高炉炉缸高效运行的改进措施

2022-07-29供稿谢孔明高维平

金属世界 2022年4期

供稿|谢孔明，高维平

本钢7号高炉(2850 m3)于2005年9月开炉，累计生铁产量为2505.15万t，单位炉容生铁产量9095 t/m3。2016年以来，7号高炉炉缸2段、3段冷却壁水温差及热流强度不断升高，超过安全生成警戒线，给高炉生产和顺行带来严重危害。目前，7号高炉炉缸存在随时被烧穿的局面，通过在入炉矿石中增加钒钛矿、优化调整布料矩阵、及时放净铁水及炉渣、控制冶炼强度、局部使用内径110 mm和长度630 mm的风口、根据水温差和热流强度趋势临时堵部分风口等技术措施。炉缸水温差和热流强度逐步降低，在安全范围内合理运行，生铁成本、燃料消耗、铁水质量等指标明显好转，达到正常水平。

高炉冷却结构和炉缸状况

高炉炉体冷却系统

高炉炉底冷却采用在炉底砖下埋设水冷管的方式，水冷管管径为φ89 mm×5.5 mm的不锈钢管，钢管间距为300 mm，共计48根。炉缸、风口带、炉腹、炉腰、炉身、炉喉均采用冷却壁冷却方式，其中炉缸区域设4段灰铸铁光面冷却壁，壁厚165 mm；风口区为1段异形光面冷却壁，壁厚250 mm，材质为灰铸铁；炉腹第1段为4层双进双出铜冷却板(物化性能：Cu+Ag≥99.5%，S≤0.01%，P≤0.02%，电导率≥85%IASC，抗拉强度≥175 N/mm2)；炉腹第2段、炉腰至炉身下部采用轧制铜冷却壁(物化性能：Cu≥99.95%，P≤0.002%，O2≤0.003%，S≤0.004%，电导率≥98%IASC，对应导热率≥380 W/(m·K)，总冷却高度为9150 mm；炉身中部采用3段满镶砖冷却壁，壁厚340 mm，材质为铁素体球墨铸铁；炉身上部采用3段满镶砖冷却壁冷却，材质为铁素体球墨铸铁；炉喉钢砖分为上下两部分，材质为铸钢。

高炉冷却系统水量

炉体冷却系统分为高、中压工业水冷却系统和软水密闭循环冷却系统。由于高炉冶炼的进一步强化，炉内热流强度的波动频繁，热震现象也较严重，因而为了加强冷却，对水压的要求也越来越高。风口冷却水压力要求1.0～1.5 MPa，其他部位冷却水压力应比炉内压力至少高0.05 MPa。具体见表1。

表1 炉缸炉底冷却壁布置

(1) 高压工业水冷却系统包括风口小套、十字测温装置、炉顶水冷站和炉顶洒水装置等。高压工业水的供水量1550 m3/h，供水压力为1.5 MPa。

(2)中压工业水冷却系统用于高炉炉役后期打水。中压工业水的供水量为300 m3/h，供水压力为0.6 MPa。

(3)软水密闭循环冷却系统冷却范围包括炉底水冷管、冷却壁、风口中套和热风炉设备(热风阀)。软水的供水量6150 m3/h，供水压力为0.85 MPa。

炉底、炉缸结构

7号高炉炉底、炉缸采用“国产大块炭砖和陶瓷杯+美国小块炭砖”结构，底层满铺2层国产石墨炭砖及3层国产半石墨炭砖；炉缸侧壁环砌43层美国UCAR热压小块炭砖，上部采用17层国产半石墨炭-碳化硅砖和2层刚玉砖；陶瓷杯杯底采用2层刚玉莫来石砖，杯壁采用1层刚玉莫来石砖。

炉缸热流强度升高

目前，炉底、炉缸安全检测手段主要有炉缸浅层电偶检测、炉皮红外线测温、人工测量水温差和计算机热流强度。炉皮红外线测温灵敏度低，并且不具有连续性。据统计炉底处炉皮温度为25～40 ℃，炉缸处炉皮温度为36～55 ℃，铁口下方炉皮温度为45～60 ℃[1]。炉缸浅层电偶检测具有连续性、准确度高；炉缸各段冷却壁水温差连续测量并同计算的热流强度来判断炉缸的安全状况。2015年4月人工测量1～6段水温差最高达到4 ℃；2015年9月年休时安装高炉冷却壁微小温差与热流强度监测系统，监测炉缸区域单段水温差及热流强度变化；2016年6月2#铁口区域的2段水温差持续升高，2段122#水温差达到1.75 ℃，热流强度12.21 W·kJ/(m2·h)；2016年10月3#铁口区域2段159#水温差2.27 ℃、171#水温差1.45 ℃，热流强度达到14.2 W·kJ/(m2·h)。

炉缸热流强度异常的应对措施

含钛矿石护炉

含钛炉料护炉原理

高炉使用钒钛矿时，起护炉作用的是炉料中TiO2的还原生成物。TiO2在炉内高温还原气氛条件下，可生成TiC、TiN及其连接固熔体Ti(CN)。这些钛的氮化物和碳化物在炉缸炉底生成发育和集结，与铁水及铁水中析出的石墨等凝结在离冷却壁较近的被侵蚀严重的炉缸、炉底的砖缝和内衬表面。由于Ti的碳、氮化物的熔化温度很高，纯TiC为3150 ℃，TiN为2950 ℃，Ti(CN)是固熔体，熔点也很高，从而对炉缸、炉底内衬起到了保护作用[2]。

