瑞爾論文
高爐鐵口區(qū)域安全與壽命的主要對策
高爐，鐵口，炮泥，長壽，安全何汝生（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘 要：鐵口異常影響高爐的爐役壽命，甚至導(dǎo)致安全事故。在鐵口區(qū)具有合理的工藝結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)耐材等基礎(chǔ)上，漏鐵和斷鐵口、異常噴濺、鐵口過淺等鐵口異常現(xiàn)象可通過采用操作性能和使用性能良好的優(yōu)質(zhì)炮泥、改進(jìn)爐前操作、特種炮泥治理等技術(shù)和操作對策予以克服。
高爐鐵口作為渣鐵排放的通道，要承受冶煉生產(chǎn)中諸多型式、性質(zhì)的破壞，并須始終保持為正常的工作狀態(tài)。鐵口異常時(shí)，不但不能實(shí)現(xiàn)正常的冶煉生產(chǎn)，還將影響到鐵口附近的耐材等的使用壽命，長期、嚴(yán)重的鐵口異常必將影響高爐壽命、甚至導(dǎo)致意外事故。多座、多級別高爐在近年發(fā)生的爐壽異常、爐缸意外事故中，不乏事故點(diǎn)位于鐵口區(qū)域的實(shí)例。可見，隨高爐冶煉效率的提高等，通過適宜的技術(shù)、操作對策使鐵口區(qū)域始終處于正常狀態(tài)是關(guān)系高爐安全生產(chǎn)、長壽的關(guān)鍵。
與爐缸其它部位比較，鐵口區(qū)域耐火材料內(nèi)襯面臨的破壞因素更多、危害程度更大，主要有：①渣鐵排放過程中的劇烈的機(jī)械沖刷，②爐渣、堿金屬和Zn等的化學(xué)侵蝕，③Pb等重金屬的滲透破壞，④開口、堵口作業(yè)的附加影響，⑤高溫、熱沖擊、氧化破壞等。這些因素中，機(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕、熱沖擊的程度遠(yuǎn)惡劣于爐缸其它部位，因而也是鐵口異常、鐵口區(qū)域內(nèi)襯被破壞的主要因素。
高爐煉鐵實(shí)踐證明：僅鐵口區(qū)的耐火材料磚襯是不能充分抵御這些破壞而滿足高爐長壽需求的，需要性能適宜的優(yōu)質(zhì)炮泥和良好的爐前操作。盡管如此，包括鐵口區(qū)域耐火材料在內(nèi)的合理的鐵口區(qū)工藝裝置仍然是必須的，它們是維護(hù)好鐵口，實(shí)現(xiàn)安全、長壽不可或缺的基礎(chǔ)。
漏鐵和斷鐵口、異常噴濺、鐵口過淺等均屬于鐵口異常。鐵口出現(xiàn)漏鐵和斷鐵口時(shí)，應(yīng)通過提高炮泥的操作和使用性能、改進(jìn)爐前操作等解決。鐵口出現(xiàn)的異常噴濺，能夠通過提高炮泥的使用性能、改進(jìn)爐前操作、特種炮泥等措施予以治理。鐵口過淺常是因?yàn)槭褂昧诵阅懿贿m宜的炮泥、爐前操作不合理所導(dǎo)致，因而也需要從炮泥和爐前操作兩個(gè)方面予以提高、改進(jìn)。
1 合理的鐵口區(qū)工藝配置
鐵口區(qū)工藝配置包括鐵口框、冷卻設(shè)備和耐火襯體等。它們雖然僅是鐵口區(qū)安全、長壽的基礎(chǔ)，但其合理性緊密關(guān)系著鐵口深度、噴濺、泥包保持等，需針對鐵口區(qū)固有特點(diǎn)和安全、長壽需求，采用合理的結(jié)構(gòu)。
1.1 鐵口冷卻
