影响高炉寿命因素的分析

daselang

影响高炉寿命因素的分析

摘要：高炉的寿命长短决定于炉缸的寿命或炉腹、炉腰的冷板寿命。近年来由于上部冷却结构、冷却制度和方式不断优化，炉缸寿命成为限制高炉寿命的主要环节。本文从高炉设计、日常操作和后续维护等方面就高炉寿命及护炉操作等进行了阐述。
关键词：炉缸寿命  护炉操作

1  前言
高炉寿命的长短一方面取决于炉缸的寿命；另一方面取决于炉腹、炉腰的冷板寿命。随着近十几年来铜冷板的使用和铸铁冷板质量以及水功能的优化，高炉通过中修对部分冷板进行更换或者炉墙喷涂造衬能实现较长的一代炉龄，因此炉缸的寿命成为决定高炉寿命的主要因素。炉缸的形式多种多样，要想长寿，就应该在炉缸的材质、结构、砌筑的方式、炉底炉缸的水冷方式以及功能等方面形成最优的组合。概括起来讲，高炉长寿一方面在于炉缸本身的设计和施工；另一方面是后续的操作维护。
2 保证高炉长寿的基础—炉缸设计
炉缸设计包括炉缸的结构组成、材质选择、冷却制度选择、砌筑标准制定以及死铁层的厚度选择等。
2.1  炉缸的结构组成
炉缸的结构组成一种是炭砖和陶瓷杯结合的复合炉底；另一种是以炭砖为主的炉底。前者的设计观念认为炭砖抵抗铁水溶蚀难以实现，通过使用高致密度、高耐火度的陶瓷材质抵抗高温铁水的冲刷和侵蚀，并利用其低导热的性能将炉内的热量隔绝在炭砖热面以内。这种设计的缺点是陶瓷材料与炭砖之间导热系数相差较大，两层之间的炭素胶泥容易形成热应力，导致开裂，炭砖传热受阻，炉内不易形成稳定的渣铁壳，一旦陶瓷材料冲刷掉后，炭砖容易产生环裂等，因此要求陶瓷材料具备较高的致密度和耐火度。后者的设计观念是通过选用高导热的炭砖将炉内的热量及时经炭砖导出，在炭砖的热面形成渣铁凝固层（1150℃永固层），保护炭砖，实现炉缸的安全长寿。这一设计的缺点是一旦炭砖侵蚀或缝隙串煤气，炉缸热流强度会急剧升高，且不易有效控制，对生产存在较大安全隐患，因此要求较高的砌筑质量。这两种设计均有长寿的事例，但也均出现过渗铁、漏铁和炉缸烧穿的事故。
2.2  材质的选择
炉缸材质的选择包括种类和标准两方面。材质种类上一方面主要是铁口区域，选择棕刚玉组合砖还是炭素质组合转要根据实际情况和综合炉缸设计进行选择；另一方面是炉缸侧面不同标高对应炭砖的种类选择，包括石墨砖、半石墨砖、微孔砖和超微孔砖，主要是考虑和平衡炭素材料的抗铁水溶蚀性能和导热系数高低。标准上主要是针对几个重要的指标，包括高温耐压强度、热膨胀率、铁水炉渣溶蚀指数和致密度等。
2.3  冷却制度的选择
炉缸冷却制度包括冷却方式、水质、水量三个方面。冷却方式目前主要有两种，一种是软水或纯水闭路循环冷却；另一种是工业水或纯水开路冷却。前者可以承受热流密度的大幅波动，无结垢，无腐蚀，且耗水少，但对局部冷却制度的强化难以实现；后者技术装备简单，通用性强，可实现局部的强化冷却控制，但耗水量大。具体选择要根据地区区域性和炉缸的砖衬组合方式来定。水质要求悬浮物要少、硬度要低，软水闭路具有较优的冷却水质，开路冷却需要定期对冷板进行清洗和冷却水加药净化。水量是控制冷却强度主要因素，核心是控制冷却壁内冷却介质的流速。无论选择哪种冷却方式，最基本要求是必须满足一定的冷却强度，以实现稳定热负荷操作。
2.4  砌筑标准
炉缸砌筑质量差是近年来发生炉缸烧穿事故的重要因素，有的高炉在开炉后较短时间便出现炉缸侧壁热流强度或炉底中心热电偶温度的急剧升高，大修挖炉时发现砖缝渗铁严重，甚至炉缸残铁中存在完整的炭砖。砌筑质量差，导致砖缝较宽，致密度差，碱金属、Pb等容易进入砖衬，进而破坏砖层完整度，加剧炉缸耐材的侵蚀和冲刷，严重缩短炉缸寿命。
2.5  死铁层的厚度
保持一定的死铁层厚度是有效缓解炉缸铁水环流对炉底冲刷侵蚀的关键因素。近年部分高炉大修发现炉底第一层，甚至第二层炭砖中心侵蚀严重，即“锅底状”侵蚀，较小的死铁层厚度是造成这一侵蚀的重要因素。现阶段国内大型高炉的死铁层厚度在1.5-2m，日本还要高于这一数值。
