瑞爾論文
石鋼0號高爐長壽實踐
高爐長壽，陶瓷杯，炭磚，砌筑質(zhì)量李斌 王貴寶（石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司）
何汝生 葛巖生（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘 要 對石鋼0號高爐的長壽實踐進行總結(jié)，設(shè)計中采取了整體式陶瓷杯爐缸內(nèi)襯、優(yōu)質(zhì)炭磚；在建設(shè)中，重視內(nèi)襯的砌筑質(zhì)量；冶煉生產(chǎn)中，采用了有利于長壽的送風(fēng)制度、熱制度、造渣制度以及爐渣排堿等長壽型操作。并在爐役末期采用造襯和鈦球等維護措施，取得了單位爐容產(chǎn)鐵11500t/m3，壽命9年的高產(chǎn)、長壽實績。
石鋼0號高爐（420m3）設(shè)計年產(chǎn)量49.2萬t/a，爐缸直徑為5400mm，設(shè)1個鐵口、1個渣口和14個風(fēng)口。采用串罐式無料鐘爐頂，爐底采用常壓工業(yè)水埋管冷卻，爐底側(cè)壁和爐缸采用鑄鐵光面冷卻壁、軟水密閉循環(huán)冷卻；爐底、爐缸采用整體式陶瓷杯+優(yōu)質(zhì)炭磚，風(fēng)口、渣口采用大塊組合磚等綜合長壽技術(shù)與裝備。
0號高爐于2003年6月30日點火投產(chǎn)，2012年6月14日停爐大修，一代爐役壽命8.9年（3270天），累積產(chǎn)鐵483萬t，單位爐容產(chǎn)鐵量達到同級別高爐最好水平，且超過大多數(shù)大中型高爐的爐役壽命和單位爐容產(chǎn)鐵量。
1 一代爐役主要生產(chǎn)指標
合理的爐缸冷卻，適應(yīng)使用環(huán)境的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與性能，優(yōu)質(zhì)的砌筑質(zhì)量，長壽型操作和生產(chǎn)維護是獲得高爐長壽、高產(chǎn)不可或缺的關(guān)鍵。0號高爐在建設(shè)及投產(chǎn)后的冶煉操作中，堅持了這個綜合性長壽理念，從而獲得了長壽、高產(chǎn)實績，主要生產(chǎn)指標件表1。
表1 石鋼0號高爐主要生產(chǎn)指標 | |||||||
年份 | 利用系數(shù) | 冶煉強度 | 焦比 | 煤比 | 風(fēng)量 | 熱風(fēng)溫度 | 爐頂壓力 |
t/（m3.d） | t/（m3.d） | kg/t | kg/t | Nm3/min | ℃ | kpa | |
2003 | 2.779 | 1.151 | 414 | 124 | 1244 | 1041 | 76 |
2004 | 3.450 | 1.356 | 393 | 140 | 1576 | 1129 | 102 |
2005 | 3.773 | 1.430 | 379 | 152 | 1798 | 1128 | 108 |
2006 | 3.813 | 1.411 | 370 | 156 | 1805 | 1114 | 109 |
2007 | 3.837 | 1.466 | 382 | 152 | 1789 | 1104 | 119 |
2008 | 3.924 | 1.483 | 378 | 160 | 1847 | 1123 | 129 |
2009 | 3.849 | 1.382 | 359 | 158 | 1772 | 1097 | 120 |
2010 | 3.614 | 1.391 | 385 | 150 | 1724 | 1018 | 116 |
2011 | 3.637 | 1.418 | 390 | 154 | 1752 | 1008 | 120 |
