鞍鋼鲅魚圈2號4038 m3高爐爐役末期生產運行實踐

吳官印 ，姜彥冰 ，蔣益 ，何沖 ，趙華 ，張智勇

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱 “鲅魚圈”）2號4038 m高爐于 2009年 4月 26日開爐，至今已安全運行11年多。自2013年爐缸環炭溫度出現異常升高以來，高爐一直處于間斷性護爐生產階段。2017年，爐缸出現明顯整體侵蝕后，高爐轉變護爐理念，由僅強調減少入爐風量、降低富氧率、降低冶煉強度的護爐思維轉變為定向局部護爐結合活躍爐缸的整體護爐理念，并在護爐過程中不斷優化高爐操作，本文對此做一介紹。

1 高爐概況

1.1 高爐冷卻結構

鲅魚圈2號高爐爐缸1、3、4、5段冷卻設備采用低鉻光面鑄鐵冷卻壁，2段及鐵口區域采用光面銅冷卻壁，爐腹采用4段銅冷卻板，爐身7～11段采用銅冷卻壁、12～16段采用球墨鑄鐵鑲磚冷卻壁；爐缸內襯采用美國 UCAR小塊炭磚，全部鐵口區域以及容易產生象腳侵蝕的區域外環均使用NMD小塊炭磚，其余部位使用NMA小塊炭磚，爐底采用四層大塊炭磚；無陶瓷杯，爐底炭磚上部采用莫來石磚形成800 mm陶瓷墊保護層；風口采用大塊組合灰剛玉磚；爐腹采用氮化硅結合碳化硅磚；爐腰、爐身下部區域熱面噴涂不定形耐火材料，整個爐體為薄壁爐襯結構。 爐體軟水密閉循環冷卻系統分為三個區域，分別為Ⅰ系列、Ⅱ系列以及新增爐缸軟水系統。Ⅰ系列主要為爐底水冷管供水,Ⅱ系列冷卻范圍包括7～11段銅冷卻壁和12～16段鑄鐵冷卻壁，爐缸軟水系統冷卻范圍主要包括爐缸冷卻壁和爐腹冷卻板。

1.2 原燃料條件

鲅魚圈2號高爐原料結構為高堿度燒結礦+球團礦+塊礦，燒結礦按照大小粒分級混合使用，焦炭不分級入爐。2018年8月，由于焦炭不夠用，高爐開始大量使用料場中塊焦生產，最高配比達到106 kg/t。2019年下半年之后，高爐開始大量使用直付濕焦、外購焦、本部濕焦，直付干焦比例由70%下降到33%左右，焦炭品種和成分波動較大，對高爐生產造成一定影響。2020年，高爐開始不定期使用料場回裝燒結礦，原燃料結構比較復雜。

1.3 爐缸侵蝕情況

2013年 8月，高爐1、2鐵口中間偏南下部第10層環炭TE5305（第二段第4塊冷卻壁上部）溫度出現明顯上升（見圖1），最高達到 408℃，爐皮溫度達到32℃。 2017年4月，爐缸環炭溫度開始出現多點多方向的異常升高，代表爐缸整體侵蝕已經初步形成。2017年4月26日，4鐵口左下部第10層環炭 TE5315（第二段第39塊冷卻壁中上部）溫度開始上升（見圖2），最高達到 386℃；2017年5月4日，3、4鐵口中間下部第 10層環炭 TE5313（第二段第32塊冷卻壁中上部）溫度也開始上升（見圖2），最高達到 470℃；2017年7月5日，1、4鐵口中間下部第 10層環炭 TE5317（第二段第45塊冷卻壁中上部）溫度開始上升（見圖2），最高達到 542℃，單塊冷卻壁水溫差最高超過1℃，熱流強度最高達到 44 kW/m。由于爐皮溫度、熱流強度、環炭溫度彼此相關，且圓周方向均有所升高，因此認為2號高爐爐缸存在整體侵蝕現象，且4鐵口下方環炭溫度高，經理論計算得出，4鐵口下方殘余炭磚厚度不足370 mm，侵蝕比較嚴重。2017年以后，2號高爐進入了長期護爐階段，高爐生產強度受到明顯制約。

圖1 1#、2#鐵口中間偏南下部第10層環炭TE5305溫度趨勢圖Fig.1 Temperature Trend Diagram of Circumference Carbon Brick TE5305 on Tenth Floor in the Middle of No.1 and 2 Tapholes by South

