曹鋒 沈忱 劉長喜 馬勇健 陳建 王凱

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

爐缸爐底是高爐工作環(huán)境最惡劣的區(qū)域，其內襯耐材由于受到機械侵蝕和化學侵蝕的作用，易發(fā)生局部溫高、燒穿事故［1］。爐缸、爐底燒穿是高爐煉鐵生產中最嚴重的安全事故，會給企業(yè)帶來重大的生命財產損失，甚至會終止高爐一代爐役的生產。2005年，國內某冶金公司就曾發(fā)生高爐爐底燒穿引發(fā)噴爆，鐵水泄漏，導致10人死亡、6人受傷的重大生產安全事故。爐缸爐底是高爐煉鐵生產的高安全風險部位，對高爐爐缸爐底安全管理進行探討，以期為改進高爐煉鐵安全生產提供參考。

1 爐缸爐底安全管理理論

安全管理理論的發(fā)展經歷了事故學理論、技術危險理論、系統(tǒng)風險理論、本質安全理論四個發(fā)展階段，實現(xiàn)本質安全管理將是現(xiàn)代安全生產科學管理的必然發(fā)展趨勢，但在當下和未來相當一段時期內，最為前沿的安全科學管理模式是基于風險的安全管控模式［2］。從本質安全理念來看，爐缸爐底安全管理的核心是建造具備滿足高爐一代爐役要求的“永久性”內襯的爐缸爐底。爐缸爐底燒穿事故時有發(fā)生，表明在現(xiàn)階段生產力水平下，爐缸爐底尚不能實現(xiàn)事前的以人本物本協(xié)調機制的本質型安全管理，則對爐缸爐底落實基于事前、事中、事后的“系統(tǒng)風險”的安全管理，不失為當前最科學的安全管理。就此看來，爐缸爐底的安全管理，實質上是爐缸爐底燒穿風險的管控，其重要的方面，就是通過科學管理，保障爐缸爐底的長期安全工作（即長壽）。

2 爐缸爐底安全風險辨識

爐缸是高爐的核心關鍵部位，是高爐冶煉進程的起始和終結。在高爐的一代爐役期間，爐缸爐底始終都是浸泡在高溫液態(tài)渣鐵中，爐缸爐底的內襯受液態(tài)渣鐵的熔蝕、沖刷，鐵水的滲透，熱應力、堿金屬及鋅的破壞，水蒸氣、CO2對炭磚的氧化等作用，會逐漸減薄，埋設在其中的熱電偶測溫逐步上升，當爐缸爐底內襯過快、異常侵蝕時，爐缸爐底的監(jiān)測溫度快速升高，爐缸爐底發(fā)生燒穿的風險增加，形成安全隱患，在不能有效延緩、控制侵蝕的情況下，就可能發(fā)生爐缸爐底燒穿事故。一旦發(fā)生爐缸爐底燒穿事故，有的情況下會誘發(fā)重大的爆炸事故，毀壞一座生產車間；有的情況下高爐不能繼續(xù)生產，只能大修或另建。事實上，高爐爐缸爐底燒穿存在發(fā)生火災、爆炸、灼燙、中毒等安全事故的極高風險，可造成人員傷亡、設備設施損壞的重大安全生產事故。高爐爐缸爐底燒穿時，1 500℃左右的高溫鐵水從爐缸爐底燒穿處流出，可燒壞爐殼、管道，傾瀉在爐基區(qū)域，破壞爐基混凝土、鐵軌等，遇有可燃物會引起火災。對于爐基有積水，或采用水冷爐缸爐底的高爐，若燒穿涌出的高溫鐵水燒壞爐缸冷卻設備及爐底供水管道，會發(fā)生鐵水遇水的劇烈爆炸。飛濺的高溫鐵水，氣化的蒸汽可導致現(xiàn)場人員灼燙傷害。爐缸爐底燒穿時，伴隨有大量煤氣泄漏，易致使人員煤氣中毒。做好爐缸爐底安全管理，管控爐缸爐底燒穿的風險，對高爐煉鐵安全生產十分重要。

3 爐缸爐底安全風險管控

解決好爐缸爐底的長壽問題，就可很好地做到高爐爐缸爐底安全風險的防控。爐缸長壽就是解決爐缸侵蝕的問題，過快、異常侵蝕的主要原因是爐缸結構設計、材質選擇、砌筑水平、烘爐及操作過程管控不佳或者內部工作狀態(tài)失常［3］。在高爐一代爐役中，從高爐設計、設備制造、砌筑施工、開爐、操作、生產管理與維護、配套工程等，每一環(huán)節(jié)均做到先進可靠，才能實現(xiàn)爐缸爐底真正的長壽［3］。下面結合工作實踐和已有研究，對爐缸爐底事前、事中、事后安全風險管控進行討論。

