張晨

（江蘇省冶金設(shè)計院有限公司，江蘇 南京210007）

高爐爐缸溫度異常分析與診斷

張晨

（江蘇省冶金設(shè)計院有限公司，江蘇 南京210007）

造成爐缸溫度升高的原因是多方面的。結(jié)合高爐爐缸溫度異常案例，從爐缸耐材溫度著手，通過對記錄數(shù)據(jù)以及傳熱體系等進行分析，對爐缸溫度異常升高做出診斷，指出主要原因是冷卻壁與炭磚間存在氣隙、爐缸存在“蘑菇”狀侵蝕，以及原燃料質(zhì)量下降造成爐缸狀態(tài)惡化。

爐缸溫度；診斷；氣隙

高爐爐缸、爐底的安全問題是高爐穩(wěn)定、高產(chǎn)、長壽的關(guān)鍵，我國近些年來新投產(chǎn)的一批大高爐接連出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度異常升高，甚至出現(xiàn)了爐缸燒穿的惡性事故。某鐵廠2 280 m3高爐開爐僅兩年時間便出現(xiàn)了爐缸側(cè)壁碳磚局部溫度升高的現(xiàn)象，開始認(rèn)為是陶瓷杯被完全侵蝕后的必然結(jié)果，未引起足夠的重視，采取簡單措施，但隨后一個月局部溫度驟然升高至900℃以上，嚴(yán)重威脅到爐缸安全。本文從爐缸耐材溫度著手、通過記錄數(shù)據(jù)以及對傳熱體系等進行分析，對爐缸溫度異常做出診斷，為爐缸維護和長壽提供指導(dǎo)。

1　高爐系統(tǒng)概況

高爐有效容積2 280 m3，28個風(fēng)口，2個鐵口，爐體系統(tǒng)采用適當(dāng)矮胖的強化爐型、磚壁合一薄內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、全冷卻壁（鑄鐵+銅）、聯(lián)合全軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。爐缸、爐底的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采用全國產(chǎn)化“高導(dǎo)熱炭磚+陶瓷杯”結(jié)構(gòu)，高爐設(shè)計壽命（不中修）一代爐齡15年。

1.1爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯設(shè)計充分考慮高爐各部位不同的工作條件和侵蝕機理，有針對性地選用耐火材料，并在結(jié)構(gòu)上加強耐火磚襯的穩(wěn)定性。如圖1所示，爐底第1層滿鋪國產(chǎn)超高導(dǎo)石墨磚，高度400 mm；第2、3層滿鋪國產(chǎn)微孔碳磚，總高度800 mm；第4、5層中心砌筑國產(chǎn)微孔碳磚（直徑約為9 400 mm）、外側(cè)砌國產(chǎn)超微孔碳磚，高度800 mm；第6、7層立砌楔形剛玉莫來石磚，總高度800 mm；整個爐底砌體高度2 800 mm。爐壁外側(cè)第6～10層采用國產(chǎn)超微孔碳磚，總高度2 000 mm，爐缸側(cè)壁外側(cè)第11～18層采用國產(chǎn)微孔碳磚（其中：第11～14層每個鐵口通道區(qū)域采用超微孔碳磚，范圍～2 000 mm×1 600 mm），總高度～3 300 mm，爐缸側(cè)壁內(nèi)側(cè)陶瓷杯采用小塊塑性相剛玉磚，總高度～4 500 mm。爐壁炭磚保證一定的厚度，最小1 110 mm。死鐵層深度兼顧鐵水環(huán)流和滲透兩個因素，深度2 100 mm，為爐缸直徑20%，符合長壽設(shè)計要求。

