元立2#高爐爐缸燒穿淺析及處理

邵則林  施華建

（衢州元立金屬制品有限公司  浙江  衢州  324000）

摘  要：元立煉鐵廠2#高爐2012年10月9日大修后投產(chǎn)，2015年9月21日8:30發(fā)生爐缸燒穿事故，投產(chǎn)后壽命不足3年，遠(yuǎn)未達(dá)到使用要求，為此筆者對(duì)這一事故進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，跟蹤了扒爐過程，對(duì)爐缸碳磚進(jìn)行了取樣分析，結(jié)合磚的侵蝕破壞情況及碳磚分析情況探討了造成此次事故的原因，在此基礎(chǔ)上，提出了幾點(diǎn)預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：高爐;爐缸燒穿;原因分析

元立2^#高爐實(shí)際有效容積為450m³，設(shè)有14個(gè)風(fēng)口，采用板壁結(jié)合的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，爐缸爐底未設(shè)相應(yīng)的測(cè)溫點(diǎn)。2012年10月9日大修后投產(chǎn)，2015年9月21日8:30發(fā)生爐缸燒穿事故，投產(chǎn)后壽命不足3年，遠(yuǎn)未達(dá)到使用要求，為此筆者對(duì)這一事故進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，現(xiàn)將跟蹤調(diào)查情況分述如下：

1 爐缸燒穿位置及燒穿過程描述

燒穿發(fā)生在12^#和13^#風(fēng)口方向的爐缸第二層冷卻壁上部，燒出的孔洞高度約20cm，寬度約50cm。經(jīng)檢查二層冷卻壁只燒損一塊，附近的冷卻水管以及環(huán)管全部受損。具體燒損部位如圖一所示。9月21日2:30爐缸二層第12塊冷卻壁水溫差從3℃突然跳躍式上升，3:30左右升到10℃，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢，發(fā)現(xiàn)爐皮有發(fā)紅現(xiàn)象。判斷該部位碳磚可能已侵蝕殆盡，爐缸有燒穿的危險(xiǎn)，遂立即提高水壓、增加爐皮打水以加強(qiáng)冷卻，將高爐風(fēng)壓降至平時(shí)的一半，水溫差很快降至3℃，恢復(fù)正常。6:30水溫差再次上升到5℃，采取提高水壓等措施依然無法使之降至正常水平，遂8:00按正常程序進(jìn)行休風(fēng)，8:30水溫差繼續(xù)上升到7.6℃，爐缸燒穿。



2 扒爐過程

   燒穿位置是在二層冷卻壁上部，按高度計(jì)算就在第一層陶瓷墊的位置，殘鐵量應(yīng)該很少，所以停爐后未進(jìn)行放殘鐵操作，直接開始扒爐。經(jīng)技術(shù)及生產(chǎn)部門協(xié)商后，計(jì)劃從兩個(gè)部位開始扒爐，一是卸下風(fēng)口中小套，從風(fēng)口部位開始扒料，二是從爐缸燒損部位直接割掉爐皮，卸下三塊冷卻壁從燒損部位扒料。起初，風(fēng)口位置扒料比較順暢，當(dāng)軟熔礦石下降到風(fēng)口后碰到?jīng)鲲L(fēng)固化，使風(fēng)口自動(dòng)糊死，偶爾捅開風(fēng)口糊死的爐料，里面熔融渣鐵隨即涌出，極易發(fā)生人員燙傷事故，使風(fēng)口扒料停滯難以繼續(xù)。爐缸燒損割開部位也只能拔出小部分松散的爐料，上部爐料在風(fēng)口部位結(jié)塊不能自動(dòng)下滑。最后，將鐵口兩邊的兩塊冷卻壁以及上部風(fēng)口的三塊冷卻壁割開拆除，再用挖機(jī)進(jìn)行清理，扒掉風(fēng)口區(qū)域的結(jié)塊爐料后，上部的爐料才順暢的下移，使得整個(gè)扒爐工作才得以順利進(jìn)行并完成。