3.1 事前風險管控：本質安全的長壽策略

為實現(xiàn)高爐爐缸爐底安全長壽，專家學者們從爐缸爐底結構設計、材質選擇、砌筑質量、烘烤等方面，對構造長壽爐缸爐底開展了大量研究［4-9］，這些在高爐投用前所采取的保證高爐爐缸爐底長壽的策略，就是基于本質化安全思想，對爐缸爐底的事前安全風險管控。可概括為：①設計高爐合適的容積比、死鐵層深度、鐵口參數，以利于活躍爐缸、減輕環(huán)流。②合理選用抗壓、抗沖刷優(yōu)質耐材，注重導熱性能的匹配，優(yōu)化爐缸爐底砌筑結構。③以“無過熱、低應力”為核心，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)：如采用除鹽水，銅冷卻壁，水冷爐底，保證合適的冷卻水流速（約2 m/s）、碳素搗料熱導率（達到15～20 W/（m·K））、冷卻壁比表面積（1.0以上），重視冷卻壁的制造和安裝質量。④完善的爐襯、冷卻水監(jiān)測和預報預警系統(tǒng)：在爐缸爐底的磚襯里布置充足的熱電偶，用于監(jiān)測爐缸爐底的磚襯溫度；設置冷卻水進出口壓力、流量、溫度監(jiān)測和記錄；配置包括爐缸侵蝕模型等的高爐專家系統(tǒng)。⑤精心組織施工，確保良好的砌筑等施工質量。⑥嚴格執(zhí)行制定好的正確爐缸爐底烘烤制度。

3.2 事中風險管控：延緩侵蝕的技術措施

高爐爐役期間所采取的利于高爐爐缸爐底長壽的技術措施，就是對爐缸爐底安全風險的事中管控。爐缸爐底侵蝕是個不可逆的過程，探究高爐生產過程中，爐缸爐底過快、異常侵蝕成因，找出延緩侵蝕的對策，確保爐缸爐底達成設計爐役周期壽命，是管控爐缸爐底安全風險的重要內容，根據生產實踐探索和前人研究成果［7,10-11］，將延緩爐缸爐底侵蝕的主要技術措施總結為：①保持高爐長期的穩(wěn)定順行，避免或減少任何對爐缸長壽不利的操作。高爐穩(wěn)定順行是爐缸長壽的基礎。②強化爐缸區(qū)域溫度、熱流強度監(jiān)測和預警，測算侵蝕厚度，推算安全系數，及時精準掌握侵蝕情況，及早采取應對措施。③準確測判、適時更換損壞冷卻設備，嚴控冷卻設備往爐內漏水，定期進行爐基排水，減少漏水對爐缸碳磚的損害。④從篩分、料序、質量信息等方面，加強對入爐原燃料的管理和控制，降低入爐原燃料質量對爐況的影響。⑤控制爐內鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素，減輕對爐缸磚襯的損壞，也利于改善爐況順行。如可采取燒結礦中減少或停配除塵灰，來降低入爐堿金屬及鋅負荷；適當降低爐渣堿度，定期排堿，來降低堿金屬的富集。⑥調整裝料制度，來穩(wěn)定改善煤氣流，保持爐況穩(wěn)定。一方面利于爐缸保護層穩(wěn)定，對保持護爐效果有促進作用；另一方面利于降低邊沿溫度，穩(wěn)定爐墻水溫差，減少熱損失，提高爐溫。⑦圍繞降低鐵口區(qū)域冶強，增長回旋區(qū)深度，利于吹透中心，強化爐缸熱交換，活躍爐缸，減小鐵水環(huán)流，來優(yōu)化送風參數。⑧控制合適的鐵水成分及物理熱，保證爐缸熱量充沛，有助于改善爐缸內渣鐵的流動性、活躍爐缸和高爐順行，使用鈦礦護爐時，有利于提高鐵水鈦含量。⑨優(yōu)化爐前操作，選擇合適泥質、打泥參數、鐵口深度、出鐵次數等合理的出鐵及出鐵口的維護制度，維持鐵口深度和出鐵速度的均衡、穩(wěn)定，保持爐缸內渣鐵液面的相對穩(wěn)定，有利于穩(wěn)定爐缸工作狀態(tài)和減緩爐缸侵蝕。⑩采取提冷卻水流量、降冷卻水溫度、局部通高壓工業(yè)水，爐墻打水等手段，強化高溫區(qū)冷卻，使得爐缸耐材熱面更容易形成保護層，從而緩解爐缸侵蝕。需要說明的是爐墻打水冷卻基本上只能起到冷卻爐墻的作用，有利于保護爐墻，但對炭磚冷卻效果不是很大。另通工業(yè)水冷卻時要關注工業(yè)水結垢對冷卻效果的影響。加含鈦爐料護爐，在合適［Ti］量和冷卻強度下，護爐效果明顯，噸鐵TiO2加入量通常為5~10 kg，較適宜的［Ti］質量分數為0.08%～0.12%，爐缸溫度急劇升高時，可進一步臨時提高鈦負荷及鐵水［Ti］，實踐表明常態(tài)化加鈦護爐，利于形成穩(wěn)定的保護層，以確保高爐炭磚溫度及冷卻水溫差在受控范圍以內，也可以穩(wěn)定較高的冶煉強度水平。平衡好冶煉強度和護爐之間的關系，控制合理的冶煉強度是最有效的護爐措施之一。降低冶煉強度措施有：降富氧、減風、退負荷、堵風口等。一般來說，通過控制冶強，降低爐缸內鐵水擾動、環(huán)流速度，有利于渣鐵凝結層的緩慢形成，對爐缸炭磚起到保護作用。綜合應用提高冷卻強度、加鈦礦護爐和控制、降低冶煉強度等護爐措施，重視護爐與操作制度調整的協(xié)同，優(yōu)化煤氣分布，改善爐缸活性，減弱鐵水環(huán)流，改善高爐順行狀態(tài)，提升護爐效果。