1.2冷卻設(shè)備

冷卻系統(tǒng)設(shè)計為全冷卻壁結(jié)構(gòu)型式，采用最新的磚壁合一技術(shù)，高熱負(fù)荷區(qū)域采用銅冷卻壁，冷卻壁取消凸臺。爐底至爐喉共設(shè)置14段冷卻壁。按照爐內(nèi)縱向各區(qū)域不同的工作條件和熱負(fù)荷大小，采用不同結(jié)構(gòu)型式和不同材質(zhì)的冷卻壁。風(fēng)口區(qū)域采用光面球墨鑄鐵冷卻壁，共28塊，冷卻壁水管為6進6出，水管直徑均為Φ76×6 mm。風(fēng)口以下采用共3段冷卻壁，均為光面低鉻鑄鐵冷卻壁，每段42塊，每塊冷卻壁水管為4進4出，豎直排列，鐵口區(qū)域的鑄鐵冷卻壁水管為7進7出，水管直徑均為Φ76×6 mm，爐缸冷卻壁比表面積1.04，滿足長壽高爐1.0的設(shè)計。下部冷卻壁由于爐底爐缸溫度波動范圍小，采用4點螺栓固定型式，但冷卻壁水管與爐殼間設(shè)置變形補償套管，防止因爐殼與冷卻壁間的溫差不同導(dǎo)致水管剪斷而出現(xiàn)破漏的現(xiàn)象。

2　爐缸側(cè)壁溫度分布狀況

爐襯溫度是爐缸工作狀況的最直觀的表現(xiàn)，可以定性地評價爐缸徑向侵蝕趨勢和圓周方向上的均勻性。爐缸部位設(shè)置5層熱電偶，每層設(shè)置16個熱電偶，分8個方向，每個方向設(shè)內(nèi)環(huán)、外環(huán)兩個熱電偶。2013年12月前，爐底爐缸部位生產(chǎn)狀態(tài)及爐缸各點溫度基本都在正常范圍。2014年1月份鐵口（標(biāo)高11.5 m）下方約1.3 mm位置，標(biāo)高10.196 m處第6點爐缸溫度熱電偶顯示開始飆升。從圖2可以直觀地看出，9.394 m、10.196 m、10.998 m三層當(dāng)中6點方向溫度最高，且與圓周方向上其它點溫度相差懸殊。10.196 m處內(nèi)環(huán)溫度最高達到906℃，圓周方向上其它測溫點溫度多在350℃左右，均屬于正常范圍；9.394 m處6點方向內(nèi)環(huán)溫度接近500℃，圓周上其他測溫點只有260℃左右。這三層的溫度表現(xiàn)出不均勻分布狀態(tài)。12.201 m和13.499 m兩層炭磚內(nèi)環(huán)最高溫度均在6點方向，整環(huán)平均溫度維持在440℃和510℃，溫度分布較為均勻。

圖2　爐缸側(cè)壁溫度分布狀況示意圖

由測得的內(nèi)外環(huán)溫度，根據(jù)兩點測溫法即可計算出炭磚剩余厚度，計算結(jié)果見表1?？梢钥闯觯?3.499 m、12.201 m處炭磚保持完整性，還殘存少許陶瓷杯；10.998 m處6點已經(jīng)發(fā)生炭磚侵蝕，對面?zhèn)缺谛纬煞€(wěn)定渣鐵殼；10.196 m處6點位置炭磚嚴(yán)重侵蝕，對面?zhèn)缺谛纬稍F殼；9.394 m處炭磚保持完整狀態(tài)，陶瓷杯完整。西鐵口方向侵蝕嚴(yán)重，爐缸交界處侵蝕很少，對面?zhèn)缺诘沫h(huán)碳沒有發(fā)生侵蝕，屬于典型的“蘑菇狀”侵蝕［1］。目前國內(nèi)高爐爐缸侵蝕調(diào)查結(jié)果來看，大多數(shù)高爐出鐵口下方～1 m處爐缸側(cè)壁局部大量侵蝕，爐底侵蝕很少或基本沒有侵蝕，并且在圓周方向呈不均勻侵蝕。

表1　炭磚殘余厚度計算

3　溫度異常的原因分析與診斷

爐缸溫度升高的原因是多方面的，首先查找產(chǎn)生異常的可能性，然后根據(jù)全面觀察、排查、證實各種原因，最后研究解決的方法。很多企業(yè)在高爐生產(chǎn)出現(xiàn)問題時，首先將原因歸結(jié)于冷卻強度不夠等原因，這種觀點過于片面。由于爐缸有較厚的爐襯，依靠冷卻壁冷卻耐材，傳熱體系的限制在于爐襯。正常生產(chǎn)狀態(tài)下，軟水總循環(huán)水量3 742 m3/h，其中冷卻爐底550 m3/h，冷卻壁直冷管3 192 m3/h，進水溫度控制在（40±1）℃。爐缸側(cè)壁溫度升高后，認(rèn)為冷卻強度不夠，將冷卻水量增至4 400 m3/h，爐底水量640℃，單根管水量已達到22.4 m3/h，但炭磚溫度并沒有降低，表明并非冷卻壁與冷卻水之間的傳熱影響，當(dāng)傳熱體系被破壞后單純提高冷卻水量對于爐缸溫度控制并無明顯效果。