3 侵蝕情況

   扒爐后觀察：陶瓷墊上層侵蝕沖刷殆盡，第二層完好，陶瓷杯靠近爐底部位侵蝕殆盡（對(duì)應(yīng)第二層碳磚中上部），從第三層環(huán)碳以上的陶瓷杯還有部分存在。碳磚部分，第一層環(huán)碳基本侵蝕殆盡，剩余部分也僅10-15cm厚，內(nèi)部陶瓷杯及陶瓷墊已侵蝕殆盡，“象腳狀”侵蝕特征明顯，見圖二、圖三。從第二層往上殘余碳磚逐漸變厚，最厚的部分環(huán)碳大約50-60cm。風(fēng)口以下環(huán)形碳磚中均出現(xiàn)“環(huán)裂層”，其寬度約5-10cm，“環(huán)裂層”從上之下逐漸外移靠近至冷卻壁，至爐底第二層碳磚幾乎與爐缸內(nèi)熔融鐵水接觸。

從扒爐后侵蝕情況來看，此次爐缸燒穿屬于“象腳狀”異常侵蝕破壞導(dǎo)致的爐缸燒穿事故。

4 爐缸燒穿的原因

   此次爐缸燒穿是爐缸“象腳狀”異常侵蝕導(dǎo)致的一次燒穿事故，其根本原因是爐缸導(dǎo)熱不足，入爐堿負(fù)荷及鋅負(fù)荷過高、冷卻壁漏水、強(qiáng)化冶煉及砌筑問題加劇了“象腳狀”侵蝕的過分發(fā)展，最終導(dǎo)致爐缸燒穿事故的發(fā)生。爐缸導(dǎo)熱不足的情況下，爐缸耐火材料長(zhǎng)時(shí)間浸泡在流動(dòng)性良好的高溫渣鐵熔體中，爐缸爐底交界處的陶瓷杯在出鐵過程中很容易被侵蝕沖刷殆盡，當(dāng)陶瓷杯侵蝕沖刷殆盡后，其后的碳磚直接接觸熔融渣鐵，除受鐵水沖刷外，還要受到不飽和鐵水的熔解作用，失去陶瓷杯的保護(hù)侵蝕將進(jìn)一步加劇，所以說爐缸導(dǎo)熱不足是根本原因，其他原因惡化了導(dǎo)熱，對(duì)事故的發(fā)生起到了促進(jìn)作用，詳細(xì)分析如下：

4.1 碳磚和碳素?fù)v打料問題

從圖二中可以直觀地看出，碳磚中出現(xiàn)“環(huán)裂層”，北科大潘宏偉等^[1]對(duì)這種環(huán)裂機(jī)理進(jìn)行了詳盡的研究總結(jié)，認(rèn)為環(huán)裂是這樣形成的，分兩步進(jìn)行：1）首先碳磚由于導(dǎo)熱不足，使碳磚內(nèi)產(chǎn)生非常大的熱溫差，這種巨大的熱溫差使碳磚內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力一旦超過碳磚強(qiáng)度極限，就產(chǎn)生微裂紋，這種裂紋的產(chǎn)生可能是因?yàn)樘即u導(dǎo)熱性能差也可能是冷卻系統(tǒng)無法發(fā)揮冷卻效果導(dǎo)致，這是環(huán)裂的誘因。2）鉀蒸氣沿裂紋傳導(dǎo)，當(dāng)溫度降至800℃左右便開始液化沉積，沉積之后與碳磚中灰分形成鉀霞石或白榴石類礦物，體積膨脹，使裂紋擴(kuò)展，或者與高爐煤氣反應(yīng)形成碳沉積，不斷擠壓碳磚使裂紋擴(kuò)展，使微裂紋發(fā)展為“環(huán)裂層”。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碳磚取樣化驗(yàn)，實(shí)際檢驗(yàn)出的導(dǎo)熱系數(shù)（室溫）不足6w/mk，而設(shè)計(jì)要求的導(dǎo)熱系數(shù)為≥10w/mk，碳磚導(dǎo)熱系數(shù)不足可能是“環(huán)裂層”形成的一個(gè)直接原因。

從圖一和圖二中都可以看出冷卻壁與碳磚之間都存在空隙，形成空氣熱阻，這也可能是“環(huán)裂層”形成的另一個(gè)直接原因。爐缸燒穿前夕，冷卻壁的水溫差只有3.1℃，熱流強(qiáng)度沒有超過10000w/m²，可見未達(dá)到冷卻系統(tǒng)冷卻極限，應(yīng)該不是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題。

