謝明輝，車玉滿，李曉春

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠7號高爐（2580 m3）第七代爐役于2004年9月11日開爐，設有30個風口，3個鐵口，采用串罐無料鐘爐頂，配置4座外燃式熱風爐，應用爐頂TRT余壓發(fā)電等先進技術。7號高爐第七代爐役設計使用壽命15年，并首次在爐缸關鍵部位引進德國SGL微孔炭磚，爐缸、爐底采用微孔炭磚與陶瓷杯相結合的結構。爐底第1層取消高導熱石墨炭磚，在爐底第1層、第2層和第3層砌筑350 mm厚國產(chǎn)半石墨炭磚，第4層砌筑350 mm厚國產(chǎn)微孔炭磚，第5層砌筑600 mm厚德國SGL公司7RD-N微孔炭磚。爐缸環(huán)炭第1層到第6層砌筑德國SGL公司7RD-N微孔炭磚，鐵口以上砌筑國產(chǎn)模壓半石墨-SiC小塊炭磚。爐缸熱面砌筑國產(chǎn)大塊陶瓷杯，爐底熱面砌筑質(zhì)量較差剛玉莫萊石磚構，風口組合磚為灰剛玉大塊組合磚，每個風口組合磚由上下兩塊磚組成［1］。

7號高爐開爐非常順利，開爐1周內(nèi)利用系數(shù)超過 2.0 t/（m3·d），投產(chǎn)后1個月最高日產(chǎn)達到6 500 t，利用系數(shù)超過2.5 t/（m3·d）。但在2017年5月，爐缸2段單塊冷卻壁熱流強度達到19.6 kW/m2，且爐缸炭磚原始檢測電偶幾乎全部損壞，存在安全隱患。為了保證7號高爐爐役末期安全，有效延長一代爐役使用壽命，對爐缸侵蝕狀況進行了分析，并采取了一系列維護措施，本文對此做一介紹。

1 高爐爐缸侵蝕狀況

7號高爐爐缸第1～6層環(huán)炭侵蝕情況需重點關注，每層安裝8點16支電偶，監(jiān)控炭磚溫度變化。2013年5月以后，原始熱電偶逐漸損壞，為有效監(jiān)控爐缸炭磚溫度，在爐缸第1～3層環(huán)炭密集布置新增加電偶。隨著7號高爐爐役延長，高爐爐缸炭磚溫度、爐缸冷卻壁熱流強度持續(xù)上升。2017年局部爐缸、爐底的熱電偶溫度大幅度上升。2017年7月1日，20號風口下方第2段30#～31#冷卻壁炭磚溫度持續(xù)升高，新增加電偶溫度由179℃上升至近年最高值303℃，熱流強度達到15.01 kW／（m2·h），次月2段28#～29#冷卻壁溫度達到歷史最高值361℃，熱流強度達到19.6 kW／（m2·h），檢測數(shù)據(jù)表明，爐缸炭磚已被嚴重侵蝕，高爐進入爐役末期，需要重點維護。

2 高爐爐役末期維護措施

2.1 重視爐役末期護爐

（1）對熱負荷高部位2段29#冷卻壁采用管道泵加壓供水，單管水量32 m3/h，流速3.0 m/s。同時，保證軟水總流量不低于3 700 m3/h，其它冷卻壁單管水量23 m3/h，流速2.18 m/s，保證足夠冷卻強度。

（2）從接線頭處檢查熱電偶損壞情況，盡可能多地恢復爐缸熱電偶,新增檢測電偶采用1點2支布置方式。其中，環(huán)炭1層增加27點54支，電偶插入深度30 mm；環(huán)炭2層增加12點24支，電偶插入深度30 mm；環(huán)炭3層增加21點42支，電偶插入深度60 mm。

（3）在2段冷卻壁部位安裝高精度無線爐殼測溫溫度計46支，覆蓋每塊冷卻壁，遠程監(jiān)控爐殼溫度，確保最后防線。

（4）在2段冷卻壁進出水管安裝高精度進水和出水溫度計各46支，誤差0.05℃，覆蓋每塊冷卻壁，每小時自動計算每塊冷卻壁單個水管的熱流強度和水溫差。

2.2 重新建立高爐爐缸長壽監(jiān)測體系

7號高爐已經(jīng)到了爐役末期，爐缸、爐底安全隱患問題越發(fā)突出，需要重點監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況。由于爐缸新增檢測電偶插入深度與原始電偶不同，因此，利用傳熱學原理等理論重新建立7號高爐爐缸長壽監(jiān)測體系。

2.2.1 建立爐缸監(jiān)控數(shù)學模型

對于爐缸部位單塊冷卻壁，利用爐殼溫度、冷卻壁單管水溫差、新增加炭磚電偶溫度作為輸入?yún)?shù)，建立爐缸監(jiān)控數(shù)學模型，計算各監(jiān)測點部位炭磚剩余厚度、渣鐵凝固層厚度［2］，采用數(shù)據(jù)表格、趨勢曲線等形式顯示爐缸侵蝕狀態(tài)，為高爐操作者提供詳細數(shù)據(jù)，為采取有效護爐措施提供依據(jù)。

在穩(wěn)定條件下，爐缸內(nèi)襯是“被侵蝕”與“自修復”的循環(huán)過程。高爐爐缸傳熱體系結構示意圖見圖1。

圖1 高爐爐缸傳熱體系結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Heat Transfer System Structure of BF Hearth

