王振虎 崔新亮 王洪 王德飛

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京1000290；2：川威集團成渝釩鈦科技有限公司煉鐵廠 四川內(nèi)江642469）

1 前言

釩鈦鐵礦是鐵礦石資源中的重要品種，在我國分布較廣，近年來，我國在釩鈦礦高爐大型化冶煉方面取得了長足進步，多項指標(biāo)不斷刷新［1－5］。

川威集團釩鈦科技6號釩鈦礦高爐容積1750m3，于2013年投產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)8年，其中連續(xù)穩(wěn)定順行1917天，日產(chǎn)鐵水長期維持5100噸，燃料比、煤比、鐵損、噸鐵成本等經(jīng)濟指標(biāo)在同類型高爐國內(nèi)領(lǐng)先，進入爐役后期冷卻壁破損嚴重，爐腹、爐腰冷卻壁大面積破損，高爐于2021年3月10日放殘鐵，開始大修，4月18日大修結(jié)束，歷時38天，開爐第三天達到4927噸，實現(xiàn)快速達產(chǎn)達效，順利完成各項預(yù)定目標(biāo)。

2 爐體設(shè)備損壞情況

此爐型設(shè)計合理，利用系數(shù)較高，整體順行情況良好，爐型示意圖及爐體設(shè)備損壞情況如圖1所示，爐喉鋼磚至爐身上部區(qū)域冷卻壁基本無損壞，僅侵蝕了磚襯，更換進出冷卻壁壁體供水主環(huán)管即可，爐身中下部（第12段冷卻壁）至風(fēng)口帶冷卻壁燒損嚴重，最嚴重的區(qū)域為爐腰、爐腹段，此區(qū)域冷卻壁磚襯已不存在，冷卻壁基體內(nèi)的雙層蛇形管熱面?zhèn)鹊乃懿糠忠呀?jīng)不存在，基體侵蝕嚴重，僅剩下少量基體和冷面水管，最嚴重的一塊冷卻壁其整塊冷卻壁的基體、熱面水管、冷面水管都燒光了，只剩爐殼，風(fēng)口帶至鐵口區(qū)冷卻壁基體剩余厚度約150mm，且基體出現(xiàn)橫向和縱向裂紋，深度約60mm，冷卻壁損壞程度示意圖如圖2所示。

圖1 爐體冷卻設(shè)備損壞情況

圖2 爐腰、爐腹冷卻壁損壞示意圖

爐底環(huán)形莫來石磚侵蝕不嚴重，基本維持砌筑時的原貌，在鐵水與環(huán)形磚外側(cè)的接觸位置還出現(xiàn)了約200mm的粘結(jié)物（氮化鈦、碳化鈦），爐底沒有發(fā)現(xiàn)“象腳狀”侵蝕，也沒有發(fā)現(xiàn)鐵水環(huán)流溝，冷卻壁整體表面干凈、與莫來石磚接觸良好，兩個鐵口無明顯差異。

爐缸側(cè)壁環(huán)形莫來石磚重新砌筑，鐵口區(qū)澆筑，爐底的冷卻壁體存在狀態(tài)良好，同時更換爐底外圍冷卻水供水、回水主管道及閥門彎頭等附件，外圍出鐵場平臺化改造等。

3 分析

3.1 冷卻壁損壞原因

冷卻壁是爐體最主要的冷卻設(shè)備，從爐頂至爐底豎直方向約35m，爐腰、爐腹是爐體設(shè)備工作環(huán)境最惡劣的部位，位于爐內(nèi)滴落帶，此區(qū)域內(nèi)的冷卻壁要經(jīng)受液態(tài)渣鐵的長期侵蝕和從風(fēng)口回旋區(qū)形成的高溫高速煤氣流的沖刷、還有渣皮脫落后上方軟熔帶末端滴落下來的過熱液態(tài)初渣帶來的熱震沖擊，由于初渣中FeO的含量可達20%，是終渣的約10倍，初渣相對于鐵口處的終渣具有更強的流動性和侵蝕性，對冷卻壁的破壞作用更大，此外堿金屬和鋅蒸汽也會破壞冷卻壁基體，此區(qū)域長期服役的冷卻壁最好工作狀態(tài)是形成穩(wěn)定的渣皮，薄而均勻的渣皮是最好的保護層，雙層蛇形管的設(shè)計顯著增加了供水量，提高了冷卻能力，冷卻壁的外部邊沿處鑲磚或者噴涂料都可以很好地保護冷卻壁，此處的冷卻壁基體必須具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力，同時還應(yīng)具有一定的高溫抗拉強度、抗彎強度、耐磨性等。

