高炉炉缸炉底安全管理浅议

2022-02-26曹锋沈忱刘长喜马勇健陈建王凯

工业安全与环保 2022年11期

曹锋沈忱刘长喜马勇健陈建王凯

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

炉缸炉底是高炉工作环境最恶劣的区域，其内衬耐材由于受到机械侵蚀和化学侵蚀的作用，易发生局部温高、烧穿事故［1］。炉缸、炉底烧穿是高炉炼铁生产中最严重的安全事故，会给企业带来重大的生命财产损失，甚至会终止高炉一代炉役的生产。2005年，国内某冶金公司就曾发生高炉炉底烧穿引发喷爆，铁水泄漏，导致10人死亡、6人受伤的重大生产安全事故。炉缸炉底是高炉炼铁生产的高安全风险部位，对高炉炉缸炉底安全管理进行探讨，以期为改进高炉炼铁安全生产提供参考。

1 炉缸炉底安全管理理论

安全管理理论的发展经历了事故学理论、技术危险理论、系统风险理论、本质安全理论四个发展阶段，实现本质安全管理将是现代安全生产科学管理的必然发展趋势，但在当下和未来相当一段时期内，最为前沿的安全科学管理模式是基于风险的安全管控模式［2］。从本质安全理念来看，炉缸炉底安全管理的核心是建造具备满足高炉一代炉役要求的“永久性”内衬的炉缸炉底。炉缸炉底烧穿事故时有发生，表明在现阶段生产力水平下，炉缸炉底尚不能实现事前的以人本物本协调机制的本质型安全管理，则对炉缸炉底落实基于事前、事中、事后的“系统风险”的安全管理，不失为当前最科学的安全管理。就此看来，炉缸炉底的安全管理，实质上是炉缸炉底烧穿风险的管控，其重要的方面，就是通过科学管理，保障炉缸炉底的长期安全工作（即长寿）。

2 炉缸炉底安全风险辨识

炉缸是高炉的核心关键部位，是高炉冶炼进程的起始和终结。在高炉的一代炉役期间，炉缸炉底始终都是浸泡在高温液态渣铁中，炉缸炉底的内衬受液态渣铁的熔蚀、冲刷，铁水的渗透，热应力、碱金属及锌的破坏，水蒸气、CO2对炭砖的氧化等作用，会逐渐减薄，埋设在其中的热电偶测温逐步上升，当炉缸炉底内衬过快、异常侵蚀时，炉缸炉底的监测温度快速升高，炉缸炉底发生烧穿的风险增加，形成安全隐患，在不能有效延缓、控制侵蚀的情况下，就可能发生炉缸炉底烧穿事故。一旦发生炉缸炉底烧穿事故，有的情况下会诱发重大的爆炸事故，毁坏一座生产车间；有的情况下高炉不能继续生产，只能大修或另建。事实上，高炉炉缸炉底烧穿存在发生火灾、爆炸、灼烫、中毒等安全事故的极高风险，可造成人员伤亡、设备设施损坏的重大安全生产事故。高炉炉缸炉底烧穿时，1 500℃左右的高温铁水从炉缸炉底烧穿处流出，可烧坏炉壳、管道，倾泻在炉基区域，破坏炉基混凝土、铁轨等，遇有可燃物会引起火灾。对于炉基有积水，或采用水冷炉缸炉底的高炉，若烧穿涌出的高温铁水烧坏炉缸冷却设备及炉底供水管道，会发生铁水遇水的剧烈爆炸。飞溅的高温铁水，气化的蒸汽可导致现场人员灼烫伤害。炉缸炉底烧穿时，伴随有大量煤气泄漏，易致使人员煤气中毒。做好炉缸炉底安全管理，管控炉缸炉底烧穿的风险，对高炉炼铁安全生产十分重要。

