有效避免高爐風口小套頻繁破損實踐

劉澤陽

1 風口小套破損情況極其影響

河北燕山鋼鐵集團有限公司（以下簡稱“燕鋼”）2560m3高爐共有3 個鐵口，30 個風口，其風口長度均為670mm，風口直徑φ120mm 為14 個，風口直徑φ110mm 為16 個，風口頂端全部下斜5°。2018 年全年高爐基本處于良好穩定順行狀態，自2019 年1月份開始出現風口小套頻繁破損現象，在2019 年1 月份～3 月份期間共破損小套24 個，因更壞破損小套而導致高爐休風8 次。破損小套平均使用壽命134 天，最低使用壽命僅3 天，整體使用壽命偏短，且破損小套基本為非正常性損壞。風口小套直接插入高爐內部，承受爐內的高溫高壓，靠密閉循環冷卻水進行冷卻，一旦風口小套破損冷卻水直接進入爐缸，不但破壞高爐熱制度，嚴重時還會導致高爐爐涼及爐缸凍結，甚至存有風口燒穿的安全風險。風口小套一旦破損漏水需及時組織高爐休風換套，嚴重影響高爐連續穩定運行，高爐生產組織十分被動，導致人力物力消耗，生產成本大幅增加，給公司帶來巨大經濟損失。為有效解決這一嚴重問題，煉鐵廠內部成立攻關小組，職能部室及燒結、轉底爐等原料廠全力協助配合，通過詳細記錄破損小套位置分布、小套自身破損部位及形態，檢測各類入爐原燃物料質量，查找相關文獻并同周邊鋼鐵廠專家交流探討，研究分析影響風口小套頻繁破損原因，制定有效應對措施并最終形成制度固化，堅決減少直至避免后續風口小套繼續破損。

2 原因分析

風口小套約有30%～40%長度直接伸入到高爐內部，不但要承受風口回旋區2000℃以上高溫熱輻射，還要承受400kpa 以上高壓，以及高溫熱風及煤粉高速沖刷，高溫焦炭的磨損撞擊，甚至是液態渣鐵沖蝕，工作環境極其惡劣。惡劣的工作環境致使導致風口小套破損原因眾多。造成鐵水熔損主要因素有邊緣過度發展、高爐爐缸堆積不活、鼓風動能不足、堿金屬富集等；造成磨損主要因素有噴吹煤粉射流磨壞、爐況不順懸坐料以及熱風純凈度差沖刷導致，主要磨損部位基本為小套內壁；而開裂主要指小套自身質量問題，包括材質、結構與制造工藝不合理，無法滿足小套惡劣的使用環境要求。

根據2019 年1 月份～3 月份對漏水小套的詳細跟蹤檢查，破損24 個小套當中，120mm 直徑小套破損率為16.33%，110mm直徑小套破損率為12.5%。前端上沿破損13 個，前端下沿破損4個，前端一圈整體燒損2 個，內壁焊口開裂4 個，內壁中部漏眼1個。整體鐵水熔損占比75%，內部焊口開裂、漏眼占比25%。根據破損小套分布、破損位置和形態，分析破損具體原因如下。

2.1 中心氣流弱，邊緣氣流過分發展

前端上沿破損占比達75%，且呈現外眼大而內眼小，判斷基本為鐵水熔損導致。經過統計分析，2019 年1 月上旬開始，2560m3高爐中心焦質量明顯下降，從指標上看最主要為熱反應性能降低，反應性21.44%→28.6%，反應后強度68%→61%。為了進一步驗證焦炭質量下降，借鑒馬鋼風口取焦經驗，在2019年2 月中旬及3 月上旬利用休風換套機會分別從東、南、西、北四個方向取風口焦，對應5#、12#、20#、28#四個風口，取樣深度2m ～3m，經過檢測風口焦平均粒徑在12.3mm，較2018 年4 月檢測時16.7mm 下降較明顯。另外自2018 年12 月中旬開始2560m3高爐利用休風檢修機會逐步擴大風口，由7 個φ120mm 直徑小套逐步增加至14 個φ120mm 直徑小套，送風面積由0.318 ㎡擴至0.324m2，初始氣流發生變化與現役爐型匹配度降低，鼓風動能由9512 降至9150，實際風速由244m/s 降低至235m/s，理論風口回旋區減小。

