王紅斌

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

某鋼廠高爐大修擴(kuò)容后,高爐容積由1350 m3增至1650 m3。該高爐采用陶瓷杯結(jié)合半石墨炭磚的復(fù)合爐缸爐底設(shè)計(jì),于2000年11月點(diǎn)火開爐。在投產(chǎn)2年零4個(gè)月后,由于爐底搗料層導(dǎo)熱系數(shù)過低,影響冷卻效果,導(dǎo)致爐底溫度持續(xù)升高。遂及采取在爐底搗料層上鉆孔,安裝冷卻水管的措施,使?fàn)t底溫度趨于穩(wěn)定[1,2]。隨著高爐冶煉的進(jìn)行,爐缸側(cè)壁的侵蝕問題越來越嚴(yán)重,原安裝在爐缸側(cè)壁陶瓷杯和半石墨炭磚交界處(距離爐缸炭磚冷面950 mm)的電偶溫度在運(yùn)行5年后上升至900℃,大部分?jǐn)?shù)據(jù)開始失真。為了繼續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐缸側(cè)壁侵蝕的監(jiān)控,高爐運(yùn)行6年后,在距爐缸冷面50～300 mm處新安裝了32支測(cè)溫電偶。此后爐缸電偶溫度繼續(xù)升高。9年后,這些靠近冷面的新增電偶的最高平均溫度也已經(jīng)超過650℃,個(gè)別點(diǎn)甚至超過了800℃。此外,部分靠近冷面的電偶溫度反而大于同標(biāo)高下靠近熱面的電偶溫度。在此情況下,筆者采用了北京科技大學(xué)程樹森實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)模型[3,4],對(duì)爐缸侵蝕剩余厚度做出了判斷,明確了導(dǎo)致異常侵蝕的原因,并進(jìn)而采取了有效的爐缸維護(hù)手段。

1 爐缸異常侵蝕診斷

1.1 填料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)陶瓷杯侵蝕速度的影響

該高爐采用“隔熱法”爐缸,旨在通過爐缸側(cè)壁陶瓷杯的高隔熱來保護(hù)半石墨炭磚。在開爐初期,通過原始安裝的熱電偶監(jiān)測(cè),起到了一定的保護(hù)作用。但是,由于此高爐在爐缸半石墨炭磚和冷卻壁間的填料導(dǎo)熱系數(shù)過低,經(jīng)化驗(yàn)在室溫時(shí)填料導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.85(W/m·K),300℃時(shí)為1.36.在開爐后,雖然陶瓷杯的存在保護(hù)了靠近冷面的炭磚,但同時(shí)填料的熱阻成了冷卻的限制性環(huán)節(jié)。60 mm厚的填料層熱阻相當(dāng)于近850 mm的半石墨碳磚或者是200 mm的陶瓷杯。圖1-a,1-b為填料導(dǎo)熱系數(shù)為1和10的溫度場分布比較,可見導(dǎo)熱系數(shù)過低的填料層存在導(dǎo)致爐缸冷卻很難發(fā)揮作用。圖1-a中不但1150℃侵蝕線更為深入陶瓷杯,而且爐缸爐底拐角處鐵水的固液兩相區(qū)也更小,渣鐵殼很難形成,大大加劇了陶瓷杯的侵蝕速度。

1.2 爐缸炭磚環(huán)裂分析

隨著爐缸陶瓷杯的侵蝕,爐缸總熱阻減小,填料層熱阻所占的比例越來越大。經(jīng)過計(jì)算可知,當(dāng)爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時(shí),填料層熱阻所占比例將達(dá)30%。此時(shí),不僅在1150℃侵蝕線無法被推出陶瓷杯熱面,而且在800℃炭磚脆化線也由于填料層的存在深入到爐缸半石墨炭磚中,如圖2所示。靠近熱面的半石墨炭磚將發(fā)生脆化,且大塊半石墨炭磚的冷面和熱面溫差高達(dá)700℃。冷熱面膨脹系數(shù)不同,將在炭磚內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力大于炭磚破壞應(yīng)力時(shí),將導(dǎo)致炭磚內(nèi)產(chǎn)生裂縫,使該高爐在爐缸部位的爐殼開裂,爐內(nèi)炭磚發(fā)生了環(huán)裂。此外,高爐運(yùn)行中的風(fēng)口漏水、爐內(nèi)堿金屬富集等也會(huì)加劇爐缸炭磚的環(huán)裂[5-7]。

圖1 爐缸側(cè)壁填料層導(dǎo)熱系數(shù)分別為1(1-a)和10(1-b)的溫度場分布

圖2 爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時(shí)炭磚脆化線位置

由于爐缸環(huán)裂,熱電偶將隨炭磚一起被拉向冷面。如圖3所示,電偶數(shù)據(jù)線可能被拉斷或是測(cè)溫探頭偏離了原來的位置,都將對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響,這可能也是該高爐爐缸原始測(cè)溫電偶數(shù)據(jù)失真的重要原因。

圖3 環(huán)裂影響熱電偶測(cè)溫示意

1.3 爐缸側(cè)壁竄氣分析

依據(jù)此高爐爐缸新增電偶的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),利用侵蝕模型的分析結(jié)果,推斷出此爐缸在部分區(qū)域存在著竄氣。表1所示為爐缸相同標(biāo)高下冷面電偶溫度高于熱面電偶溫度的統(tǒng)計(jì),在對(duì)電偶位置進(jìn)行了校對(duì)無誤后,可知爐缸冷卻壁和炭磚間的竄氣是造成溫度異常的主要原因。