3.1爐缸氣隙的判斷

爐缸傳熱過程簡單來講熱量通過陶瓷杯、炭磚、搗打料傳給冷卻壁，由冷卻水帶走熱量，部分熱量再由冷卻壁傳給爐殼由大氣帶走，因此爐缸由內(nèi)到外導(dǎo)熱系數(shù)越來越高。當(dāng)爐襯與冷卻壁之間存在氣隙，兩者失去關(guān)聯(lián)性，傳熱受到阻礙，局部炭磚熱量無法及時導(dǎo)出，致使炭磚熱面溫度升高，炭磚無法給對應(yīng)部位的陶瓷杯提供保護，局部陶瓷杯被侵蝕掉，鐵水直接接觸炭磚。

治病講究對癥下藥，正確判斷溫度異常的原因?qū)τ跔t缸維護和治理措施十分重要。根據(jù)圖3可以判斷，當(dāng)磚襯出現(xiàn)氣隙時，阻礙了磚襯中熱流傳向冷卻壁，磚襯冷面與冷卻壁產(chǎn)生溫差，磚襯中測溫點溫度由T2上升至T4，而冷卻壁溫度下降到T2，在一定的冷卻強度條件下，冷卻壁溫度下降，導(dǎo)致水溫差變小。通過該方法可以判斷出爐缸溫度升高與否與氣隙有關(guān)［2］。針對爐缸溫度異常區(qū)域的水溫差進行專門測量，測得三根冷卻壁聯(lián)管水溫差為0.2℃，一根冷卻壁連管水溫差為0.3℃，爐缸溫度正常區(qū)域水溫差0.6℃，說明在溫度異常部位的確出現(xiàn)了氣隙。

3.2氣隙產(chǎn)生的原因

炭磚與冷卻壁之間設(shè)置有90 mm膨脹縫，采用碳素?fù)v打料填充，搗打料有傳遞熱量的重要作用，又有吸收炭磚膨脹的作用。爐殼在爐內(nèi)壓力作用下產(chǎn)生彈性變形［3］，直徑膨脹，而冷卻壁采用 4點螺栓固定在爐殼上，爐殼帶動冷卻壁脫離搗打料，此時如果搗打料不嚴(yán)密，炭磚膨脹量無法迫使搗打料貼緊冷卻壁，間隙隨之產(chǎn)生，傳熱體系受到破壞。

圖3　磚襯中溫度分布示意圖

圖4為5個月中炭磚溫度變化趨勢，圖中分別出現(xiàn)兩個波谷，根據(jù)生產(chǎn)記錄顯示，1月17日～19日高爐休風(fēng)計劃檢修；3月1日～3月3日休風(fēng)檢修。分析表明，由于溫度的變化滯后于壓力變化，在兩次休風(fēng)過程初期，耐材溫度逐漸下降，冷卻壁溫度隨之上升，隨后爐內(nèi)熱負(fù)荷下降，炭磚溫度減小。復(fù)風(fēng)后，爐內(nèi)壓力上升，間隙再次出現(xiàn)，炭磚溫度逐漸上升。這一對應(yīng)變化表明了氣隙產(chǎn)生的規(guī)律。

圖4　炭磚溫度趨勢圖

3.3搗料層對爐缸溫度的影響

對于爐缸氣隙的治理，最有效的手段就是壓力灌漿，通過灌漿來消除爐墻間隙，恢復(fù)傳熱體系。該高爐經(jīng)過壓漿處理后溫度有所下降但仍在700℃左右，處理效果不佳，國內(nèi)多家鋼鐵廠在灌漿后也出現(xiàn)同樣情況。一方面由于局部侵蝕后一直無法形成渣鐵保護層，高溫鐵水不斷侵蝕炭磚；另一方面灌漿用碳素?fù)v打料導(dǎo)熱系數(shù)偏低。高爐內(nèi)碳搗料緊靠冷卻壁，工作溫度僅為100℃左右，溫度不可能升的很高。表2給出的灌漿所用耐材，其檢測的導(dǎo)熱系數(shù)并不能真實反映實際工作溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。對比表3給出的高爐用炭素?fù)v打料標(biāo)準(zhǔn)，可以看出兩者差距。灌漿料相對于氣隙導(dǎo)熱系數(shù)大得多，但對于超微孔炭磚而言成為新的熱阻，加之無法形成渣鐵保護層，所以溫度下降幅度有限。

