王春龍，祁四清，全 強，李平潮，趙艷霞

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

國內(nèi)某600 m3級高爐于2011 年投產(chǎn)，2016 年10 月停爐大修，運行時間～5 年。該高爐從2016 年開始，爐況不順行，高爐爐底漏煤氣，爐腰冷卻壁破損嚴重，因此，煉鐵廠決定對高爐進行大修改造。本次設(shè)計采用多項爐體升級改造技術(shù)，如優(yōu)化爐型、將厚壁爐襯改為薄壁爐襯結(jié)構(gòu)、優(yōu)化爐體冷卻水系統(tǒng)、改進爐底密封結(jié)構(gòu)以防爐底漏煤氣等。本文針對該高爐生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合拆爐破損調(diào)研以及投產(chǎn)后運行情況對本次高爐爐體升級改造設(shè)計中采用的多項高爐長壽技術(shù)進行全面的介紹。

1 優(yōu)化高爐內(nèi)型

高爐升級改造前為厚壁高爐，改造后，爐體采用薄壁爐襯結(jié)構(gòu)，參考國內(nèi)同級別先進高爐內(nèi)型參數(shù)，對爐腹角、爐身角等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。改造前后高爐內(nèi)型參數(shù)對比見表1。

表1 改造前后高爐內(nèi)型參數(shù)對比

從表1 可見，改造后：

（1）爐腹角減小，可以有效保護爐腹冷卻設(shè)備。

（2）爐身角減小，便于邊緣煤氣的發(fā)展，并利于爐料下降，減小爐料與爐墻及爐料之間的摩擦，即降低料柱阻損，為高爐順行創(chuàng)造條件。

（3）爐腰直徑增大，適當降低高徑比。

合理的薄壁內(nèi)型是高爐生產(chǎn)操作過程中操作指標最佳時期所具有的內(nèi)型尺寸，高爐一代爐役內(nèi)型基本保持不變，因此，可以為高爐長期高效運行創(chuàng)造條件。

2 改進爐底密封結(jié)構(gòu)

本高爐改造前爐底密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在水冷管上方設(shè)置一層爐底封板，高爐基礎(chǔ)下方爐底環(huán)板與高爐爐基之間有～50 mm 的間隙用灌漿料填充。生產(chǎn)過程中此處漏煤氣嚴重，可能是爐底封板與爐殼脫開，煤氣從脫焊處逸出。改造后爐底設(shè)置兩層封板，即在高爐基礎(chǔ)下方增設(shè)爐底封板，以增強爐殼密封的可靠性，如圖2。

圖1 原設(shè)計爐殼結(jié)構(gòu)圖

圖2 改造后爐殼結(jié)構(gòu)圖

3 優(yōu)化爐體冷卻結(jié)構(gòu)

3.1 爐體冷卻設(shè)備

3.1.1 爐喉鋼磚

改造前高爐共設(shè)兩層爐喉鋼磚。上層無水冷鋼磚之間采用螺栓連接，厚度為100 mm；下層空腔式水冷鋼磚總厚度455 mm，熱面厚度160 mm，材質(zhì)均為ZG270-500。拆爐時發(fā)現(xiàn)上層鋼磚完好，但是下層鋼磚損壞嚴重，大部分已經(jīng)開裂，且裂紋均源于螺栓處，個別甚至完全碎裂。

改造后采用兩層無水冷爐喉鋼磚，螺栓為鑄入式，即鋼磚熱面沒有螺栓孔，可以避免熱應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。改造前后爐喉鋼磚見圖3。

3.1.2 冷卻壁

3.1.2.1 拆爐情況

改造前，無冷區(qū)下部第12、13 段均為凸臺冷卻壁，單層蛇形管結(jié)構(gòu)，冷卻壁凸臺水管破損較多。冷卻壁壁體除燕尾槽中局部鑲磚磨損外，其他部分較為完好，但是，也存在個別冷卻壁燕尾槽磨掉、側(cè)面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。第12 段冷卻壁熱面及以下的磚襯已經(jīng)全部侵蝕或脫落。第12、13 段冷卻壁拆除情況見圖4。

爐身中部第9～11 段冷卻壁均不帶凸臺，單層蛇形管結(jié)構(gòu)，燕尾槽內(nèi)的鑲磚大部分已經(jīng)侵蝕，每個燕尾槽的肋部均有3～5 個深度～10 mm 的溝槽（見圖5），可能是爐料下降磨損及煤氣流上升沖刷所致。

