钱堃， 李伟华， 马西武
（新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338001）
摘 要：新余钢铁集团有限公司2 500 m3 高炉于2021年停炉大修，通过停炉前的准备以及停炉过程中各参数的控制，较好地完成了停炉工作；同时，根据拉姆公式推断高炉炉底侵蚀深度，综合考虑现场条件、安全等方面的因素，最终确定残铁口位置。由于受多种因素影响，致使残铁放出量较少，文中详细分析了残铁放出量少的原因以及解决措施，为今后停炉放残铁提供宝贵的生产经验。
关键词：停炉；炉底侵蚀深度；残铁口位置；放残铁
新余钢铁集团有限公司（简称新钢）9# 、10# 高炉（容积2 711 m3）于2009年投产，炉龄已达13年，一代炉龄产铁量达10 502 t/m3[1] ，采用陶瓷杯炭砖水冷炉底炉缸结构，炉底中心下部平砌5层炭砖，其中，下面2层为国产半石墨炭砖，中间1层为国产石墨炭砖，上面2层为进口微孔炭砖，上部砌2层低导热刚玉莫来石砖。2座高炉炉役后期，由于2# 铁口下方区域侵蚀严重，炉衬温度最高可达800 ℃，炉缸存在烧穿的危险，已严重威胁高炉生产安全。因此，新钢9# 、10# 高炉相继于2021年4月8日和11月15日降料面停炉，随后开展放残铁作业，9# 高炉放残铁200 t，10# 高炉放残铁176 t，相对同类型高炉残铁放出量偏少。
1 高炉停炉前操作
1.1 炉温碱度控制
9# 、10# 高炉停炉前铁水温度及炉渣成分如表 1 和表 2 所列。停炉前 3 天，炉温碱度基本在合理范围内，渣铁物理热量充足，10# 炉停炉前添加了萤石，以改善渣铁流动性。
1.2 渣铁流动性控制
渣铁的流动性与炉温、炉渣碱度及渣中镁铝比（w（MgO）/w（Al2O3 ））等因素密切相关。低镁铝比渣处于稳定性区域边缘，当对低镁铝比渣进行冶炼时，易出现渣铁热量不足、炉温波动大、渣铁排放困难等问题。因此，低镁铝比渣对冶炼条件和水平要求较高，而过高的镁铝比渣也存在不稳定的区域。考虑 MgO 含量对炉渣排碱的影响，在目前的冶炼条件 下，镁铝比控制 在 0.5～0.6 为宜[2] 。
由表 2 可知，10# 高炉停炉前镁铝比控制在 0.5左右，处于炉渣稳定性的边缘区域，易造成渣铁排放困难等问题。
1.3 停炉前铁口角度的调整
停炉前 1 周，9# 高炉铁口角度由 11.5°调整到12.5°；10# 高炉铁口角度未调整，维持正常生产时的铁口角度，不利于降低死铁层的厚度，给放残铁及后续清理工作带来一定的困难，因此，应适当提高铁口角度。
1.4 停炉前控水及其他操作
9# 高炉铁口下方炭砖温度变化情况如图 1 所示。9# 高炉停炉前，1# 铁口下方炭砖温度呈上升趋势，2# 铁口下方炭砖温度波动较大，因此，基于安全考虑，9# 高炉停炉前，未对其采取提高冶炼强度、活跃炉缸的措施，且炉底水与炉缸侧壁水串联，停炉前未对炉底水量进行调整。
10# 高炉铁口下方炭砖温度变化情况如图 2 所示。10# 高炉停炉前，铁口下方炭砖温度相对平稳且略有下降的趋势，高炉具备提高冶炼强度、活跃炉缸的条件。
因此，停炉前 1 个月，适当调整了高炉操作参数，具体包括以下几方面：
1）风量、氧量调整。10 月 15 日前，10# 高炉风量为4 850 m3 /min，氧量为10 500 m3 /h，自10月15日开始，逐步提高冶炼强度，直至停炉前 2 周。风量为 4 970 m3 /min，氧量为 13 800 m3 /h，产量提升至 6 750 t/d。
2）炉底、炉缸冷却水量调整。11月2日，炉底水量由755 m3 /h调整至610 m3 /h，软水总量由4 534 m3 /h调整至 4 484 m3 /h；11 月 9 日，炉底水量由 610 m3 /h调整 至 532 m3 /h，软 水 总 量 由 4 484 m3 /h 调 整至4 000 m3 /h；11月10日，炉底水量由532 m3 /h调整至493 m3 /h，软水总量由4 000 m3 /h调整至3 760 m3 /h。
