杨军昌，张联兵，韩秀鹏，申伟
(首钢长治钢铁有限公司)
摘 要：通过对首钢长钢8号高炉炉缸温度变化和护炉生产实践的总结，以及停炉后的破损调查，重点分析了影响高炉长寿的关键因素。
关 键 词：高炉；炉缸炉底；侵蚀；护炉
首钢长钢8号高炉(1080m3)于2004年9月19日投产，设计20个风口和2个铁口。高炉采用水冷炭砖一陶瓷杯综合砌体，炉缸、炉底配有6层测温热电偶。炉缸设计有4段冷却壁，冷却壁为球墨铸铁光面冷却壁，采用工业水冷却。2012年2月20日停产大修，生产7年6个月，总计生产生铁658万t，单位炉容产铁量6095t／m3。对8号高炉进行了炉缸炉底侵蚀调查，分析影响高炉长寿的关键因素和护炉的有效措施。
1 炉缸炉底结构
8号高炉采用的是综合炉缸、炉底结构，炉底封板上为混凝土，混凝土上并排42根Φ108mm的水管，往上为炉底捣打料找平层。在其上砌筑5层半石墨质砖，尺寸为400mm×400mm×1200mm，炉底总高度为2000mm，不同层之间交错砌筑。第5层半石墨质砖表面标高为6．503mm。第4层至12层外环砖为微孔炭砖，第13层至第14层为半石墨质砖。半石墨质砖上立砌2层复合棕刚玉砖，高度为690mm，形成陶瓷杯炉底。炉缸侧壁砌复合棕刚玉砖，形成陶瓷杯壁。铁口区范围用复合棕刚玉砖砌筑。冷却壁与炉壳之间填充无水炭素泥浆。炭砖与冷却壁缝隙约为70mm，用炭素S9填充料捣打。炭砖与陶瓷杯之间缝隙50mm，填充炭素胶泥。
2 高炉护炉生产情况
高炉开炉1周后即发现，标高9202、10205mm处的热电偶温度相继升高，内环部分点温度超过1000℃。随着生产延续，高温区逐渐下移到标高8199mm与7196mm的位置。高炉开始护炉，控制冶炼强度生产，直至停炉大修从未使用过全风作业。
在高炉的整个生产过程中，主要采取过以下措施维持高炉生产：风口喂线护炉；严格控制来水温度，局部通入高压水，增加铜冷却棒加强冷却效果；改变送风制度，部分风口改为直风口，缩短风口长度，缩小送风面积，以减缓铁水环流；堵温度高部位风口生产；加钒钛矿、钒钛球团矿生产，确保TiO2入炉量在8～15kg／t；控制较为充沛的炉温，确保生铁中[TiO2]含量≥0．12％；控制冶炼强度生产，利用系数2．2～2．6，鼓风动能9～11kJ／s，标准风速185～200m/s。8号高炉历年来技术经济指标见表1。
3 炉缸温度变化及采取的措施
(1)第一阶段(2004年9月—2007年5月)。2004年9月19日开炉，一周后即发现标高9202、10205mm处的热电偶温度相继升高，内环部分点温度超过1000℃。随着生产的延续，高温逐渐下移到标高8199mm与7196mm处。2005年4月，正北3号风口下方标高8199、7196mm处的J、K点热电偶温度逐步升高。到5月，内环温度点超出1000℃，超过热电偶量程，已不能作为检测点。
(2)第二阶段(2007年5—12月)。2007年5月19日零点班，当标高7200mm东北方向H点温度达到766℃，超过警戒温度，休风堵3个风口(6、7、18号)，将风量控制在2000m3／min。但温度并没有得到有效控制，炉缸东北方向进入炭砖100mm深度的温度点最高升至978℃。2007年5月20日，被迫休风凉炉，堵5个风口(5、6、7、12、18号)，风量控制在1500m3／min。
