提高高爐主鐵鉤通鐵量的工業實踐

王永強，武曉陽，譚亞韡，閆 飛，張文祥，張仕駿

（河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 063000）

0 引言

高爐鐵溝分為主鐵溝、支鐵溝和渣溝，是高爐渣鐵排放的通道，它作為高爐煉鐵生產工序中的一個極為重要的環節，是必不可少[1]。在所有鐵溝中，最重要的是主鐵溝，熔融鐵水和鐵渣從出鐵口流出后排入主鐵溝，當鐵水和熔渣的混合物達到主鐵水溝末端時，由于鐵水與鐵渣密度不同且互不相溶，自然分為兩層，上層為鐵渣、下層為鐵水，上層鐵渣經撇渣器阻擋進入渣溝，下層鐵水經撇渣器下方通道流入支鐵溝，主鐵溝的主要作用就是實現渣鐵分離[2]。主鐵溝主要由支撐結構與耐火材料內襯組成，實際生產中主鐵溝的使用環境極度惡劣，主要受到高溫液態鐵渣的侵蝕和鐵水的沖刷。主鐵溝的耐火材料內襯一般采用剛玉、碳化硅、石墨、有機纖維及水泥等組成的不定型澆注料，施工時采用一次性澆筑成型。而主鐵溝的通鐵量和使用壽命直接影響著高爐生產的作業率、耐火材料消耗和生產成本，因此提高主鐵溝通鐵量和使用壽命是煉鐵工作者重要的研究內容之一。

唐鋼新區煉鐵事業部目前建成3 座2922m3高爐，均為4 出鐵口設計，耐火材料的使用為供應商整體承包模式，采用噸鐵結算。自退城搬遷投產后，唐鋼新區主鐵溝通鐵量整體偏低，2020 年下半年主鐵溝通鐵量僅為7 萬噸左右，遠低于行業平均水平。本文針唐鋼新區高爐主鐵溝通鐵量整體偏低的原因進行了分析，制定了改進措施，并對改進措施實施效果進行了總結。

1 主鐵溝耐材侵蝕機理

1.1 沖刷侵蝕

高爐出鐵口至主鐵溝落鐵點高度落差一般為150～300mm 之間，及特殊情況可以達到350mm，鐵水從出鐵口噴出前具有較大的動能和勢能，噴射至落鐵點，對鐵溝耐火材料造成直接沖擊。根據孫長余的模擬結果[3]，貯鐵式主鐵溝落鐵點受沖擊較輕，但其側壁的耐火材料受到的沖擊很嚴重；對于非貯鐵式主鐵溝，其落鐵點沖擊侵蝕較為嚴重，側壁基本不受沖擊。

1.2 熔渣侵蝕

高爐熔渣具有復雜的化學組成，其主要成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3，另 外含 有少 量的S 和FeO。熔渣溫度一般超過1400℃，在高溫情況下，其中的CaO 等組分易與主鐵溝料中的酸性氧化物如SiO2形成鈣黃長石等低熔物，而主鐵溝料中的A1203則與渣中的CaO、MgO、Fe0 形成結構疏松的復合尖晶石結構低熔點物質[4]，在熔渣的滲透和耐火材料剝落的作用下，會加速造成主鐵溝渣線部位工作襯的侵蝕。

1.3 熱震作用

主鐵溝在高爐休風時，溫度較出鐵過程降低約1500℃，巨大的溫差造成了耐火材料內部產生熱應力，隨著熱應力的釋放，主鐵溝耐火材料會產生裂紋，耐火材料強度變低。主鐵溝在高爐復風使用時，還要經受鐵水的機械沖刷以及熔渣的化學侵蝕，造成熔渣侵入耐火材料裂縫，致使耐火材料剝落，加速了鐵溝耐火材料的侵蝕。

2 主鐵溝下線原因分析

跟蹤高爐主鐵溝下線情況，唐鋼新區2021 年上半年主鐵溝下線原因及數量如圖1所示。

圖1 2021年上半年主鐵溝下線原因及數量

由圖1 可以看出，2021 年上半年唐鋼新區高爐主鐵溝共計下線32 條，下線按照落鐵點附近薄、工作層裂紋、高爐休風、耐材剝落、撇渣器侵蝕5 種原因進行分類，其中落鐵點附近侵蝕、工作層裂紋、耐材剝落與高爐休風為主要下線原因，共計占比96.88%。

2.1 主鐵溝溝型設計影響

主鐵溝下線后，落鐵點附近耐火材料殘厚不足在上述統計中占比34.38%，通過同等鋼鐵企業間對標，發現此類下線原因與唐鋼新區高爐出鐵場出鐵口至落鐵點的落差相關性較大，唐鋼新區落差達到了350mm，遠超同類型高爐的鋼鐵企業，但主鐵溝溝型在設計方面未考慮到鐵水沖擊力過大的因素。