3）装料制度调整。10 月 10 日，适当调整了布料矩阵，即
，确保中心气流充足的同时，适当发展边缘气流[3] ，此外，还需满足相对适宜的煤气流速及温度[4] 。
2座高炉在停炉前4天均添加一定量的锰矿洗炉，铁中Mn含量由0.3%上升到0.6%左右，铁水流动性得到改善；10# 高炉在停炉料中加入萤石以改善渣铁流动性，确保停炉前最大限度地出净炉内渣铁，但加入时间较短，未能增加残铁放出量。
2 停炉操作
2.1 9# 高炉停炉料的选择
9# 高炉于 4 月 7 日 0:00 实现全焦冶炼，焦炭负荷由 4.00 降至 2.84，矿批（含锰矿）为 60 t，焦批为18.5 t，焦丁为 2.6 t，预设焦比为 590 kg/t，铁水 Si含量控制为 0.8%～1.0%，碱度设定为 1.15左右，铁水物理热高于1 490 ℃，保证良好的渣铁流动性能。
2.2 9# 高炉停炉过程
4月7日0:00全焦冶炼料入炉，2:00停止喷煤，因停止喷煤导致理论燃烧温度偏高，压差上升且波动大，高炉减风至 4 700 m3 /min 左右，并降风温 至950 ℃。7:44停止富氧，压差波动幅度仍较大，9:10左右出现管道行程，故进一步减风至4 600 m3 /min，控制风温至900 ℃直至降料面。随着压差趋于稳定，逐步恢复风量至4 800 m3 /min，12:19装完最后一批料后开始降料面停炉，降料面进程与炉顶煤气成分有关，要求 H2含量低于 12%，最高不高于 15%，O2含量低于2%[5] ，做到安全、环保、快速停炉[6] 。停炉过程中，根据顶温情况调节打水量，切断煤气，前炉顶温度控制为250～350 ℃，切断煤气后顶温控制为300～400 ℃。 降料面过程中多次出现局部小管道，通过逐步减风控制，直至22：35时，煤气中H2含量达到10.1%，开炉顶放散阀，切断煤气，维持风量1 900 m3 /min 直至休风，整个停炉过程中，为控制炉顶温度，通过炉顶打水消耗水量共1 109 m3 ，耗时17 h。
2.3 9# 高炉停炉前的出铁情况
9# 高炉停炉前出铁情况如表3所列。开始降料面时出铁水 4 炉，最后 1 炉在风口出现吹空后出铁水，出铁过程中渣铁物理热充足，流动性良好，总出铁量为917 t，比理论计算出铁量约少70 t。
2.4 10# 高炉停炉料的选择
10# 高炉于 11 月 14 日 10:00 实现全焦冶炼，焦炭负荷由4.25降至2.74，矿批（含锰矿、萤石）为62 t，焦批为20.6 t，焦丁为2 t，预设焦比为611 kg/t，炉温控制为 0.8%～1.0%，碱度设定为 1.13左右，铁水物理热高于1 490 ℃，保证良好的渣铁流动性能。
2.5 10# 高炉停炉过程
与 9# 高炉类似，10# 高炉停炉前期停止喷煤后，也出现压差波动大的情况，通过减风、降风温、减少富氧量等措施控制压差，压差逐步平稳后高炉塌料，料线达到6.5 m。14：18装完最后1批料后开始空料线停炉，炉顶温度控制与 9# 高炉相同，停炉过程中出现短期的管道征兆，其余阶段压力差平稳，无明显爆震现象。直至 11 月 15 日 1：00 发现风口变黑，开炉顶放散阀，切断煤气，实现停炉过程中的煤气全回收。整个停炉过程中，通过炉顶打水消耗水量共1 512 m3 ，总耗时13.3 h。
2.6 10# 高炉停炉前的出铁情况
10# 高炉停炉前出铁情况如表4所列，降料面后出铁3次，最后1炉在风口出现吹空后出铁水，出铁过程渣铁流动性良好，物理热充足，共出铁1 039 t，较理论出铁量少21 t
2.7 两次停炉过程对比
1）9# 高炉停炉总耗时17 h，10# 高炉停炉总耗时13.3 h。
2）停炉料装入时间不同，两次停炉、停氧、停煤时间有较大差异，