3  决定高炉长寿的关键—后续维护
炉缸设计合理是保证炉缸寿命的基础，高炉后续的维护工作是保证炉缸寿命的关键，包括原燃料质量的管控、有害元素的控制、炉缸工作状态的监护、高炉操作的优化、护炉操作以及应急预案制定等。部分专家认为高炉能实现长寿，起决定作用的是高炉操作者的后续维护工作。比如，首钢本部高炉一代寿命可达到15年左右，炉缸热流强度均可控，基本不超41800kJ/m2·h，但是迁钢高炉采用与本部基本相似的结构，热流强度在炉役初期却升高，甚至超过83600kJ/m2·h，首钢一些专家认为部分原因是操作不合理造成的。
3.1  原燃料质量管控
随着高炉的大型化，对原燃料质量的要求也逐步提高，尤其是焦炭的质量。现阶段钢铁市场整体效益不好，加大消化劣质矿种的比例成为降低铁水成本的关键，如果说单纯实行“精料”方针比较难以实现，也不现实，但是一些基本的共识还必须坚持。就原料而言，品位低一些、Al2O3高一些、SiO2高一些均会导致高炉渣量的增加，最直接的反应是燃料比的增加和料柱透气性的变差，这些变化只要保持在一定的范围，高炉操作通过制度的调整可以缓解高炉压差的升高幅度，进而保证顺行，但是矿石的还原性、高温冶金性能不能降，如果还原性差、软熔温度低、区间宽，这不仅影响燃料比的高低，最主要是直接影响炉内气流和炉内热量的分布，严重会出现炉况失常，高炉表现为长时间的三低两高（低负荷、低炉温、低煤气利用率和硅高、硫高）。就燃料而言，主要是焦炭，焦炭S、水份、灰分可适当放宽，但焦炭的冷热强度和炉内较好的燃烧性不能降。随着炉容的不断增加，焦炭负荷增加，焦层厚度呈降低趋势，对上部和下部的透气性均产生较大影响，而焦炭具备一定的冷热强度是保证上部块状层和下部焦窗透气性的关键。高炉正常生产时，炉底死焦层的更新和透液性好坏决定了炉缸铁水环流的强弱，而铁水的环流是影响炉缸寿命的主要因素，从这个角度考虑也需要保证焦炭较好的质量。此外，据迁钢技术人员反映，在炉缸温度升高时，压差增加会加剧这一升高趋势，且对护炉操作产生不利影响。因此，在目前品位降低、渣量增加、焦炭灰分和硫分升高的原燃料条件下，保持一定的共识是有必要的。
3.2  有害元素的控制
有害元素的控制是炼铁操作者长期以来坚持的原则，但是关于部分元素对炉缸寿命的影响应该重新进行认识，主要是碱金属和Zn。过去认为碱金属和Zn富集是炉身上部结厚结瘤的罪魁祸首，但近年来一些专家提出这两者也是破坏炉缸耐材结构，缩短炉缸寿命的因素。碱金属30%随煤气上升，其中一部分随炉料下降，在高炉下部形成碱金属的循环富集，剩余的碱金属对陶瓷质耐材的破坏是与Al2O3、SiO2反应，生成低熔点化合物，还与耐材中的莫来石（3Al2O3·2SiO2）反应，同时产生30%-50%的体积膨胀，破坏砖衬。碱金属对炭质耐材的破坏是一方面在炉内高CO气氛下与砖中的氧化亚铁发生反应，降低砖的耐压强度；另一方面是嵌入石墨晶格平面间，生成层状物，使晶格间距变大，砖发生脆化。Zn的作用与碱金属相似，我厂八高炉在炉缸砖缝挖出的黄色致密物，检测结果显示含ZnO高达90%，这也说明了这一点。

daselang

3.3  炉缸工作状态的监护
