本钢5 号高炉炉缸破损调研分析

2019-06-11高立波

中国钢铁业 2019年10期

赵喜高立波

1.概述

本钢板材炼铁厂5号高炉于2001年11月1日扩容改造大修后开炉至2017年12月20日停炉，生产16年1个月，累计生铁产量2763.8万吨，单位炉容产铁量达到10630t/m3。见表1。

高炉炉缸采用“陶瓷杯+UCAR小块炭砖风冷炉底”复合结构，在炉底风冷管上部铺满高导热炭素捣料，捣实找平。炉底共砌六层国产大块炭砖，炉底下部第1-2层为石墨炭砖，第3-6层为半石墨炭砖。炉缸侧壁环砌37层美国UCAR热压小块炭砖，上部采用15层半石墨炭碳化硅砖和2层刚玉砖。炉底第六层炭砖上部采用2层刚玉莫来石砖，侧壁亦采用刚玉莫来石砌筑，炉底炉缸内侧形成陶瓷质杯体。

2.炉缸运行及采取的措施

2015年6月6日，2号铁口下方81号、82号、83号、84号水管水温差及热流强度出现超高现象，其中82号水温差达到1.40℃，热流强度达到12.5wkJ/m2•h，之后由于高炉产量出现下降，热流强度逐渐下降，并出现平稳趋势。2017年，利用3次休风时间，分别在炉缸二段中部，即炉缸“象脚”区域附近安装了浅表电偶33点、贴皮电偶47点。2017年3月10日，炉缸二段浅表电偶点TE4183（2号铁口下方，80号-82号水管之间）出现上升趋势，最高达到317℃，同时水温差及热流强度也出现上升趋势，对此采取了相应措施，把产量由5500t/d -5600t/d降低到5200t/d-5300t/d；用钒钛矿护炉，使铁中钛含量在0.15%-0.20%；炉温控制在0.5%-0.6%。之后的炉温逐渐下降，运行趋于平稳。2017年9月1日该点温度又出现上升，为了保证高炉炉缸安全生产，进一步限产到5000t/d。2017年12月份炉缸温度波动频繁，其中炉缸温度点TE4075（3 号铁口左下方）持续升高，最高达316℃，因此进一步限产到4500t/d。 2017年12月18日控料线停炉，放残铁对炉缸进行了整体浇筑。见表2。

表1 2013-2018年本钢5号高炉技术指标比较

表2 本钢5号高炉炉缸温度控制标准及采取的措施 ℃

表3 2号铁口下方象脚区域侵蚀调查数据 mm

3.炉缸重点部位破损调查分析

3.1 炉缸铁口区域侵蚀情况

铁口区工作条件恶劣，渣铁环流冲刷加剧了炉缸的破损，铁口成为环流的终点，也是炉缸破损情况的分界线。在实际调查中，炉缸陶瓷杯已基本被侵蚀，部分已与渣铁壳粘接在一起，有3个铁口区域炭砖被不同程度侵蚀，最严重的部位为铁口附近及铁口下方。

3个铁口第1-37层UCAR炭砖都出现不同程度侵蚀，侵蚀严重部位集中出现在16-25层，3个铁口眼全部侵蚀成“凹”陷，铁口下方“象脚”区域侵蚀最为严重，侵蚀范围也最大。3个铁口下方象脚区侵蚀范围分别为4500mm-5480mm。其中2号铁口下方区域较为特殊，侵蚀最严重部位出现在8-12层，尤其第9层炭砖出现了局部严重侵蚀现象，剩余厚度248.1mm；2号铁口到3号铁口下方象脚区出现连续侵蚀现象；而1号铁口到3号铁口之间象脚区域有未侵蚀区域。经过分析认为，这与3个铁口之间的夹角不同有很大关系。见表3。

3.2 非铁口区域侵蚀调查

在破损调研过程中发现18号-19号风口下方象脚区侵蚀最严重，从14层-1层UCAR炭砖均出现不同程度侵蚀情况，其中第6层炭砖侵蚀深度达619mm，炭砖仅182.5mm，此处为炉缸浅表电偶温度最高点，2017年12月份出现波动，温度最高达到320℃，侵蚀部位与温度升高部位相吻合，同时此区域侵蚀长度范围达到6100mm，炭砖侵蚀高度达2000mm，一直延伸到24号风口下方。见表4、表5。

通过数据分析可以看出，Zn含量随着环炭砖砖衬的减薄混合物中的明显增加，尤其在2号铁口下部急剧增加，这种情况在日后生产中需引起重视。

4.炉底大炭砖侵蚀情况

2018年1月1日，在清理残铁过程中发现炉底大炭砖侵蚀严重，炉缸四周边缘第6、5、4、3层大炭砖仅剩余部分，炉底侵蚀形状为“锅底”形。随着炉缸残铁清理发现，第2层大炭砖已侵蚀掉大约160mm。2月3日，在清理炉底第2层大炭砖，距离3号铁口1160mm距离处，发现第2层大炭砖夹缝间侵蚀进铁水，并已经形成冷凝铁片，并已延伸到炉底第1层炭砖上面，同时还发现第1层炭砖表面局部有环裂现象。

