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，遠未達到使用要求，為此筆者對這一事故進行了跟蹤調(diào)查，跟蹤了扒爐過程，對爐缸碳磚進行了取樣分析，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^#高爐實際有效容積為450m³，設(shè)有14個風(fēng)口，采用板壁結(jié)合的冷卻系統(tǒng)進行冷卻，爐缸爐底未設(shè)相應(yīng)的測溫點。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，遠未達到使用要求，為此筆者對這一事故進行了跟蹤調(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)場點檢，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，遂立即提高水壓、增加爐皮打水以加強冷卻，將高爐風(fēng)壓降至平時的一半，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，計劃從兩個部位開始扒爐，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，再用挖機進行清理，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，使得整個扒爐工作才得以順利進行并完成。

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，入爐堿負荷及鋅負荷過高、冷卻壁漏水、強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，爐缸耐火材料長時間浸泡在流動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，失去陶瓷杯的保護侵蝕將進一步加劇，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，對事故的發(fā)生起到了促進作用，詳細分析如下：

4.1碳磚和碳素搗打料問題

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^[]對這種環(huán)裂機理進行了詳盡的研究總結(jié)，認為環(huán)裂是這樣形成的，分兩步進行：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)力一旦超過碳磚強度極限，就產(chǎn)生微裂紋，這種裂紋的產(chǎn)生可能是因為碳磚導(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展，使微裂紋發(fā)展為“環(huán)裂層”。

根據(jù)現(xiàn)場碳磚取樣化驗，實際檢驗出的導(dǎo)熱系數(shù)（室溫）不足6w/mk，而設(shè)計要求的導(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”形成的另一個直接原因。爐缸燒穿前夕，冷卻壁的水溫差只有3.1℃，熱流強度沒有超過10000w/m²，可見未達到冷卻系統(tǒng)冷卻極限，應(yīng)該不是冷卻系統(tǒng)設(shè)計的問題。

在2012年大修時爐缸的碳磚都是完好的，所以當時為了節(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有所下降，這也可能是“環(huán)裂層”形成的一個原因。

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2#高爐開爐以來的用料進行統(tǒng)計，有害雜質(zhì)明顯超標。煉鐵設(shè)計規(guī)范中規(guī)定鋅負荷小于0.15kg/t，堿負荷小于3kg/t，而實際統(tǒng)計得出，鋅負荷為1.5kg/t，堿負荷為3.3kg/t。堿金屬化合物及氧化物在高爐高壓、強還原氣氛中會還原成堿金屬蒸氣，當碳磚產(chǎn)生微裂紋后，這些氣態(tài)堿金屬會在微裂紋里擴散沉積，與碳磚中雜質(zhì)成分形成體積膨脹物相，促使微裂紋擴展，形成“環(huán)裂層”^[1]。鋅對環(huán)裂層的形成有促進作用，但是這種促進作用是借助于促進碳磚的氧化完成的^[]。鉛的作用和堿金屬類似，亦是形成體積膨脹物相來促進“環(huán)裂層”的形成^[]，所以說入爐原料的雜質(zhì)成分高促進了“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)面驗證了入爐有害元素的超標及對高爐的危害。由于鋅負荷過高，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。針對鐵口跑煤氣情況，多次請專業(yè)灌漿廠家進行壓漿處理，高爐車間也利用休風(fēng)機會，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)兩天時間將鐵口清理到組合磚后再進行整體澆注，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展，促進碳磚中形成“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，水蒸氣會與碳磚發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致碳磚侵蝕燒損，使碳磚強度變差，導(dǎo)熱下降，加速粉化，蝕損的間隙也會成為鋅及其它堿金屬的集聚地，甚至鐵水也會侵入，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，進而微裂紋不斷擴展形成“環(huán)裂層”使得爐缸導(dǎo)熱進一步降低，再加上2#高爐開爐后一直維持高冶強生產(chǎn)，正常生產(chǎn)時富氧率保持在8-9%，利用系數(shù)達到4.5t/m³d，使得爐缸熱負荷大大提高，使得爐缸陶瓷杯及碳磚長時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 防止爐缸燒穿的幾點建議

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

1、選用優(yōu)質(zhì)爐缸耐火材料是高爐長壽的基礎(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、致密高抗堿的微孔碳磚。

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

3、爐底爐缸須配備足夠的熱電偶是高爐有效維護的必要條件；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，才能夠?qū)崟r監(jiān)控爐缸的侵蝕狀況。

4、控制入爐原料質(zhì)量是高爐長壽的關(guān)鍵；控制入爐的有害雜質(zhì)，提高焦炭的強度，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)中對于漏水的冷卻設(shè)備必須及時處理及時更換。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，對爐缸碳磚的影響。

6 處理過程

1、整個扒爐過程用了持續(xù)7天時間。從風(fēng)口扒料不但不能節(jié)約時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，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械作業(yè)，節(jié)省大量時間，大約3天時間能完成扒爐工作。

2、這次事故前沒有任何的準備，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天時間。開爐第三天產(chǎn)量達到1800t，但風(fēng)口水跡仍沒有減少的跡象，沒有繼續(xù)強化。一周以后水跡明顯減少，高爐開始強化冶煉，產(chǎn)量達到2050t。

7 參考文獻

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

[2] 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，2009:112-138

[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