(3)第三阶段(2007年12—2009年8月)。2007年12月24日四点班，炉缸、炉底东南方向热电偶温度逐渐升高，标高7196mm处的F点(伸入炭砖100mm)温度从635℃升高到961℃(最高时1153℃)，对应此处的第2段7、8号冷却壁组水温差从0．5℃分别升高到0．7℃和0．9℃，热流强度分别达到了9．87、15．01kW／m2。依据现场情况和护炉规定，于25日01：15休风凉炉，对8号冷却壁组进行了拆分，实施单独供水冷却。
(4)第四阶段(2009年8月—2011年3月)。2009年8月29日，7号冷却壁(面积3．522m2，水流量45m3／h)水温差从0．5℃升至0．7℃，热流强度达到9．78kW／m2。9月5日休风50min，捅开南面13号风口，堵东南面9号风口和东北面6号风口。9月6日升至0．8℃，热流强度12．12kW／m2。9月7日将第2段东面7号冷却壁单拆为2块，第2段7号单块冷却壁(面积1．761m2、水流量56．5m3／h)水流量增加11．5m3／h，水温差0．3、0．2℃，热流强度11．17、7．64kW／m2。9月24日后下降至9．3kW／m2以下。
(5)第五阶段(2011年3月—2012年2月)。2011年3月31日，炉缸温度突变，14号风口下方标高6900mm处抵住炭砖的临时热电偶温度突然升高，14号A2从166℃短时间内升至184℃，14号B2从169℃升至195℃；第2段12号冷却壁组水温差升至1．3℃，热流强度超过16．28kW／m2；13号冷却壁组水温差升至0．9℃，热流强度超过9．65kW／m2，炉皮温度最高达到80℃，存在烧穿危险。高炉在出铁后于02：20紧急休风。单拆第2段12号冷却壁组，增大冷却强度，并命名为22、23号冷却壁。
4 侵蚀情况
停炉后，对炉内的侵蚀情况进行了调查。从现场调查的结果看，高炉的侵蚀是不规则的，同一方位侵蚀程度也不同。
(1)正南方向。位于12、13号风口之间的下方，第2段23号冷却壁、第1段24号冷却壁缝隙处抵住炭砖的临时热电偶温度(新安装)突然升高到196℃。该部位第7、8层虽然还能分辨出有炭砖，但在紧靠冷却壁的地方，发现有凝结的残渣铁(如图1所示)。
在10、11号风口之间下方，第2段20号、第1段20号冷却壁位置，该部位第1、2段冷却壁缝隙处抵住炭砖的临时热电偶温度(新安装)达到219℃。该部位第8层炭砖位置已不能分辨清是否有炭砖，只能看出是凝结物紧挨捣打料，捣打料厚度约70mm基本完好；第7层炭砖剩余厚度140mm。
(2)正东方向。位于7～9号风口之间的下方。该部位标高7196mm处深入炭砖100mm的临时热电偶温度(新安装)达到过1000℃。该部位第6层炭砖剩余厚度130mm，第7层炭砖剩余厚度60mm，第8层炭砖剩余厚度约50mm。
(3)正北方向。位于3、4号风口下方，该部位深入炭砖100mm临时热电偶温度(新安装)最高达到654℃，抵住炭砖临时热电偶温度(新安装)达到250℃，靠近冷却壁处有残铁。在3号风口下方，第10层炭砖剩余厚度280mm；第9层炭砖剩余厚度300mm。1号风口下方第8层炭砖剩余厚度630mm，在180mm处有环裂；第7层炭砖剩余厚度660mm；第6层炭砖剩余厚度710mm。这两层炭砖由于现场施工原因没能清楚观察到侵蚀程度，从裸露出的部分看有渣铁夹杂、包裹炭砖的现象，侵蚀应该比较严重。
