武鋼4號高爐冷卻壁破損的原因

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武鋼4號高爐冷卻壁破損的原因

陳令坤宋木森

(武漢鋼鐵集團公司)

摘要：根據武鋼4號高爐破損調查的結果，分析了冷卻壁破損的原因，認為冷卻壁破損不但與鑄造質量不過關有關，而且與發展邊緣的高爐操作制度有關，與高爐操作爐型有關。

關鍵詞大型高爐冷卻壁高爐操作

1 引言

武鋼4號高爐(2516m³)第三代爐役于1996年10月28日開爐，2006年7月3日停爐大修，連續生產9年9個月。其間沒有進行中修，也沒有停爐進行爐內噴補，累計生產生鐵1764．48萬t，單位爐容產鐵7013．04 t／m³。武鋼4號高爐第三代爐役設計壽命為10年，采用了多項先進技術，如軟水密閉循環冷卻技術、QT400—20型球墨鑄鐵冷卻壁、無料鐘爐頂裝料設備、內燃式高溫熱風爐、高爐過程計算機控制系統、雙出鐵口等。高爐內襯采用了當時國產優質耐火材料，如微孔炭磚、半石墨炭磚、SiC磚、微孔鋁碳磚、磷酸浸漬粘土磚等。

4號高爐冷卻系統的工作狀況盡管優于國內投產的其他同類型高爐，但和早先投產的5號高爐相比，在高爐長壽方面存在許多不足。4號高爐從2000年起冷卻壁水管損壞較多，2002年冷卻壁水管損壞最多，達24次，是冷卻壁損壞的高峰時期，對當年的生鐵產量影響較大。為弄清冷卻壁破損的主要原因，同時分析操作對高爐壽命的影響，4號高爐大修期間，對冷卻壁進行了破損調查研究。

2 冷卻壁破損調查結果

停爐后觀察，爐缸爐底1～6段冷卻壁保持完好，沒有損壞漏水現象。

爐身7、8、9三段冷卻壁破損最嚴重，勾頭全部損壞，鑄鐵體掉光，僅剩少量露出的水管；西面15號風口上方和北面21號風口上方有4～5塊冷卻壁損壞，上下3段連成一片，冷卻壁鑄體全掉光，每塊冷卻壁的4根水管仍然存在．多數未燒穿，可以繼續通水冷卻。其他方位多處有1～2塊冷卻壁露出水管、鑄體掉光的情況。大部分冷卻壁雖有冷卻壁存在，但水管以內的鑄鐵體已接近侵蝕光，水管已有部分露出，如圖1所示。

10～12段勾頭鑄鐵體掉光，水管露出，冷卻壁完整，水管未露出，但有明顯侵蝕，鑄體減薄，局部可見到鑲磚，如圖2所示。

13～15段冷卻壁完好，仍有磚襯，下部磚襯較薄，上部磚襯較厚，與勾頭平，勾頭完好。

16段光面冷卻壁完好無損。

3 球墨鑄鐵冷卻壁使用狀況解剖分析

國內外的研究都證明，高爐長壽主要取決于設計水平、設備及耐材質量、施工質量、原燃料條件、高爐操作及維護水平。武鋼4號高爐大修時采用了和5號高爐一樣的技術，但獲得了不同的壽命，這非常值得研究。

3．1 高爐設計施工中存在的問題

為滿足公司鐵、鋼平衡，1996年4號高爐大修工期非常緊張。高爐冷卻系統未試水就砌磚了，造成水系統漏水，爐缸遭浸泡，高爐施工及砌筑質量存在隱患；同時高爐爐身下部、爐腰部位采用了氮化硅結合碳化硅磚，這種磚掛渣性較差。這些問題都給高爐冷卻壁壽命造成了不好的影響。4號高爐冷卻壁破損情況見表1。

3．2 冷卻壁及冷卻壁水管取樣分析

為分析冷卻壁破損原因，對殘存冷卻壁進行了取樣解剖分析。檢測的內容主要有：拉力強度、屈服強度、延伸率和面收縮率；化學成分；金相組織、鐵素體含量、石墨形態和石墨球化級別；水管檢驗金相組織，外表有無滲碳，內部有無氧化。

所取的冷卻壁試樣主要有：15段一塊，西北面；11段一塊，西面；9段兩塊，西北面，9段一2號樣僅有上半部，下部已燒掉；8段一塊，西面；7段一塊，西面。將所取冷卻壁試樣，從中間切斷，取下一片試樣，分內、中、外取9個拉力試樣，3個化學分析樣，3個金相試樣，1個水管樣，然后分別檢測。這里假定冷卻壁外表樣和中部樣可代表冷卻壁使用前的性能。冷卻壁檢測結果見表2～4。

