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 | 風量 | 熱風溫度 | 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)高溫熱處理的爐缸專用耐材制品，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)襯膨脹對風口設(shè)備的影響，風口和冷卻設(shè)備漏水對爐缸耐材的危害，風口組合磚中設(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)、測溫熱電偶安裝等。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)劑而采用加大風口長度，縮小風口面積等措施，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)整風口布局，風口的進風面積由0.1400㎡逐步縮小至0.1356㎡，風口的長度由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，臨時封堵附近風口，高爐進風面積縮小至0.1256㎡。結(jié)果表明：這些措施提高了風速，抑制了邊緣煤氣流的過度發(fā)展，加大了風口回旋區(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，鐵口至風口的爐缸區(qū)域進行了澆筑造襯修整爐缸。復(fù)風后，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)、適當控制邊緣煤氣流，調(diào)節(jié)風口回旋區(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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