圖2 第10層環炭TE5313、TE5315、TE5317溫度趨勢圖Fig.2 Temperature Trend Diagrams of Circumference Carbon Brick TE5313,TE5315,TE5317 on Tenth Floor

2 護爐理念、措施及優化操作

2.1 護爐理念

通常降低冶煉強度就意味著減少入爐風量和氧量，目的是通過將降低冶煉強度與其他護爐手段結合來維持爐缸侵蝕的動態平衡，延長高爐使用壽命。但通過降低入爐焦比、大批重等手段來控制入爐風量往往會帶來其他方面問題，如風量減少后，爐缸初始煤氣分布發生很大變化，邊中氣流需要新的平衡過程，此過程的上下部調劑比較復雜，調整不到位很可能會造成高爐熱負荷劇烈波動，熱量調劑難度加大，爐溫波動加劇，嚴重時出現管道、結瘤、懸料等異常爐況。且高爐長期少風量運行，易導致鼓風動能降低、回旋區縮短、爐缸吹不透、死料柱變大現象，爐缸出現堆積征兆，最終造成爐缸工作狀態變差，煤氣流分布紊亂，嚴重影響高爐順行，難于恢復。鲅魚圈2號高爐通過借鑒國內外大型高爐護爐經驗，結合自身實際情況，提出了定向局部護爐和活躍爐缸的整體護爐兩種理念，并應用于實踐。

2.2 護爐措施

2.2.1 鈦球護爐

從爐頂加入的鈦球在高爐內的高溫還原氣氛下會發生還原反應，形成高熔點的TiC（熔點3 140 ℃）和 TiN（熔點 2 293 ℃）及 Ti（C，N）固溶體。由于侵蝕嚴重部位襯體的表面溫度較低，故鈦的碳、氮化物容易在該處遷移、積聚，最后形成以鈦的氮、碳化物為主的鈦物積層，當沉積量達到一定厚度后就能起到護爐效果。

當環炭溫度大于400℃時，開始使用鈦球護爐；當溫度降到300℃以下，逐漸停止使用鈦球。根據相關研究，當鐵水中［Ti］含量在0.1%以上時，護爐效果明顯，且一般需保證鐵水［Si］含量在0.6%～0.8%之間，［Ti］含量才能達到要求。但由于含鈦渣鐵一般都比較粘稠，再加上爐溫維持在偏高水平，易導致高爐出現透氣性迅速降低、壓量關系緊張、送風風量銳減、高爐順行狀態變差、產量大幅降低的現象。 因此，為了消除使用鈦球對高爐順行產生的副作用，需建立鐵水鈦負荷、鐵水［Si］含量和爐渣堿度控制體系（見表1），最大限度改善渣鐵流動性能，達到加鈦但不破壞高爐順行的目的。在使用鈦球護爐的生產實踐中，發現當環炭溫度上升趨勢變緩時突然將鐵水［Si］含量提高至0.8%以上，對降低環炭溫度作用十分明顯，且鈦球護爐是一個長期的過程，日常護爐爐溫不需要維持在太高水平，掌握這些規律可以最大限度降低使用鈦球產生的副作用。

表1 鐵水鈦負荷、鐵水［Si］含量和爐渣堿度控制體系Table 1 Control System of Titanium Load,Si Content of Molten Metal and Basicity of Slag System

2.2.2 爐缸壓漿

通過分析環炭異常點溫度波動趨勢、同層比對、區域水溫差和熱流強度、爐皮測溫等數據，判斷溫度異常點的問題屬性，對于竄氣引起的環炭溫度異常區域一般可采取壓漿處理。鲅魚圈2號高爐在爐缸各段、風口大套下部、鐵口區域設置了一些壓漿孔，可利用休風機會，應用專業設備進行壓漿處理；且2號高爐爐前還自制了壓漿炮頭，可通過鐵口壓漿方式很好解決鐵口區域的竄氣現象。2017年高爐壓漿記錄如表2所示。