其他方面措施有：①新投產高爐可通過冶煉鑄造鐵，使爐缸生成一層石墨碳以封堵部分磚縫，對延長爐缸壽命有益；②對于施工質量存在問題、搗料層未達標或搗料受熱后收縮等其他原因形成熱阻層的爐缸，可采用在爐皮兩塊冷卻壁之間的縫隙處開孔，進行爐缸局部壓漿處理。

3.3 事后風險管控：減小損失的預防與應急

在高爐爐役末期，爐缸的固有爐襯侵蝕變薄到嚴重程度時，因爐況的變化，爐缸磚襯溫度隨著渣鐵保護層的生成、脫落而大幅波動，一旦爐缸爐底出現(xiàn)異常超高溫部位，爐缸爐底燒穿的風險大增，應通過做好預防與應急，來對爐缸爐底安全風險進行事后管控，以控制和減小損失。

1）制定并嚴格執(zhí)行生產應急預案。從生產技術角度，制定針對爐缸爐底異常高溫時，維護管理高爐爐缸爐底不致于燒穿而采取的緊急控制措施方案，同時須加強爐缸爐底監(jiān)測，及時準確研判，做好預案的動態(tài)更新修訂，確保生產應急處置有效。生產應急的極端情況是爐缸側壁溫度超高或急速上升，達到控制上限，危及安全生產時，高爐須停風涼爐。必要時應停爐大修，在新理念、新技術支撐下，優(yōu)化重新砌筑爐底爐缸，使高爐重獲新生。

2）貫徹落實防止事故擴大化的安全防控措施。加強對爐缸爐底燒穿后，熔融鐵水可能波及的爐基等區(qū)域的監(jiān)控，確保干燥無可燃物；在可能發(fā)生燒穿方向的爐基一定范圍內用耐火材料砌筑擋墻；做好爐基區(qū)域封閉管理，嚴格落實進出爐基區(qū)域報備登記。

3）編制并組織演練安全應急處置預案。配置與現(xiàn)場作業(yè)人員需求相符的逃生器等應急器材，定期組織開展演習，使員工熟知爐缸爐底燒穿應急疏散和救援程序。

4 結論

1）高爐爐缸爐底安全管理實質上是爐缸爐底燒穿風險的管控，保障爐缸爐底的長壽是高爐爐缸爐底安全管理的重要內容，現(xiàn)階段最科學的爐缸爐底安全管理是基于“系統(tǒng)風險理論”對爐缸爐底燒穿安全風險的管控。

2）爐缸爐底燒穿存在造成火災、爆炸、灼燙、中毒等安全生產事故的極高風險，做好爐缸爐底安全管理，對高爐煉鐵安全生產非常重要。

3）對爐缸爐底安全風險管控，可采取事前本質安全的長壽策略、事中延緩侵蝕的技術措施、事后減小損失的預防與應急。