李永強   秦希黎  丁洪海   梁   科

摘  要   本鋼7號高爐爐缸2段冷卻壁熱流強度最高達213MJ/（㎡·h），且7-10段銅冷卻壁漏水嚴重，被迫停爐大修。停爐大修期間進行了破損調(diào)查，結(jié)果表明：爐缸侵蝕呈“象腳”狀；侵蝕最嚴重的區(qū)域為2~5號風口下方，炭磚最小殘厚340mm；熱流強度最高區(qū)域為26~27號風口下方，熱流強度213MJ/（㎡·h），炭磚最小殘余厚度390mm。

關(guān)鍵詞  高爐  爐缸  熱流強度  冷卻壁  破損調(diào)查   

本鋼7號高爐（2850m3）于2005年9月5日投產(chǎn)。在爐役后期，因爐缸2段冷卻壁熱流強度過高【最高達213MJ/（㎡·h）】 及爐體7~10段銅冷卻壁破損漏水，嚴重影響生產(chǎn)安全，于2017年8月1日進行大修，一代爐役壽命11年11個月，單位爐容產(chǎn)鐵量9350t/m3。大修期間，進行了爐缸破損調(diào)查。

1  爐役后期生產(chǎn)狀況

在爐役后期，爐缸微小溫差自動測量系統(tǒng)投入使用，七號高爐產(chǎn)量與部分冷卻壁熱流強度變化情況，如圖1所示。2016年6月20日二號鐵口下方122號水管所在的2段冷卻壁熱流強度上升至122.MJ/.(㎡·h)。10月8日，2段171號等數(shù)根水管所在的冷卻壁熱流強度大幅上升，采取了一系列應(yīng)急措施，控制冶煉強度，并在熱流強度較高的區(qū)域安裝碳磚熱冷面熱電偶進行監(jiān)控，同時對手動測量水溫差偏高的水管進行增補自動測溫熱電偶，如150號水管等，其最高測得熱流強度為213MJ/（㎡·h），嚴重影響高爐技術(shù)指標和生產(chǎn)安全。

由于爐缸后期爐缸熱流強度過高，7號高爐采取縮風口、堵風口、減富氧、提爐溫、釩鈦礦護爐等等一系列措施。導(dǎo)致產(chǎn)量和指標受到很大程度的影響（見表1）。

2  爐缸破損調(diào)查

7號爐缸采用“國產(chǎn)陶瓷杯+UCAR小塊碳磚水冷爐底”復(fù)合結(jié)構(gòu)。在爐底封板搗一層高導(dǎo)熱系數(shù)的碳素搗料并找平，爐底共五層國產(chǎn)大塊碳磚，從下到上滿鋪2層石墨磚及3層半石墨碳磚。爐缸環(huán)砌43層UCAR熱壓小塊碳磚，上部采用17層國產(chǎn)siN4-SIC磚和2層剛玉磚。陶瓷杯杯底采用2層剛玉莫來石磚，杯壁由1層剛玉莫來石組合磚構(gòu)成，從而在爐底爐缸內(nèi)側(cè)形成陶瓷質(zhì)杯體。

圖1  本鋼7號高爐產(chǎn)量與部分冷卻壁熱流強度的變化

2.1 鐵口以上區(qū)域

鐵口區(qū)工作條件惡劣，渣鐵環(huán)流沖刷是爐缸破損的主要原因，鐵口是環(huán)流的終點，因此鐵口是爐缸破損情況的分界線。在實際調(diào)查中，鐵口以上區(qū)域存在陶瓷杯，殘存厚度150~200mm不等，原始厚度340mm，相對而言，是高爐爐齡的非限制環(huán)節(jié)。圖2為鐵口上方，24號風口下41層UCAR碳磚和12號風口下38層UCAR碳磚處陶瓷杯侵蝕狀況。

2.2 鐵口以下區(qū)域

鐵口以下區(qū)域，受渣鐵沖刷侵蝕影響，破損情況較為嚴重。爐役后期安裝水溫差測量系統(tǒng)顯示爐缸2段冷卻壁熱流強度最高，熱流強度較高的水管號為：4、7、12、21、23、26、149、150、151、154、156、157、160、162、171、183，其中157號水管所在冷卻壁熱流強度最高達 213MJ/（㎡·h）。上述水管分布區(qū)域為：2號鐵口下方、3號鐵口下方和2~5號風口區(qū)域。