冷卻壁工作面的金相組織檢測結果表明，冷卻壁表面有嚴重滲碳并伴有氧化，脆性增加，是產生裂紋的源頭。冷卻壁內表層典型的滲碳和氧化腐蝕樣，如9段冷卻壁內表層，內部組織和內表面的金相組織對比見圖3和圖4。從圖中可清楚看到，內表層金相組織鐵素體80％全部變為萊氏體，稍深部位全部變成珠光體，表明工作面有嚴重滲碳，材質變硬、變脆，容易開裂。當內表面滲碳，性能變脆，裂紋產生時，如果鑄體內部性能也不好，強度很低，延伸率也很低時，裂紋很容易深入冷卻壁內部，裂紋擴大，甚至斷裂。當內部性能好時，可以阻止這種裂紋擴大，使裂紋僅在表面產生，不致于影響使用壽命。這種表面滲碳、氧化引起金相組織變化、脆性增加是必然的，不可避免。但其深度并不很大，曾研究過最深的約15 mm，只要鑄體內部材質性能優良，這種裂紋不致擴大，就不會影響整塊冷卻壁的使用壽命。

對15、11、9、9—2、8、7等6段冷卻壁解剖時，每塊冷卻壁取水管一個，進行金相分析，分析水管外表面是否滲碳，內表面是否氧化。檢測結果表明，水管組織為鐵素體珠光體，水管的內外表面層都有脫碳層，珠光體消失，外表面脫碳層深度約為0．237～0．53 mm，內表面脫碳層深度約為0．742～1．467mm。

水管外表面在鑄造過程中沒有增碳，表明防滲碳涂料正常，效果良好。水管內部腐蝕很輕微，水垢很薄，僅看到薄薄一層沉積物。顯微鏡下可見內表面有輕微的腐蝕層和水垢(見圖5)。水管內表面有脫碳現象，其原因仍是水中含有少量氧氣所致。

根據冷卻壁解剖的性能檢測結果和球墨鑄鐵的性能質量要求，可以看出6塊冷卻壁僅15段內層1個樣達到380MPa，延伸率為23．5％，其他無一個合格。延伸率多數為4％～8％，少數10％～12％；石墨球化級別3級少，沒有1～2級，多為4～5級；鐵素體含量僅一個樣達到90％，其余多為65％～80％，最低的僅30％一40％。

由于冷卻壁石墨球化很差，延伸率很低，金相組織中大量珠光體甚至萊氏體，即滲碳體，類似灰鑄鐵。使用過程中大量開裂破損，其開裂狀況類似灰鑄鐵冷卻壁，裂紋大且多，裂紋穿透冷卻壁分割成很多碎塊而脫落，是冷卻壁損壞、脫落留下水管的根本原因。

4 高爐操作與鐵冷卻壁破損較快的關系

4．1 根據原料特點，利用布料抑制高爐邊緣氣流發展

球墨鑄鐵冷卻壁的力學性能，拉力強度、延伸率和面收縮等，受溫度影響很大。研究表明，球墨鑄鐵溫度在400℃以下，性能保持不變，溫度再升高，拉力強度迅速下降；延伸率也在400℃開始產生變化。因此，球墨鑄鐵冷卻壁內表面的工作溫度不應超過400℃，當溫度過高時，將縮短使用壽命。高爐生產中，將冷卻壁內表面溫度控制在400℃以下。在實際的高爐操作中，一旦外部原料條件發生較大的變化，高爐冷卻壁熱面溫度經常超過400℃以上，這將導致冷卻壁工作性能下降。

4號高爐爐役前期一直采用的是維持適當邊緣氣流、開發中心氣流的兩股氣流操作模式來選擇布料矩陣，煤氣利用水平不高，CO₂只有18．4％左右，主要的代表矩陣是

。進入2002年后，自3月開始，高爐用料結構及爐料質量發生比較大的變化，燒結礦質量差，焦炭缺口大，大量卸焦，外購焦又多，焦炭質量難以保證。高爐操作風量不穩，難以組織高產，2002年下半年二燒質量有所改善。但不久后的5座爐子同時生產，使原、燃料全面緊張，卸焦量又有所增加，焦炭質量極不穩定，給操作帶來較大困難。特別是2002年8月煙煤一期工程投入運行，實現煙煤混噴。煤比提高后，初始邊緣氣流發展，許多情況下冷卻壁溫度達到400℃以上，以致冷卻壁損壞較多，冷卻壁損壞加劇。2002年全年共損壞冷卻壁水管24次。2003年8月開始適當抑制邊緣氣流，最終摸索出抑制邊緣氣流、發展中心氣流的布料制度。2003年1月21日，首先在武鋼煉鐵廠采用錯角位布料