圖3 改造前后爐喉鋼磚安裝圖

圖4 第12、13 段冷卻壁拆除

圖5 冷卻壁燕尾槽肋部磨損圖

第8 段冷卻壁處于爐腰部位，為雙層蛇形管結(jié)構(gòu)，該段冷卻壁的熱面水管全部燒壞，冷面水管共有7 根燒壞，從拆爐情況看，鐵口上方的冷卻壁損壞嚴重，冷卻壁幾乎間隔完全燒壞，即冷卻壁的燕尾槽侵蝕殆盡，甚至個別冷卻壁大部分已經(jīng)燒損。爐腰冷卻壁破損狀況見圖6。

爐腹第6、7 段冷卻壁處于軟熔帶位置，熱面粘結(jié)厚度～80 mm 的渣皮，如圖7 所示。

圖7 爐腹冷卻壁熱面掛渣圖

3.1.2.2 改造設(shè)計

從冷卻壁的破損狀況來看，爐腹處冷卻壁破損較少，爐腰處雖然采用雙層水管冷卻但破損嚴重。爐身上部帶凸臺的第12、13 段冷卻壁凸臺水管大部分破損。爐身上部為塊狀帶區(qū)域，冷卻壁熱面無法形成渣皮保護，伸入爐內(nèi)的凸臺受高溫沖擊、爐料磨損及煤氣流的沖刷而破損。

因此，本次改造冷卻壁采用不帶凸臺的四進四出結(jié)構(gòu)，即每塊冷卻壁內(nèi)鑄4 根水管，該種形式的冷卻壁無冷卻盲區(qū)，并且將冷卻系統(tǒng)切分為若干個細小的冷卻單元，可以避免蛇形管冷卻壁局部損壞導致整體失效的缺點。此外，冷卻壁采用一串到頂?shù)倪B接方式，使得爐體縱向水量均與截面積最大的爐腰處相同，冷卻強度較大，與原蛇形管結(jié)構(gòu)相比，爐腰區(qū)域通過的水量增大，利于冷卻壁熱面渣皮的形成及穩(wěn)定存在，能夠有效保護冷卻壁。

具體方案為：取消爐身上部無冷區(qū)，整個爐體冷卻設(shè)備全覆蓋，其中，爐底、爐缸區(qū)域采用光面冷卻壁，冷卻壁材質(zhì)為HT150；爐腹、爐腰、爐身下部為鑲磚鑄鋼冷卻壁，材質(zhì)為ZG230-450；爐身中、上部為鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質(zhì)為QT400-20。在爐喉鋼磚下部原無冷區(qū)設(shè)置1 段光面倒扣冷卻壁，材質(zhì)為QT400-20，其內(nèi)表面沿高爐內(nèi)型布置，不砌耐火材料，在保證光滑內(nèi)型的同時，承受生產(chǎn)中低料線時爐料的沖擊，也便于維持高爐布料的初始料面分布。

3.2 爐體冷卻水系統(tǒng)

改造前，高爐冷卻壁采用圓周橫向連接，高熱負荷區(qū)域冷卻壁水管采用單聯(lián)，低熱負荷區(qū)采用雙聯(lián)或者三聯(lián)，冷卻水經(jīng)過1～3 塊冷卻壁后排入排水斗。常壓凈循環(huán)水冷卻系統(tǒng)水量～2500 t/h，出鐵場地坪處的壓力～0.5MPa。

改造后，冷卻壁采用一串到頂?shù)睦鋮s方式，可以充分利用工業(yè)水的潛熱，且各區(qū)域冷卻壁通過水量均與截面積最大的爐腰處相同。為了保證高爐高強度冶煉的冷卻需求，常壓凈循環(huán)水冷卻系統(tǒng)水量增加至～3000 t/h，出鐵場地坪處的壓力提高至～0.65 MPa。此外，為了便于冷卻壁損壞后切換，在處于高熱負荷區(qū)域的爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁連管之間設(shè)置三通閥門，如圖8 所示。

圖8 冷卻壁之間連管三通閥門安裝圖

4 爐體耐材結(jié)構(gòu)

