浅析中小高炉炉缸长寿维护技术与生产实践

浅析中小高炉炉缸长寿维护技术与生产实践

肖为站

（金鼎重工有限公司炼铁厂  河北武安  056301）

摘  要：本文从影响中小高炉炉缸长寿因素入手，介绍了炉缸强化冷却、加钛护炉和铁口维护技术等中小高炉长寿维护技术。通过对金鼎2#高炉炉缸长寿维护生产实践表明，通过合理管控好炉缸冷却强度、优化出铁制度；配合炉内含钛炉料护炉和提高炉温护炉操作，对减缓砖衬侵蚀、快速带走砖衬热量降低炉缸砖衬温度，确保高炉长寿取得了良好的效果。

关键词：中小高炉炉缸长寿维护技术

1 前言

高炉长寿不仅能节约大修基建投入，提高设备使用效率、增加生铁产量，也是高炉炼铁生产技术进步的指标之一。实现高炉高效长寿、安全、低耗、绿色环保，是炼铁技术人员不断追求的目标，相关课题研究不断取得新的突破，如：长寿炉缸设计、高强冷却铜冷却壁的应用、性能指标优越的碳砖的应用等等。近几年，在实践生产过程中，一些中大型长寿设计高炉（如：鞍钢新3#高炉（3200m³）投产3年左右，于2008年8月炉缸烧穿^[1]、2017年9月本钢4747m³高炉炉缸出现烧穿等）相继出现提前大修、炉缸烧穿现象也引起业界的一些反思与讨论。

高炉长寿是一项系统工程，不仅注重整体的长寿化设计与优质耐材内衬结构的有效匹配，高效冷却工艺设计和装备技术的应用也为高炉安全运行提供重要的设备保障。在一代炉役生产过程中，有效的炉缸监测和长寿维护技术是实现高炉长寿的重要保证。笔者结合生产实际，阐述这些年对中小高炉炉缸长寿维护技术的一些心得和体会。

2 影响中小高炉炉缸长寿的因素

为节约投资，大部分中小高炉装备技术水平相对较低，如炉缸碳砖、冷却设备、冷却强度设计等。与中大型高炉相比，中小高炉最大的生产特点就是高炉冶炼强度高、利用系数大，炉缸环流加剧，铁水对炉缸碳砖热面冲刷加剧，碳砖砖衬热面温度升高。较低的冷却强度和较差的碳砖炉缸，无法及时将热量通过冷却水带走，导致炉缸砖衬温度或冷却水温差大幅上升，大部分高炉相对使用寿命较短。

2.1 炉缸冷却强度

采用高导热碳砖砌筑的炉缸设计，根据文献^[2][3]研究表明，炉缸较高的冷却强度，能带走炉缸砖衬富余热量，减少热量富集造成温度升高致使炉缸砖衬内部等温线温度梯度过大，造成砖衬热应力过大，使其异常侵蚀剥落。

根据牛顿冷却定律：

q =α·(tw-t∞)            （1）

Q = α·A·(tw-t∞)        （2）

式中：

q：单位面积、单位时间内交换的热量，热流强度，单位W/m²；

tw、t∞：分别为固体表面和流体的温度，单位K；

A：冷却面积，单位m²；

Q：热量，单位W；

α：对流传热系数，单位W/(m²·K)。

从式（1）（2）可知，降低冷却水的温度可以提高冷却水带走热量的能力；在冷却工艺一定的情况下，要提高对流换热系数α值，只能提高冷却水水速，或简化为：提高冷却水量（即：“大水量小温差”）。强化冷却是高炉炉役末期强化护炉重要的措施之一。

2.2 加钛护炉技术

高炉生产至炉役中后期，为保护炉缸、延长高炉寿命，会加入一定含钛炉料护炉。主要是通过含钛炉料中的TiO₂进入高炉后，被逐步还原成[Ti]，在一定热力学条件下，生成高熔点的TiC(或TiN)、及其混合物Ti(C、N)弥散在渣铁中,在炉缸侵蚀严重（或冷却强度最大而温度较低）部位粘附，起到保护炉缸炭砖、减缓侵蚀的作用。通用较为方便的加入含钛炉料的方式，为上部炉顶装料随加入炉内。

另根据文献^[4]研究表明，生铁中的石墨碳数量随w[Ti]、w[C]、w[Si]的增加而逐步增多。根据Fe-Si-C准二元状态图分析，硅有利于石墨化的元素。碳和硅一样可以提高共晶温度，是促进石墨化的元素。当生铁中游离的TiC、TiN微粒，可以作为石墨晶核，有利于石墨化和石墨析出。这些石墨碳的析出，粘附（热结）在炉缸炭砖侧壁也将起到护炉的作用。

2.3 铁口维护技术

炉前出铁生产操作的中心任务：按规定时间及时出净渣铁，保证正常生产。但铁口喷溅、铁口深度长时间过浅、铁口出铁次数高等炉前出铁问题将对加剧炉缸铁口区域炭砖，威胁高炉安全生产。

要维护好铁口区域砖衬长寿安全生产，在炉前铁口维护上要加强：1）日常铁口维护数据统计工作；2）堵口技术：在堵口时，要让泥炮匀速前进，减少泥炮对泥套的冲击，以炮泥的打泥压力达到泥炮最大打泥压力的80%为最好。3）铁口深度维护技术：出铁过程中的铁口深度，而不是钻口深度，是高炉铁口深度是否合理的重要依据。合理的铁口深度能保证单位出铁时间、出渣时间比、铁量差、铁流速等出铁过程参数稳定。铁口钻口深度过深，泥包长度大于炉缸侧壁炭砖厚度过多，会造成该区域铁水紊流加剧和炮泥的浪费，加剧该区域炉缸炭砖冲刷侵蚀。