2012 | 3.399 | 1.234 | 363 | 163 | 1626 | 1045 | 122 |
2 爐缸冷卻
2.1 冷卻設(shè)備和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計概況
0號高爐的爐底埋設(shè)無縫鋼管，采用常壓工業(yè)水冷卻。無縫鋼管安裝在爐底最下層滿鋪炭磚之下，二者之間填充高導(dǎo)熱碳素搗打料。冷卻水的設(shè)計壓力為0.5MPa，冷卻水量為350m3/h（含風(fēng)渣口大套和中套）。給水溫度35℃，出水38℃。
爐缸、爐底側(cè)壁設(shè)3段RTCr-887鑄鐵光面冷卻壁，每段冷卻壁為28塊，每塊冷卻壁中配置4根∮54mm×6mm的直形冷卻水管。各冷卻壁與爐體其他部位冷卻壁縱向串接，采用軟水密閉循環(huán)冷卻，設(shè)計循環(huán)量為1150m3/h，水壓0.8MPa，給水溫度不大于50℃，回水溫度不大于60℃。
同時高爐還沒有安全供水、軟水備用工業(yè)水、爐役后期灑水冷卻等。
2.2 冷卻系統(tǒng)運行
高爐投產(chǎn)之后，爐體冷卻系統(tǒng)整體運行正常，總體水溫差、熱負荷一直處于正常水平。進入2011年之后，鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度在爐役延長與持續(xù)高強度冶煉的情況下出現(xiàn)上升。鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度在2011年4月19日首次達到11.6kW/㎡，5月16日達到13.9 kW/㎡,6月27日上升到16.3kW/㎡。對此，在高爐冷卻方面主要采取了增大冷卻水量、提高冷卻水壓力、鐵口兩側(cè)冷卻壁改高壓工業(yè)水單聯(lián)強化冷卻等措施（見表2）。通過強化冷卻和鐵口維護，鐵口兩側(cè)1、28號冷卻壁的熱流強度穩(wěn)定在10.5～12.8kW/㎡，相鄰的2、27號冷卻壁的熱流強度穩(wěn)定在4.6～7.0 kW/㎡，保證了爐役后期鐵口區(qū)域的安全。
另外，在爐缸第2段冷卻壁及爐皮上安裝在線自動測溫設(shè)備，24h監(jiān)測溫度和熱流強度變化趨勢，并結(jié)合人工測量結(jié)果，根據(jù)水溫差變化趨勢采取有效措施。同時，加強水質(zhì)和水溫管理，防止冷卻壁水管結(jié)垢而降低冷卻強度。控制軟水進水溫度小于50℃，水溫差3～5℃；軟水進水溫度高于50℃時，補加新水或開啟冷卻系統(tǒng)對軟水進行降溫。
表2 石鋼0號高爐鐵口冷卻壁強化冷卻措施 | ||||
時間 | 軟水流量 m3/h | 鐵口兩側(cè)冷卻壁 | ||
水壓Mpa | 進水溫度℃ | 水溫差℃ | ||
2003年6月-2006年3月 | 1200 | 0.4～0.5 | ＜50 | 0.6～1.1 |
2006年3月-2007年1月 | 1520 | 0.9 | ＜33 | 0.8～1.2 |
2007年1月-2011年6月 | 1600～1700 | 0.9 | ＜33 | 0.9～1.3 |
2011年6月-2012年6月 | 1600～1650 | 1.6 | ＜33 | 0.8～1.4 |
3 爐缸內(nèi)襯的選擇
爐缸內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)形式和耐材品質(zhì)是影響高爐壽命的關(guān)鍵因素之一。陶瓷杯是有利于高爐長壽、冶煉生產(chǎn)、節(jié)能降耗的綜合技術(shù)，應(yīng)用于國內(nèi)外數(shù)量眾多的各級別高爐，并在一些高爐上取得了可喜的實績。0號高爐建設(shè)時，為實現(xiàn)高產(chǎn)、長壽的綜合目標，選擇了炭磚＋陶瓷杯的爐缸內(nèi)襯。
