李建伟1，路连军1，赵建宇1，孙赛阳2
( 1． 河北津西钢铁集团股份有限公司，河北 迁西 064001; 2． 北京联合荣大工程材料股份有限公司，北京 101400)
摘要: 针对1 280 m3 高炉炉缸侧壁局部温度异常升高问题，通过对冷却壁热流强度测量及炭砖厚度模拟计算，推断出高炉炉缸侵蚀部位及状况，并在护炉期间采用均匀堵风口、配加高钛块矿、降低冶炼强度、控制铁水成分( 铁水含钛、硅、硫) 等措施，使高炉炉缸温度逐步得到控制，直至安全停炉。
关键词: 高炉; 炉缸; 温度; 侵蚀; 护炉; 钛; 均匀堵风口
0 引言
高炉长寿一直是炼铁系统重要的研究课题，在高炉炉役后期，随着高炉长时间生产，内部炉衬部分已经有了不同程度的侵蚀，尤其是炉缸部分对高炉寿命起着决定性的作用。通过对高炉冷却壁水温差、冷却壁热流强度、炉缸热电偶温度、炉皮温度等指标的检测，及时准确地对高炉炉缸侵蚀状况进行判断，并采取合理的护炉措施，保证高炉炉役后期的安全生产，直到停炉大修。
目前，利用含钛物质进行高炉护炉已经成为了炼铁行业的共识，其原理是钛矿中的含钛物质在进入高炉后被还原，随着铁水的流动到达炉缸各个部位，与高炉中的碳氮元素反应形成高熔点的碳氮化合物及复合体。在高炉侵蚀严重的部分，炉衬的温度较低，促进这些化合物沉积，形成难以融化的保护层，阻止铁水的进一步侵蚀。现阶段的护炉方式一般分为 2 种; 一种是开炉不久就开始加入 TiO2，如阳春新钢铁有限公司［1］; 另一种是通过检测高炉的运行情况，当高炉炉缸的温度发生异常变化时，开始大量加入钛矿，如首钢、柳钢、汉钢等［2 － 8］。同时在选用钛矿上也有着相应的要求，选择合理的操作方式［9，10］，保证护炉的同时也要减少对高炉软融带的影响。
1 高炉概况
津西钢铁 8#高炉于 2007 年 12 月投产，有效容 积12 80 m3，设计2 个铁口、20 个风口。炉底炭砖原设计采用 4 层炭砖卧砌，从下至上依次为半石墨炭砖 2 层( 600 mm × 2) 、微孔炭砖 2 层( 600 mm + 750 mm) ，总高度 2 550 mm。截止 2020 年 10 月停炉， 共计生产 5 年 4 个月，( 2015 年 5 月份大修) 累计产铁 549 万 t，平均单位炉容产铁 4 300 t /m3。2020 年 下半年，对高炉采取有效护炉方案，高炉正常运行， 直至 10 月初停炉大修。
2 高炉冷却系统及炉缸工作状况
2． 1 冷却系统、炉底和炉缸状况
高炉炉体采用 100% 工业水冷却，通过在炉底 板下埋设水冷管的形式冷却。炉底、炉缸采用灰铸 铁冷却壁( 1 ～ 5 层) ，炉腹采用球墨铸铁冷却壁( 6 ～ 7 层) ，炉腰采用冷却板和冷却壁( 第 8 层) ，炉身采 用板壁结合形式冷却( 9 ～ 23 层冷却壁、1 ～ 12 层冷 却板) ，炉喉部位采用水冷式钢砖( 上下 2 层) 。
炉底分为 2 层，每层分 7 个方向共插入 14 个测 温点，7 个方向电偶深度分布情况: 4 800 mm 1 个 点、2 280 mm 3 个点、900 mm 3 个点。 炉缸侧壁分为 5 层，每层分 4 个方向共插入 40 个测温点。其中 1 层电偶插入深度为 200 mm 和 320 mm、2 ～ 5 层 电 偶 插 入 深 度 为 100 mm 和 220 mm。
2． 2 炉缸侧壁温度变化情况
2020 年 6 月初，高炉 2#、7#、16#风口下方炉缸 二层冷却壁水温差突然上升了 0． 2 ℃，通过对炉缸各部位温差变化实时监测并计算，发现冷却热流强 度最高已达 11 500 kCal /m2·h，炉皮温度 80 ℃，如 表 1 所示。
电偶插入炉缸 220 mm 和 100 mm 处最高温度分别达到 655 ℃ 和 318 ℃。利用傅立叶导热公式(一维) 计算，依据公式 q = λ × △t /d 和 ( 655 －318) /0． 12 = ( 1 150 － 655) /d，计算出 d = 176 mm， 求得碳砖残余厚度 = 176 + 220 = 396( mm) 。8 #高炉9#风口下层电偶周围碳砖剩余厚度 396 mm。此时高炉炉缸电偶温度、热流强度均处于危险值范围内，可以准确判定炉缸区域碳砖环状侵蚀已形成并严重威胁着高炉的安全生产，必须采取有效护炉措施，对这 3 个点实施重点监护。
