高爐上漲的分析及應(yīng)對(duì)措施

趙奇強(qiáng)，孫劉恒，高成云

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

高爐上漲問(wèn)題在國(guó)內(nèi)引起越來(lái)越多的關(guān)注，目前國(guó)內(nèi)高爐發(fā)現(xiàn)底板上漲的有數(shù)十座之多，如沙鋼5 800 m3高爐[1]、馬鋼 4 000 m3高爐[2]、山東萊鋼 3 200 m3高爐[3]、朝陽(yáng) 2 600 m3高爐[4]和昆鋼 1 350 m3高爐[5]等都發(fā)生了上漲，其中包含了巨型高爐、大型高爐、中小型高爐，分布地域遍布南北各地，但總的來(lái)說(shuō)，上漲的高爐案例大部分位于長(zhǎng)江以南區(qū)域。對(duì)于高爐上漲，國(guó)內(nèi)外大部分觀點(diǎn)是有害金屬侵蝕引起的耐火材料異常膨脹導(dǎo)致，但是近期也有些學(xué)者認(rèn)為高爐上漲是因?yàn)楦郀t盲板力引起的。作者通過(guò)詳細(xì)案例并結(jié)合建模計(jì)算，對(duì)高爐上漲的原因進(jìn)行剖析，并提出高爐抗?jié)q和防漏設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2 高爐上漲案例分析

以杭鋼1#1 250 m3高爐為例，作者全程參與到該高爐全生產(chǎn)過(guò)程跟蹤、高爐上漲處理過(guò)程、拆爐跟蹤、取樣化驗(yàn)分析和高爐建模計(jì)算等幾個(gè)方面工作。杭鋼1#1 250 m3高爐于2007年10月15日建成投產(chǎn)，高爐保持高產(chǎn)順行，2009年首次發(fā)現(xiàn)爐底封板有上翹跡象，2010年5月對(duì)爐底板四周進(jìn)行測(cè)量，平均上漲70 mm，到停爐中修前爐體四周爐底板上漲幅度為130～150 mm，2012年3月?tīng)t缸溫度快速升高，該部位爐殼溫度超過(guò)70℃，杭鋼決定停爐中修[6]。

2.1 高爐原爐底爐缸結(jié)構(gòu)

杭鋼1#1 250 m3高爐采用了炭磚+陶瓷杯的綜合爐底爐缸結(jié)構(gòu)，爐缸直徑8.6 m，死鐵層深度2.8 m，爐缸環(huán)炭分兩層砌筑，靠冷卻壁側(cè)砌筑一層微孔模壓小炭塊，靠鐵水側(cè)砌筑大塊微孔炭磚，微孔炭磚和模壓小炭塊之間設(shè)80 mm石墨質(zhì)搗打料，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

該高爐爐缸環(huán)炭采用微孔模壓小炭塊+大塊微孔炭磚結(jié)構(gòu)的目的是把碳搗料層推進(jìn)爐內(nèi)，遠(yuǎn)離冷卻壁，以提高碳搗料層開(kāi)爐的燒結(jié)溫度。死鐵層深度2.8 m，約是爐缸直徑的32.6%，其目的是為了使?fàn)t底死料柱懸浮，減輕環(huán)流對(duì)爐缸環(huán)炭的沖刷強(qiáng)度，以避免大蒜頭侵蝕出現(xiàn)。但從后面扒爐情況來(lái)看，以上措施并未使高爐爐底爐缸情況改善，相反，碳搗層推向爐內(nèi)加速了有害金屬元素的聚集，死鐵層過(guò)深，鐵水壓力增加，增大了鐵水對(duì)炭磚的侵蝕。

表1 杭鋼1#1 250 m3高爐原爐底爐缸結(jié)構(gòu)

2.2 高爐扒爐情況跟蹤

高爐停爐后，我公司對(duì)該高爐扒爐進(jìn)行了全程跟蹤和取樣，扒爐過(guò)程發(fā)現(xiàn)，整個(gè)爐缸區(qū)域靠冷卻壁砌筑的模壓小炭塊保存較完好，但內(nèi)層砌筑的大塊環(huán)炭侵蝕較嚴(yán)重，炭磚內(nèi)部存在白色金屬，炭磚質(zhì)地疏松，內(nèi)外層環(huán)炭之間的碳素?fù)v打料層存在大片的白色金屬層，厚度為30～50 mm，此外，在爐缸、爐底部位炭磚的橫縱向磚縫中均大量存在10 mm厚度左右的白色金屬層，高爐內(nèi)部侵蝕情況見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 爐底爐缸炭磚侵蝕圖

圖2 爐缸碳搗料層侵蝕圖

隨后對(duì)各部位取樣進(jìn)行了化驗(yàn)分析，結(jié)果顯示爐缸炭磚縫隙及碳素?fù)v打料中白色金屬以Zn為主，含少量K、Na元素,爐底炭磚縫隙中金屬以Pb為主。化驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 杭鋼1#1 250 m3高爐爐底爐缸取樣化驗(yàn)分析 /%

2.3 高爐盲板力計(jì)算分析

高爐盲板力建模計(jì)算過(guò)程如下：

以高爐風(fēng)口截面為界，在高爐底板上翹時(shí)，在此截面上爐殼存在著上、下兩個(gè)有效的分力。垂直向上分力包括：鼓風(fēng)對(duì)該截面產(chǎn)生向上的垂直分力F1；豎直向下的分力包括：爐殼及附屬設(shè)備耐火材料的重力F2，風(fēng)口以上固態(tài)爐料的重力F3，高爐底板及爐底炭磚結(jié)構(gòu)自身的抗彎力F4，風(fēng)口以下液態(tài)渣鐵及爐缸直徑范圍內(nèi)爐底炭磚重量按照全部通過(guò)高爐底板傳遞到高爐基礎(chǔ)。設(shè)爐底板處截面力為F總，則