3 炉缸炉底安全风险管控

解决好炉缸炉底的长寿问题，就可很好地做到高炉炉缸炉底安全风险的防控。炉缸长寿就是解决炉缸侵蚀的问题，过快、异常侵蚀的主要原因是炉缸结构设计、材质选择、砌筑水平、烘炉及操作过程管控不佳或者内部工作状态失常［3］。在高炉一代炉役中，从高炉设计、设备制造、砌筑施工、开炉、操作、生产管理与维护、配套工程等，每一环节均做到先进可靠，才能实现炉缸炉底真正的长寿［3］。下面结合工作实践和已有研究，对炉缸炉底事前、事中、事后安全风险管控进行讨论。

3.1 事前风险管控：本质安全的长寿策略

为实现高炉炉缸炉底安全长寿，专家学者们从炉缸炉底结构设计、材质选择、砌筑质量、烘烤等方面，对构造长寿炉缸炉底开展了大量研究［4-9］，这些在高炉投用前所采取的保证高炉炉缸炉底长寿的策略，就是基于本质化安全思想，对炉缸炉底的事前安全风险管控。可概括为：①设计高炉合适的容积比、死铁层深度、铁口参数，以利于活跃炉缸、减轻环流。②合理选用抗压、抗冲刷优质耐材，注重导热性能的匹配，优化炉缸炉底砌筑结构。③以“无过热、低应力”为核心，优化冷却系统：如采用除盐水，铜冷却壁，水冷炉底，保证合适的冷却水流速（约2 m/s）、碳素捣料热导率（达到15～20 W/（m·K））、冷却壁比表面积（1.0以上），重视冷却壁的制造和安装质量。④完善的炉衬、冷却水监测和预报预警系统：在炉缸炉底的砖衬里布置充足的热电偶，用于监测炉缸炉底的砖衬温度；设置冷却水进出口压力、流量、温度监测和记录；配置包括炉缸侵蚀模型等的高炉专家系统。⑤精心组织施工，确保良好的砌筑等施工质量。⑥严格执行制定好的正确炉缸炉底烘烤制度。