2.2 高爐休風復風作業影響

唐鋼新區投產初期，由于鋼區設備熱試調試，轉爐的頻繁啟停，造成鐵-鋼不平衡，高爐壓鐵嚴重，致使高爐多次休風。高爐復風時的冷熱溫差造成主鐵溝耐火材料產生裂紋或剝落；同時高爐復風時鐵口變化會造成出鐵流偏，沖擊非落鐵點部位耐火材料，造成主鐵溝侵蝕速率加快；另外休風后測量主鐵溝耐火材料殘厚數據，殘厚數據雖然滿足安全要求，但不滿足重新上線殘厚要求，同樣也會影響主鐵溝的通鐵量。

3 改進措施與實施

3.1 主鐵溝溝型更改

優化主鐵溝溝型設計，針對易侵蝕點局部加強，以提高主鐵溝的一次通鐵量。將主鐵溝側壁耐火材料的工作層厚度增加50mm，實施方案為主鐵溝的模具寬度由1050mm 縮減至950mm，并計算主鐵溝變窄后是否滿足高爐出鐵的要求。

主鐵溝流量計算：

依據高爐主鐵溝內渣中帶鐵率與鐵水流速的經驗式：

式中：Y—渣中帶鐵量占出鐵量的百分比，即渣中帶鐵率，%。

v—鐵水在主溝中的流速，m/min。

在實際生產中，為保證高爐出鐵效率的最大化，渣中帶鐵率Y通常要求小于0.1%。依據經驗式（1），主溝中鐵水流速應低于v=

主溝斷面尺寸的確定參考下列經驗式：

式中：S—主溝斷面積，m2。

K—單次出鐵量的不均勻系數，0.7≤K≤1.3。

P—單次平均出鐵量，t/次。

T—單次出鐵時間，min。

y—鐵水密度，7.0t/m3。

v—鐵水在主溝中的流速，m/min。

按日產量8500t，日均出鐵12次，單次出鐵時間120min，對主溝最小斷面積進行計算，結果如表1所示。

表1 主溝最小斷面積計算

依據經驗公式（2），在滿足高爐生產要求與主鐵溝鐵水最大流速時，試驗主鐵溝最小斷面積應滿足大于，試驗模具主溝斷面積為0.94 m2，滿足生產要求。

經過上述計算，將主鐵溝模具寬度由1050mm縮減至950mm可行。

3.2 規范休風復風作業

高爐休風再復風后會造成出鐵過程的流速、落鐵點等參數發生變化，這是由于高爐的休風導致高爐出鐵口發生變化，爐缸積滯造成鐵水環流。由于上述變化會造成主鐵溝的異常侵蝕、降低主鐵溝壽命，因此提出了休復風作業標準化的概念。

（1）休風料應該控制到高爐爐腰的中下沿位置，適當減輕焦炭負荷，定期分批加入少量的凈焦。休風時還需調整爐渣及鐵水成分，減少渣量，以確保渣鐵流動性，即：根據爐內情況，以球團代替硅石，同時加入適量錳礦。

（2）為避免高爐復風后爐內溫度上升過快，提高加風作業的效率，休風前應適當的下降燃料比，休風前4h內適度下調8～15kg/t。

（3）高爐休風減風過程前期快，而后期要慢，保證渣鐵出凈。

（4）休風前尾次鐵應保證物理熱在1480～1500℃之間，[Si]含量控制在0.4～0.6%之間，休風期間要保證高爐爐缸的保溫，休風后立即停止噴煤冷風和靜壓氮氣，并逐漸降低冷卻水水量。

（5）復風后首次出鐵應避免流偏和流速變化，要將爐內低溫渣鐵穩定排出，這就需要保證首次出鐵時的鐵口的形狀和直徑大小，處理鐵口時先用大鉆頭將鐵口打大、打薄，再用氧氣燒開鐵口。根據爐外渣鐵排放決定加風進度，復風4～6h 內風量逐步恢復至正常風量的80～90%[5]。

4 措施實施效果

隨著上述措施的逐步落地，2021年7月至12月間唐鋼新區高爐主鐵溝平均通鐵量逐步增加，通鐵量由2020 年下半年平均7 萬噸提升至2021 年下半年平均12.3 萬噸，其中2021 年第4 季度高爐主鐵溝平均通鐵量完成13.32 萬噸，高爐主鐵溝通鐵量提升超過了90%。2021 年下半年主鐵溝平均通鐵量如圖2所示。

圖2 2021年下半年主鐵溝平均通鐵量/萬噸

5 結語

通過對唐鋼新區高爐主鐵溝通鐵量整體偏低原因的分析，結合現場跟蹤調查實際，發現影響新區高爐主鐵鉤壽命的主要原因是主鐵溝溝型不合理、高爐休風復風作業無標準。通過提高主鐵溝通鐵量和壽命技術攻關措施的實施，高爐主鐵鉤通鐵量較攻關前提升約90%。并為以后處理類似問題積累了寶貴經驗。

（1）優化高爐主鐵溝設計可以適當彌補出鐵口至落鐵點落差大的先天缺陷，應根據主鐵溝類型判斷需要加強部位，即：貯鐵式主鐵溝加強落鐵點溝壁部位，非貯鐵式主鐵溝加強落鐵沖擊點位置。

（2）合理的高爐休風復風作業制度，有助于降低熱震應力對主鐵溝造成的影響，提高主鐵溝通鐵量。