焦炭質量與送風制度這2 種原因共同導致高爐中心氣流減弱，高爐2018 年12 月份～2019 年2 月份具體體現為透氣性指數平均由22.4%降低至21.6%，下降0.8%；風壓由421kpa 升高至427kpa；風量由4338m3/min 降低至4275m3/min，下降63m3/min；煤氣利用率由40.8%降低至39.3%。高爐內部料慢產量下滑，燃耗增加，操作上被迫控風，縮礦批，調料制適當發展邊緣氣流。而高爐中心氣流弱，邊緣氣流的過分發展，就會導致邊緣生成渣鐵量的增加，沿風口回旋區表面進入爐缸，少量渣鐵沿爐墻滾落，當出現少量渣鐵飄落到風口小套上部，造成小套上端前沿熔損。尤其高爐被迫多次換套休風后由于邊緣氣流發展生成的渣鐵冷凝到小套上，待高爐送風后隨著溫度逐步升高渣鐵開始熔化滴落，導致送風前期小套前端極易熔損，形成惡性循環。

2.2 爐缸中心焦質量下降和邊緣氣流發展共同作用

2019 年1 月份～2 月份因3#鐵口修補大溝，使用1#、2#鐵口輪換出鐵，3#鐵口于3 月10 日晚八點半出鐵大溝修補完成開始投用，而經統計觀察3#鐵口附近燒損風口小套相對偏多，且風口小套基本呈現為下沿熔損。

正常情況，爐缸死料柱焦炭是依靠爐缸渣鐵浮力而上下浮動完成更替的，上浮時回旋區下部焦炭被重新推入風口回旋區燒掉；由于爐料重量而影響死料柱中心焦炭下沉補充被燃燒焦炭，從而使得死料柱焦炭不斷的更新。死料柱焦炭更新循環路徑是由中心死料柱焦炭下沉至爐缸下部至回旋區下部上浮至回旋區燃燒，而渣鐵循環路徑由回旋區下部向下至死料柱中心，兩者正好相反，尤其邊緣氣流發展后，邊緣生成的渣鐵量增加并沿風口回旋區表面進入爐缸內部。相互相反的兩個循環路徑勢必影響死料柱焦炭更新速度減慢，而焦炭質量下降，共同影響焦炭粉化現象加重，影響透氣透液性變差，再加3#鐵口一段時間未投用，很有可能導致局部液泛發生或局部堆積，從而燒損風口小套下沿甚至整個前端。

2.3 熱制度與造渣制度波動

由于焦炭質量降低及爐內氣流變化，造成煤氣利用率變化降低，給生產調劑帶來較大困難，操作上把握不準，影響高爐整體熱制度穩定性與造渣制度穩定性下降，整體表現為硅素和渣堿度升高，物理熱下降。尤其2019 年1 月下旬至2 月上旬高爐硅素在0.15%～1.20%呈較大幅度波動，平均硅素0.54%，硅素穩定率大幅下降至59.5%；物理熱最低到1467℃，平均僅為1482℃，較2018 年11 月份物理熱均值1498℃下降16℃；爐渣堿度升高由1.19 升高至1.26；爐渣鎂鋁比在0.63%～0.66%之間變化不大。中心氣流的減弱和邊緣氣流的不穩定發展，爐襯稍波動，再加小套漏水等因素，導致渣鐵流動性整體變差，影響爐內透氣性及壓量關系進一步惡化，給爐外出鐵組織帶來困難，出鐵量差偏差加大，導致渣鐵在爐缸內部積存，渣鐵液面上漲，接觸到風口小套后極易燒損小套下沿。

2.4 堿金屬富集因素

自2018 年底到2019 年3 月份高爐入爐鋅負荷整體升高趨勢，由最初2018 年11 月份0.31kg/t.Fe 逐步升高2019 年2 月份的0.63kg/t.Fe。實際入爐鋅負荷遠遠超過國標所要求的指數，分析高爐入爐鋅負荷升高有以下幾點原因：