表2　高導(dǎo)熱碳化硅質(zhì)密封料指標(biāo)

表3　YB/T 4301-2012高爐用炭素?fù)v打料指標(biāo)

隨著我國高爐炭磚的進步，超微孔炭磚導(dǎo)熱系數(shù)大幅提高，常溫時≥16 W/m·K，所以碳素?fù)v打料應(yīng)與炭磚相匹配，避免碳素?fù)v打料成為傳熱體系中的絕熱層，影響爐缸壽命。對爐缸壓力灌漿時材料的選擇也要充分考慮這點。建議在爐缸炭磚與冷卻壁之間使用煤焦油結(jié)合碳素?fù)v打料，因其固化溫度高，在一代爐齡中都不會固化，可以保持較好的柔軟性。而樹脂結(jié)合碳素?fù)v打料適用于爐底，在低溫下可以固化，不易變形。

3.4陶瓷杯對爐缸溫度的影響

陶瓷杯加大塊炭磚結(jié)構(gòu)的爐缸設(shè)計在武鋼、首鋼、鞍鋼等企業(yè)高爐上得到廣泛應(yīng)用。陶瓷材料的保溫性能較好，爐缸熱損失小，爐缸熱量充沛，依靠良好性能抵抗鐵水溶蝕、滲透和化學(xué)侵蝕。理論上講陶瓷杯結(jié)構(gòu)比全碳磚結(jié)構(gòu)更加長壽，但實際使用情況遠(yuǎn)未達到期望值。

側(cè)壁使用的小塊塑性相剛玉磚抗?fàn)t渣侵蝕、抗堿性好，但不是微孔結(jié)構(gòu)，抗鐵水和堿金屬滲透性欠佳。而且小塊磚砌筑縫隙多，磚塊之間的縫隙為直接貫通的連續(xù)直線磚縫，熔融鐵水容易通過磚縫進入到陶瓷杯冷面。雖然多環(huán)部分的放射縫為多環(huán)阻隔，但全部的水平磚縫仍然直接貫通至炭磚熱面，數(shù)量眾多。而且環(huán)間三角縫的阻隔作用會使得內(nèi)環(huán)過熱，影響內(nèi)環(huán)的隔熱能力。

由于側(cè)壁陶瓷砌體相互間以及與炭磚之間采用頂緊砌筑方式，陶瓷砌體膨脹系數(shù)800℃達到8×10-6m/℃，大于炭磚的4×10-6m/℃，難于消除熱應(yīng)力和膨脹的影響。筆者認(rèn)為爐底、爐缸部位采用陶瓷杯結(jié)構(gòu)時，必須選擇性能優(yōu)良的炭磚相配合，這樣即使陶瓷杯損壞，也能保證炭磚熱面形成穩(wěn)定渣鐵保護層。

3.5原燃料變化對爐缸溫度的影響

為降低生鐵成本，國內(nèi)高爐普遍實施經(jīng)濟料冶煉，燒結(jié)礦品位下降，有害元素增多，渣比升高，硫負(fù)荷升高，原料成本大幅降低，但高爐逐漸不適應(yīng)。渣比增加，透液性降低，高爐透氣性下降。對入爐原料進行Zn含量分析，燒結(jié)礦中Zn含量為0.06%，爐料結(jié)構(gòu)為70%燒結(jié)礦，入爐Zn量為0.714 kg/t，根據(jù)《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》要求［4］，Zn≤0.15 kg/t，大大超出國標(biāo)值。在爐內(nèi)循環(huán)的Zn有條件滲入爐襯縫隙中，破壞爐缸。在風(fēng)口區(qū)富集造成風(fēng)口小套和中套上翹。部分還原出來的Zn氣化后隨煤氣進入除塵系統(tǒng)，堵塞煤氣管道。除塵灰中含有很高的ZnO，因為缺乏有效的回收處理手段，只能重新參與燒結(jié)配料工序當(dāng)中，造成Zn的循環(huán)。除塵灰成分見表4。