在0號高爐之前，石鋼曾先后采用過高鋁磚、自培炭磚陶瓷砌體、炭磚陶瓷砌體等爐缸內(nèi)襯。盡管那時的生產(chǎn)操作并未采用相似于現(xiàn)今的冶煉強度，但也未獲得預(yù)期的爐役壽命。比較陶瓷杯和陶瓷砌體，可以看到雖然石鋼高爐當(dāng)時采用的陶瓷砌體具有與陶瓷杯類似的一些技術(shù)特征，但陶瓷砌體在持續(xù)穩(wěn)定性、密閉性、熱應(yīng)力釋放等技術(shù)細節(jié)方面差于陶瓷杯內(nèi)襯。含SiC組分的耐火磚用于爐缸區(qū)域（特別是鐵口及以下部位）時，也會發(fā)生影響使用壽命的組分分解。經(jīng)過比較分析，0號高爐采用了由大塊灰剛玉陶瓷杯、莫來石陶瓷墊、優(yōu)質(zhì)炭磚等耐材構(gòu)成的整體式陶瓷杯爐缸內(nèi)襯，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主體耐材的技術(shù)性能見表3～6。
表3 石鋼0號高爐陶瓷墊主要理化性能 | ||||||||||||||||||||||||||
AL2O3 ℅ | Fe2O3 ℅ | Na2O＋K2O ℅ | 體積密度 g/cm3 | 顯氣孔率 ℅ | 耐壓強度 MPa | 殘余線變化，% (1500℃×5h) | 鐵水溶蝕 指數(shù) | |||||||||||||||||||
77.02 | 0.16 | 0.59 | 2.62 | 17.65 | 61.30 | 0.034 | 優(yōu) | |||||||||||||||||||
表4 石鋼0號高爐陶瓷杯壁、風(fēng)渣口組合磚主要理化性能 | ||||||||||||||||||||||||||
AL2O3 ℅ | SiO2 ℅ | 體積密度 g/cm3 | 耐壓強度 MPa | 殘余線變化 (1500℃×5h)，% | 荷重軟化溫度℃ | |||||||||||||||||||||
89.47 | 7.15 | 3.38 | 118 | 0.8 | 1700 | |||||||||||||||||||||
表5 石鋼0號高爐優(yōu)質(zhì)微孔炭磚主要理化性能 | ||||||||||||||||||||||||||
體積密度 g/cm3 | 顯氣孔率% | 耐壓強度% | 導(dǎo)熱率(30℃) W/(m.K) | 抗堿性 | 抗鐵指數(shù) | ≥1μm孔隙率% | ||||||||||||||||||||
1.70 | 15 | 55 | 17 | U | 0.1 | 2 | ||||||||||||||||||||
表6 石鋼0號高爐半石墨磚主要理化性能 | ||||||||||||||||||||||||||
體積密度 g/cm3 | 顯氣孔率% | 耐壓強度 MPa | 抗折強度MPa | 氧化率% | 導(dǎo)熱率，W/（m.K） | |||||||||||||||||||||
室溫 | 300℃ | 600℃ | 800℃ | |||||||||||||||||||||||
1.69 | 11.71 | 44.93 | 11.93 | 5.64 | 7.15 | 10.26 | 12.77 | 12.66 | ||||||||||||||||||
0號高爐的爐底滿鋪砌筑4層大塊炭磚、爐缸側(cè)壁砌筑7層大塊環(huán)形炭磚，鐵口至風(fēng)口組合磚下沿砌筑13層小炭磚。爐底的最上層和爐缸側(cè)壁7層大塊環(huán)形優(yōu)質(zhì)微孔炭磚，爐底下3層大塊半石墨磚。