3.2 事中风险管控：延缓侵蚀的技术措施

高炉炉役期间所采取的利于高炉炉缸炉底长寿的技术措施，就是对炉缸炉底安全风险的事中管控。炉缸炉底侵蚀是个不可逆的过程，探究高炉生产过程中，炉缸炉底过快、异常侵蚀成因，找出延缓侵蚀的对策，确保炉缸炉底达成设计炉役周期寿命，是管控炉缸炉底安全风险的重要内容，根据生产实践探索和前人研究成果［7,10-11］，将延缓炉缸炉底侵蚀的主要技术措施总结为：①保持高炉长期的稳定顺行，避免或减少任何对炉缸长寿不利的操作。高炉稳定顺行是炉缸长寿的基础。②强化炉缸区域温度、热流强度监测和预警，测算侵蚀厚度，推算安全系数，及时精准掌握侵蚀情况，及早采取应对措施。③准确测判、适时更换损坏冷却设备，严控冷却设备往炉内漏水，定期进行炉基排水，减少漏水对炉缸碳砖的损害。④从筛分、料序、质量信息等方面，加强对入炉原燃料的管理和控制，降低入炉原燃料质量对炉况的影响。⑤控制炉内钾、钠、铅、锌等有害元素，减轻对炉缸砖衬的损坏，也利于改善炉况顺行。如可采取烧结矿中减少或停配除尘灰，来降低入炉碱金属及锌负荷；适当降低炉渣碱度，定期排碱，来降低碱金属的富集。⑥调整装料制度，来稳定改善煤气流，保持炉况稳定。一方面利于炉缸保护层稳定，对保持护炉效果有促进作用；另一方面利于降低边沿温度，稳定炉墙水温差，减少热损失，提高炉温。⑦围绕降低铁口区域冶强，增长回旋区深度，利于吹透中心，强化炉缸热交换，活跃炉缸，减小铁水环流，来优化送风参数。⑧控制合适的铁水成分及物理热，保证炉缸热量充沛，有助于改善炉缸内渣铁的流动性、活跃炉缸和高炉顺行，使用钛矿护炉时，有利于提高铁水钛含量。⑨优化炉前操作，选择合适泥质、打泥参数、铁口深度、出铁次数等合理的出铁及出铁口的维护制度，维持铁口深度和出铁速度的均衡、稳定，保持炉缸内渣铁液面的相对稳定，有利于稳定炉缸工作状态和减缓炉缸侵蚀。⑩采取提冷却水流量、降冷却水温度、局部通高压工业水，炉墙打水等手段，强化高温区冷却，使得炉缸耐材热面更容易形成保护层，从而缓解炉缸侵蚀。需要说明的是炉墙打水冷却基本上只能起到冷却炉墙的作用，有利于保护炉墙，但对炭砖冷却效果不是很大。另通工业水冷却时要关注工业水结垢对冷却效果的影响。加含钛炉料护炉，在合适［Ti］量和冷却强度下，护炉效果明显，吨铁TiO2加入量通常为5~10 kg，较适宜的［Ti］质量分数为0.08%～0.12%，炉缸温度急剧升高时，可进一步临时提高钛负荷及铁水［Ti］，实践表明常态化加钛护炉，利于形成稳定的保护层，以确保高炉炭砖温度及冷却水温差在受控范围以内，也可以稳定较高的冶炼强度水平。平衡好冶炼强度和护炉之间的关系，控制合理的冶炼强度是最有效的护炉措施之一。降低冶炼强度措施有：降富氧、减风、退负荷、堵风口等。一般来说，通过控制冶强，降低炉缸内铁水扰动、环流速度，有利于渣铁凝结层的缓慢形成，对炉缸炭砖起到保护作用。综合应用提高冷却强度、加钛矿护炉和控制、降低冶炼强度等护炉措施，重视护炉与操作制度调整的协同，优化煤气分布，改善炉缸活性，减弱铁水环流，改善高炉顺行状态，提升护炉效果。

其他方面措施有：①新投产高炉可通过冶炼铸造铁，使炉缸生成一层石墨碳以封堵部分砖缝，对延长炉缸寿命有益；②对于施工质量存在问题、捣料层未达标或捣料受热后收缩等其他原因形成热阻层的炉缸，可采用在炉皮两块冷却壁之间的缝隙处开孔，进行炉缸局部压浆处理。

3.3 事后风险管控：减小损失的预防与应急

在高炉炉役末期，炉缸的固有炉衬侵蚀变薄到严重程度时，因炉况的变化，炉缸砖衬温度随着渣铁保护层的生成、脱落而大幅波动，一旦炉缸炉底出现异常超高温部位，炉缸炉底烧穿的风险大增，应通过做好预防与应急，来对炉缸炉底安全风险进行事后管控，以控制和减小损失。

1）制定并严格执行生产应急预案。从生产技术角度，制定针对炉缸炉底异常高温时，维护管理高炉炉缸炉底不致于烧穿而采取的紧急控制措施方案，同时须加强炉缸炉底监测，及时准确研判，做好预案的动态更新修订，确保生产应急处置有效。生产应急的极端情况是炉缸侧壁温度超高或急速上升，达到控制上限，危及安全生产时，高炉须停风凉炉。必要时应停炉大修，在新理念、新技术支撑下，优化重新砌筑炉底炉缸，使高炉重获新生。

2）贯彻落实防止事故扩大化的安全防控措施。加强对炉缸炉底烧穿后，熔融铁水可能波及的炉基等区域的监控，确保干燥无可燃物；在可能发生烧穿方向的炉基一定范围内用耐火材料砌筑挡墙；做好炉基区域封闭管理，严格落实进出炉基区域报备登记。

3）编制并组织演练安全应急处置预案。配置与现场作业人员需求相符的逃生器等应急器材，定期组织开展演习，使员工熟知炉缸炉底烧穿应急疏散和救援程序。