安鋼2#高爐風口大套跑煤氣治理

張志軍

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 概述

高爐風口裝置是用來把熱風送入高爐爐內的一套設備（如圖1 所示）。風口大套的功能是支撐風口中套與小套，并將其與高爐爐體相連成為一體。風口大套的前端錐面與風口中套的上端錐面配合，上端通過風口法蘭與爐體裝配連接在一起。風口大套的工作溫度約300 ℃，對風口大套主要考慮其強度性能，通常風口大套有鑄鋼件和帶鑄入冷卻水管的鑄鐵件兩種，風口大套部位包括法蘭、大套、中套、小套和壓緊裝置等。風口法蘭與風口大套在一代爐齡內一般不更換，因而對其制造質量，尤其是接觸面的加工質量要求嚴格，以保證風口設備的密封性。風口法蘭、風口大套為鑄鋼件。

安鋼2#高爐于2007 年6 月投產，高爐的有效容積為2 800 m3，共設30 個風口，風口大套采用鑄鋼件。近幾年，高爐風口大套與中套間逐漸出現不同程度的跑煤氣現象，跑煤氣較嚴重的泄漏點經點火測試，火焰噴射達1 m 左右，煤氣量超過煤氣報警儀上限0.2%。期間采用壓漿、更換中套、焊接、壓密封等方法處理，處理效果均不理想。

圖1 高爐風口裝置

1 高爐風口大套跑煤氣原因分析

經過現場長期觀察，高爐風口大套跑煤氣位置均為上、下兩個位置，判斷大套產生變形。通過利用檢修更換風口中套的機會測量風口大套，發現大套垂直方向與水平方向的直徑相差約10 mm，驗證了之前的判斷，風口中套與大套（如圖2 所示）間采用錐面密封（如圖3 所示），風口大套變形后造成中套與大套間由錐面密封變為兩側局部密封，接觸面變少，無法形成有效密封，從而造成煤氣泄漏。

圖2 中套與大套密封示意圖

圖3 中套密封面

根據高爐生產工藝情況，經過分析認為高爐風口大套變形的原因有以下三個方面。

1.1 材質的影響

風口大套因其自身材質、質量等原因造成剛度不夠，抗變形能力差，在高爐生產過程中受外力影響易造成變形。

1.2 熱變形作用的影響

高爐投入生產后，隨著爐溫升高，高爐爐殼受熱變形影響的“長高”，大套受到周向擠壓及垂直方向的拉升產生變形（如圖4 所示）。

圖4 大套受力示意圖

1.3 堿金屬、鋅、鉛等重金屬的影響

1.3.1 堿金屬的侵蝕機理

堿金屬（K、Na）在高爐內易形成低熔點物質，與耐材的基質發生化學反應，引起耐材強度下降和異常膨脹。堿蒸汽在爐內的反應：2R+CO=R2O+C（反應溫度為850 ～900 ℃）， 生成的 R2O 與石墨炭同時滲入磚縫或磚襯氣孔中而沉積，導致磚襯異常膨脹。

1.3.2 鋅在爐內循環及破壞機理

鐵礦石中的鋅常以硫化物（ZnS）、鐵酸鹽（ZnO·Fe2O3）、硫酸鹽（ZnSO4）或硅酸鹽（2ZnO·SiO2）的形式存在。高爐煉鐵過程中，爐料中的含鋅化合物在高溫區容易被直接還原成金屬鋅。鋅的熔點和沸點分別為 420 ℃、907 ℃，在條件具備時，鋅在爐內很容易被氧化：Zn+CO2=ZnO+CO（反應溫度為900 ～1 100 ℃），鋅除一部分隨爐渣、煤氣排出外，高爐內存在 ZnO 的循環富集；而且鋅的氧化反應能導致體積膨脹54%，引起耐材膨脹。

1.3.3 鉛的滲透侵蝕機理

鉛的熔點低（327 ℃），沸點高（1 740 ℃），密度大（固體密度 11.34 g/cm3，液態密度 10.63 g/cm3）。冶煉過程中還原出來的鉛在高爐中不會氣化，常常呈液態沉在鐵水以下，且具有很強的滲透能力。其滲透侵蝕過程為：鉛滲透→鉛氧化→體積膨脹→產生裂紋。

堿金屬、鋅、鉛等重金屬在風口下方沉積造成碳磚膨脹，下方碳磚長期作用于中套，從而引起中套上翹，中套與大套密封面配合不嚴，造成跑煤氣加劇，產生的影響包括：（1）由于大量煤氣泄露，導致風口平臺煤氣含量太高，存在嚴重安全隱患；（2）大套與中套采用錐面配合，結構穩定，大套變形后大套和中套配合發生變化，中套中心線發生改變，影響風口前煤氣流的初始分布，有可能造成爐況波動和冷卻設備燒壞。

2 高爐風口大套在線修復方案的制定與實施

2.1 方案制定

零件機加工一般是采用將零件在機床上通過找正后加工的方法完成的；通過逆向思維，不拆風口大套，利用風口大套反向找正車床（車床經過改造），再將車床固定加工大套；大套密封面垂直方向因拉伸大于原尺寸部分，采用先堆焊填充后加工的方法進行在線加工修復。對于變形量較大的風口大套先在線修復，中套安裝到位后再與大套進行焊接，以保證處理效果。

