炭磚爐缸側壁異常侵蝕診斷研究

王紅斌

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

某鋼廠高爐大修擴容后,高爐容積由1350 m3增至1650 m3。該高爐采用陶瓷杯結合半石墨炭磚的復合爐缸爐底設計,于2000年11月點火開爐。在投產2年零4個月后,由于爐底搗料層導熱系數過低,影響冷卻效果,導致爐底溫度持續升高。遂及采取在爐底搗料層上鉆孔,安裝冷卻水管的措施,使爐底溫度趨于穩定[1,2]。隨著高爐冶煉的進行,爐缸側壁的侵蝕問題越來越嚴重,原安裝在爐缸側壁陶瓷杯和半石墨炭磚交界處(距離爐缸炭磚冷面950 mm)的電偶溫度在運行5年后上升至900℃,大部分數據開始失真。為了繼續實現對爐缸側壁侵蝕的監控,高爐運行6年后,在距爐缸冷面50～300 mm處新安裝了32支測溫電偶。此后爐缸電偶溫度繼續升高。9年后,這些靠近冷面的新增電偶的最高平均溫度也已經超過650℃,個別點甚至超過了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程樹森實驗室開發的爐缸爐底侵蝕監測模型[3,4],對爐缸侵蝕剩余厚度做出了判斷,明確了導致異常侵蝕的原因,并進而采取了有效的爐缸維護手段。

1 爐缸異常侵蝕診斷

1.1 填料導熱系數對陶瓷杯侵蝕速度的影響

該高爐采用“隔熱法”爐缸,旨在通過爐缸側壁陶瓷杯的高隔熱來保護半石墨炭磚。在開爐初期,通過原始安裝的熱電偶監測,起到了一定的保護作用。但是,由于此高爐在爐缸半石墨炭磚和冷卻壁間的填料導熱系數過低,經化驗在室溫時填料導熱系數僅為0.85(W/m·K),300℃時為1.36.在開爐后,雖然陶瓷杯的存在保護了靠近冷面的炭磚,但同時填料的熱阻成了冷卻的限制性環節。60 mm厚的填料層熱阻相當于近850 mm的半石墨碳磚或者是200 mm的陶瓷杯。圖1-a,1-b為填料導熱系數為1和10的溫度場分布比較,可見導熱系數過低的填料層存在導致爐缸冷卻很難發揮作用。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。經過計算可知,當爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時,填料層熱阻所占比例將達30%。此時,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生脆化,且大塊半石墨炭磚的冷面和熱面溫差高達700℃。冷熱面膨脹系數不同,將在炭磚內部產生較大的熱應力。當此應力大于炭磚破壞應力時,將導致炭磚內產生裂縫,使該高爐在爐缸部位的爐殼開裂,爐內炭磚發生了環裂。此外,高爐運行中的風口漏水、爐內堿金屬富集等也會加劇爐缸炭磚的環裂[5-7]。

圖1 爐缸側壁填料層導熱系數分別為1(1-a)和10(1-b)的溫度場分布

圖2 爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時炭磚脆化線位置

由于爐缸環裂,熱電偶將隨炭磚一起被拉向冷面。如圖3所示,電偶數據線可能被拉斷或是測溫探頭偏離了原來的位置,都將對測溫數據的準確性造成影響,這可能也是該高爐爐缸原始測溫電偶數據失真的重要原因。

圖3 環裂影響熱電偶測溫示意

1.3 爐缸側壁竄氣分析

依據此高爐爐缸新增電偶的測溫數據,利用侵蝕模型的分析結果,推斷出此爐缸在部分區域存在著竄氣。表1所示為爐缸相同標高下冷面電偶溫度高于熱面電偶溫度的統計,在對電偶位置進行了校對無誤后,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據統計

1.4 爐缸侵蝕及環縫位置計算結果

以爐缸爐底熱電偶有效溫度數據為基礎,利用北京科技大學程樹森開發的爐缸爐底侵蝕監測模型,結合模型中“診斷知識庫”,對環裂和竄氣進行判斷和處理。計算了該高爐爐缸在 55°,105°,155°,205°,255°,305°,355°等剖面的侵蝕內型、磚襯剩余厚度和環縫位置,得出該高爐爐缸侵蝕特點如下。

1)爐缸整體呈現較為明顯的“象腳狀”侵蝕。爐缸爐底拐角處侵蝕最為嚴重,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°剖面的侵蝕內型和環縫位置

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

3)爐缸環裂的存在進一步加劇了竄氣對侵蝕的影響,在爐缸部分區域環縫內的竄氣使得炭磚兩面受熱,必須對此問題進行及時處理。

圖5 355°剖面的侵蝕內型、環縫及熱電偶位置

圖6 不同高度熱電偶測量溫度

2 爐缸維護

依據爐缸異常侵蝕診斷和計算結果,結合高爐操作技術,采取了有針對性地爐缸維護手段。

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

2)針對爐缸竄氣,采用灌漿技術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)針對爐缸部分侵蝕最嚴重區域,當電偶溫度急劇升高并接近其最高值時,采取臨時性堵風口手段,以迅速避免侵蝕的進一步加劇。通過這些維護手段的采用,該高爐爐缸電偶溫度已保持在歷史最高值以下,實現了高爐的正常穩定生產。

爐缸經維護后,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 維護后355°剖面不同高度熱電偶測量溫度

3 結論

1)該高爐采用陶瓷杯復合爐缸爐底,由于爐缸填料導熱系數過低,導致開爐后陶瓷杯侵蝕過快,可見填搗料導熱系數的檢驗對高爐壽命至關重要。

2)利用爐缸侵蝕監測模型對該高爐爐缸異常侵蝕進行了診斷和模擬,明確了爐缸填料導熱系數過低、風口漏水,鋅堿金屬及渣鐵滲入最終導致爐缸出現環裂和竄氣異常。

3)根據侵蝕模型計算,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,環縫分布在距炭磚冷面300～550 mm范圍。

4)針對此爐缸存在的問題,采取了灌漿、加強風口漏水巡檢、改換長風口等措施。目前,爐缸電偶溫度低于歷史最高值,實現了高爐的正常運行。

[1]何小平,楊志榮,尹素萍,等.太鋼4號高爐大修爐體破損調查及改進[M].北京:中國鋼鐵年會,2001.

[2]張杰,楊志榮,王全武,等.太鋼4號高爐爐底溫度升高的原因及處理措施[J].煉鐵,2004,23(sup):20-22.

[3]程樹森,楊天鈞,左海濱,等.長壽高爐爐缸和爐底溫度場數學模型及數值模擬[J].鋼鐵研究學,2004,16(1):6-9.

[4]趙宏博,程樹森,霍守峰.高爐冷卻壁及爐缸爐底工作狀態在線監測[J].煉鐵,2008,27(5):4-8.

[5]葛玉榮,李業淳,林洙烈,等.本鋼高爐爐缸炭磚環裂及爐底異常侵蝕的調查分析[J].煉鐵,1991,3:46-51.

[6]趙宏博,程樹森.遷鋼高爐鋅和堿金屬循環富集機理及危害控制研究報告[J].遷安,2009.

[7]趙宏博,程樹森.長壽高效高爐爐缸爐底設計存在問題評析[C].寧波:中國煉鐵年會,2008.