目前新建的大中型高炉在炉缸状态监护方面做得较好，一方面是在炉缸圆周和炉底安装热电偶，对耐材的不同部位进行温度监测；另一方面是通过对冷却水温差进行测量，计算冷板的热流强度。这两方面的监测，目的是衡量炉缸热负荷是否稳定、可控。但在实际的监测过程中，要结合着来分析，如果炭砖本身的导热系数较高，内外层热电偶温度升高，温差较小，但水温差计算热流强度可能较高；相反如果炭砖导热系数较低，热电偶温度升高，虽然温差较大，但水温差计算的热流强度可能较低。因此，在实际生产中应该结合着判断炉缸的热状态，但是，一旦出现突高，无论是热电偶，还是水温差都应该引起高度重视。通过对热流强度的计算，一方面可以估算砖衬的剩余厚度；另一方面是可对炉缸局部侵蚀情况进行判断。关于砖衬厚度部分专家结合实际提出：400m3以下高炉，砖衬厚度极限值为300mm；1000m3级大高炉，砖衬厚度极限值为400-500mm；2000-2500m3大高炉，砖衬厚度极限值为500-600mm；大于3000m3级大高炉，砖衬厚度极限值为600-800mm，这一观点一定程度上可以帮助对炉缸的状态进行判断。炉缸局部侵蚀情况的判断主要是用冷板热流强度结合该部位热电偶的温度进行分析，概括的讲是点面的结合，总公司由总表示两种方式计算出同样高的热流强度，则冷板处更薄弱，这时冷板的局部砖衬可能已经严重侵蚀或者炉内渣铁可能已经接触冷板，因此，当个别冷板热流强度突高时（严重超出控制标准），必须给予足够的重视，并采取对应的措施。我厂在借鉴八高炉的经验基础之上，在九高炉也安装了炉缸侵蚀模型，目前的数据显示结果和冷板热流强度较高的部位基本能够对应，对指导安全生产具有一定的意义。
3.4  高炉操作的优化
高炉操作包括高炉内部操作和炉外操作。对高炉的寿命影响较大，尤其是针对外界变化的调剂，一方面是影响上部冷板的破损程度；另一方面是影响炉缸砖衬的侵蚀程度。80-90年代原燃料的质量不好，高炉顺行度差，因此高炉内部操作上有意发展边缘气流，炉况顺行度明显改善，但是炉腹、炉腰冷板损坏严重，甚至炉皮开裂，影响高炉寿命。21世纪随着高炉的大型化，炉料、焦炭质量明显改善，高炉的顺行关过了，高炉内部操作上也逐步形成“发展中心、兼顾边缘”的原则，在炉况顺行度提高的同时，冷板使用寿命也明显延长，加上炉腹、炉腰铜冷板的使用，炉腹、炉腰的长寿基本解决。高炉内部操作上另一个重要的任务是保持合理的炉缸热量，即保证合理的渣铁温度。研究表明，液态渣铁在炉缸内必须达到一定的温度，才能满足正常穿透死焦层的需要，具体的温度控制还要根据铁种和渣相来定。当温度较低时，渣铁流动性差，不能及时穿透死焦层进入炉缸，一方面是不能及时排净渣铁，导致炉缸负担增加；另一方面是影响死焦层的更替，进而影响炉缸活跃度，一旦采取改善措施，必然会导致铁水对炉缸侧壁的冲刷加剧和热应力的增加，进而影响砖衬的强度和寿命。此外，高炉内部操作还包括开停炉、休复风以及冶强控制等方面，开停炉中影响炉缸寿命最重要的环节是烘炉操作，烘炉操作前期温度控制在500℃以内，只能将炉缸炉底的保护砖或陶瓷杯烘热，炭砖几乎没有加热，炭砖与冷却壁之间的捣打料、冷却壁与炉壳之间的铁屑料也没有加热，开炉后随着炉缸温度急剧升高，炭砖所受热应力加大，捣打料容易出现裂缝，产生气隙，这些均会导致炉缸寿命缩短。为解决这一影响，总公司由总曾建议在烘炉时，可考虑上部不开冷却水，使得冷板热面温度接近60℃，捣鼓料能够很好地固结；还有部分专家提出高炉烘炉时，炉缸冷却壁通热水。休复风操作对炉缸的寿命影响主要表现在频次上，每一次操作必然经历一个冷热交替期和较长的恢复期，影响炉缸工作状态，进而影响寿命。冶强的合理水平也是影响炉缸寿命的关键，高冶强必然是大风量操作和大炉缸煤气量，一方面会加剧炉缸铁水的环流，增加对炉缸的冲刷力度；另一方面炉内压力大，对炉壳的应力作用也更加明显，因此对于一定容积的高炉，应该寻求一个最佳的冶炼强度，进而平衡寿命和产量的关系，实现效益的最大化。国内一些私人钢铁企业极力追求高冶强操作，结果1-2年便发生炉缸热流强度超过警戒值，甚至发生炉缸漏铁烧穿事故。
高炉外部操作直观的表现是铁口的维护，其目的概括起来讲便是及时、安全地出尽炉内渣铁，这就要求一方面必须堵好铁口，保持合理的铁口深度和角度；另一方面必须开好铁口，保持顺畅的铁口孔道。铁口区域是炉缸除风口以外最薄弱的部位，该处长期经受铁水的剧烈冲刷，一般情况下是炉缸热流强度最高的部位，因此维护好铁口的状态是延长炉缸寿命直接手段。