焦炭質(zhì)量對高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、技術(shù)指標(biāo)和爐缸壽命至關(guān)重要。該廠所用焦炭全部外購，入爐焦炭由三種焦炭配比，質(zhì)量參差不齊，為了進一步降低成本，將60%一級焦入爐改為60%二級焦。焦炭質(zhì)量下降，整體灰分高，特別是熱強度和熱反應(yīng)性指標(biāo)降低，嚴(yán)重影響高爐軟熔帶和滴落帶中的骨架作用，降低高爐透氣性，惡化爐缸死料柱的透氣性、透液性。渣鐵穿越爐缸中心能力下降，同時出現(xiàn)低爐溫的狀況，爐缸中心點炭磚熱面溫度由634℃下降到360℃，側(cè)壁溫度最高點由547℃上升到906℃。爐缸活躍度下降、渣鐵流動性變差，鐵水環(huán)流越強烈，爐缸側(cè)壁侵蝕加速。圖5、圖6為爐缸溫度異常期間高爐透氣性指數(shù)、入爐焦比變化趨勢。

表4　高爐除塵灰成分

圖5　高爐透氣性指數(shù)變化圖

圖6　入爐焦比變化圖

噴入高爐的煤粉要求在回旋區(qū)充分燃燒，應(yīng)具有很高的燃燒效率，特別是在高煤比的情況下，未燃煤粉大量增加會嚴(yán)重影響高爐下部透氣性，引起壓差升高。從除塵灰分析結(jié)果來看煤粉燃燒并不充分，存在大量未燃煤粉，惡化料柱透氣性，增加噴煤成本。

4　結(jié)語

導(dǎo)致爐缸側(cè)壁溫度異常的因素有很多，如何正確判斷異常的原因?qū)τ跔t缸維護和治理措施十分重要。當(dāng)爐襯與冷卻壁之間存在氣隙時，原有的傳熱體系被破壞，局部炭磚熱量無法及時導(dǎo)出，致使炭磚熱面溫度升高，炭磚無法給對應(yīng)部位的陶瓷杯提供保護，局部陶瓷杯被侵蝕掉。因此，建立起可靠的爐缸傳熱體系，防止氣隙是爐缸長壽的關(guān)鍵。生產(chǎn)維護中對灌漿料、灌漿孔的選擇及灌漿過程控制要恰當(dāng)，避免出現(xiàn)新的熱阻。在生產(chǎn)操作上要堅持精料入爐，控制有害元素，優(yōu)化操作制度，采取活躍爐缸死料堆的措施，保持適當(dāng)?shù)臓t底中心溫度盡可能地減緩鐵水環(huán)流的影響。同時采取高鈦礦護爐，定期檢修灌漿，保證炮泥質(zhì)量，加強鐵口維護，完善檢測手段，強化爐缸冷卻等措施，確保高爐長壽、穩(wěn)定、順行。

［1］朱建偉，王再義，邢本策，等.鞍鋼4號高爐爐缸爐底破損調(diào)查［J］.煉鐵，2001（2）:11-15.

［2］項鐘庸，王筱留.高爐設(shè)計—煉鐵工藝設(shè)計理論與實踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

［3］鄒忠平，郭憲臻.高爐爐缸氣隙的危害及防治［J］.鋼鐵，2012（6）:9-13.

［4］中國冶金建設(shè)協(xié)會.GB50427-2008《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

Analysis and Diagnosis on Abnormal Temperature of BF Hearth

ZHANG Chen
（Jiangsu Province Metallurgical Design Institute Co.，Ltd，Nanjing 210007，China）

There are many reasons causing hearth temperature increases.Combined with the case of abnormal temperature of blast furnace hearth，starting working on the temperature of hearth material，and by analyzing the recording data and heat transfer system，the diagnosis of abnormal increase of hearth temperature is made.It is proposed that the problem is mainly resulted from air gap existed between the hearth cooling stave and carbon bricks，‘mushroom’shape erosion at furnace hearth and raw material and fuel quality degradation causing hearth status worsens。

temperature of hearth；diagnosis；air gap

TF572

B

1001-6988（2016）04-0035-05

2016-05-13

張晨（1985—），男，工程師，主要從事冶金工程設(shè)計方面工作.