王永強(qiáng)，武曉陽(yáng)，譚亞韡，閆 飛，張文祥，張仕駿

（河鋼集團(tuán)唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 063000）

0 引言

高爐鐵溝分為主鐵溝、支鐵溝和渣溝，是高爐渣鐵排放的通道，它作為高爐煉鐵生產(chǎn)工序中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，是必不可少[1]。在所有鐵溝中，最重要的是主鐵溝，熔融鐵水和鐵渣從出鐵口流出后排入主鐵溝，當(dāng)鐵水和熔渣的混合物達(dá)到主鐵水溝末端時(shí)，由于鐵水與鐵渣密度不同且互不相溶，自然分為兩層，上層為鐵渣、下層為鐵水，上層鐵渣經(jīng)撇渣器阻擋進(jìn)入渣溝，下層鐵水經(jīng)撇渣器下方通道流入支鐵溝，主鐵溝的主要作用就是實(shí)現(xiàn)渣鐵分離[2]。主鐵溝主要由支撐結(jié)構(gòu)與耐火材料內(nèi)襯組成，實(shí)際生產(chǎn)中主鐵溝的使用環(huán)境極度惡劣，主要受到高溫液態(tài)鐵渣的侵蝕和鐵水的沖刷。主鐵溝的耐火材料內(nèi)襯一般采用剛玉、碳化硅、石墨、有機(jī)纖維及水泥等組成的不定型澆注料，施工時(shí)采用一次性澆筑成型。而主鐵溝的通鐵量和使用壽命直接影響著高爐生產(chǎn)的作業(yè)率、耐火材料消耗和生產(chǎn)成本，因此提高主鐵溝通鐵量和使用壽命是煉鐵工作者重要的研究?jī)?nèi)容之一。

唐鋼新區(qū)煉鐵事業(yè)部目前建成3 座2922m3高爐，均為4 出鐵口設(shè)計(jì)，耐火材料的使用為供應(yīng)商整體承包模式，采用噸鐵結(jié)算。自退城搬遷投產(chǎn)后，唐鋼新區(qū)主鐵溝通鐵量整體偏低，2020 年下半年主鐵溝通鐵量?jī)H為7 萬噸左右，遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水平。本文針唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝通鐵量整體偏低的原因進(jìn)行了分析，制定了改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)措施實(shí)施效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 主鐵溝耐材侵蝕機(jī)理

1.1 沖刷侵蝕

高爐出鐵口至主鐵溝落鐵點(diǎn)高度落差一般為150～300mm 之間，及特殊情況可以達(dá)到350mm，鐵水從出鐵口噴出前具有較大的動(dòng)能和勢(shì)能，噴射至落鐵點(diǎn)，對(duì)鐵溝耐火材料造成直接沖擊。根據(jù)孫長(zhǎng)余的模擬結(jié)果[3]，貯鐵式主鐵溝落鐵點(diǎn)受沖擊較輕，但其側(cè)壁的耐火材料受到的沖擊很嚴(yán)重；對(duì)于非貯鐵式主鐵溝，其落鐵點(diǎn)沖擊侵蝕較為嚴(yán)重，側(cè)壁基本不受沖擊。

1.2 熔渣侵蝕

高爐熔渣具有復(fù)雜的化學(xué)組成，其主要成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3，另 外含 有少 量的S 和FeO。熔渣溫度一般超過1400℃，在高溫情況下，其中的CaO 等組分易與主鐵溝料中的酸性氧化物如SiO2形成鈣黃長(zhǎng)石等低熔物，而主鐵溝料中的A1203則與渣中的CaO、MgO、Fe0 形成結(jié)構(gòu)疏松的復(fù)合尖晶石結(jié)構(gòu)低熔點(diǎn)物質(zhì)[4]，在熔渣的滲透和耐火材料剝落的作用下，會(huì)加速造成主鐵溝渣線部位工作襯的侵蝕。

1.3 熱震作用

主鐵溝在高爐休風(fēng)時(shí)，溫度較出鐵過程降低約1500℃，巨大的溫差造成了耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，隨著熱應(yīng)力的釋放，主鐵溝耐火材料會(huì)產(chǎn)生裂紋，耐火材料強(qiáng)度變低。主鐵溝在高爐復(fù)風(fēng)使用時(shí)，還要經(jīng)受鐵水的機(jī)械沖刷以及熔渣的化學(xué)侵蝕，造成熔渣侵入耐火材料裂縫，致使耐火材料剝落，加速了鐵溝耐火材料的侵蝕。