在不大于1450 ℃的低温区域，钛的碳氮化合物TiN、TiC稳定区间较大，Ti稳定区间较小[3]。因此，在死铁层区域内，随深度增加TiC和TiN含量上升；而在1800 ℃的高温区域，Ti稳定区间较大，TiN稳定区间较小。从风口到软熔滴落区域，Ti含量明显升高。温度梯度对Ti(C、N)生成和沉积起决定性作用，当某一部位受到侵蚀，侵蚀点内衬的内表面温度较高，Ti(C、N)沉积量越多，并逐渐累积，直至这一温度恢复正常。加钒钛矿期间，要求铁水中Ti控制在0.15%～0.20%之间，根据铁水中Ti含量及时调整钒钛矿负荷。添加钒钛矿后铁水中不同元素的含量见表2。

表2 配加钒钛矿后铁水中不同元素的含量(质量分数，%)

钒钛矿炉料配比入炉方案

本钢7号高炉入炉炉料结构为烧结矿57%+马球11%+鑫玉球5.6%+钒钛矿2.4%。在使用钒钛矿护炉时，应根据高炉的侵蚀情况和热流强度加入TiO2，但是TiO2量过少起不到护炉作用，过多炉渣会变稠，流动性变差，造成下部憋风，导致压差升高给高炉顺行和操作带来不利影响。动态在线检测炉缸水温差和热流强度的变化，当下降到安全范围并稳定运行一定周期，应积极调整钒钛矿入炉负荷，便于及时改善渣铁流动性，保证良好的透气性和透液性。

优化装料工艺

通过优化布料档位和角度，调整高炉截面矿焦配比，确保煤气流有两条通路，以中心为主、边缘为辅。在保证炉况顺行，压量关系合理的前提下，中心煤气流温度控制在450～550 ℃，边缘煤气流温度控制在90～120 ℃。在布料时保证中心矿石为15～16 t，中心焦量为5.5～6.0 t；形成1.0～1.2 m的环带平台和平缓的中心漏斗，减少球团矿滚向中心从而抑制中心气流，影响高炉稳定顺行。铁水温度按照大于1500 ℃，Si含量按照0.45%～0.65%平衡，保证充足的物理热和化学热，促进软熔带上移，提高高炉利用系数。局部缩小风口面积并适量使用长风口，减小炉缸中心死焦堆，减轻液态渣铁环流对碳砖的磨损和侵蚀。

适量控制二氧化钛的还原

采用钒钛矿冶炼时渣中的TiO2并不影响炉渣黏度，在1450 ℃时黏度小于0.5 Pa·s[4]。在高炉的强还原气氛下由于生成TiO2、TiN的固体颗粒，会使炉渣变稠甚至完全失去流动性。这些碳、氮化物还可以以网络状结构聚集在铁滴表面，使铁滴难以聚合和与炉渣分离，进一步造成黏度增高和渣中带铁，增加铁损失。同时，这些颗粒还往往成为尖晶石、钙钛矿等高熔点矿物的结晶中心，提前析出固相使炉渣失去流动性，因此，必须控制TiO2的还原，或采取氧化措施使已形成的TiC、TiN等物质消失。

加强铁口管理

炉缸铁口承担着液态渣铁的排放工作，长期处于恶劣的环境中，在渣铁排放时又受到高速高温铁水和炉渣的机械冲刷和化学侵蚀。新投产高炉，铁口前段未形成有效的渣皮，保护铁口的黏土砖受到环流渣铁的机械冲刷，很快就会被侵蚀掉。后期整个生产期间铁口主要靠梨形泥包保护。在炉役后期，维护一定深度的铁口，对出净渣铁、保证高炉稳定顺行至关重要。为此，7号高炉通过提高炮泥强度(主要使用棕钢玉、碳化硅、绢云母成分较高的无水炮泥)、保持适宜的打泥量并增加二次打泥，既要密实铁口孔道，又要维护好铁口前段泥包，严谨铁口冒泥和潮铁口排放渣铁。通过以上措施，大大提高了渣铁出净率，而且铁口深度确保达到3500 mm。铁口区泥包的稳定对及时排净渣铁、降低冷却壁热流强度起到了关键作用。

局部堵风口作业

在炉缸侵蚀严重的部位的上方将风口堵上，减弱这个部位圆周方向的环流，有利于粘质层的形成，从而起到保护炉缸砖衬的目的。在炉缸耐材温度有上升趋势的部位，使用加长风口，将风口回旋区延长，将高温煤气推向炉缸中心，保护炉衬。

效果分析

采取配加钒钛矿和护炉措施后，7号高炉炉缸2段144号、160号、183号冷却壁热流强度及周边温度逐步降低，消除了影响高炉安全生产的重大隐患(图1)。为高炉进一步上风提高冶炼强度创造了有利条件，目前本钢7号高炉风量4650～4700 m3/min，富氧120～150 m3/min，生铁产量稳定在6300 t/d。