自2018 年12 月～2019 年2 月份2560m3高爐直接配吃廢鋼一段，配吃量由初期25kg/t.Fe 逐步增加至75kg/t.Fe，且連續性配吃近3 個月時間，配吃入高爐廢鋼不乏含有一定鍍鋅廢鋼，導致高爐入爐鋅負荷略升高。2560m3高爐自2 月14 日開始配吃金屬化球團，配吃比例為30kg/t.Fe，同酸性球團搭配配吃，2 月26日增加配吃比例至50kg/t.Fe。而轉底爐由于2 月初壓球機故障，熱返粉改由燒結配吃，金屬化球團和熱返含鋅量均在0.2%左右，全部直接或間接進入高爐，導致高爐入爐鋅負荷進一步升高。另外我公司煉鋼長時間配吃矽鋼片和廢鋼破碎料，煉鋼污泥鋅含量大幅升高，由0.5%升高至1.6%，經過燒結回配進入高爐，導致高爐入爐鋅負荷升高0.1kg。以上三點原因測算理論入高爐鋅負荷升高0.32kg/t.Fe。理論上鋅元素會在高爐內循環富集，易黏附在爐墻上和爐料空隙中，導致爐墻結瘤，同時惡化高爐透氣性，使爐料下降不暢甚至懸料。鋅蒸氣進入爐料內部會對高爐穩順生產非常不利。同時，液態鋅也是導致風口小套厚度增加、風口套破損以及發生上翹變形等危害的直接原因。

2560m3高爐以往操作始終以發展中心氣流為主，更加有利于排堿，跟蹤統計布袋灰、重力灰Zn 含量明顯提升，大部分堿金屬可隨著布袋灰排出，而隨著各類原因導致中心氣流減弱后不利于高爐排堿。經過在高爐換套休風期間詳細觀察，風口處暫未發現明顯鋅富集等表觀現象。在同等礦批條件下配吃廢鋼雖然產生的鐵液過多，但廢鋼放在布料環帶中間位置，理論不會導致過多鐵液直接低落到風口前沿，根據實際情況判斷燒風口小套前端同高爐配吃廢鋼等無直接關系。

2.5 風口小套自身結構問題

經過調查，2560m3高爐風口小套供貨廠家共有3 個，其中有2家小套水工技師評價使用較好，有1個廠家小套評價使用較差，主要體現易燒損，且燒損后可控性差，長期使用一段時間后水流量會越來越少，冷卻強度降低，最終導致小套使用壽命降低。為了進一步研究小套內部結構，追其根本，隨即通過對評價褒貶不一的小套進行切割解剖對比，發現3 個廠家小套內部結構雖均為貫流式風口，但評價較差的廠家小套內部結構較為簡單，小套最前端無隔板，未形成單獨的冷卻腔體，小套前端一旦燒損漏水，水流經入口通道可直接到達漏點處，導致漏水量大且可控性極差，一旦漏水高爐就需被迫休風換套。同時觀察評價較差小套內部冷卻水通道及腔體空間相對較大，且內部存有大量結垢，判斷為冷卻水流速偏低導致易結垢，結垢后又導致冷卻強度進一步下降，最終體現為易燒損。經過解剖分析最終判斷評價較差的風口小套材質并無問題，但其內部結構設計不合理，導致實際使用效果較差，且在破損小套中占比較高。此外，小套內壁焊口接近風口前端，焊接質量稍有缺陷勢必成為薄弱點。

2.6 其它問題

經過跟蹤檢查漏水小套破損位置及內壁情況，基本排除煤粉射流及以及熱風純凈度差而導致的小套內部沖刷磨損情況。

3 解決措施

3.1 提高中心焦質量，制定配吃標準

高爐的中心氣流減弱，高爐透氣性下降，操作上被迫控風，縮礦批，調料制適當發展邊緣，鼓風動能和風速降低，少量渣鐵落到風口小套上部，造成小套上端前沿熔損，此為小套頻繁燒損根本原因。結合采購部制定高爐焦炭采購與配吃管理制度，提出2560m3大高爐中心焦質量要求，確保反應后強度≥68%，反應性≤24%，抗磨性≤7%，優化焦炭粒度組成，減少鐵口卡焦或涌焦頻率，為爐外及時出凈渣鐵創造條件。同時利用檢修休風機會，加強風口焦取樣分析化驗，作為內部評判焦炭質量有效手段。