对第二层炭砖夹缝中铁片进行化学分析，通过数据分析炭砖夹缝铁片[Si]为0.234%，说明铁水已经侵入到炭砖内部，由于铁水中[Si]含量不高，长期低炉温操作会加剧对炉底的侵蚀。所以在炉役后期要重视炉温的控制水平，防止长期低炉温操作加剧炉底的侵蚀作用。

针对炉底炭砖及炉底炭砖表面侵蚀物进行了采样并化验分析，通过数据看出，Zn更多吸附在砖外渣皮，钾钠更容易进入碳内部对炭砖造成破坏。Zn含量过低容易对炭砖起到破坏作用。见表6。

表4 18号-19号风口下方象脚区破损调查数据 mm

表5 炉缸环砌炭砖工作热面混合物检验数据

表6 炉底大块炭砖侵蚀面渣铁混合物成分

5.破损调研结论

5.1 炉缸侵蚀分析

（1）侧壁侵蚀

通过分析破损调研数据，发现5号高炉炉缸侧壁侵蚀严重：1号铁口区域从第12层UCAR环碳往下侵蚀越来越严重，侵蚀区域宽度从3600mm到4500mm；2号铁口区域从第15层UCAR环碳往下侵蚀越来越严重，侵蚀区域宽度从4400mm到5300mm，其中2号铁口左下方第10-8层侵蚀严重，剩余炭砖厚度为248 mm、264 mm、284 mm，均小于300mm；3号铁口区域从第17层UCAR环碳往下侵蚀越来越严重，侵蚀区域宽度从4600mm到5480mm；侵蚀最为严重区域为非铁口区域18号-19号风口下方象脚区，从14层UCAR环炭往下均出现严重侵蚀情况，其中第6层炭砖侵蚀深度达619mm，剩余炭砖厚度仅182.5mm，此处为炉缸浅表电偶温度最高点，温度最高达到320℃，此处侵蚀区域宽度达到6350mm，侵蚀区域高度达2000mm，一直延伸到22号风口下方。验证了停炉的正确性和及时性，有效防止了炉缸烧穿的安全事故发生。

（2）铁水渗透侵蚀

从高度方向上分析，炉缸侧壁呈现明显的象脚状侵蚀，最严重区域在第6-10层，标高7.19m-7.65m，即距离铁口中心线(9.2m)以下1.5m-2m区域；从圆周方向上分析，炉缸侵蚀严重区域分布在3个铁口下方以及18号-21号风口下方。综合高度和圆周方向上的侵蚀特征，可知，炉缸环流是造成炉缸侵蚀加剧的主要因素。此外，炉底大炭砖夹层均发现铁的渗透现象，可见铁水的渗透侵蚀也是造成炉缸炭砖侵蚀的主要原因。

（3）Zn、K、Na的侵蚀

Zn、K、Na在炉内各位置的沉积物、渣皮、砖衬中分布极其不均匀，主要分布在铁口上部渣皮和被铁水熔蚀的炭砖前端脆化层中，在很多渣皮中凭肉眼就可见遍布白色和淡黄色的Zn、K炉渣，说明有富积现象存在。但是在炉底陶瓷垫内、第二段冷却壁炭砖和陶瓷杯外表面K、Na、Zn含量都不高，环裂中采样含量也不高，说明碱金属和锌对风口附近有一定的侵蚀作用，但不是铁口下部炭砖侵蚀的主要原因。

（4）水蒸气的破坏

高炉冷却壁漏水后，炉内H2O(g)含量增加，炉缸侧壁炭砖或碳复合砖等耐火材料便会处在含水蒸气气氛条件下，对耐火材料产生氧化破坏。炉缸部位炭砖一旦受到氧化侵蚀，其表面会产生脆化区域，为疏松的粉状物质，在外力作用下很容易破碎，加速炭砖侵蚀。2号、3号铁口及20号风口方向区域冷却壁漏水属于比较严重区域，这与该区域下部对应炉缸破损严重相吻合。

（5）钒钛护炉效果一般

炉缸环碳表面及陶瓷杯垫表面有TiC晶体析出，并存在一定的富集层，说明钒钛护炉起到了一定效果；但是该富集层很薄，富集层内Ti含量并不高，化验数据仅为1.5%左右，只有少量的局部区域达到30%。同时炉缸环碳处渗铁Ti含量仅0.101%，说明钒钛矿护炉效果一般。

5.2 炉底炭砖侵蚀分析

（1）炉龄超期

5号高炉自2001年扩容性改造投产，到2017年12月已经生产了接近17年，超期服役2年多，这是炉底出现严重侵蚀的重要原因。

（2）风冷炉底冷却强度不够

5号高炉采用风冷炉底结构，炉底冷却强度不够，在服役接近17年后炉底6层炭砖侵蚀剩余1层半。对比本钢7号高炉炉底采用水冷结构，在服役11年后炉底陶瓷垫炉缸边缘剩余1层，炉缸中心虽然陶瓷垫侵蚀掉，但是在大炭块的表面形成了致密的混合物，起到了保护炉底的作用，可见炉底风冷冷却强度不够是造成5号炉炉底侵蚀的主要原因。

（3）漂浮作用的破坏

高温铁水比重比较大，再加上静压力的作用，即使砖缝很小也会渗入，会对炉底炭砖产生漂浮作用，导致炭砖砌体破坏。