良好的冷卻是保證高爐內(nèi)襯保持正常功能所必須的。對于爐缸鐵口區(qū)，鑒于磚襯厚度較大和存在復(fù)雜、劇烈的物理、化學(xué)侵蝕，合理的冷卻顯得更加重要。長期以來，鐵口區(qū)一直選擇灰鑄鐵光面冷卻壁作為鐵口冷卻器，寶鋼高爐曾在鐵口磚襯中插入過鑄銅冷卻板。隨著純銅冷卻壁技術(shù)的發(fā)展，近年新建的大型和超大型高爐多數(shù)在鐵口區(qū)域選用了銅冷卻壁、軟水/純水密閉循環(huán)冷卻。銅冷卻壁具有很高的導(dǎo)熱率，極為適用于具有高熱負(fù)荷、熱波動(dòng)特征的鐵口區(qū)域。按照制造方式的不同，銅冷卻壁有鑄造和銅板加工兩種型式。圍繞鐵口的銅冷卻壁多為異形，其內(nèi)的冷卻水道也常需非規(guī)則布置，銅板加工冷卻壁需多處施焊才能適應(yīng)這些工藝需求，而純銅具有焊接性不好的特點(diǎn)，易出現(xiàn)焊接缺陷，所以鐵口采用優(yōu)質(zhì)鑄銅冷卻壁為宜。在冷卻介質(zhì)方面，以采用軟水/純水、40~50mm冷卻通道、水流速≥2m/s、水溫升≤0.5℃等為宜。
填充在鐵口冷卻壁與炭磚之間的填料的導(dǎo)熱率、密實(shí)度、加熱線變化率、結(jié)合強(qiáng)度對發(fā)揮冷卻壁的冷卻能力、避免氣隙、防止鐵口噴濺具有重要作用。傳統(tǒng)的普通碳素?fù)v打料存在上述性能方面的技術(shù)缺陷，難以滿足使用要求。應(yīng)將施工方便的、具有~14w/m.k的常溫導(dǎo)熱率、無加熱線收縮、冷態(tài)固結(jié)等技術(shù)特性的新型填充料用于冷卻壁與炭磚間隙的填充，例如RL75H/SF導(dǎo)熱型自流澆注料。
1.2 鐵口框及鐵口框內(nèi)襯
目前的鐵口框主要有冷面帶擋圈的鑄鋼鐵口框和冷面全敞開的鋼板焊接鐵口框兩種型式。鑄鋼鐵口框中的冷面擋圈可支撐鐵口組合磚，防止鐵口組合磚在爐內(nèi)壓力作用下的外移，但擋圈與鐵口框內(nèi)襯之間的結(jié)合面難于形成良好結(jié)合，只能依靠泥漿填充二者的間隙，影響鐵口密閉性。焊接鐵口框具有內(nèi)襯制作方便等特點(diǎn)，但防止鐵口組合磚外移的能力不足。從鐵口框內(nèi)襯制作與施工、保證鐵口框密閉性等出發(fā)，冷面全敞開的鋼板焊接鐵口框較好，并應(yīng)在鐵口框與爐殼、磚襯的結(jié)合部設(shè)置防止磚襯受爐內(nèi)壓力影響而外移的構(gòu)件。
位于鐵口組合磚冷側(cè)的鐵口框內(nèi)襯與鐵口組合磚和鐵口框結(jié)構(gòu)之間應(yīng)結(jié)合密實(shí)，并在泥炮和開口機(jī)的操作影響下保持整體的穩(wěn)定性、密閉性，具有較好的抗高溫和溫度波動(dòng)、渣鐵侵蝕的能力。為此，建議采用剛玉澆注料、剛玉質(zhì)大塊制品共同構(gòu)成鐵口框內(nèi)襯或者采用剛玉澆注料整體澆注。
1.3 鐵口區(qū)域耐材內(nèi)襯
要滿足高爐安全生產(chǎn)、高產(chǎn)、長壽的需求，無疑應(yīng)選擇適合鐵口區(qū)域工作環(huán)境的耐材品種和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。
超微孔炭磚具有良好的導(dǎo)熱率、抗鐵水侵蝕、抗渣堿侵蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，是鐵口區(qū)碳質(zhì)耐材的首選材料。由于Al2O3-SiO2系耐材與碳材具有不同的膨脹性，砌筑在鐵口區(qū)域時(shí)不能與周圍的炭磚形成嚴(yán)密結(jié)構(gòu)，因此不宜采用Al2O3-SiO2耐材制作鐵口組合磚。位于碳材熱面的“陶瓷杯”耐材隔離了侵蝕介質(zhì)和炭磚，對炭磚具有明顯的保護(hù)作用等。在碳質(zhì)鐵口組合磚熱面設(shè)置“陶瓷杯”耐材時(shí)，同樣可為保持鐵口的正常工作狀態(tài)奠下好的基礎(chǔ)。由于這些“陶瓷杯”耐材主要受到鐵水的沖刷、溶蝕等，宜選擇剛玉類材料。采用剛玉質(zhì)材料時(shí)，它與現(xiàn)代高爐用Al2O3-SiC-C質(zhì)無水炮泥具有較好的結(jié)合性，有利于在鐵口區(qū)域形成穩(wěn)定的炮泥保護(hù)層。