式中：P：風(fēng)口處鼓風(fēng)壓力，A：爐缸斷面積，G1：固定在爐殼設(shè)備重量，G2：爐頂鋼法蘭上的爐頂設(shè)備重量，G3：爐缸環(huán)炭和爐底圓周部分炭磚重量，G4：爐殼重量。

F1～F3均可由高爐設(shè)計(jì)參數(shù)算出，見(jiàn)表3，F(xiàn)4需通過(guò)建模進(jìn)行模擬計(jì)算，其設(shè)定參數(shù)見(jiàn)表4，建模計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

建模計(jì)算結(jié)果表明，高爐生產(chǎn)后期，即爐缸炭磚受到一定侵蝕的前提下，高爐盲板力最大可使杭鋼1#1 250 m3高爐上漲3.4 mm，考慮到液態(tài)渣鐵的重力并未考慮到對(duì)抗盲板力的范圍內(nèi)，以及鼓風(fēng)入爐壓力取值較大，實(shí)際高爐的上漲值還會(huì)小于該模擬值?？傮w而言，建模計(jì)算結(jié)果為高爐正常的上漲范圍內(nèi)，盲板力不會(huì)引起高爐的異常上漲。

表3 杭鋼1#1 250 m3高爐各分力值

表4 模型結(jié)構(gòu)各組成的物性參數(shù)

圖3 杭鋼1#1 250 m3高爐模擬結(jié)果

2.4 高爐上漲原因及分析

可能引起高爐上漲的因素主要有:由高爐鼓風(fēng)產(chǎn)生的盲板力；有害金屬元素在爐底爐缸聚集和反應(yīng)產(chǎn)生的分子力。上述建模計(jì)算結(jié)果已證明，盲板力不是高爐異常上漲的主要原因。

作者跟蹤國(guó)內(nèi)多個(gè)上漲高爐拆爐過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在這些高爐的內(nèi)部普遍存在大量的有害金屬元素，它們沉積在爐底爐缸各個(gè)砌體的縫隙中，連接成片，厚度多達(dá)幾十毫米，以環(huán)炭和冷卻壁之間炭素?fù)v打料層最多，有些還侵入爐缸環(huán)炭，造成環(huán)炭的疏松和膨脹。根據(jù)這些金屬在各個(gè)部位的分布情況，作者認(rèn)為有害金屬主要是通過(guò)炭磚與冷卻壁間炭素?fù)v打料層以氣態(tài)的形式向下滲透，在合適的溫度下沉積，并橫向侵蝕炭磚磚縫，有害金屬的侵蝕程度在有高爐爐底煤氣泄漏的情況下會(huì)加重。由此可見(jiàn)，高爐盲板力可引起高爐微漲，但高爐的異常上漲不是盲板力原因造成的，高爐異常上漲本質(zhì)原因是有害金屬沉積和對(duì)炭磚侵蝕造成的炭磚異常膨脹，其上漲的實(shí)質(zhì)是分子力。

高爐發(fā)生有害金屬侵蝕需具備有害金屬在爐內(nèi)富集這一條件，高爐排有害金屬操作及控制入爐有害金屬負(fù)荷均可減緩或避免有害金屬在爐內(nèi)的富集，從而減緩和避免高爐的上漲，但只控制入爐有害金屬負(fù)荷，不強(qiáng)化排有害金屬操作，爐內(nèi)有害金屬通過(guò)積累一樣可以達(dá)到富集?？刂茽t內(nèi)有害金屬進(jìn)出平衡是解決高爐上漲的有效途徑。

3 防漲型高爐的設(shè)計(jì)

高爐設(shè)計(jì)可采取一些措施來(lái)減緩高爐上漲的趨勢(shì)，通過(guò)幾年的總結(jié)和實(shí)踐，中冶華天設(shè)計(jì)出一種新型防漲型高爐，該防漲型爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為：

（1）雙層封板結(jié)構(gòu)；

（2）炭磚+陶瓷半杯綜合爐底爐缸；

（3）風(fēng)口防漏水措施；

（4）炭磚與冷卻壁縫隙采用灌注料。

該結(jié)構(gòu)有效阻斷了水及金屬蒸汽向下侵蝕途徑，使不定型耐火材料得到有效燒結(jié)，炭磚及陶瓷杯的材料性能得到有效發(fā)揮，從而減少了有害金屬在爐底爐缸砌體中的沉積和對(duì)炭磚的侵蝕。

目前由中冶華天設(shè)計(jì)的該新型防漲型高爐已在河北安豐及福建三明的三座高爐應(yīng)用，以上三座高爐已分別于2016年和2018年投產(chǎn)，實(shí)踐效果良好，目前高爐高產(chǎn)順行，爐底爐缸溫度穩(wěn)定，爐底封板與高爐基礎(chǔ)貼合良好，沒(méi)有上漲跡象。近期，另有五座中冶華天新設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)高爐即將投產(chǎn)使用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）高爐盲板力對(duì)高爐上漲產(chǎn)生的影響有限，不是高爐異常上漲的主要原因。

（2）高爐上漲的根本原因是有害金屬元素聚集和對(duì)爐缸炭磚侵蝕后造成的爐缸炭磚膨脹造成的。

（3）避免高爐上漲的有效措施是降低入爐原料有害金屬負(fù)荷和采取有效的高爐排有害金屬操作。

（4）高爐可采取一些防上漲設(shè)計(jì)，但這些設(shè)計(jì)只能減緩高爐上漲的趨勢(shì)，不從根本上解決上漲問(wèn)題。