhì)量控制標準(見表1~3)。

高爐入爐有害元素主要是堿金屬(鉀、鈉)和鋅，其中鉀 鈉會造成爐缸堆積、高爐結(jié)瘤，惡化透氣性，損壞爐襯，對高爐生產(chǎn)和長壽產(chǎn)生巨大危害;鋅蒸汽在高爐內(nèi)部循環(huán)富集會使磚襯脆裂或破損，同時導(dǎo)致爐缸爐底炭磚脆化，引起爐缸側(cè)壁炭磚環(huán)裂,縮短高爐壽命5。因此，南鋼高爐在日常生產(chǎn)中嚴格控制人爐堿金屬量及鋅負荷(見表4)。

3.2 優(yōu)化操作制度

合理的煤氣流分布也是高爐穩(wěn)定順行及高產(chǎn)長壽的基礎(chǔ)，特別是高爐大型化之后，確保煤氣流分布穩(wěn)定合理顯得更為重要^[6]。高爐鼓風(fēng)動能不足，爐缸不活躍，會造成風(fēng)壓波動大，爐況不順，易發(fā)生管道和崩懸料;還會出現(xiàn)風(fēng)口頻繁破損，造成高爐休風(fēng)率高，進一步惡化爐缸狀態(tài)，影響初始煤氣流分布。

操作上按照“打開中心，適當(dāng)控制邊沿”的思路，上下部調(diào)劑相結(jié)合，發(fā)展兩道氣流，提高爐況穩(wěn)定性，增加入爐風(fēng)量，下部適當(dāng)縮小風(fēng)口面積，提高鼓風(fēng)動能，活躍中心，將邊沿氣流控制在合適范圍，并將銅冷卻壁溫度控制在45~55°C，以保證渣皮穩(wěn)定，進而保證爐缸側(cè)壁溫度穩(wěn)定受控。

3.3 爐役后期的護爐措施

2號高爐第一代爐役后期，爐缸出現(xiàn)嚴重侵蝕，爐缸側(cè)壁溫度及熱負荷陡升，主要原因是爐缸中心堆積、上部中心氣流不足、邊沿控制過重，邊沿氣流上行通道受阻，加劇了對爐缸側(cè)壁渣鐵凝固層的侵蝕，同時造成風(fēng)口上方爐皮發(fā)紅。此外，6號鐵口方向風(fēng)口漏水情況較多，煤氣竄漏現(xiàn)象嚴重，也加劇了爐缸侵蝕。為此，采取了一系列護爐措施。

(1)控制冶煉強度。爐缸側(cè)壁溫度達到預(yù)警值后，控制人爐風(fēng)量不大于4200m²/min、富氧量不大于5500m²/h，降低冶煉強度，將預(yù)警點冷卻壁水溫差控制在1.5°C以下，后逐步增大風(fēng)量活躍爐缸中心。提高鐵水[Si]到0.5%~0.6%,將爐渣堿度R2控制在1.18~1.23。

(2) 調(diào)整裝料制度。布料矩陣由

氣流，下部適當(dāng)縮小風(fēng)口面積，堵6號鐵口正上方19和20號風(fēng)口，風(fēng)口面積由0.3149m²縮小至0.2932m²,以提高鼓風(fēng)動能、活躍爐缸中心、減少爐缸側(cè)壁侵蝕。

(3) 提高冷卻強度。一方面，降低爐身軟水的進水溫度，先由40°C降至37°C，再降至34°C，加大整個爐缸的冷卻強度;另一方面，將6號鐵口正下方爐缸第2段4塊冷卻壁內(nèi)的8根水管進行單獨改水,將冷卻水流量由13.5t/h提高至30L/h,有效提高了冷卻強度，水溫差明顯下降。

(4)采用釩鈦炮泥護爐。針對性的使用釩鈦炮泥進行護爐，階段性空噴鐵口，打入釩鈦炮泥，控制炮泥TiO₂>20%。

通過采取護爐措施,2020年下半年,2號高爐6號鐵口下方(▽7.325m)爐缸側(cè)壁溫度完全回落并穩(wěn)定在正常溫度(如圖6所示)，爐缸侵蝕得到有效控制，主要技術(shù)經(jīng)濟指標也得到提升(見表5)。

3.4 建立長壽預(yù)警體系

高爐長壽是一項系統(tǒng)工程，重點是維持穩(wěn)定的爐況，除了合理的操作制度和長壽管理制度，建立高爐長壽預(yù)警體系尤為重要。為綜合判斷爐缸侵蝕變化趨勢，南鋼高爐制訂《高爐長壽管理辦法》，加強監(jiān)控手段。

(1)建立爐缸侵蝕模型。利用有限元法和二維導(dǎo)熱原理建立模型，更加直觀地了解耐材侵蝕情況，并對爐缸熱電偶進行維護，增加盲區(qū)熱電偶，設(shè)置自動預(yù)警,500~700mm為報警值，小于500mm為危險值。

(2)建立爐缸水溫差監(jiān)測系統(tǒng)。各高爐新增爐缸冷卻壁水管進出水熱電偶，細化到每塊冷卻壁，新增爐缸水溫差監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)南鋼高爐護爐實踐經(jīng)驗，設(shè)置聲光報警值(見表6)。

(4) 安裝爐殼測溫系統(tǒng)。高爐生產(chǎn)過程中，測量爐殼表面的溫度，也是一項必要的工作，目前已安。裝兩種測溫方式。一種是在爐殼安裝測溫系統(tǒng)，測溫原件吸附于爐殼，通過無線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送至中控室電腦，實時反饋爐殼溫度;另一種是針對重點侵蝕部位，安裝在線熱成像儀，進行實時監(jiān)控，自動預(yù)警。

(4)構(gòu)建鐵區(qū)一體化智能管控平臺。南鋼高爐通過一體化管控平臺及智能應(yīng)用，及時掌握生產(chǎn)及設(shè)備動態(tài)，為精細化生產(chǎn)管理提供科學(xué)保障和輔助決策。在高爐長壽方面，構(gòu)建爐缸管控一體化平臺，實現(xiàn)殘厚、溫升精準管控，量化評價爐缸活躍性和均勻性?？焖俜治銮治g演變過程，定位異常侵蝕影響因素，為尋找爐缸安全性和活躍性之間的平衡點提供支撐。同時，實時監(jiān)控異常情況，具備快速推送功能。

4  結(jié)語

(1)高爐長壽是一項系統(tǒng)工程，成熟的長壽設(shè)計是高爐長期穩(wěn)定、順行、高產(chǎn)、低耗及長壽的堅實基礎(chǔ)。

(2)建立合理的高爐操作制度，加強對原燃料質(zhì)量管理及有害元素控制，維持穩(wěn)定合理的煤氣流分布和活躍的爐缸狀態(tài)，是高爐長壽的重要保障。

(3)加強高爐長壽日常生產(chǎn)管理，建立高爐長壽智能化監(jiān)測及預(yù)警體系，采取成熟的護爐措施，防微杜漸，最終實現(xiàn)高爐的高效長壽。

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