2 主鐵溝下線原因分析

跟蹤高爐主鐵溝下線情況，唐鋼新區(qū)2021 年上半年主鐵溝下線原因及數(shù)量如圖1所示。

圖1 2021年上半年主鐵溝下線原因及數(shù)量

由圖1 可以看出，2021 年上半年唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝共計(jì)下線32 條，下線按照落鐵點(diǎn)附近薄、工作層裂紋、高爐休風(fēng)、耐材剝落、撇渣器侵蝕5 種原因進(jìn)行分類，其中落鐵點(diǎn)附近侵蝕、工作層裂紋、耐材剝落與高爐休風(fēng)為主要下線原因，共計(jì)占比96.88%。

2.1 主鐵溝溝型設(shè)計(jì)影響

主鐵溝下線后，落鐵點(diǎn)附近耐火材料殘厚不足在上述統(tǒng)計(jì)中占比34.38%，通過同等鋼鐵企業(yè)間對(duì)標(biāo)，發(fā)現(xiàn)此類下線原因與唐鋼新區(qū)高爐出鐵場(chǎng)出鐵口至落鐵點(diǎn)的落差相關(guān)性較大，唐鋼新區(qū)落差達(dá)到了350mm，遠(yuǎn)超同類型高爐的鋼鐵企業(yè)，但主鐵溝溝型在設(shè)計(jì)方面未考慮到鐵水沖擊力過大的因素。

2.2 高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)影響

唐鋼新區(qū)投產(chǎn)初期，由于鋼區(qū)設(shè)備熱試調(diào)試，轉(zhuǎn)爐的頻繁啟停，造成鐵-鋼不平衡，高爐壓鐵嚴(yán)重，致使高爐多次休風(fēng)。高爐復(fù)風(fēng)時(shí)的冷熱溫差造成主鐵溝耐火材料產(chǎn)生裂紋或剝落；同時(shí)高爐復(fù)風(fēng)時(shí)鐵口變化會(huì)造成出鐵流偏，沖擊非落鐵點(diǎn)部位耐火材料，造成主鐵溝侵蝕速率加快；另外休風(fēng)后測(cè)量主鐵溝耐火材料殘厚數(shù)據(jù)，殘厚數(shù)據(jù)雖然滿足安全要求，但不滿足重新上線殘厚要求，同樣也會(huì)影響主鐵溝的通鐵量。

3 改進(jìn)措施與實(shí)施

3.1 主鐵溝溝型更改

優(yōu)化主鐵溝溝型設(shè)計(jì)，針對(duì)易侵蝕點(diǎn)局部加強(qiáng)，以提高主鐵溝的一次通鐵量。將主鐵溝側(cè)壁耐火材料的工作層厚度增加50mm，實(shí)施方案為主鐵溝的模具寬度由1050mm 縮減至950mm，并計(jì)算主鐵溝變窄后是否滿足高爐出鐵的要求。

主鐵溝流量計(jì)算：

依據(jù)高爐主鐵溝內(nèi)渣中帶鐵率與鐵水流速的經(jīng)驗(yàn)式：

式中：Y—渣中帶鐵量占出鐵量的百分比，即渣中帶鐵率，%。

v—鐵水在主溝中的流速，m/min。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證高爐出鐵效率的最大化，渣中帶鐵率Y通常要求小于0.1%。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)式（1），主溝中鐵水流速應(yīng)低于v=

主溝斷面尺寸的確定參考下列經(jīng)驗(yàn)式：

式中：S—主溝斷面積，m2。

K—單次出鐵量的不均勻系數(shù)，0.7≤K≤1.3。

P—單次平均出鐵量，t/次。

T—單次出鐵時(shí)間，min。

y—鐵水密度，7.0t/m3。

v—鐵水在主溝中的流速，m/min。

按日產(chǎn)量8500t，日均出鐵12次，單次出鐵時(shí)間120min，對(duì)主溝最小斷面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 主溝最小斷面積計(jì)算