表2 2017年高爐壓漿記錄Table 2 Mud Iacking Record for BF in 2017

2.2.3 堵風口

堵風口是局部護爐的重要手段，這種局部護爐手段與活躍爐缸的整體護爐措施形成了鮮明對比，前者是要爐缸局部形成死區，降低區域活躍度，后者是要爐缸整體活躍，但這兩種手段的關系并不是互相矛盾的，而是辯證統一的，因為堵風口不僅可以讓該區域相對不活躍，且往往堵風口后風口面積減小，鼓風動能得到提高，提高了料柱的透液性和透氣性，降低了鐵水環流對爐缸側壁的沖刷程度，保證了中心煤氣流的充足穩定，爐缸工作均勻活躍。高爐在日常生產中會利用休風機會把侵蝕嚴重、環炭溫度高的區域上方的風口用專門的泥芯子堵住，沒有熱風進入，該區域爐缸的溫度場將發生改變，流經該區域的渣鐵屬性也會發生著變化，同時進風減少后也將減弱該區域的渣鐵環流，因此堵風口能夠很好的起到保護該區域環炭的作用。

2.2.4 大風量、高鼓風動能冶煉

大風量、高鼓風動能冶煉要求風量不少于6 200 m/min，鼓風動能不低于120 kJ/s，日常吹風不用考慮風口面積，盡可能最大限的吹足風量、風壓，提高鼓風動能，吹透中心，充分活躍爐缸，減少鐵水環流沖刷；在生產實踐過程中發現，當風量大于6 400 m/min，鼓風動能大于 140 kJ/s，長期運行環炭溫度往往能夠得到很好的控制。

2.2.5 規范出鐵操作

爐役后期，實際爐容擴大，加之高爐冶煉強化，產量提高，按時出凈渣鐵，是確保爐況穩定順行和強化冶煉的關鍵環節。同時爐前渣鐵的有序組織對活躍爐缸有著十分重要的意義，高爐通過分析爐缸鐵口周圍關鍵點炭磚溫度與高爐出鐵參數相關性，找出影響炭磚溫度的關鍵因素，找出高爐出鐵操作制度參數控制標準，制定出最佳出鐵模式：① 標準出鐵次數為6～8次；② 出鐵過程見渣率為100%；③ 有效出鐵時間接近23.5 h；④ 三鐵口輪流出鐵；⑤ 使用無水炮泥，固定打泥量，維持鐵口深度3.4～3.6 m；⑥ 鐵水和熔渣排出速度與爐內生成速度相等，維持鐵量差、渣量差在1%左右。

2.2.6 發展中心氣流

抑制邊緣煤氣，同時適當發展中心，有利于延長高爐壽命。在生產實踐中發現，當高爐出現風量少、邊緣活躍、水溫差波動頻繁的時候，環炭溫度往往會從低點開始快速升高，其原因可能是風量少時放邊操作會打破高爐爐缸的平衡狀態，使原本粘附在碳磚表面的渣鐵殼脫落，造成侵蝕邊界暴露在鐵水中，環炭溫度出現大幅、快速的上升。因此在目前爐況下，應慎重發展邊緣，尤其要杜絕發展邊緣后出現風量減少的情況。

大型高爐護爐既需要局部定向的護爐手段，也需要爐缸整體環境的配合，只有這兩者完美統一才能讓爐缸環炭侵蝕部位重新回到平衡狀態，但這種平衡是動態的，隨時會隨著內外環境的改變而發生變化，應在動態變化中抓住主要矛盾，采取對應措施，維護好爐缸的平衡狀態。

2.3 優化操作

鲅魚圈2號高爐在爐役末期面臨長壽壓力大、原燃料結構復雜的局面，在生產實踐中采取定向局部護爐和活躍爐缸的整體護爐措施后，取得了較好效果，爐缸重點區域的環炭溫度點始終控制在紅線以下，高爐實現了長期穩定順行。近年鲅魚圈2號高爐燃料比、利用系數變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出，高爐出現了低產高耗的被動局面。在當下降本增效的大環境下，鲅魚圈2號高爐從2019年下半年開始，立足現有原燃料資源，在堅持活躍爐缸的整體護爐理念的基礎上，提出優化各項操作，以進一步實現提質增效。

圖3 近年鲅魚圈2號高爐燃料比、利用系數變化趨勢Fig.3 Variation Tendency for Fuel Ratio and Utilization Coefficient of No.2 BF in Recent Years in Bayuquan

2.3.1 細化備料及布料操作

鲅魚圈2號高爐使用原燃料結構比較復雜，非常不利于氣流的穩定，一旦中心氣流受阻，邊緣易出現波動，造成爐身水溫差頻繁波動；而熱負荷波動會給高爐熱量平衡和指標優化帶來不利影響。為此，出臺了一系列細化備料措施，采取擴大燒結小粒槽槽下篩孔，出臺換堆料槽位管理使用規定，堅持低槽位停用原則，中塊焦槽提前備料，目的是為了減少入爐粉末，保障中心氣流穩定。同時進一步優化布料制度，從穩定邊緣、發展中心角度提出小焦布料制度，避免中塊焦進入中心；焦炭不分級后采取定期中心抽焦，在不降低焦炭負荷的情況下進一步減輕中心焦炭負荷，避免氣流周期波動，穩定中心氣流。