9# 高炉开始降料面前 4 h 停止供氧操作，降料面前 10 h 停煤，实现全焦冶炼；10# 高炉降料面后 7.4 h 停止供氧操作，此时煤气中 H2含量 为 5%，降 料 面 前 10 min 停 煤 操 作，实 现 全 焦冶炼。
3）开始降料面后风量差别较大，9# 高炉开始降料面 7 h 后风量减至 2 000 m3 /min 以下；10# 高炉开始降料面 9 h 后风量减至 2 000 m3 /min 以下，停炉进程加快。9# 、10# 高炉停炉减风情况对比如图 3所示。
3 放残铁过程
3.1 残铁口位置理论推算
10# 高炉死铁层设计高度为 2.3 m，2 层国产陶瓷垫及微孔炭砖厚度均为 0.802 m，3 层国产半石墨炭砖厚度为1.203 m。利用拉姆公式推算炉底陶瓷垫及炭砖的侵蚀程度[7-8] ，如式（1）和式（2）所列。
式（1）、式（2）中：X为炉底最大侵蚀深度，m；T0为铁口中心线铁水温度，℃，取 1 500 ℃；T1为炉底中心温度，取 300 ℃；h0为死铁层设计深度，m；Tθ为铁水凝固温度，一般取 1 150 ℃；λ1、λ2、λ3分别为半石墨炭砖、微孔炭砖和陶瓷垫的导热系数，W/（m·K)；α为 单位面积炉底平面上管壁对冷却水的给热系数，W/（m2· h·℃）；λq为铁水导热系数，取17.45 W/(m·K)； d1、d2、d3分别为半石墨炭砖、微孔炭砖和陶瓷垫的设计厚度，m；V为单位面积炉底冷却水流量，m3 /(m2 ·h)； C 为冷却水的比热容，为 4 186 kJ/(m3 ·K)；d 为冷 却水管内径，m；v 为冷却水流速，m/s；b 冷却水管间距，m。
10# 高炉炉底冷却水量为755 m3 /h，水管内径d= 0.1 m，水管间距b=0.25 m，V=7.4 m3 /(m2· h)，v=1.5 m/s， 因此，α=4.637 w/（m·2 ·h℃）。λ1=11 W/（m·K）、λ2= 11 W/（m·K)、λ3=3 W/（m·K)。经计算X=1.38 m。
3.2 残铁量计算
10# 高炉死铁层厚度为 2 300 mm，铁口深度为 3 200 mm；铁口倾角为 11.5°，出铁后液面标高 h1=2 300-3 200×sin（11.5°）=1 662 mm，侵蚀深度 h2=1 380 mm，炉缸内液面总高度H=h1+h2=3 042 mm。
炉缸直径 D=11 400 mm，ρ（Fe）取值为 7 t/m3 ，容铁系数 K一般取值 0.55~0.60[9] ，考虑到容铁系数与死铁层的死料堆大小有关[10] ，因此，K取值为0.50。残 铁量（W）根据式（3）计算。
W=K·π（D2 /4）·H·ρ（Fe） （3）
通过计算，侵蚀后炉缸的残铁量为 1 086 t，但10# 高炉只放出铁水 176 t，炉缸理论残余铁水 910 t 左右，在实际清理炉缸过程中，估计残铁量为860 t， 理论计算与实际基本吻合。
3.3 放残铁作业
两次放残铁作业分别选择两家炉缸专业清理公司，9# 高炉由南京联合荣大工程材料有限责任公司负责，10# 高炉由山东信隆工程材料有限公司负责，残铁口的位置标高选择基本相似，9# 、10# 高炉放残铁开孔情况如表5所列。2座高炉放残铁开孔角度均为 12°。9# 、10#高炉停炉放残铁开孔示意如图4所示。
残铁口方位的选择原则应为炉缸水温差和炉底温度较高的方向，同时又要兼顾出残铁时方便铁水运输[9] 。通过测量纵向温度确定两次放残铁炉壳拐点的位置[11] 。9# 、10# 高炉炉底为“象脚”状侵蚀，“象脚”底部横向侵蚀最严重，此处的炉缸环炭温度最高，在其附近存在炉皮纵向温度突变，即为温度拐点[12] 。“象脚”状侵蚀的重点区域为铁口附近[13] ，9# 高炉在东南角，10# 高炉在西南角，2个位置所在的区域较为开阔，作业环境好。但从炉缸侧壁温度分析来看，2座高炉的南面均是侵蚀较弱的区域，侵蚀较严重的一侧均在北面，即位于 1# 铁口与2# 铁口中间，不选择此方向开残铁眼有两方面原因：