爐底、爐缸炭磚的熱面采用整體式陶瓷杯內(nèi)襯。爐底陶瓷墊為莫來石質(zhì)耐火磚環(huán)形砌筑，爐缸陶瓷杯壁為灰剛玉大塊組合式。普通部位的陶瓷杯壁厚度為300mm，鐵口區(qū)及以下的關(guān)鍵部位逐漸加厚至600mm。風(fēng)口、渣口采用灰剛玉大塊組合磚，鐵口框內(nèi)襯為大塊灰剛玉磚和澆注料復(fù)合構(gòu)成。
與陶瓷砌體內(nèi)襯比較，0號高爐采用的陶瓷杯具有的主要特點為：
（1）陶瓷杯壁采用電熔剛玉為主原料，引入特種結(jié)合劑、添加劑，經(jīng)高溫?zé)崽幚淼臓t缸專用耐材制品，具有組織致密、抗侵蝕性好、強度適宜等綜合性能。
（2）陶瓷杯壁砌體為單環(huán)結(jié)構(gòu)，磚縫數(shù)量少，具有良好的持續(xù)穩(wěn)定性和密閉性。同時，根據(jù)使用環(huán)境、材料特性等選擇了2±1mm的磚縫寬度，設(shè)置了高溫緩沖材料等，避免了頂緊砌筑時材料膨脹所導(dǎo)致的應(yīng)力影響等。
（3）爐底陶瓷墊為電熔莫來石為主原料的高抗蝕耐火磚，采用環(huán)形砌筑。陶瓷墊與周圍炭磚、陶瓷杯壁之間采用能釋放熱應(yīng)力的細部結(jié)構(gòu)，消除了不同材料熱膨脹的互相影響。
（4）每個風(fēng)口、渣口套的上下各設(shè)置1塊異形上環(huán)磚、下環(huán)磚，環(huán)磚下砌筑大塊蓋磚，從而形成了磚縫數(shù)量少、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容易砌筑的整體式結(jié)構(gòu)。為消除爐缸側(cè)壁內(nèi)襯膨脹對風(fēng)口設(shè)備的影響，風(fēng)口和冷卻設(shè)備漏水對爐缸耐材的危害，風(fēng)口組合磚中設(shè)置了隔水板、膨脹緩沖材等。
4 爐缸內(nèi)襯的砌筑
爐缸內(nèi)襯的砌筑施工包括炭磚、陶瓷杯、風(fēng)口渣口組合磚以及配套的各種不定形耐火材料、爐底炭磚下的扁鋼網(wǎng)、測溫?zé)犭娕及惭b等。砌筑施工歷時22天，實際作業(yè)時間約17天。
為了保證施工質(zhì)量、縮短作業(yè)周期，結(jié)合爐底、爐缸內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)特點，施工作業(yè)中采取如下方法和措施。
（1）在爐腹部位安裝了隔斷吊盤，吊盤下設(shè)置有可周向、徑向走行的電動葫蘆，實現(xiàn)了大塊炭磚、陶瓷杯和組合磚大塊制品的順利就位、砌筑等。
（2）炭磚砌筑不再采用傳統(tǒng)型式的真空吸盤，而改用規(guī)格、尺寸與陶瓷杯等大塊制品相同的特殊吊具。砌筑時，磚塊就位更加快速、準確，安全性也得到提高，加快了施工速度。炭磚、陶瓷質(zhì)大塊制品的吊裝孔在砌筑完成后，用碳素搗打料、剛玉澆注料填充。
（3）施工中，利用水準儀、靠尺、調(diào)節(jié)螺栓等控制爐底扁鋼網(wǎng)的不平整度＜0.5mm，爐底、爐缸砌體基面的爐底碳搗料的不平整度從而達到＜1mm，為后續(xù)的內(nèi)襯砌筑質(zhì)量奠下了良好基礎(chǔ)。
（4）為確保砌筑質(zhì)量、節(jié)省施工時間，砌筑爐底炭磚時，采用了先按砌筑順序?qū)⑻看u預(yù)擺在爐底，然后平移至砌筑位置的施工方式。
（5）微孔炭磚的干砌施工中，嚴格控制膠泥磚縫寬度和3m靠尺平整度等，獲得了優(yōu)秀的砌筑質(zhì)量。
（6）填充炭磚與冷卻壁間、炭磚與陶瓷杯間的填縫時，通過嚴格控制一次填充高度、壓下量和振搗強度等，獲得良好的填充密實度。
（7）在炭磚和陶瓷杯需要交叉施工的部位，先砌筑陶瓷杯，后砌筑炭磚。