為獲得穩(wěn)定、嚴(yán)密的鐵口區(qū)域內(nèi)襯，鐵口區(qū)炭磚應(yīng)為組合式結(jié)構(gòu)，其冷面應(yīng)伸入鐵口框100~150mm，避免炭磚與鐵口框內(nèi)襯的接縫貫通于炭磚與冷卻壁之間的接縫。同時(shí)，應(yīng)在炭磚的冷端部位設(shè)置擋圈頂緊炭磚，避免鐵口區(qū)內(nèi)襯在爐內(nèi)壓力作用下的外移。碳素膠泥含有大量揮發(fā)物，且砌筑磚縫較大，為獲得嚴(yán)密的鐵口區(qū)域砌體，碳質(zhì)鐵口組合磚采用磚縫不大于0.5mm的干砌。
鐵口區(qū)炭磚熱面的“陶瓷杯”除自身應(yīng)具有穩(wěn)定、嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)特性之外，還應(yīng)保持與炭磚之間的嚴(yán)密。在小塊耐火磚頂緊炭磚砌筑時(shí)的三角縫或者脫開砌筑時(shí)的~10mm間隙中填充泥漿時(shí)，難于獲得“陶瓷”質(zhì)材料與碳質(zhì)材料之間的嚴(yán)密結(jié)合。為此，“陶瓷”質(zhì)材料與碳材之間采用40~60mm間隙，填充抗侵蝕性較好、易于施工的剛玉質(zhì)澆注料的結(jié)構(gòu)為宜。
高爐建設(shè)中，常見加大鐵口區(qū)及爐缸根部炭磚厚度的現(xiàn)象，其目的是希望通過加大的磚襯厚度延長內(nèi)襯使用時(shí)間、保持較大的鐵口深度。從磚襯承受著渣鐵沖刷的侵蝕機(jī)理、鐵口深度與磚襯厚度的關(guān)聯(lián)性看，加大磚襯厚度是需要的，但應(yīng)控制在合適的程度。過度加厚鐵口區(qū)、爐缸根部磚襯時(shí)，加厚磚襯將明顯地鼓凸于爐缸內(nèi)，它們與周邊磚襯之間的厚度差將導(dǎo)致劇烈的鐵水渦旋而加劇磚襯的沖刷破損。同時(shí)，局部明顯鼓凸于爐缸內(nèi)的炭磚也影響熱面陶瓷杯的整體穩(wěn)定性。結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際，綜合考慮鐵口深度、磚襯的侵蝕平衡和安全厚度等因素時(shí)，鐵口及以下側(cè)壁炭磚的厚度以1100~1200mm、且熱面為平滑圓周為宜。
綜合上述，推薦圖1所示的大中型高爐鐵口及以下區(qū)域側(cè)壁的工藝配置。
2 炮泥與鐵口維護(hù)
高爐生產(chǎn)中出現(xiàn)的泥包漏鐵、斷鐵口、鐵口過淺、異常噴濺等均屬于鐵口異常，它們會導(dǎo)致難開口、增加爐前消耗和勞動(dòng)強(qiáng)度、惡化爐前環(huán)境、降低正點(diǎn)出鐵率和鐵口合格率等，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致爐況惡化、燒壞鐵口冷卻器等。導(dǎo)致鐵口異常的原因很多，包括炮泥品質(zhì)、泥套、爐前操作、爐前機(jī)械、爐況等。鑒于鐵口機(jī)械、爐況以及其它鐵口事故等非本文說明內(nèi)容，不贅述。
2.1 泥包漏鐵和斷鐵口
泥包漏鐵是指鐵口前端的泥包中存在裂紋或大的裂縫，熔融渣鐵滲入泥包。連續(xù)、嚴(yán)重的泥包漏鐵易導(dǎo)致鐵口孔道中出現(xiàn)有“鐵隔”的斷鐵口現(xiàn)象。泥包漏鐵時(shí)，常導(dǎo)致難開口、燒壞鉆頭等，不得不采取更換鉆桿、多次鉆進(jìn)、燒氧開口等措施打開鐵口，損壞鐵口孔道甚至泥包，出現(xiàn)出鐵時(shí)間短、鐵口噴濺、鐵口淺等。出現(xiàn)斷鐵口時(shí)，常需采用更加激烈的操作手段來打開鐵口。這些鐵口異常均會影響鐵口區(qū)域的安全和壽命。