表1 爐缸異常電偶溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.4 爐缸侵蝕及環(huán)縫位置計(jì)算結(jié)果

以爐缸爐底熱電偶有效溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用北京科技大學(xué)程樹森開發(fā)的爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)模型,結(jié)合模型中“診斷知識(shí)庫”,對(duì)環(huán)裂和竄氣進(jìn)行判斷和處理。計(jì)算了該高爐爐缸在 55°,105°,155°,205°,255°,305°,355°等剖面的侵蝕內(nèi)型、磚襯剩余厚度和環(huán)縫位置,得出該高爐爐缸侵蝕特點(diǎn)如下。

1)爐缸整體呈現(xiàn)較為明顯的“象腳狀”侵蝕。爐缸爐底拐角處侵蝕最為嚴(yán)重,此部位炭磚剩余厚度平均在750 mm左右,其中255°剖面剩余炭磚最薄為644 mm。如圖4所示。

圖4 255°剖面的侵蝕內(nèi)型和環(huán)縫位置

2)爐缸在圓周和高度方向上都存在較大范圍的環(huán)裂,環(huán)縫分布在距炭磚冷面300～550 mm范圍,部分角度的縱剖面內(nèi)爐缸環(huán)縫從鐵口發(fā)展至爐缸爐底拐角,給高爐壽命帶來隱患。圖5所示為355°縱剖面內(nèi)的爐缸侵蝕輪廓及環(huán)縫位置,拐角最薄剩余炭磚為 713 mm,環(huán)縫距離炭磚冷面300～568 mm。圖6為在不同高度電偶插入深度與測(cè)量溫度的關(guān)系。

3)爐缸環(huán)裂的存在進(jìn)一步加劇了竄氣對(duì)侵蝕的影響,在爐缸部分區(qū)域環(huán)縫內(nèi)的竄氣使得炭磚兩面受熱,必須對(duì)此問題進(jìn)行及時(shí)處理。

圖5 355°剖面的侵蝕內(nèi)型、環(huán)縫及熱電偶位置

圖6 不同高度熱電偶測(cè)量溫度

2 爐缸維護(hù)

依據(jù)爐缸異常侵蝕診斷和計(jì)算結(jié)果,結(jié)合高爐操作技術(shù),采取了有針對(duì)性地爐缸維護(hù)手段。

1)針對(duì)爐缸環(huán)裂,從原料上盡量減少或避免鋅堿金屬入爐,并加強(qiáng)風(fēng)口查漏的巡檢力度,防止外部因素加劇環(huán)裂;從爐缸自身溫度場分布出發(fā),通過加鈦礦護(hù)爐及改用長風(fēng)口,減弱爐缸側(cè)壁受到的沖刷侵蝕,同時(shí)在冷卻壁和炭磚間灌漿,以減小氣隙增加填料層的導(dǎo)熱系數(shù),最終通過“自保護(hù)”渣鐵殼的形成來保護(hù)爐缸炭磚。

2)針對(duì)爐缸竄氣,采用灌漿技術(shù)來消除冷卻壁和炭磚間的氣隙,減少氣體通道,防止炭磚前后受熱。

3)針對(duì)爐缸部分侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域,當(dāng)電偶溫度急劇升高并接近其最高值時(shí),采取臨時(shí)性堵風(fēng)口手段,以迅速避免侵蝕的進(jìn)一步加劇。通過這些維護(hù)手段的采用,該高爐爐缸電偶溫度已保持在歷史最高值以下,實(shí)現(xiàn)了高爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。

爐缸經(jīng)維護(hù)后,在355°剖面熱電偶不同高度溫度值有了明顯改善,如圖7所示。

圖7 維護(hù)后355°剖面不同高度熱電偶測(cè)量溫度

3 結(jié)論

1)該高爐采用陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底,由于爐缸填料導(dǎo)熱系數(shù)過低,導(dǎo)致開爐后陶瓷杯侵蝕過快,可見填搗料導(dǎo)熱系數(shù)的檢驗(yàn)對(duì)高爐壽命至關(guān)重要。

2)利用爐缸侵蝕監(jiān)測(cè)模型對(duì)該高爐爐缸異常侵蝕進(jìn)行了診斷和模擬,明確了爐缸填料導(dǎo)熱系數(shù)過低、風(fēng)口漏水,鋅堿金屬及渣鐵滲入最終導(dǎo)致爐缸出現(xiàn)環(huán)裂和竄氣異常。

3)根據(jù)侵蝕模型計(jì)算,爐缸形成較明顯的“象腳狀”侵蝕,爐缸爐底拐角處炭磚最薄剩余厚度為644 mm,環(huán)縫分布在距炭磚冷面300～550 mm范圍。

4)針對(duì)此爐缸存在的問題,采取了灌漿、加強(qiáng)風(fēng)口漏水巡檢、改換長風(fēng)口等措施。目前,爐缸電偶溫度低于歷史最高值,實(shí)現(xiàn)了高爐的正常運(yùn)行。

[1]何小平,楊志榮,尹素萍,等.太鋼4號(hào)高爐大修爐體破損調(diào)查及改進(jìn)[M].北京:中國鋼鐵年會(huì),2001.

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