，2003年10月最終定為

。采用這種布料制度后，邊緣氣流適當壓抑，氣流穩定，使不穩定的氣流對爐墻沖刷減少，確保了邊緣焦層有一定寬度及適宜的邊緣礦石抑制邊緣氣流，使邊緣氣流更為穩定。中心、中間帶的煤氣流比率相對穩定，保證了邊緣、中心兩股氣流合理分布，煤氣利用水平大幅度提高，CO₂達19．3％，最高可達22．2％，損壞冷卻壁次數逐年減少。

4號高爐冷卻壁過早損壞的原因，與4號高爐前期邊緣氣流過分發展，冷卻壁熱面溫度較高有一定關系，是損壞較快的原因之一。也說明一代高爐從投產之日就應該重視保護冷卻壁，嚴格控制邊緣氣流過分發展。

4．2 穩定爐型、減少爐型波動

高爐操作爐型的頻繁變化會使冷卻壁內表面的溫度產生波動。由于溫度的波動，使冷卻壁變形，內應力發生變化，天長日久，反復發生，產生熱疲勞，致使冷卻壁破損。盡管球墨鑄鐵具有優良的性能，也還是應該控制冷卻壁急冷急熱的次數。國內外冷卻壁使用經驗表明，球墨鑄鐵冷卻壁急冷急熱次數超過800次，就會出現破損。通過4號高爐冶煉專家系統的檢測，在原料波動大時，高爐一天之內渣皮脫落的次數最多達到10多次之多。經推算，從2000年以后，冷卻壁將開始大量破損，高爐實踐經驗也驗證了這種推斷。

一般情況下，冷卻壁溫度應控制在60～90℃的范圍內。一旦低于50℃，則邊緣就有結厚的跡象。應恰當發展邊緣氣流，如平均溫度高于120℃，或一天之內有多個點溫度達到250℃以上，就說明邊緣氣流偏旺，渣皮不穩，爐型維護不利，就應采取恰當措施進行改進。

基于上述認識，在球墨鑄鐵冷卻壁制造中，必須十分重視拉力強度和延伸率這兩項性能，千萬不能放松要求。經多次冷卻壁破損調查表明，性能優良的球墨鑄鐵冷卻壁即使部分被燒壞，殘留下的部分冷卻壁也不會開裂。4號高爐球墨鑄鐵冷卻壁大量開裂，其原因就是拉力強度和延伸率遠未達到要求。解剖檢測表明，已接近灰鑄鐵的性能。因此，必須吸取教訓，引起高度重視，冷卻壁的制造必須做到精益求精。

4．3 確保高爐爐墻形成穩定的操作渣皮，減少爐料對爐墻的磨損

從4號高爐冷卻壁的破損情況看，除開裂破碎外，高溫燒蝕和磨損是另一嚴重侵蝕狀況。由于高溫燒蝕和磨損，冷卻壁鑲磚和鑄體逐漸減薄，減薄的程度很大，很多冷卻壁鑲磚已全部侵蝕光，能見到水管露出。從解剖的厚度變化(見表5)，可以看出燒蝕和磨損的嚴重程度。由表5中可見，15段冷卻壁保持原始厚度，11段冷卻壁雖然冷卻壁勾頭保留和壁體尚有鑲磚，但其厚度已減薄15 mm。9段以下減薄的厚度加大，8段最大達100 mm，7段減薄程度小于8段。可見7、8、9段冷卻壁高溫燒蝕和磨損很嚴重。

表5 武鋼4號高爐冷卻壁的殘存厚度(取樣斷口)

對設計壽命20年的長壽高爐來講，這樣的燒損速度顯然是不能達到20年的壽命。其原因是鑄鐵冷卻壁熱導率偏低，冷卻強度不夠。當渣皮脫落時，渣皮不能及時生成形成保護層，致使冷卻壁燒損、高溫爐料和氣流磨損。因此，7、8、9三段冷卻壁應該使用銅冷卻壁，提高冷卻強度，才能滿足20年長壽高爐要求。

這種高溫燒蝕和磨損速度顯然與材質的性能有密切關系。強度低、延伸率低的球墨鑄鐵不僅會開裂，而且會成為碎塊脫落，必然加速破損速度。武鋼5號高爐壽命已達到16年，說明球墨鑄鐵冷卻壁在制造質量好的情況下是可以延長使用壽命的。

4．4 高爐操作過程中必須確保足夠的冷卻強度