(4)炉缸炉底部位。炉缸侵蚀最为严重的是第7、8层炭砖部位，该部位在圆周方向侵蚀都较为严重，呈象脚状。炉底侵蚀呈锅底状，最深处在第3层炭砖下部。
(5)其他情况。在炉底第5、6层挖出含褐红色的凝结物，其在炉底的沉积厚度20～100mm，化学分析见表2。可以看出，该物质的含钛量较高，说明炉底有钛化物沉积层。还在炉内挖出黄绿色物质，化学分析见表3。可以看出，该物质的ZnO含量高达93．88％，说明有害物质Zn可以进入炉缸。由于Zn的频繁氧化还原，对炉缸耐材造成严重破坏。
5 侵蚀原因
高炉是个密闭的化学反应容器，在炉缸内，耐材受碱金属侵蚀，热应力的破坏，CO2、O2、H2O的氧化，渣铁的侵蚀和流动冲刷破坏。但就8号高炉而言，认为主要是以下原因导致炉缸温度异常变化。
(1)耐火材料质量差。8号高炉采用炉缸炭砖质量与技术要求不相符，其中导热系数远低于标准。高炉设计时炉底、炉缸耐材要求指标见表4。2004年生产期间与停炉后，对炭砖与捣打料取样化验对比，两次检测炉缸耐材导热系数都偏低，达不到高炉设计要求(见表5、6)。
(2)砌筑质量差。在清挖时发现，在炭砖横缝与竖缝间有渗铁现象，个别地方铁已渗透到砖与冷却壁之间的捣打料上，可能是砌筑时缝隙过大或填充不结实所致。
(3)炭砖环裂。由于整体大块炭砖受热不同，两端温差大，随着升温各种应力在增加，当应力超过炭砖破损极限值时，即出现微小的变形和裂纹。大块条形炭砖受热后，其冷端由于冷却效果好，炭砖强度较热端好，而热端长期处于高温状态，产生的热应力于长度中间部位，使炭砖热端一侧受到一个向内的不平衡的拉伸力。当拉伸力大于炭砖破坏应力时，便产生横向裂纹。当缝内渗入大量渣铁，炭砖会产生线性膨胀，加剧炭砖环裂。
(4)碱金属侵蚀。随着长期冶炼，碱金属的循环富集不可避免。碱金属氧化物在一定温度下，与炭砖中的炭素起剧烈反应。当炭砖侵入碱蒸气时，易于形成新的化合物如Fe，C、ZnO等，这些化合物易产生晶变，从而导致体积膨胀，破坏炭砖强度，对炭砖破损起催化作用。从炉内取样分析来看，8号高炉内Zn含量较高，存在较严重的碱金属侵蚀。
6 结语
(1)严把质量关。炉缸、炉底是高炉最关键的部位，是决定高炉一代炉龄寿命的关键，必须严格把好耐火材料质量和砌筑质量关，充分考虑该部位的侵蚀机理，选用优质耐材和信用好的施工单位，确保无先天隐患。
(2)加强监控。炉缸温度监测是确保炉缸安全的重要手段。随着侵蚀，炉缸原有热电偶逐渐减少，应在重点部位通过炉壳钻孔，增加热电偶监测点，对炭砖、炭捣料进行有效监控。对炉壳、冷却壁增加热电阻，坚守最后一道防线。条件允许时，可建立“炉底炉缸侵蚀模型”指导生产。无论采用那种检测手段，当发现有局部热流强度升高时，必须采取有效措施，及时控制，不可大意致使升高部位蔓延，加剧侵蚀。
(3)加强高炉操作。严格控制高炉操做参数，缩小、加长和使用直风口使回旋区向炉缸推进，减少了对炉缸侧壁的冲刷，也要兼顾炉缸活跃与炉况顺行，避免炉墙结厚造成炉况不顺。长期堵风口容易导致高炉偏料，可适当加堵热流强度高部位对面的风口；装料制度上适当压制边缘气流，加中心焦，降低炉顶压力，杜绝高炉憋风。同时，减少喷煤量，有利于提高高炉透气性，有利于护炉；强化冷却；重视炉前操作；加强检漏工作，及时发现处理漏水；建立完善的应急预案体系。
(4)加强原燃料的管理。一方面减少入炉碱金属带入量；另一方面要优化高炉操作，做好排碱工作，降低碱金属的危害。