4.1 拆爐情況

原高爐爐底、爐缸結(jié)構(gòu)為：爐底滿鋪4 層345 mm 厚半石墨炭磚+1 層345 mm 厚微孔炭磚，爐缸全部砌筑微孔炭磚；滿鋪炭磚上方砌筑兩層陶瓷墊，厚度為690 mm；炭磚內(nèi)側(cè)砌筑嵌入式小塊陶瓷杯，風口組合磚為剛玉質(zhì)結(jié)構(gòu)。拆爐后發(fā)現(xiàn)靠近鐵口的爐缸第3 層微孔炭磚剩余厚度最薄處為～200 mm（原厚度978 mm），如圖9 所示。陶瓷墊基本侵蝕完畢，最上層滿鋪炭磚基本保存完好。

圖9 鐵口附近炭磚侵蝕狀況

4.2 改造設(shè)計

根據(jù)高爐各部位不同的工作條件和侵蝕機理，合理的選用耐火材料。

4.2.1 爐底、爐缸砌筑

爐底、爐缸耐材結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為爐底水冷封板上滿鋪2 層國產(chǎn)半石墨炭塊，其上滿鋪2 層國產(chǎn)大塊微孔炭磚，爐底共砌4 層大塊炭磚，厚度1600 mm。陶瓷墊為兩層莫來石磚，總厚度為692 mm。

爐缸環(huán)砌大塊超微孔炭磚，死鐵層和鐵口區(qū)域的炭磚局部加厚，風口組合磚下部環(huán)砌三層大塊微孔炭磚。爐缸炭磚內(nèi)側(cè)砌陶瓷杯，陶瓷杯采用剛玉莫來石磚。風鐵口組合磚采用大塊結(jié)構(gòu)。風口處采用密封新技術(shù)，即在風口大、中套上預留灌漿孔，風口設(shè)備與組合磚之間縫隙差異化設(shè)計，并且為預防堿金屬、鋅等有害元素以及風口設(shè)備漏水對炭磚和炭素搗料的侵蝕，在風口組合磚下部加設(shè)銅板。

4.2.2 爐腹及其以上區(qū)域內(nèi)襯

為了提高耐材砌筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改造后采用冷鑲磚工藝。其中，爐腹至爐腰區(qū)域工作條件惡劣，熱負荷高，氣固液三相共存，應(yīng)該選用具有耐高溫、抗氧化、抗渣鐵侵蝕能力強，又能抵抗鋅、堿侵蝕、體積穩(wěn)定性好的耐材，故此區(qū)域冷卻壁的熱面鑲嵌氮化硅結(jié)合碳化硅磚；爐身中下部冷卻壁的熱面鑲嵌燒成微孔鋁炭磚；考慮到爐身上部主要承受爐料的磨損及煤氣流的沖刷，冷卻壁熱面鑲嵌磷酸鹽浸漬粘土磚。

5 完善爐體檢測

改造前，爐體檢測點設(shè)置較少，尤其是爐缸溫度檢測不夠全面。

改造后，適當增加爐缸、爐底在爐襯和冷卻壁上的熱電偶，用于檢測爐缸、爐底部位溫度分布、推斷爐缸、爐底的侵蝕狀況及冷卻壁損壞狀況。根據(jù)爐缸的侵蝕特點，在爐缸象腳區(qū)密集布置熱電偶，并在爐殼上設(shè)置溫度檢測。爐腹以上冷卻壁設(shè)置熱電偶，用于檢測爐襯侵蝕狀況和冷卻壁損壞狀況。除此之外，還在爐頂設(shè)置紅外攝像儀、爐喉設(shè)置十字測溫、爐體安裝水溫差檢測模型等，以豐富爐體的檢測手段，盡可能的實現(xiàn)高爐的“可視化”，便于高爐生產(chǎn)操作。

6 結(jié)語

本次高爐爐體升級改造，結(jié)合拆爐破損調(diào)研，采用多項高爐長壽技術(shù)，自2017 年5 月份大修投產(chǎn)以來，高爐順行、穩(wěn)定，生產(chǎn)指標較好，高爐日產(chǎn)量～2300 t，燃料比在525 kg/t 以下，冷卻壁及炭磚溫度處于正常范圍。實踐證明高爐長壽技術(shù)的應(yīng)用，有助于推動國內(nèi)鋼鐵企業(yè)科技進步和轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗，并形成了中冶京誠成熟、可靠、完整的高爐升級改造技術(shù)。