炮泥性能不佳和不適當(dāng)?shù)牟僮魇菍?dǎo)致泥包漏鐵、斷鐵口的主要原因。在炮泥性能方面，應(yīng)考慮改善炮泥的高溫性能、控制揮發(fā)分在適當(dāng)水平、改善炮泥的致密性和粘結(jié)性等。爐前操作中應(yīng)堅(jiān)持渣鐵出凈、空噴后全風(fēng)堵口，采取適當(dāng)?shù)拇蚰鄩毫退俣鹊取?/p>
2.2 鐵口過淺
適宜的鐵口深度是保證鐵口區(qū)域安全、壽命的重要內(nèi)容之一。鐵口過淺會導(dǎo)致出鐵時(shí)的異常噴濺、出鐵時(shí)間過短等，甚至導(dǎo)致堵不上鐵口、跑大流、燒壞鐵口冷卻器等鐵口事故。適宜的鐵口深度與鐵口構(gòu)造、高爐容積等有關(guān)。一般情況下，鐵口的正常深度為稍大于鐵口區(qū)爐襯的厚度。表1為不同爐容的高爐要求的鐵口正常深度范圍[1]。
表1 高爐的正常鐵口深度
爐容/m3 | ≤350 | 500~1000 | ＞1000~2000 | ＞2000~4000 | ＞4000 |
鐵口深度/m | 0.7~1.5 | 1.5~2.0 | 2.0~2.5 | 2.5~3.2 | 3.0~3.5 |
鐵口過淺常常是炮泥性能低劣、操作失當(dāng)?shù)仍斐伞４藭r(shí)，應(yīng)采用具有良好抗沖刷、抗侵蝕性和作業(yè)性好的優(yōu)質(zhì)炮泥，以降低泥包的侵蝕速率、逐漸修補(bǔ)好泥包、恢復(fù)到正常的鐵口深度。生產(chǎn)操作中，應(yīng)采取出凈渣鐵、空噴后全風(fēng)堵口，根據(jù)鐵量負(fù)荷選擇適宜的打泥量。當(dāng)鐵口已經(jīng)出現(xiàn)過淺時(shí)，應(yīng)逐漸加大打泥量來逐漸增加鐵口深度，需要時(shí)可加長鐵口上方的風(fēng)口長度、減小風(fēng)口直徑，或者堵掉鐵口上方的風(fēng)口。
鐵口過淺是冶煉生產(chǎn)中必須克服的鐵口異常。同時(shí)，冶煉生產(chǎn)中還應(yīng)避免采用過大的鐵口深度，而采用“扁平狀”凸出爐缸側(cè)壁400~500mm、并與爐墻緊密貼合的泥包[2]。鐵口深度過大時(shí)，泥包常常是“孤立”地伸入在鐵水中，生產(chǎn)中極易出現(xiàn)破損、斷裂，導(dǎo)致滲鐵、難開口、噴濺等。采用優(yōu)質(zhì)炮泥，通過適宜的打泥量、出凈渣鐵等操作，方能獲得合理的泥包形狀與鐵口深度。
2.3 異常噴濺
出鐵初期的10min左右時(shí)間內(nèi)，鐵口存在較小程度的噴濺屬于正?，F(xiàn)象。但時(shí)間很長、程度過大的則屬于鐵口的異常噴濺。異常噴濺嚴(yán)重污染爐前作業(yè)環(huán)境，在鐵水主溝兩側(cè)堆積大量噴濺物，極大地增加爐前勞動(dòng)強(qiáng)度，長期的異常噴濺會導(dǎo)致出不凈渣鐵、影響爐況順行與產(chǎn)量甚至導(dǎo)致難堵口等。
導(dǎo)致鐵口異常噴濺的原因較多，主要有：炮泥燒結(jié)性和結(jié)合強(qiáng)度較低、鐵口孔道粗糙、鐵口過淺、鐵口磚襯存在縫隙和串風(fēng)等。鐵口和上方冷卻器及風(fēng)口漏水、爐內(nèi)氣流不穩(wěn)等也會導(dǎo)致鐵口噴濺。出現(xiàn)鐵口異常噴濺時(shí)，需要根據(jù)不同的主要原因采取對應(yīng)的措施予以避免。
鐵口部位存在縫隙時(shí)，冒出的煤氣會影響渣鐵流的正常流動(dòng)狀態(tài)而導(dǎo)致噴濺。要消除此種原因?qū)е碌膰姙R，除在高爐建設(shè)、大修時(shí)即采用合理的鐵口工藝配置外，生產(chǎn)中，可采用鐵口區(qū)域灌漿、特種炮泥等堵塞縫隙的措施增加鐵口區(qū)域密閉性。RL801特種炮泥系鐵口縫隙噴濺專用治理炮泥，泥炮將此炮泥壓入鐵口后可堵塞鐵口孔道周圍存在的裂縫和裂紋、提高鐵口密閉性，消除鐵口的異常噴濺，在多座大型高爐應(yīng)用均取得明顯治理效果。資料報(bào)道，通過鐵口孔道、泥炮直接對鐵口孔道進(jìn)行灌漿，也在治理因鐵口磚襯裂縫冒煤氣引起的異常噴濺方面取得良好效果[3]。