1）1# 、2# 铁口中间有1根承重主梁，若在此方向架设残铁沟，必须对承重主梁进行部分割除，将影响主梁的结构强度。
2）若在北面放残铁，只能选用 100 t 小罐装铁水，设置的沙坝较多，铁流过大时不宜控制，容易造成铁水落地，存在安全隐患。
9# 高炉于 4 月 9 日 2:20 左右打开残铁口，停炉休风约 21 h，开残铁眼的时间偏长；10# 高炉放残铁吸取了9# 高炉的经验，在标高相对偏低的位置放残铁，加大开孔角度，10# 高炉停炉休风后14 h打开残铁眼，较9# 高炉快7 h。
从两次清理炉缸的实际情况来看，2座高炉扒渣至第11层炭砖上表面时，出现凝渣凝铁层，标高约为10.495 m，比残铁眼位置分别高1.5 m和1.3 m，且呈现中心较高、边缘较低的情况。
4 放残铁量少的原因分析
4.1 凝铁层的形成
开 炉 初 期，高 炉 炉 芯 温 度 最 高 点 温 度 达 到1 080 ℃。随着生产过程的进行，高炉操作制度发生 改 变，炉 芯 温 度 逐 渐 下 降，2014 年 降 至 200～300 ℃，持续到停炉。从炉芯温度情况分析，高炉中 心 形 成 了 较 厚 的 凝 铁 层，具 体 原 因 有 以 下 两方面：
1）炉缸的冷却强度过大。通常认为1 150 ℃是炉缸耐火材料的侵蚀线[14] ，9# 、10# 高炉炉底水冷管布置在炉底封板之上，炉役后期加大炉底冷却水量，冷却强度较大，使炉底的1 150 ℃等温线整体上移，凝铁层逐步变厚。
2）高炉每年配合炼钢厂检修，停炉检修1~2次，炉缸无热量补充，炉底冷却水逐步带走炉缸热量，使炉缸温度下降，凝铁层加厚。
4.2 操作制度的影响
炼铁厂 2 座 2 500 m3高炉均于 2009 年开始投产，2014年之前，布料方式采取中心加焦模式以维持中心气流，2014年，为节焦降耗，2座高炉相继取消中心加焦。
9# 、10# 高炉取消中心加焦前后炉芯温度变化情况分别如图 5和 图6所 示。2 座高 炉采用中心加焦时，炉芯温度一直高于 500 ℃，2013 年4 月前，最高达到 700 ℃以上。9# 高炉于 2014 年6 月、10# 高炉于 2014 年 10 月相继取消中心加焦后，炉芯温度均 出现较大幅度下降 ，下降 至300 ℃左 右，主要原因是取消中心加焦后，煤气向炉缸中心渗透相对较少，导致高炉炉芯带中部温度降低[15] 。
5 提高残铁放出量的措施
为提高生产效率，降低生产成本，提高高炉残铁放出量，采取以下措施：
1）参照侵蚀机理，停炉前根据高炉炉芯温度情 况 调 整 为 上 部 装 料 制 度，保 证 充 足 的 中 心 气流，尽量提高高炉炉芯带温度，以降低炉缸残铁层的厚度。
2）在保证安全的前提下，停炉前 1～2 个月停止配加护炉剂，提前加入萤石、锰矿等洗炉剂洗炉，并且控制合适的炉温、碱度，以及渣中镁铝比，改善渣铁流动性。
3）停炉前提前控制炉缸冷却水的流量，以降低炉底冷却强度[16] ，减少炉底散热。
4）每年配合炼钢检修的长时间停炉，应严格控制炉底冷却水量，做好炉缸的保温工作，减少停炉过程中的热量损失。
6 结束语
9# 、10# 高炉空料线停炉过程较为成功，尤其是10# 高炉，实现了全回收煤气停炉，为高炉炼铁提供了宝贵的生产经验。
1）停炉料的选择较为合理，停炉前炉况稳定顺行，炉温、碱度控制在合适范围内，且停炉前的渣铁流动性良好。
2）两次停炉前准备工作充分，通过手动与自动相结合的方式控制炉顶打水，停炉过程炉顶未出现明显的爆震现象，做到了安全快速停炉。
3）两次停炉放残铁量少，主要因为停炉前炉渣镁铝比控制偏低，高炉冷却制度的控制不到位，以及高炉中心主导气流不够稳定等；此外，在高炉设计上还存在局限性，炉缸侵蚀严重的区域不具备开残铁眼条件。
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