在2012年大修時(shí)爐缸的碳磚都是完好的，所以當(dāng)時(shí)為了節(jié)約成本第一二層的碳磚沒有更換，使用后的碳磚本身的導(dǎo)熱性能及其它性能均會(huì)有所下降，這也可能是“環(huán)裂層”形成的一個(gè)原因。

4.2 堿金屬等有害元素的危害

從圖四和圖五中可以看到，磚體裂縫中有鉛鋅夾雜物。為此，對(duì)2#高爐開爐以來的用料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有害雜質(zhì)明顯超標(biāo)。煉鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定鋅負(fù)荷小于0.15kg/t，堿負(fù)荷小于3kg/t，而實(shí)際統(tǒng)計(jì)得出，鋅負(fù)荷為1.5kg/t，堿負(fù)荷為3.3kg/t。堿金屬化合物及氧化物在高爐高壓、強(qiáng)還原氣氛中會(huì)還原成堿金屬蒸氣，當(dāng)碳磚產(chǎn)生微裂紋后，這些氣態(tài)堿金屬會(huì)在微裂紋里擴(kuò)散沉積，與碳磚中雜質(zhì)成分形成體積膨脹物相，促使微裂紋擴(kuò)展，形成“環(huán)裂層”^[1]。鋅對(duì)環(huán)裂層的形成有促進(jìn)作用，但是這種促進(jìn)作用是借助于促進(jìn)碳磚的氧化完成的^[1]。鉛的作用和堿金屬類似，亦是形成體積膨脹物相來促進(jìn)“環(huán)裂層”的形成^[2]，所以說入爐原料的雜質(zhì)成分高促進(jìn)了“環(huán)裂層”的形成。風(fēng)口中套變形，小套上翹等現(xiàn)象的出現(xiàn)，也從側(cè)面驗(yàn)證了入爐有害元素的超標(biāo)及對(duì)高爐的危害。由于鋅負(fù)荷過高，高爐結(jié)瘤炸瘤次數(shù)多，爐況失常也較頻繁，高爐頻繁采用高爐溫、低堿度操作，使用螢石錳礦也較多，也加劇了爐缸的侵蝕。

4.3 砌筑問題

2#高爐一開爐鐵口跑煤氣現(xiàn)象就特別嚴(yán)重，也曾多次發(fā)生鐵口煤氣將泥套吹破導(dǎo)致鐵口堵不上的事故。針對(duì)鐵口跑煤氣情況，多次請(qǐng)專業(yè)灌漿廠家進(jìn)行壓漿處理，高爐車間也利用休風(fēng)機(jī)會(huì)，屢次組織壓漿封堵，都不能解決。最終，采用鐵口整體澆注的方式，高爐被迫休風(fēng)兩天時(shí)間將鐵口清理到組合磚后再進(jìn)行整體澆注，方才緩解該問題。鐵口流竄的煤氣多是從鐵口組合磚磚縫流出，一般是砌筑質(zhì)量不良造成的，當(dāng)出現(xiàn)竄煤氣情況后，流竄的煤氣中夾雜的有害成分很容易隨著煤氣擴(kuò)散，在碳磚裂紋中發(fā)生碳沉積及其它物相反應(yīng)，使得碳磚中的裂紋擴(kuò)展，促進(jìn)碳磚中形成“環(huán)裂層”^[1]。

4.4 漏水影響

高爐生產(chǎn)不足3年，可是爐腰板、冷卻板已經(jīng)有近一半燒損。對(duì)其處理原則是不影響爐內(nèi)的情況下先采取控水措施，有影響再安排灌漿悶掉。對(duì)于中小套漏水也是一次來水先控水，二次來水再控水，三次來水再休風(fēng)更換。冷卻設(shè)備的漏水會(huì)沿著背部的填料縫隙向爐缸積聚，并向熱面滲透，在溫度大于700℃的區(qū)域，水蒸氣會(huì)與碳磚發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致碳磚侵蝕燒損，使碳磚強(qiáng)度變差，導(dǎo)熱下降，加速粉化，蝕損的間隙也會(huì)成為鋅及其它堿金屬的集聚地，甚至鐵水也會(huì)侵入，從而影響爐底爐缸的使用壽命。