3.2 固化送風制度，優化并穩定熱制度與造渣制度

減少φ120mm 直徑小套個數，維持送風面積到0.32m2左右，保持全風操作，旨在吹透中心，穩定局部氣流。制定工長走動式管理制度，要求1h 一看渣鐵及風口，及時掌握爐溫趨勢變化，副工長4h 一看料，掌握實際入爐原燃物料質量變化情況，配合工長準確把握爐況發展趨勢，對爐溫和燃耗進行精確定位，合理正確的利用調控手段做好計劃性、預見性調劑；同時強化三班統一操作及交接班制度，確保高爐穩順工作條件。要求爐溫控制0.35%～0.5%之間，保持充足物理熱，物理熱要求不小于1495℃，同時要求保持鎂鋁比在0.60%～0.65%之間，為爐外出凈渣鐵創造條件。

3.3 減少入爐鋅負荷，加強排堿

根據統計2015 年～2019 年高爐鋅負荷實際數據及結合兄弟單位經驗，確定內部高爐入爐鋅負荷控制標準≯0.45kg/t。一是高爐暫停配吃廢鋼；二是結合公司技術部及煉鋼廠從源頭控制輕薄鍍鋅料到貨及流向，鍍鋅廢鋼定向供應電爐，禁止流向大生產系統；三是結合質檢部及燒結廠檢測并控制原料及塵灰配料種類，細化塵灰配吃，重點是煉鋼二次灰、干法細灰、污泥、粗顆粒灰以及煉鐵布袋除塵灰、重力除塵灰等含鋅量較高塵灰，避免燒結直接配吃，而是改由轉底爐進行配吃，其余煉鋼三次除塵灰以及脫硫灰等低鋅塵灰繼續由燒結配吃。轉底爐增加水洗及強力混合工序設備，對以上高鋅塵灰進行充分消化后配吃，發揮轉底爐脫鋅效率，提高鋅粉產量及含鋅量，為公司創造效益同時減少鋅元素在燒結、煉鐵內循環富集。四是針對現進入高爐內部循環富集的鋅，通過階段性下調爐渣堿度等措施科學排堿，從而實現降低堿害的目的。經過以上一系列管控措施后，高爐鋅負荷下降到0.37kg/t 鐵。

3.4 優化使用小套結構，逐步替換結構缺陷小套

漏水小套除返修的外，個別廠家供貨小套結構設計不合理，水流慢，抗實際工況變化能力較差，易燒損且可控性差，3 月份開始利用休風機會逐步替換掉此類結構缺陷小套使用。細化風口小套招標要求，保證小套自身材質條件下，對冷卻腔體設計形式提出明確要求，加入冷卻通道阻力損失檢測及要求，督促風口小套廠家對風口小套進行優化改造，務必要求小套前端有單獨冷卻腔體，最終實現冷卻水有入口水道直接進入小套前端腔體，繞圈一周進入外腔體的循環形式，實現冷卻水在小套內部較快速的流速及較好冷卻效果。明確風口小套內壁焊接質量要求，必須采用氬弧保護焊接，焊口平滑，焊縫強度不低于母材，并進行探傷檢驗。繼續延續風口小套使用評價管理機制并進行固化。

3.5 計劃性休風更換到壽命風口小套

除了加強對小套的使用情況及冷卻情況的監控同時，制定風口小套壽命跟蹤管理辦法，針對超300 天使用壽命的小套利用休風檢修機會進行計劃性更換，避免在使用中出現破損而影響高爐長期穩定運行。

3.6 優化爐前出鐵管理

嚴格執行多鐵口輪換出鐵制度，采用3 個鐵口循環出鐵，同時根據實際鐵量及爐況，準許可在上個鐵口開始噴鐵口打開下一個鐵口出鐵，保證連續性出鐵。爐內配合爐外，抓好爐前“四率”管理，強化考核，確保及時按要求出凈渣鐵，減少對爐內的影響。

3.7 加強水質管理

結合技術部、質檢部加強水質化驗，提高對風口小套冷卻用水中礦質元素種類及PH 值的檢測度，避免送風裝置內部結垢。

4 總結

爐風口小套一旦破損對高爐安全、穩順生產有著巨大影響。導致風口破損原因眾多，通過改善高爐原燃料質量，摸索優化合理操作制度，控制堿金屬富集預防堿害，優化小套結構，強化使用壽命管理及水質管理等手段，全方位多手段杜絕風口小套燒損可能性，為高爐連續穩定、安全節能生產提供條件保障。