銅冷卻壁具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力，可以迅速將冷卻壁熱面熱量帶走，有利于快速形成渣皮、維持操作爐型，是理想的導(dǎo)熱材料，常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。很多高爐在爐腰、爐腹部位采用銅冷卻壁，但純銅價格比較貴，純銅冷卻壁制造成本比較高，建造成本增加；也有一些高爐在此部位采用鑄鐵冷卻壁，冷卻壁內(nèi)的水質(zhì)和水速也是影響冷卻壁壽命的關(guān)鍵因素，硬水中Ca2＋、Mg2＋有可能形成水垢從而導(dǎo)致絕熱層的存在（水垢導(dǎo)熱系數(shù)參考云母和石膏），大幅度降低冷卻壁的導(dǎo)熱能力，采用軟水密閉循環(huán)冷卻是有效解決這一問題的方法；為提高冷卻強度降低水溫差，水管直徑適度增加，冷卻壁的冷卻比面積1.0左右，一般情況下保證蛇形管內(nèi)的水速≥2.0m／s（強制對流）。

表1 常見材料導(dǎo)熱系數(shù)（273K）

另外，近年來學(xué)者對爐料在高溫段的軟熔性能進行了深入研究，其中日本學(xué)者提出爐料的熔滴特征值（S），其定義為爐料在軟熔滴落過程中其溫度和壓差的變化，數(shù)值越高表明爐料的熔滴性能越差［10］，有人根據(jù)爐料在軟熔滴落過程中不同階段的收縮率變化定義爐料的軟熔性能指數(shù)（SR），爐料的收縮率與溫度、渣相、鐵相、氣相等相互作用有關(guān)，其值越大說明爐料的軟熔性能越好［11］，還有人提出了荷重軟化參數(shù)（RHFHZ）指標(biāo)［12］，軟化－軟熔滴落特征值（SMDV）［13］等，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，可以確定的是在釩鈦礦的爐料結(jié)構(gòu)中，燒結(jié)礦隨著釩鈦含量的增加，荷重軟化區(qū)間也隨之變寬，而且軟化區(qū)間變寬的幅度大于爐料開始軟化溫度增加的幅度，冶煉釩鈦礦的高爐與冶煉普通礦石相比，釩鈦礦高爐軟熔帶的區(qū)間更寬，軟熔帶的透氣性更差。根據(jù)大修期間冷卻壁的破損部位也證實了此結(jié)論，爐腰、爐腹通常是軟熔帶的根部位置，這次停爐發(fā)現(xiàn)該部位冷卻壁破損程度嚴重，高度方向近4m，如此大的范圍也表明釩鈦礦高爐的軟化區(qū)間較寬。

爐腰、爐腹部位殘余冷卻壁的破損形式表現(xiàn)為橫向裂紋和縱向裂紋，有的部位裂紋深度達到了20mm，其開裂的主要原因推測為熱應(yīng)力，同時冷卻壁上下層之間的連接方式、冷卻壁的材質(zhì)、冷卻壁的機械強度（抗拉強度、延伸率）等都影響著冷卻壁的性能和壽命［14－17］。目前，爐腰、爐腹冷卻壁大部分采用雙層蛇形管布置，這種布置方式雖然能滿足一定的生產(chǎn)要求，但是，冷卻能力還有提升空間，蛇形管本身設(shè)計特征導(dǎo)致其不可避免地造成水壓損失，蛇形管的布置匝數(shù)越多，壓力損失越大，開發(fā)一種新型冷卻裝置很有必要。

爐缸、爐底采用的是剛玉莫來石作為側(cè)壁，砌磚厚度1500mm，大修發(fā)現(xiàn)，磚墻保存完整，整個圓周方向都沒有被侵蝕，證明釩鈦礦高爐可以適當(dāng)降低砌墻厚度，莫來石磚的使用量可以進一步降低，這不僅有利于節(jié)約耐材、降低工程成本而且有利于提高爐缸利用率，可以提高焦炭燃燒強度、增加理論出鐵量，有利于盡早達產(chǎn)。相反如果繼續(xù)維持厚重的側(cè)墻，將增加爐缸相對變小的風(fēng)險，爐溫不穩(wěn)定將導(dǎo)致更多的鈦元素被還原，導(dǎo)致死焦錐內(nèi)的透氣、透液性降低，更加不利于渣鐵液的排出，影響高爐順行的基礎(chǔ)。其中鐵口區(qū)有明顯侵蝕，應(yīng)該重點保護，繼續(xù)采用澆鑄料整體澆鑄的方式，保證鐵口經(jīng)得起長期鐵水環(huán)流的沖刷。