（8）大塊陶瓷杯砌筑中，拉線控制大塊磚的砌筑位置與精度等。
（9）鐵口以上的小塊炭磚與冷卻壁采用寬縫砌筑，填充碳素搗打料。
通過上述主要措施的采用，爐底、爐缸的炭質(zhì)砌體獲得了優(yōu)于設(shè)計要求的磚縫、標高、平整度砌筑質(zhì)量。大塊陶瓷杯磚砌筑位置準確、磚縫寬度適宜、泥漿飽滿度達97%以上，炭磚與冷卻壁、陶瓷杯之間的填料密實等，為高爐長壽奠下了良好的砌筑基礎(chǔ)。
5 長壽操作與生產(chǎn)維護
高爐長壽實踐證明，邊緣氣流的發(fā)展程度、冶煉強度的高低、爐況波動幅度與頻率、堿金屬富集等對爐役壽命有明顯影響。冶煉生產(chǎn)的長壽型操作、生產(chǎn)維護是實現(xiàn)高爐長壽不可或缺的關(guān)鍵舉措之一。0號高爐投產(chǎn)后，在送風(fēng)制度、熱制度、造渣制度、爐體維護等方面采取了長壽型的操作、維護，并于爐役末期采用鈦球護爐，實現(xiàn)了高爐的高效、長壽、
5.1 送風(fēng)制度的選擇
開爐伊始，0號高爐就確立了穩(wěn)定中心、兼顧邊緣氣流的送風(fēng)控制原則。實際操作中，綜合原燃料狀況、爐役周期和生產(chǎn)強化冶煉程度，結(jié)合上部調(diào)劑而采用加大風(fēng)口長度，縮小風(fēng)口面積等措施，以抑制爐役后期邊緣煤氣流容易過度發(fā)展、冷卻壁燒壞、磚襯侵蝕加劇等。在2012年爐役末期時，生產(chǎn)操作及時調(diào)整風(fēng)口布局，風(fēng)口的進風(fēng)面積由0.1400㎡逐步縮小至0.1356㎡，風(fēng)口的長度由310mm逐步調(diào)整為340mm（如圖2、3所示）。同時，局部冷卻壁水溫差急劇升高時，臨時封堵附近風(fēng)口，高爐進風(fēng)面積縮小至0.1256㎡。結(jié)果表明：這些措施提高了風(fēng)速，抑制了邊緣煤氣流的過度發(fā)展，加大了風(fēng)口回旋區(qū)與爐墻的距離，有效地降低了邊緣熱流強度，減緩了冷卻壁和爐缸爐體磚襯的侵蝕。
5.2 穩(wěn)定熱制度、采用合理的造渣制度
沒有穩(wěn)定的熱制度和合理的造渣制度，渣鐵成分不穩(wěn)定、流動性低，料柱的透氣性、透液性變差，爐況順行難以保證，增強的爐缸鐵水環(huán)流會加劇磚襯損壞。0號高爐生產(chǎn)操作采用的熱制度、造渣制度主要有：
（1）控制生鐵〔Si〕含量為0.45%～0.60%，保證鐵水溫度不低于1460℃，并嚴格四班統(tǒng)一操作，確保一定的生鐵〔Si〕含量穩(wěn)定率；嚴禁長期下限爐溫操作，連續(xù)3次爐溫低于下限時要采取提高爐溫的操作措施。
（2）控制爐渣二元堿度為1.15±0.5、生鐵〔S〕含量＜0.030%。偏離此范圍時，應(yīng)及時調(diào)整R2。另外，為了確保適宜的爐渣流動性，控制渣中（MgO）含量為9.0%～10.0%。
5.3 定時排堿
堿金屬、Zn等在爐內(nèi)的富集明顯影響路況順行、加劇內(nèi)襯侵蝕、影響高爐壽命。隨原燃料品質(zhì)下降，這些有害物入爐量的增加，耐材內(nèi)襯面臨更加嚴峻的侵蝕。0號高爐雖然采用了抗堿性良好的優(yōu)質(zhì)微孔炭磚，抗侵蝕性和持續(xù)密閉性優(yōu)秀的整體式陶瓷杯內(nèi)襯，但為最大程度地降低堿金屬等有害元素的危害，生產(chǎn)中仍注重了對堿金屬等有害元素的操作控制。日常生產(chǎn)中嚴格監(jiān)控堿金屬入爐量＜4kg/t、ZnO＜0.45 kg/t。在出現(xiàn)有害物入爐量超過規(guī)定值時，每半個月進行1次排堿操作。
5.4 維護修整爐型與人工造襯