因炮泥性能的適應(yīng)性缺陷導(dǎo)致鐵口異常噴濺，需要改善炮泥的燒結(jié)性能、燒結(jié)強(qiáng)度、作業(yè)性能等。依據(jù)對象高爐的實(shí)際需求，通過炮泥顆粒級配、結(jié)合劑性能與加入量等的調(diào)整，提高炮泥的燒結(jié)速度和強(qiáng)度、與爐前機(jī)械的適應(yīng)性等避免鐵口的異常噴濺。因鐵口過淺導(dǎo)致異常噴濺時(shí)，可通過消除鐵口過淺的和炮泥品質(zhì)和操作手段予以治理。生產(chǎn)中，若發(fā)現(xiàn)鐵口和上方冷卻器、風(fēng)口設(shè)備漏水時(shí)，應(yīng)及時(shí)修理、更換漏水設(shè)備。
因炮泥強(qiáng)度過高，出現(xiàn)難開口而反復(fù)鉆進(jìn)、燒氧開口也會導(dǎo)致鐵口噴濺。生產(chǎn)中，應(yīng)使用燒結(jié)強(qiáng)度、可塑性適宜的炮泥以避免強(qiáng)度過高導(dǎo)致的難開口、不能用合適的打泥壓力完成堵口。
3 鐵口泥套
鐵口泥套是保證堵口不跑泥、獲得正常打泥壓力與鐵口孔道內(nèi)炮泥致密的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鐵口泥套出現(xiàn)破損時(shí)，將導(dǎo)致堵口跑泥，即使增加打泥量也難以獲得足夠的鐵口深度。跑泥還造成堵口背壓降低、孔道內(nèi)炮泥疏松，出現(xiàn)出鐵噴濺。泥套出現(xiàn)嚴(yán)重破損、跑泥時(shí)，甚至導(dǎo)致鐵口堵不上事故等。因此，高爐生產(chǎn)中需要從泥套料技術(shù)品質(zhì)和日常維護(hù)兩個(gè)方面保證鐵口泥套的工作特性。
現(xiàn)代大型高爐一般采用Al2O3-SiC-C材質(zhì)的澆注型泥套料，需要具有良好的燒結(jié)性能、成型能力和新舊料結(jié)合好、組織致密等，使用中能保持體積穩(wěn)定、抵抗渣鐵沖刷和氧化破壞。
生產(chǎn)中，應(yīng)勤檢、勤修鐵口泥套，堵口前清理粘結(jié)在泥套表面的凝渣，及時(shí)修補(bǔ)或重新制作新泥套。
4 結(jié)語
鐵口區(qū)域是高爐爐缸中工作環(huán)境最為惡劣、安全性和壽命要求最高的重要部位。強(qiáng)化冷卻、優(yōu)質(zhì)碳材和剛玉質(zhì)耐材以及合理結(jié)構(gòu)的鐵口框等構(gòu)成的鐵口區(qū)工藝配置是鐵口區(qū)域適應(yīng)安全、高產(chǎn)、長壽要求、避免鐵口異常的技術(shù)基礎(chǔ)。
炮泥（含鐵口泥套）、爐前作業(yè)是關(guān)乎鐵口異常的重要因素。因炮泥品質(zhì)原因?qū)е碌哪喟╄F/斷鐵口、鐵口過淺、異常噴濺等鐵口異常，可通過改善炮泥的燒結(jié)性、高溫性能、抗沖刷和侵蝕性能等予以克服。同時(shí)，合適的爐前作業(yè)是消除鐵口異常必須的對策措施，包括：出凈渣鐵、空噴后全風(fēng)堵口、適宜的打泥量、維護(hù)好鐵口泥套等。
5 參考文獻(xiàn)
[1]周傳典主編. 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M]. 冶金工業(yè)出版社. 2002：585.
[2]徐瑞圖. 關(guān)于高爐爐前操作和炮泥使用的幾點(diǎn)認(rèn)識[J], 河北冶金. 2011. 184（4）：17.
[3]劉永輝 呂春泉 王永春. 南鋼2550m3高爐鐵口維護(hù)技術(shù)進(jìn)步[J], 煉鐵. 2012. 31（5）：43.