3.2 釩鈦礦保護爐缸原理

高爐下部進行的直接還原反應(yīng)主要是鐵的氧化物被固態(tài)碳還原為單質(zhì)，釩鈦礦冶煉過程存在著特殊反應(yīng)［6－9］，釩鈦礦中鈦元素為變價元素，＋4價為穩(wěn)定態(tài)，主要在高爐下部通過直接還原將鈦元素從氧化態(tài)還原為單質(zhì)并溶于鐵水中，鐵水中的飽和碳原子和鈦原子反應(yīng)生成顆粒TiC，反應(yīng)的進行程度可通過熱力學(xué)定性判定，進行的主要化學(xué)反應(yīng)如下［10－12］：

爐渣中組元TiO2的成分在變化其活度較難測定，可用熱力學(xué)數(shù)據(jù)定性分析，TiO2被C直接還原，隨著溫度的升高，正向反應(yīng)的標(biāo)準吉布斯自由能ΔGθ負值越來越大，鐵水中Ti與溶于鐵水的碳單質(zhì)生產(chǎn)固態(tài)TiC，隨溫度的降低正向反應(yīng)趨勢增加，反應(yīng)方程式為：

上述兩個化學(xué)反應(yīng)計算結(jié)果如圖3所示，可知1730K是反應(yīng)（1）進行的臨界溫度，當(dāng)溫度超過1730K（1457℃），爐渣中Ti元素被還原進入鐵水，溫度越高反應(yīng)進行越快，溶于鐵水中Ti元素和C元素結(jié)合生成高熔點物質(zhì)TiC，反應(yīng)式（2）隨溫度降低其反應(yīng)的標(biāo)準吉布斯自由能的值越來越小，表明其反應(yīng)與溫度負相關(guān)，隨著溫度降低而加速進行。為保證鐵水有一定的過熱度以抵抗?fàn)t溫波動并維持渣鐵流動性，上限應(yīng)將計算值增加30℃為1487℃，根據(jù)鐵水化學(xué)熱［Ti＋Si］調(diào)整。在爐缸側(cè)壁由于冷卻壁的冷卻作用側(cè)壁的溫度較低最終導(dǎo)致反應(yīng)式（2）正向進行，即化合物TiC析出，TiC在會繼續(xù)和N元素反應(yīng)生成高熔點（熔點＞3000℃）的固溶體Ti（C，N）x，這些高熔點的物質(zhì)沉入爐底側(cè)壁累積達到護爐效果。

圖3 反應(yīng)式（1）和（2）標(biāo)準生成自由能與溫度的關(guān)系

高爐的最高溫度位于風(fēng)口回旋區(qū)，理論燃燒溫度超過2000℃，位于爐缸部位，是高速煤氣流三次分布的起點，也是熱交換進行最激烈的部位。在這部分區(qū)域，液態(tài)爐渣完成成分變化，由初渣向終渣的轉(zhuǎn)變，渣中（FeO）經(jīng)過強吸熱的直接還原反應(yīng)生成液態(tài)鐵，穿過焦炭料柱進入爐缸聚集，鈦元素被還原后進入鐵液，此過程中焦炭的質(zhì)量尤其關(guān)鍵，焦炭的透氣性和透液性直接決定著高爐的順行，如果焦炭的反應(yīng)后強度指標(biāo)（CSR＜60%）太低，有可能造成鐵水在焦炭料柱停留時間過長，溫度升高造成大量鈦元素被還原形成TiCx顆粒，惡化料柱的透氣性，有可能引起爐缸堆積，煤粉噴出量下降，中心呆滯，鼓風(fēng)動能降低、爐缸不活躍，風(fēng)壓、風(fēng)量關(guān)系緊張，邊緣發(fā)展甚至燒壞風(fēng)口等，因此冶煉釩鈦礦大高爐更應(yīng)該重視焦炭質(zhì)量，焦炭的熱強度（CRI、SCR）、冷強度（M10、M40）、粒度都應(yīng)重視。

4 結(jié)論

本次高爐大修工程時間緊、任務(wù)重，工程進行順利，可歸納出如下結(jié)論：

（1）爐型設(shè)計合理，大修后設(shè)計爐型變化較小，高爐爐底在高強度冶煉的環(huán)境下沒有被鐵水侵蝕，還略微結(jié)厚，鐵水溫度的升高有利于鈦元素的還原，溫度降低促進鐵水中TiC顆粒的析出，為防止過量的鈦元素被還原形成鈦化物進而造成爐缸堆積，應(yīng)保持熱制度穩(wěn)定。

（2）由于釩鈦礦的特殊冶金性能，爐料軟熔帶較大、軟化區(qū)間較寬，爐腰、爐腹部位冷卻壁損壞相對最嚴重，是爐體的薄弱部位，此部位冷卻壁的冷卻能力應(yīng)重點關(guān)注，冷卻壁的設(shè)計仍有改進空間，加強該區(qū)域的冷卻是努力方向，爐缸、爐底可適當(dāng)減少用磚量。