3 护炉措施
为了解决高炉炉缸侧壁温度升高问题，将护炉过程分 3 个阶段恢复高炉的正常运行。
3． 1 第一阶段———控制铁水成分
科学、合理控制铁水中硅、硫、钛含量是搞好护炉的 前 提。2020 年 1 ～ 5 月 8 # 高 炉 铁 水 含 硅0． 258% 、含硫 0． 026% 、含钛 0． 08% ，处在较高水平。6 月 8 日组织 8#高炉炉缸侧壁温度升高专题讨论会，制定初步护炉方案，严格控制炉温下限和硫上限，增加铁水含钛量，减少低温高硫铁水对炉缸炉底的冲刷和侵蚀。
3． 2 第二阶段———降低冶炼强度
护炉第二阶段决定通过大幅降低高炉冶炼强度进行护炉，6 月 30 日计划休风堵 3#、7#、13#和 17#号风口，富氧逐步控制在 5 000 m3 /h 以下，风压控制在 325 kPa 以下，并配加钒钛矿( 钛含量 11． 55% ) ， 钛负荷控制在 6．5 左右，如表 2 所示。
3． 3 第三阶段———稳定护炉参数和高炉提产
通过均匀堵风口及提高铁水含硅、钛成分，高炉炉缸电偶温度、热流强度、炉皮温度得到控制，如图1 所示。
在保证安全生产前提下，兼顾降低成本和提产，8 月17 日高炉开始取消钒钛块，调整铁水含硅在0． 40% ～ 0． 45% ，含钛在 0． 15% ～ 0． 20% ，同时风压提高至 340 kPa，富氧增至 8 000 m3 /h。
4 护炉效果
通过第一阶段的护炉操作，使得铁水含硅0． 40% ～0． 55%、含钛 0． 15% ～ 0． 20%、含硫 ＜ 0． 02%，如图2 所示。
提高生铁含硅，有利于钛的还原，再被氧化成熔点远高于高炉冶炼温度的 TiC、TiN，使铁水黏度增加，流动性降低; 在炉缸及周边生成的 TiC 和 TiN 以 固溶体的形式结晶析出，并逐渐沉积于炉缸受侵蚀 部位，保护炉缸不受进一步侵蚀。同时降低硫含量，使渣铁流动性变差，铁水环流对炉缸的侵蚀作用变 弱，从而达到保护炉缸的目的。这样既有利于钛的 还原，又避免了因硅过高导致渣铁流动性变差，加大炉前的劳动强度，使炉前出铁陷入被动，影响高炉顺行。
随着第一阶段护炉操作的进行，炉缸热流强度并没有出现下行趋势，如图 3 所示。
因此进行了第二阶段的操作，炉缸电偶温度得到了下降。随着温度下降，逐步捅开 7#、13#和 17#风口( 剩余 3#风口) ，7 月 12 ～ 18 日之间，2#和 7#风口炉缸电偶上升过快，速度达 24 ℃ /天，热电偶最高温度达 648 ℃，7 月 18 日立即休风堵 2#、7#、8#风 口，炉缸电偶温度逐渐下行。考虑炉缸电偶温度得到控制，为了避免长时间堵 2#、7#风口造成炉缸环流不均，8 月 4 日利用检修机会，休风均匀堵 3#、8#、16#风口，如图 4 所示，炉缸电偶温度、热流强度、炉皮温度进一步得到控住，如图 4 所示。
通过第三阶段的操作，高炉产量也逐步提升， 如图 5 所示。
在停炉检修过程中，清理炉缸时发现，7# ～ 9#风口下方，二层冷却壁侵蚀最薄部位 50 mm，最厚部位 100 ～ 200 mm，三层冷却壁最薄部位剩余约350 mm。这与前期利用傅立叶导热公式计算的 9#风口下方炉缸周围炭砖仅剩 300 ～ 390 mm 一致。
在扒炉过程中，发现“象脚”区侵蚀严重部位有大量含钛结晶物。经化验得知，含钛量高达 3． 2% ，铝含量达 32% ，且钛与炉砖已在炉缸侵蚀部位形成保护层。因此，护炉期间提高铁水含硅、含钛成分是非常有必要的。
5 结论
( 1) 护炉过程要准确找到关键性薄弱点，针对薄弱点电偶数值推断炉缸炭砖侵蚀变化趋势，弥补水温差和炉皮测温受环境影响大的不足。
( 2) 摸索适宜的冶炼强度。高炉护炉期间以安全生产为主，在护炉参数可控时，可分阶段调整护炉方案兼顾产量的提升。
( 3) 护炉期间热流强度、炉皮温度、热电偶温度监测数据相结合，以仪表监测炉缸电偶温度数据为主，以人工测量数据为辅，同时参考最危险数值，监控高炉炉役后期炉缸状况。
( 4) 高炉护炉要以稳定顺行为前提，布料角度以正角差为基础，开放中心稳定边缘。
( 5) 均匀堵风口可以保障高炉风口进风量均匀，有利于渣铁均匀环流，减缓对炭砖的侵蚀速度。
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