爐缸環(huán)流復(fù)雜，侵蝕原因眾多，導(dǎo)致各層炭磚侵蝕層度不同。爐役后期通過安裝水溫差測量系統(tǒng)，顯示爐缸1段和4段冷卻壁熱流強度最低，2段和3段冷卻壁處炭磚侵蝕情況，經(jīng)破損調(diào)查，取各風口下2段和3段冷卻壁炭磚殘余最小殘余厚度，在侵蝕程度較輕的部位二者差距不大，表明爐缸炭磚破損主要受2段冷卻壁區(qū)域渣鐵環(huán)流沖刷侵蝕所致。         

經(jīng)現(xiàn)場測量，爐缸侵蝕最嚴重的位置為2段冷卻壁中部，UCAR炭磚的第4~13層，即陶瓷墊與陶瓷杯拐角處的“象腳”區(qū)域。為直觀判斷爐缸側(cè)壁侵蝕情況，并與熱流強度在線監(jiān)測系統(tǒng)和炭磚冷面熱電偶進行對比分析，整理各風口下2段炭磚侵蝕最小殘余厚度，停爐前2段冷卻壁最大熱流強度和部分炭磚冷面最高溫度見表2，圓周方向分布如圖4所示。

由表2和 圖4可以看出：①炭磚最小殘余厚度和最大熱流強度基本吻合，但因水溫差測量系統(tǒng)取點局限性和各風口下侵蝕最薄弱位置高低不同，侵蝕最嚴重區(qū)域并非熱流強度最高點；②經(jīng)現(xiàn)場實測，侵蝕最嚴重的區(qū)域為2~5號風口下方，熱流強度114.6MJ/（㎡·h），最小殘余厚度340mm；熱流強度最高區(qū)域為26~27號風口下方，熱流強度213MJ/(㎡·h)最小殘余厚度390mm；③2017年2月，為對熱流強度較高區(qū)域進行二次監(jiān)護，在該區(qū)域安裝8支炭磚冷面熱電偶，因安裝時間較早，未能與停爐前熱流強度最高區(qū)域進行對應(yīng)。

2.3  爐底爐缸耐材

7號高爐為水冷爐底，一代爐役累計生產(chǎn)鐵水2691萬T。經(jīng)停爐后觀測，爐底沿2號鐵口的爐缸縱剖面侵蝕狀況大體如圖5所示。由圖5可見：高爐爐底呈平緩“鍋底”形侵蝕，受2號和3號鐵口相對集中影響，鍋底中心向2號和3號鐵口方向偏移，侵蝕最嚴重的鍋底中心距離爐墻5m（爐缸直徑11.6m），第5層爐底石墨磚剩余厚度250mm，侵蝕非嚴重區(qū)域部分陶瓷墊殘余，是第一代爐役的非限制性環(huán)節(jié)。

在破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在爐底凝結(jié)層下的大塊半石墨磚因渣鐵溶蝕固結(jié)成一個整體，而1號鐵口方向殘余的部分陶瓷墊沒有固結(jié)。在凝結(jié)層下的爐底大塊炭磚中物質(zhì)取樣分析見表3，表明熱應(yīng)力和渣鐵對爐底炭磚的滲透侵蝕仍然是爐底破損的首要因素。

2.4  爐底封板

爐底炭磚清理完畢后，對爐底封板進行探傷過程中發(fā)現(xiàn)，爐底封板與其下部澆灌的碳素搗料層大面積分離，局部鼓包上翹嚴重。最大鼓包處間隙為60mm，嚴重影響爐底水冷管的冷卻效果，加速了爐底炭磚的侵蝕速度，第二代爐役砌磚前進行了灌漿處理，防止產(chǎn)生安全隱患。

2.5  幾個突出問題

（1）鐵口處侵蝕問題。鐵口為爐缸環(huán)流的終點，越靠近鐵口處環(huán)流速度越大，侵蝕越嚴重，且出鐵時鐵口兩側(cè)環(huán)流在泥包根部變向，沖刷力較大，侵蝕越嚴重。因此，鐵口下方區(qū)域2段炭磚侵蝕相對嚴重，且薄弱位置偏上。經(jīng)統(tǒng)計，1號鐵口累計過鐵量899萬T，2號鐵口累計過鐵量880萬T啊，3號鐵口累計過鐵量910萬T，各鐵口出鐵情況相對平均。但因2.3號鐵口夾角72°，距離較近，出鐵時互相影響，侵蝕情況較1號鐵口嚴重。