以上這些因素誘發(fā)碳磚中形成微裂紋，進(jìn)而微裂紋不斷擴(kuò)展形成“環(huán)裂層”使得爐缸導(dǎo)熱進(jìn)一步降低，再加上2#高爐開爐后一直維持高冶強(qiáng)生產(chǎn)，正常生產(chǎn)時(shí)富氧率保持在8-9%，利用系數(shù)達(dá)到4.5t/m³d，使得爐缸熱負(fù)荷大大提高，使得爐缸陶瓷杯及碳磚長(zhǎng)時(shí)間浸泡于高溫渣鐵熔體中，在出鐵過程中不斷受到渣鐵熔體的過度侵蝕沖刷，最終導(dǎo)致爐缸燒穿事故的發(fā)生。

5 防止?fàn)t缸燒穿的幾點(diǎn)建議

高爐長(zhǎng)壽是個(gè)系統(tǒng)工程，針對(duì)此次爐缸燒穿事故，為防“象腳狀”異常破壞的出現(xiàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）選用優(yōu)質(zhì)爐缸耐火材料是高爐長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)；爐缸部位選擇抗渣、抗鐵性能優(yōu)良的陶瓷杯配置導(dǎo)熱性能好，高強(qiáng)、致密高抗堿的微孔碳磚。

（2）高質(zhì)量的爐缸砌筑是高爐長(zhǎng)壽的重要保證；提高碳磚加工精度，碳磚要能真正做到1mm的磚縫，碳搗料必須嚴(yán)實(shí)。

（3）爐底爐缸須配備足夠的熱電偶是高爐有效維護(hù)的必要條件；配備的熱電偶能夠比較直接的體現(xiàn)出爐缸的侵蝕，配合爐缸水溫差在線監(jiān)測(cè)，才能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控爐缸的侵蝕狀況。

（4）控制入爐原料質(zhì)量是高爐長(zhǎng)壽的關(guān)鍵；控制入爐的有害雜質(zhì)，提高焦炭的強(qiáng)度，積極發(fā)展中心氣流，減少中心死料柱的徑向厚度，降低爐缸的侵蝕壓力。

（5）生產(chǎn)中對(duì)于漏水的冷卻設(shè)備必須及時(shí)處理及時(shí)更換。可以采用鞍鋼的風(fēng)口冷卻壁導(dǎo)流板和鐵口通道磚保護(hù)板的技改技術(shù)，很大程度上減緩因竄風(fēng)竄水夾帶著有害元素，對(duì)爐缸碳磚的影響。

6 處理過程

（1）整個(gè)扒爐過程用了持續(xù)7天時(shí)間。從風(fēng)口扒料不但不能節(jié)約時(shí)間反而增加了后面扒爐的難度，今后類似的扒爐工作，如果需要放殘鐵需將風(fēng)口全部堵嚴(yán)，待放殘鐵后打水冷卻，如果不需要放殘鐵可以直接打水冷卻，然后將鐵口及上面的冷卻壁直接割掉，可以很方便的使用機(jī)械作業(yè)，節(jié)省大量時(shí)間，大約3天時(shí)間能完成扒爐工作。

（2）這次事故前沒有任何的準(zhǔn)備，爐底的碳磚完好，而且450m3的高爐也屬于即將淘汰的爐型，所以這次爐底碳磚沒有更換，將環(huán)碳全部更換，用澆注料代替陶瓷杯和陶瓷墊，以及鐵、風(fēng)口組合磚，風(fēng)口以上采用噴涂，總共用時(shí)7天。

（3）烘爐之后風(fēng)口的水跡比較多，烘爐由3天增加到5天時(shí)間。開爐第三天產(chǎn)量達(dá)到1800t，但風(fēng)口水跡仍沒有減少的跡象，沒有繼續(xù)強(qiáng)化。一周以后水跡明顯減少，高爐開始強(qiáng)化冶煉，產(chǎn)量達(dá)到2050t。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘宏偉，程樹森，余松，等. 高爐爐缸炭磚環(huán)裂機(jī)制初探[J]. 鋼鐵，2011,46（3）：12-17

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[3] 高振昕，李紅霞，石干，等. 高爐蝕損顯微剖析[M]. 冶金工業(yè)出版社，2009:140-167