3 金鼎2#高炉长寿生产实践

金鼎炼铁厂2#高炉（炉容：808m³）于2011年4月2日投产开炉、投产，采用陶瓷杯+国产大块碳砖复合炉缸内衬结构设计形式，综合炉底：第1到第5层满铺国产微孔碳砖（厚度：400mm），第6层、7层立砌楔形复合棕刚玉砖；炉缸侧壁：砌筑微孔碳砖+小块复合棕刚玉砖陶瓷杯；炉缸直径6 900 mm，死铁层高度1 426 mm。

高炉炉缸采用光面低铬铸铁冷却壁，采用软水密闭循环系统冷却工艺，软水总循环水量2100 m3/h，软水泵两用一备。

3.1 一代炉役2#高炉炉缸温度上升情况

1）2013年3月初，炉底第5层炉底炭砖内环砖衬温度第6、12两点热电偶温度升高，最高升至950 ℃、1 020 ℃。

2）2017年3月16日西铁口区域炉皮温度开始大幅度上升，升温幅度10 ℃/天左右。3月21日，西铁口侧壁砖衬热电偶温度逐步由450 ℃上升到527 ℃以上（炉皮温度升高到118 ℃左右）。

3.2 护炉生产实践

3.2.1 炉缸强化冷却

炉缸砖衬温度上升后，高炉软水冷却开启强化冷却护炉。1）冷却来水温度按冬季30±1 ℃下限控制；2）软水泵两用一备改成三台全开，加大冷却系统水量，提高单管冷却水速；3）炉壳温度上升至100℃时，实施少量炉壳喷淋冷却，降低炉壳温度，减少圆周方向炉壳温度差造成炉壳应力开裂隐患。

3.2.2 含钛炉料护炉

高炉炉内保持炉况顺行，做好做高炉温操作，铁水[Si]由0.2%逐步提高到0.5%以上。加入钛球护炉，提高至10%左右，确保铁中[Ti]保持在0.12%～0.15%水平，二元碱度1.2以上。

3.2.3 控制铁水[Mn]含量

生铁中[Mn]能起到稀释炉渣、降低渣铁流动性的作用，是高炉炼铁较为常规的洗炉剂。较高的铁水[Mn]会加剧炉缸侧壁砖衬渗透、侵蚀。护炉生产过程中，通过优化烧结矿的配比，控制高锰炉料配用，控制铁水[Mn]≤0.4%。3月25日铁水中[Mn]由0.7%左右水平逐步下降，至3月29日下降至0.38%。

3.2.4 加强铁口日常维护工作

1）管控好炮泥质量，提高炮泥抗渣铁冲刷性，减缓扩孔速率，出净渣铁；2）提高炮泥的烧结性能使新旧炮泥结合密实，减少体积收缩大、炮泥可塑性差等形成裂纹，造成铁口喷溅现象；3）控制打泥量、维护好稳定的铁口深度。每铁次打泥量控制在150kg～180kg，铁口深度稳定在1 900-2 000 mm范围。

3.2.5 狠抓入炉原燃料质量，提升中心料柱的透气透液

护炉生产期间，为确保炉况顺行，入炉原燃料主要工作如下：1）一级焦炭由原来配比30%增加到40%～50%；2）提高烧结矿强度，降低入炉粉率；3）降低烧结矿中碱金属、Zn负荷等。

通过原燃料质量的提升，对形成、改善炉内两股煤气流“稳定中心，兼顾边缘”的分布形态起到重要的保障作用，确保高炉顺稳运行。

3.3 护炉生产效果

通过一系列有针对性的护炉措施，高炉炉况顺行，利用系数：3.55t/（m3.d）水平，日产生铁2 850～2 900 t；西铁口下方砖衬（500mm）温度下降明显，至3月31日，温度由527℃下降至495℃，下降了32℃，后逐步降低至460℃（升温前砖衬温度），炉壳温度也有118℃降至65℃。实现高炉长寿目标。

4 小结

通过对金鼎2#高炉炉缸长寿维护生产实践表面，中小高炉尽管采用较低的装备水平，但1）通过炉外合理管控好炉缸冷却强度、优化出铁制度，对减缓砖衬侵蚀、快速带走砖衬热量提供有力保障；2）炉内通过强化含钛炉料护炉，做高做好炉温，降低铁水[Mn]，提高TiO2的转化效率，生成Ti(C、N)混合物和石墨碳粘附在炉墙起到保护炉缸侧壁炭砖的作用；3）抓好入炉原燃料质量管理，改善中心料柱透气透液性，强化焦炭骨架作用对高炉减弱炉缸侧壁环流、炉内两股煤气流合理分布上由积极的作用。

参考文献

[1] 李恒旭，王志. 鞍钢新3200m3高炉炉缸大修工程实践[J].鞍钢技术,2011，368（2）:49~50.

[2] 于仲杰．宋木森，高炉炉缸炉底破损研究[J]．钢铁研究，2009，6(3)：3．

[3] 潘宏伟．程素森，等，高炉炉缸炭砖环裂机理研究[C]．炼铁年会论文集，2010，5：1288．

[4] 丁宝忠．含钛铁水流动性研究[J]．炼铁，1990，10(5)：6．