（2）炭磚環(huán)裂問題。破損調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，由于熱應(yīng)力作用，在2號和3號鐵口之間，第7層UCAR炭磚處存在環(huán)裂現(xiàn)象（見圖6）。環(huán)裂長度2300mm，裂縫寬度15mm，距離冷卻壁650~800mm，裂縫內(nèi)有金屬鋅。環(huán)裂導(dǎo)致炭磚傳染效果差，溫度場不均勻，侵蝕反應(yīng)劇烈，侵蝕速度加快。

（3）局部嚴重破損問題。在破損調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，因砌筑和炭磚質(zhì)量等原因，在29號風口下方，爐底大塊炭磚與第1層UCAR炭磚處存在“鉆鐵”現(xiàn)象，造成第一段冷卻壁上部燒損，燒損區(qū)域直徑200mm（見圖7），雖未燒壞冷卻水管，但嚴重威脅到爐殼安全，存在重大安全隱患。

3   爐缸破損原因分析

通過對爐缸破損調(diào)查分析，本鋼7號高爐爐缸鐵口以上區(qū)域和爐底耐材受侵蝕情況是第一代爐役壽命的非限制環(huán)節(jié)，爐缸陶瓷墊與陶瓷杯拐角處的“象腳”狀侵蝕是引起2段冷卻壁熱流強度升高的主要原因?；仡櫟谝淮鸂t役的生產(chǎn)過程，分析導(dǎo)致爐缸“象腳”狀侵蝕的原因主要有以下幾個方面。

（1）7號高爐第一代爐役壽命11年11個月，爐役期間基本都在高效生產(chǎn)，第一代爐役單位爐容產(chǎn)鐵量9350t/m3，大量的渣鐵環(huán)流導(dǎo)致爐缸側(cè)壁沖刷侵蝕。

（2）2008年之前，7號高爐順行狀態(tài)較差，崩懸料頻繁，風口和冷卻壁漏水嚴重，滲透至爐缸炭磚區(qū)域的漏水將炭磚表面氧化，形成疏松的熱阻層，影響爐缸炭磚的傳熱效果，加速了炭磚的侵蝕速度。200年之后，采用“中心加焦”的布料模式，順行情況得到改善，但“中心加焦”布料模式下爐缸中心死焦堆肥大，勢必加劇環(huán)流強度，引起“象腳”侵蝕。

（3）2012年，國內(nèi)鋼鐵形式下行，受降成本壓力的影響，原燃料條件直轉(zhuǎn)直下，焦炭主焦煤配比大幅下降，導(dǎo)致成品焦還原性較高，冷熱態(tài)強度較差，使爐缸中心死焦堆透液性變差，進一步加劇了鐵水環(huán)流的速度和環(huán)流量。

（4）高爐設(shè)計方面，7號高爐第一代爐役爐缸冷卻壁冷卻比表面積僅為0.7。遠低于同級別高爐的1.0；爐缸冷卻壁設(shè)計水速偏小，僅為1.4m/s，第二代爐役爐缸冷卻壁設(shè)計整改后水速為2.1m/s。二者均導(dǎo)致爐缸冷卻強度偏低，加速了2段高溫環(huán)流區(qū)的沖刷侵蝕。

4  結(jié)語

（1）7號 高爐因爐缸側(cè)壁熱流強度過高而被迫大修。停爐后通過對碳磚殘余厚度的測量，2段冷卻壁中部陶瓷墊與陶瓷杯拐角處侵蝕最為嚴重，侵蝕最嚴重的區(qū)域為2~5號風口下方，炭磚最小殘余厚度340mm，熱流強度最高區(qū)域為26~27號風口下方，熱流強度213MJ/(㎡·h)，炭磚最小殘余厚度390 mm。

（2）高爐爐底呈平緩“鍋底”形侵蝕，鍋底中心向2號和3號鐵口夾角方向偏移，侵蝕最嚴重的鍋底中心距離爐墻5m，第5層爐底大塊炭磚剩余厚度250mm；由鍋底中心向四周侵蝕逐漸減弱。

（3）炭磚最小殘余厚度和最大熱流強度基本吻合，但因水溫差測量取點局限性和侵蝕最薄弱位置高低不同，侵蝕最嚴重區(qū)域并非熱流強度最高點，但仍可根據(jù)熱流強度變化情況指導(dǎo)爐役后期生產(chǎn)。

5  參考文獻

【1】周傳典。高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊【M】，北京：冶金工業(yè)出版社，2008：443—451.

【2】徐萬仁，朱仁良，張東來，寶鋼2號高爐爐缸側(cè)壁侵蝕原因及控制實踐[J] 鋼鐵，2007，42（1）；8-11.