2.3.2 增加高爐富氧，提高冶煉強度

近年鲅魚圈2號高爐利用系數、富氧率如表3所示，可以看出，富氧率由2017年的1.55%提高到2020年上半年的2.47%；高爐有效容積利用系數由 1.827 t/（m·d）提高到 1.987 t/（m·d），增加了8.76%，增產效果顯著。從實踐表現來看，產量提高后，環炭溫度也能得到很好控制，說明在目前的產能水平下，依靠活躍爐缸的整體護爐手段，將利用系數提高至2.0水平，高爐也能夠很好維持爐缸的動態侵蝕平衡。通過研究國內外高爐爐役末期產能水平情況發現，有相當一部分高爐在護爐技術較好發揮作用的情況下，產能所受影響并不大。因此，在提高富氧率水平，使產能最大限度的保持與環炭侵蝕平衡方面還是值得進一步探討。

表3 近年鲅魚圈2號高爐利用系數、富氧率Table 3 Utilization Coefficients and Oxygen Enrichment Rates of No.2 BF in Recent Years in Bayuquan

2.3.3 堅持階段性提煤降焦，主動降本增效

鲅魚圈2號高爐入爐焦比及煤比如表4所示，可以看出，高爐提煤降焦過程是階段性的，在保證高爐的順行及風量基礎上，條件允許時主動降低入爐焦比，多吹煤粉，減少中心焦量，提高煤氣利用效率，降低燃料消耗。但由于近年來高爐原燃料結構較為復雜，干焦比例波動較大，嚴重影響了入爐焦比的進一步降低，高爐在降低入爐焦比方面還有一定空間，值得進一步探索。

表4 鲅魚圈2號高爐入爐焦比及煤比Table 4 Coke Ratio and Coal Ratio of No.2 BF in Bayuquan kg/t

2.3.4 提高鼓風壓力，增加入爐風量

由于2號高爐處于爐役后期，生產強度受控，熱風風壓一直不高，為了提高冶煉強度，高爐嘗試提高鼓風壓力，平均壓力由415 kPa提高到435 kPa，瞬時風壓甚至達到440 kPa以上，隨著風壓提高，風量也由6 250 m/min提高到6 450 m/min左右，鼓風動能提高由115 kJ/s提高至140 kJ/s左右，高爐各項指標得到改善。但從440 kPa以上高壓生產實踐來看，提高風壓一定要伴隨風量的增加，如果提高風壓而使風量出現萎縮，表明料柱透氣性與風壓不匹配，長期壓量關系緊張往往會出現下料變差的情況，甚至發生管道、懸料等異常爐況，結果適得其反；且提高風壓同時要密切關注送風系統特別是風口狀態，防止風壓及壓差過高，風口前端出現渦流，造成風口前沿頻繁燒壞。

3 實踐效果

鲅魚圈2號高爐采取了活躍爐缸的整體護爐措施和一系列優化操作。高爐護爐優化前后溫度參數、運行指標如表5所示。由表5可以看出，高爐重點區域爐缸環炭溫度得到有效控制，休減風率、異常爐況次數都明顯下降，實現了高爐長期穩定順行。

表5 高爐護爐優化前后溫度參數、運行指標Table 5 Temperature Parameters and Operation Indicators before and after Optimization of Protective Measures for BF

4 結語

通過借鑒國內外大型高爐護爐經驗，結合鲅魚圈2號高爐實際情況，提出了定向局部護爐和活躍爐缸的整體護爐兩種理念。采取了鈦球護爐、爐缸壓漿、堵風口、大風量和高鼓風動能冶煉、規范出鐵操作、發展中心氣流等護爐措施；優化了包括細化備料及布料操作，增加高爐富氧、提高冶煉強度，堅持階段性提煤降焦、主動降本增效，提高鼓風壓力、增加入爐風量等操作，高爐重點區域爐缸環炭溫度始終保持在紅線以下，休減風率、異常爐況次數都明顯下降，實現了高爐長期穩定順行，為大型高爐爐役末期高質量運行提供了參考和借鑒。