在高爐生產(chǎn)過程中，爐缸內(nèi)襯所承受的熱量沖擊必須由冷卻壁中冷卻水帶走，也就是炭磚所承受熱負荷與冷卻壁中冷卻水帶走的熱負荷達到平衡。熱量輸入端為爐缸內(nèi)襯所承受的熱負荷，爐缸內(nèi)襯介質(zhì)包括冷卻壁與炭磚之間的碳素搗料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼；熱量輸出端為冷卻壁中冷卻水帶走的熱負荷，介質(zhì)為冷卻水。

（1）熱量輸出端熱流強度利用冷卻水溫差計算，具體見式（1）和式（2）。

式中，Q為熱負荷，kJ/h；c為冷卻水比熱容，kJ/（kg·℃）；m 為冷卻水流量，m3/h；，t1、 t2為冷卻水進出溫度，℃；q出為熱量輸出端熱流強度，kW/m2；F 為冷卻面積，m2。

（2）熱量輸入端熱流強度計算，見式（3）。

式中，q入為熱量輸入端熱流強度，kW/m2；tp為渣鐵凝固層溫度，℃；t0為碳素搗料層溫度，℃；x1為搗料層厚度，m；λ1為搗料層導熱系數(shù)，W/（m·K）；x2為炭磚厚度，m；λ2為炭磚導熱系數(shù)，W/（m·K）；x3為陶瓷杯厚度，m；λ3為陶瓷杯導熱系數(shù)，W/（m·K）；x4為渣鐵凝固層厚度，m；λ4為渣鐵導熱系數(shù)，W/（m·K）。

2.2.2 建立高爐爐缸長壽安全預警值

設定保證爐缸炭磚剩余厚度極限值為300 mm，利用爐缸監(jiān)控數(shù)學模型反算爐殼溫度、水溫差、熱流強度預警值，規(guī)定爐缸安全預警值見表1。

表1 爐缸安全預警值Table 1 Safety Warning Values for Furnace Hearth

2.3 建立正確操作制度

高爐操作方針確定為“高硅、高鈦、高風、高壓”，爐溫控制以0.5%～0.7%為基準，爐渣堿度控制在1.15～1.20，鐵水含鈦控制在0.08%～0.20%。

（1）采取“雙高”操作護爐措施

在采用釩鈦礦護爐期間，由于鐵水［Ti］含量及爐渣（TiO2）含量增加，降低了渣鐵的流動性,給高爐順行帶來不利影響。為了改變鈦球?qū)Ω郀t順行的影響，建立“雙高”作法，即高溫高鈦操作法，實現(xiàn)加鈦不破壞高爐順行的目的［3］。

（2）采取“雙全”操作護爐措施

“雙全”操作法即全風全壓操作，全風量，減少或停止富氧量。當發(fā)現(xiàn)爐芯溫度逐漸下降，爐底中心溫度低于次中心溫度，而且爐缸邊緣溫度逐漸上升，爐缸呈現(xiàn)堆積跡象時，及時采用“雙全”操作方法。適當縮小風口面積，提高鼓風動能，吹透中心，提高爐缸工作狀態(tài)，消除爐缸堆積。如果風口面積過大，則風速和鼓風動能不足，邊緣氣流發(fā)展，中心氣流不足，造成死料柱增大，發(fā)生中心堆積，爐芯溫度下降；但是如果風口面積過小，則鼓風動能增大，風速過高，造成焦炭在回旋區(qū)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)互相碰撞，發(fā)生嚴重粉化，影響爐缸透氣性和透液性。因此，根據(jù)高爐特點和原燃料條件，按照產(chǎn)能與風口面積匹配程度，回旋區(qū)面積等于爐缸面積1/2的原則，確定不同產(chǎn)能時的風口面積，制定7號高爐風口面積控制標準見表2。

表2 7號高爐風口面積控制標準Table 2 Control Standard for Tuyere Area of No.7 BF

在爐役末期，根據(jù)爐缸侵蝕狀態(tài)和活躍狀態(tài)標準，確定冶煉強度、風量、富氧量、風口面積、操作焦比，適當提高高爐生產(chǎn)規(guī)模。

3 實踐效果

對7號高爐2017年3月的爐缸炭磚檢測溫度、冷卻水溫差和熱流強度進行綜合模擬計算，得出爐缸局部炭磚剩余厚度已經(jīng)下降到300 mm左右，高爐進入爐役末期。通過加強高爐安全管理與監(jiān)控，采取一系列高爐爐役末期維護措施，截至2020年12月，7號高爐第七代爐役壽命已達16年3個月，單位爐容產(chǎn)量為11 675 t/m3，兩項指標均創(chuàng)鞍鋼高爐一代爐役指標新紀錄，實現(xiàn)了高爐高效、長壽的目標。

4 結語

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠為了確保7號高爐爐役末期安全，有效延長一代爐役壽命，加強了高爐安全管理與監(jiān)控，采取了重視爐役末期護爐、重新建立高爐爐缸長壽監(jiān)測體系、建立正確操作制度等維護措施，截至2020年12月，一代爐役壽命達到16年3個月，單位爐容產(chǎn)量為11 675 t/m3，實現(xiàn)了高爐高效、長壽的目標，值得參考和借鑒。