3.5  护炉操作
护炉操作是在炉缸发生局部严重侵蚀，热流强度严重超标时采取的应急补救措施，是在安全生产的前提下，延长高炉运行的有效手段。主要措施有：控制冶强、加钛矿护炉、提高冷却强度、调整风口参数或堵风口、炉缸打浆、风口喂线以及铁口炮泥加Ti粉等。护炉操作严格上讲应该分两个阶段和两个种类，两个阶段即消除期和缓解期；两个种类即炉底护炉和炉缸壁护炉。消除期表示这时炉缸的侵蚀不严重，炉缸热电偶温度或者冷板热流强度只是局部升高至警戒水平，总公司由总表示炉缸的维护预防高于治理，针对这一现象，整个系统必须引起高度重视，并要及时采取应对措施，这一时期炉缸的侵蚀不会很严重，可能是陶瓷杯局部侵蚀掉或者炭砖砖缝小幅渗铁等，通过铁水增钛、提高局部冷却强度、缩小风口等措施即可实现炉缸的安全运行，虽然没有本质地消除这些缺陷，但效果等同于新炉子冶炼；缓解期表示炉缸侵蚀严重，炭砖残余厚度不多，可能刚满足安全生产的极限厚度，即使采取各种措施，效果也只能是缓解，而不能达到新炉子冶炼的效果，这时采取的措施更多，包括铁水高钛量、降冶强、临时或长时间堵风口以及风口喂线等，生产组织更加复杂，难度更大，效果也可能不太明显。此外，炉缸不同部位护炉机理不同，采取的护炉措施也不同，包括包钢、攀钢等部分企业认为钛矿护炉对炉缸侧壁的保护作用基本没有，但是首钢的经验认为钛矿对侧壁保护有一定作用。就国内普遍的认识而言，炉缸侧壁的保护机理是希望在已侵蚀炭砖热面形成一定厚度的石墨碳和钛碳氮化物，这样就需要提高炉温和铁水Ti含量，增加炉缸的石墨碳沉积和钛碳氮化物沉积，同时必须结合较高的冷却强度，进而形成一定厚度的保护层；有的专家认为可以在炭砖表面形成一定的渣铁凝固层，但是北科大的王筱留教授认为生产中的高炉侧壁炭砖上是没有凝固保护层的，尤其是铁口周边地区，挖炉时发现的凝固层是在放残铁时或放残铁后上部料柱中残余渣铁下滴遇到低温侧壁凝固在上面的，而不是生产时凝结在上面的，但是该区域存在着含石墨碳高和含TiC，TiN，Ti（C，N）（用含TiO2物料护炉时）的粘滞层，这一粘滞层起到了隔离铁水主流与炭砖的接触，减弱了主流铁水对炭砖的侵蚀，但不能消除侵蚀作用，如果因某些原因粘滞层遭到冲击而进入高温铁水，不饱和碳铁水流才会进而对炭砖机械冲刷和溶解形成象脚形侵蚀。因此，在用钛矿护炉或石墨碳机理护炉时，必须持续的进行，铁水Ti含量可根据热流强度的变化做调整，但必须保持一定的范围，且炉温必须保持较高的水平。
此外，护炉操作还应根据实际的生产情况和炉缸的侵蚀情况制定合理的护炉操作标准，这一标准的制定条件必须结合炉缸热流强度和热电偶温度，按照级别的高低分别采取不同程度的有效护炉措施，这一标准的合理性直接决定能否安全生产，因此必须认真研究制定，可以借鉴国内兄弟企业和专家学者的观点。就首钢系统观点而言，炭砖—陶瓷杯复合炉底炉缸结构，当侵蚀较轻时，热流强度的变化比较准确；当侵蚀严重时，热流强度已经达到较高水平，这时必须加强对热电偶温度的记录，尤其是当热电偶显示数值突高或损坏时，必须高度重视，甚至必须采取休风凉炉等应急措施。
3.6  应急预案制定
应急预案制定是针对护炉操作而进行的补充，是护炉失效后确保人员安全的关键。应急预案的制定包括事故发生后高炉操作制度和人员撤离方案的制定，其制定原则是一方面必须保证高炉工作者的人身安全；另一方面尽量将损失降至最低。长钢8高炉上代炉龄在应急预案方面较为完善，后续高炉可以借鉴。
4  结语
（1）炉缸设计的合理性是保证高炉长寿的基础，包括炉缸的结构组成、材质选择、冷却制度选择、砌筑标准制定以及死铁层的厚度选择等。
（2）高炉开炉后的操作控制是决定高炉长寿的关键，包括原燃料质量管控、有害元素的控制、炉缸工作状态的监护、高炉操作的优化、护炉操作等。