隨著冶煉強度提高、爐役延長、設(shè)備老化、冷卻壁破損、磚襯侵蝕、爐喉鋼磚變形等，高爐穩(wěn)定順行將受到嚴重影響，進而影響爐役壽命。為降低這些影響，0號高爐于2007年8月、2008年12月重新砌筑了爐腰以上的磚襯；2012年4月重新砌筑爐腰以上磚襯的同時，還更換了爐腹、爐腰及爐身共4段冷卻壁。這些措施對于維護合理爐型、控制煤氣流適宜分布、保持爐況穩(wěn)定順行起到了積極作用。
鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度于2011年4月19日逐步升高之后，在根據(jù)公司整體生產(chǎn)平衡安排的2011年8月年修中，爐腰以上進行了噴涂造襯修整內(nèi)型，鐵口至風(fēng)口的爐缸區(qū)域進行了澆筑造襯修整爐缸。復(fù)風(fēng)后，鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度回落至安全范圍，實現(xiàn)了爐役后期的安全生產(chǎn)。
5.5 鈦球護爐
2011年8月，澆筑造襯、修整爐缸后，鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度基本穩(wěn)定在9.3～11.6kW/㎡。2012年1月中旬開始，鐵口兩側(cè)冷卻壁的熱流強度出現(xiàn)超過11.6kW/㎡的情況；爐缸第二段冷卻壁局部熱流強度從3月也開始升高，尤其4號和15號冷卻壁超過11.6kW/㎡。為保證爐役后期安全生產(chǎn)，0號高爐于3月25日開始配加鈦球護爐。操作中，控制鈦球加入量為30～40kg/t，〔Si〕為0.45%～0.60%，〔Ti〕為0.100%以上，R2的上限控制為1.15±0.5，鐵水溫度保持在1460℃以上，以此來保證在高溫強還原性氣氛中，鈦球中的TiO2轉(zhuǎn)化為TiC、TiN及Ti(C,N)等高熔點物質(zhì)，沉積在爐底爐缸部位形成難熔的護爐層，延長高爐壽命。采用鈦球護爐后，位于鐵口兩側(cè)的1、28號冷卻壁的熱流強度下降，并穩(wěn)定在10.5～12.8kW/㎡，爐缸第2段的4、15號冷卻壁的熱流強度降至9.3 kW/㎡以下，爐況穩(wěn)定順行，成功地減緩了爐缸、爐底的后期侵蝕速率，取得了比較明顯的護爐、穩(wěn)定爐況順行的效果。
6 結(jié)語
（1）石鋼0號高爐采用整體式陶瓷杯＋優(yōu)質(zhì)炭磚內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)良的材料品質(zhì)以及優(yōu)秀的施工質(zhì)量為該高爐的高效、長壽奠下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
（2）冶煉生產(chǎn)中，通過對冷卻系統(tǒng)的強化管理，及時調(diào)節(jié)、適當(dāng)控制邊緣煤氣流，調(diào)節(jié)風(fēng)口回旋區(qū)，采用穩(wěn)定的熱制度和造渣制度，控制有害元素入爐量與爐內(nèi)的富集等減緩了爐缸內(nèi)襯的侵蝕速率，爐役后期的造襯、鈦球護爐取得了積極效果等，保證了爐役末期法人安全生產(chǎn)。
（3）0號高爐在建設(shè)、生產(chǎn)中貫徹的現(xiàn)代高爐高效、長壽是一個決定于設(shè)計、耐材品質(zhì)、施工質(zhì)量及生產(chǎn)操作與維護的綜合課題的理念，獲得了11500t/m3單位爐容產(chǎn)鐵量、8.9年爐役壽命的優(yōu)秀成績，創(chuàng)國內(nèi)小型高爐高效、長壽的最好水平。
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