2.2 風口大套在線加工

2016 年9 月，2#高爐改造期間，對28 個風口大套進行了在線加工，同時對2 個法蘭式風口大套進行了更換。

對于在線加工的風口大套，首先用模具配合塞尺內徑千分尺兩種方法進行了測量，初步確定了變形尺寸，確定加工余量；加工表面面積要求不低于密封面的90%，軸向未加工表面長度不允許超過密封面長度的1/3，同時盡量減少加工量，以保證配合密封面的軸向重合長度，配合間隙0.1 mm 塞尺進入深度小于1/3。間隙最大的10 個大套測量值見表1。

表1 間隙最大的10 個大套測量值

首先，對變形量最大的19#風口大套進行在線加工修復，加工完畢后將中套安裝到位，檢驗后發現中套軸向向高爐中心方向進入35 mm，配合密封面軸向重合長度大于70%，大套與中套間隙使用0.1 mm 塞尺檢驗，最大進入深度小于1/3，滿足中套安裝驗收標準要求；然后，采用模具對其他風口大套邊加工邊驗收，確保風口大套加工后符合使用要求。

在線修復方法：利用改造后的機床（如圖5 所示）對大套進行在線修復，首先將底座固定在風口下方爐殼上，將找正裝置固定于大套內側（可調整），找正裝置由機床軸、車刀架、模具等組成，利用大套對找正裝置進行找正，找正完畢后將找正裝置固定；然后，以找正裝置為基準對機床掛百分表找正，找正完畢后將機床固定與底座上并對風口大套進行加工，加工表面面積要求不低于密封面的90%，軸向未加工表面長度要求不大于密封面長度的1/3。

圖5 機床修復示意圖

2.3 風口大套在線加工驗收

為了保證施工質量，經過研究討論，制定了大套加工驗收標準（模具驗收如圖6 所示）： （1）大套密封面已加工表面面積要求不低于密封面總面積的90%。由于大套變形，大套密封面的加工面為橢圓，造成密封面兩側切削量大，上下切削量小，為避免切削量過大造成大套和中套配合面長度的減少，密封面因變形無法加工表面在軸向長度不允許超過密封面總長度的1/3。（2）配合密封面的軸向重合長度不小于70%；（3）大套與模具的配合間隙使用0.1 mm 塞尺進入，深度小于1/3。

圖6 模具驗收

對高爐爐殼中心進行校核：沿各風口高度中心架設檢測架， 所有檢測架均要用儀器測量，達到同一標高，差值≤2 mm，將風口中心投到檢測架上，作好標記。通過各風口中心在檢測架上的標記點，沿爐殼中心對稱拉設鋼絲，并對各對稱風口所拉鋼絲交匯點區域進行測量（測量如圖7 所示），推算出高爐的中心偏離范圍，確定風口開口精度。

圖7 高爐中心測量

2.4 銅鋼一體中套的應用

為了確保煤氣治理的效果，通過考察，將部分中套更換成一種新型的抗變形銅鋼一體中套（銅鋼一體中套結構如圖8 所示），在大套加工完安裝后將中套與大套之間進行焊接，使用近8 個月，效果良好，暫無開焊、跑煤氣現象。

圖8 銅鋼一體中套結構

3 高爐風口大套在線修復的效果

高爐28 個在線修復的風口大套與2 個更換的法蘭式風口大套施工完畢后， 對30 件風口中套進行了安裝，并對高爐30 個風口大套與中套安裝尺寸進行了測量驗收。30 個風口大套與中套密封面間隙使用0.1 mm 塞尺進入深度均小于密封面長度1/3，符合高爐進風裝置安裝驗收標準。

高爐送風復產后，再次使用煤氣報警儀測量，直吹管內側測量的煤氣含量均小于0.002%，處理效果良好，從根本解決了這一制約高爐安全生產的重大隱患。

4 效益估算

采用在線修復風口大套，相比較更換大套，此技術與高爐大中修爐內主線項目無交叉，可將整個檢修工期縮短到5 天，2 800 m3高爐日產生鐵約6 200 t 左右，按目前噸鐵利潤1 000 元估算，增加創效約為31 000 000 元;更換風口大套與在線加工施工費用基本持平，不予考慮，節約備件費用，約224 000 元，合計3 122.4 萬元。

同時采用在線修復大套可避免更換作業時，拆除切割過程中高溫對爐殼母材金屬組織過燒，造成晶粒粗大，引起的爐殼機械性能降低的問題，規避更換風口大套對高爐風口帶爐殼造成損傷的風險，減少因更換風口大套導致的高爐爐役后期爐殼開裂的重大隱患。

5 結語

風口大套的在線修復，既縮短了檢修工期，間接創造了較大的經濟效益，同時也提高了工藝設備的檢修質量，為其他大型高爐風口大套變形處理提出了可行的借鑒方案，值得推廣。