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2），在滿足高爐生產(chǎn)要求與主鐵溝鐵水最大流速時(shí)，試驗(yàn)主鐵溝最小斷面積應(yīng)滿足大于，試驗(yàn)?zāi)＞咧鳒蠑嗝娣e為0.94 m2，滿足生產(chǎn)要求。

經(jīng)過上述計(jì)算，將主鐵溝模具寬度由1050mm縮減至950mm可行。

3.2 規(guī)范休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)

高爐休風(fēng)再?gòu)?fù)風(fēng)后會(huì)造成出鐵過程的流速、落鐵點(diǎn)等參數(shù)發(fā)生變化，這是由于高爐的休風(fēng)導(dǎo)致高爐出鐵口發(fā)生變化，爐缸積滯造成鐵水環(huán)流。由于上述變化會(huì)造成主鐵溝的異常侵蝕、降低主鐵溝壽命，因此提出了休復(fù)風(fēng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的概念。

（1）休風(fēng)料應(yīng)該控制到高爐爐腰的中下沿位置，適當(dāng)減輕焦炭負(fù)荷，定期分批加入少量的凈焦。休風(fēng)時(shí)還需調(diào)整爐渣及鐵水成分，減少渣量，以確保渣鐵流動(dòng)性，即：根據(jù)爐內(nèi)情況，以球團(tuán)代替硅石，同時(shí)加入適量錳礦。

（2）為避免高爐復(fù)風(fēng)后爐內(nèi)溫度上升過快，提高加風(fēng)作業(yè)的效率，休風(fēng)前應(yīng)適當(dāng)?shù)南陆等剂媳?，休風(fēng)前4h內(nèi)適度下調(diào)8～15kg/t。

（3）高爐休風(fēng)減風(fēng)過程前期快，而后期要慢，保證渣鐵出凈。

（4）休風(fēng)前尾次鐵應(yīng)保證物理熱在1480～1500℃之間，[Si]含量控制在0.4～0.6%之間，休風(fēng)期間要保證高爐爐缸的保溫，休風(fēng)后立即停止噴煤冷風(fēng)和靜壓氮?dú)?，并逐漸降低冷卻水水量。

（5）復(fù)風(fēng)后首次出鐵應(yīng)避免流偏和流速變化，要將爐內(nèi)低溫渣鐵穩(wěn)定排出，這就需要保證首次出鐵時(shí)的鐵口的形狀和直徑大小，處理鐵口時(shí)先用大鉆頭將鐵口打大、打薄，再用氧氣燒開鐵口。根據(jù)爐外渣鐵排放決定加風(fēng)進(jìn)度，復(fù)風(fēng)4～6h 內(nèi)風(fēng)量逐步恢復(fù)至正常風(fēng)量的80～90%[5]。

4 措施實(shí)施效果

隨著上述措施的逐步落地，2021年7月至12月間唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝平均通鐵量逐步增加，通鐵量由2020 年下半年平均7 萬噸提升至2021 年下半年平均12.3 萬噸，其中2021 年第4 季度高爐主鐵溝平均通鐵量完成13.32 萬噸，高爐主鐵溝通鐵量提升超過了90%。2021 年下半年主鐵溝平均通鐵量如圖2所示。

圖2 2021年下半年主鐵溝平均通鐵量/萬噸

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝通鐵量整體偏低原因的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查實(shí)際，發(fā)現(xiàn)影響新區(qū)高爐主鐵鉤壽命的主要原因是主鐵溝溝型不合理、高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)無標(biāo)準(zhǔn)。通過提高主鐵溝通鐵量和壽命技術(shù)攻關(guān)措施的實(shí)施，高爐主鐵鉤通鐵量較攻關(guān)前提升約90%。并為以后處理類似問題積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（1）優(yōu)化高爐主鐵溝設(shè)計(jì)可以適當(dāng)彌補(bǔ)出鐵口至落鐵點(diǎn)落差大的先天缺陷，應(yīng)根據(jù)主鐵溝類型判斷需要加強(qiáng)部位，即：貯鐵式主鐵溝加強(qiáng)落鐵點(diǎn)溝壁部位，非貯鐵式主鐵溝加強(qiáng)落鐵沖擊點(diǎn)位置。

（2）合理的高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)制度，有助于降低熱震應(yīng)力對(duì)主鐵溝造成的影響，提高主鐵溝通鐵量。