鞍钢3200 m3高炉炉缸长寿与高产能匹配探索实践

李林春，赵东明，张延辉，杨长亮

（1.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山 114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

鞍钢股份有限公司炼铁总厂10号高炉（3200 m3）于2013年5月15日投产，随着投产时间的增长，受设计原因、耐材施工质量缺陷、投产后原料质量波动等诸多因素的影响，高炉炉缸局部受到一定程度的侵蚀，其中3号铁口出现炉缸侧壁温度持续升高和侧壁温度波动幅度大的现象，严重制约着高炉产能释放以及安全生产。为此，分析了炉缸炭砖侵蚀原因，采取了一系列护炉措施，在炉缸长寿基础上实现了产能提升，本文对此做一介绍。

1 存在问题及原因分析

1.1 炉缸构造及现状

10号高炉炉缸砌筑结构如图1所示。高炉炉缸侧壁第5～12层采用德国西格里超微孔碳砖，13～15层采用国产微孔碳砖，第5～12层超微孔碳砖外侧采用模压微孔小块炭砖；炉缸侧壁内侧第7～15层采用国产小块微孔刚玉砖陶瓷杯结构。

图1 10号高炉炉缸砌筑结构Fig.1 Hearth Masonry Construction of No.10 BF

应用数学模型计算3号铁口下部炉缸环碳剩余厚度，见图2，可以看出炭砖呈逐渐侵蚀状态。

图2 3号铁口下部炉缸环碳剩余厚度Fig.2 Residual Thickness of Carbon Bricks around Hearth beneath Lower Part of No.3 Taphole

1.2 侵蚀原因分析

1.2.1 炉缸侧壁正常生产侵蚀

高炉炉缸侧壁除了铁水流动、铁水渗透和热应力等机械磨损外，还存在碳的溶解、炉料中有害杂质以及裂解碳和水蒸气等引起的混合化学反应侵蚀，以上因素共同作用导致炉缸侧壁受到不同程度的自然侵蚀。

1.2.2 炉缸侧壁非正常侵蚀

由于10号高炉炉缸砌筑施工时正处于冬季，炭砖与冷却壁之间密实程度不够，炉壳与冷却壁之间压浆不密实，造成生产过程中高温煤气流形成通道，高温煤气流窜到炉壳与冷却壁间；加之日常操作中冷却设备破损未得到及时更换，大量水进入炉缸形成水煤气，水煤气进入固有通道，导致炉缸侧壁热负荷急剧增加，使炉缸侧壁局部侵蚀加剧。

1.2.3 高炉后期操作因素导致侧壁侵蚀

在开炉生产过程中，炉前操作铁口深度控制不到位，或炮泥质量变差和波动导致铁口深度频繁波动，均会造成铁口区域泥包不稳定，甚至出现闷炮等现象，致使炉缸侧壁区域受损，加剧侧壁侵蚀。同时，高炉采用中心加焦模式生产，焦炭质量恶化且中心焦炭过多会造成中心死料柱增大，导致炉缸渣铁透液性下降，炉缸环流增加，形成炉缸侧壁局部侵蚀。

2 护炉措施

2.1 提高原燃料质量

坚持精料方针，同时为了更加适合当前高炉生产，打破“七分原料+三分操作”传统思维，调整为“五分原料+四分操作+一分设备管理”模式。10号高炉使用焦炭以化工自产为主，同时配少量外购焦炭，日常在关注焦炭灰分、挥发分、含硫量等化学指标的基础上，更加重视焦炭M40、M10、焦炭粒径、焦炭反应性CRI和焦炭反应后强度CSR等指标情况，结合高炉自身生产需求，不断提高对原燃料质量的要求，焦炭M40由89.0%提高到90.1%，M10由 5.8%降低到 5.4%，CRI由 24.2%降低到23.2%，CSR由63.7%提高到65.3%，焦炭平均粒径由50.8 mm提高到52.5 mm。焦炭质量的改善和稳定为高炉稳定顺行、活跃炉缸、减少炉缸环流提供了保障。

2.2 重视炉型和炉缸管理

合理的炉型是高炉长期稳定顺行和降低综合焦比的基础，高炉操作者不只要注重炉型管理，更重要的是保证长期合理的操作炉型。

2.2.1 建立高炉炉型诊断模型

10号高炉通过建立高炉诊断模型和在炉身新增加8个方向的水温差和热负荷实时监控，逐渐摸索出适合高炉自身的相关参数。炉腹煤气量和炉腹煤气指数计算公式分别见式（1）、（2）。

式中，V为炉腹煤气量，m3/min；V风为高炉鼓风风量，m3/min；V氧为富氧量，m3/h；W煤为平均每小时喷吹煤量，t/h；H煤%为煤粉中 H 含量（质量分数），%；K为炉腹煤气指数，m/min。

10号高炉坚持提高风压和增加风量，实现风压410 kPa、顶压235 kPa，风量由4 800 m3/min提升至5 100 m3/min，见图3。利用日常生产数据，通过公式（1）（2）计算，摸索出适合高炉的炉腹煤气量为6 500～7 000 m3/min，炉腹煤气指数为55～60 m/min，超出以上范围，高炉需要立即调整，避免长时间偏离合理范围后高炉出现炉况波动，导致炉缸不活跃。

图3 2018年10号高炉入炉风量变化趋势Fig.3 Change Trend of Blast Volume Charged into No.10 BF in 2018

2.2.2 加强炉缸状态管理

保持炉缸活跃性是高炉顺行、降低消耗的基础。高炉铁水物理热不达标、长期低炉温会导致炉缸不活跃。炉缸物理热指数计算公式见式（3）。

式中，Ktp为炉缸物理热指数；tp为每次铁的平均铁水温度，℃；[Si]为每次铁的平均铁水 Si含量，%。

实践证明，铁水温度1 500～1 510℃、铁水Si含量0.4%～0.5%对保持炉缸活跃有利，10号高炉炉缸物理热Ktp的适宜范围为2.5～3.0。10号高炉物理热指数、铁水硅数变化趋势如图4所示。

图4 10号高炉物理热指数、铁水硅数变化趋势Fig.4 Change Trend of Physical Heat Index and Silicon Content in Molten Iron of No.10 BF

在日常操作中，10号高炉规定铁水Si含量在0.45%～0.55%，严禁长时间低炉温操作，保证风温1 190～1 200℃以上，首选通过调整煤量实现热量平衡，当煤量连续使用3 h后炉温和物理热仍不达标时，需调整焦炭负荷且必要时减风减氧控制强度，以保证炉温和铁水物理热达标，待炉温和物理热恢复正常水平后，焦炭负荷调整到正常水平。10号高炉实现炉温稳定率和合格率均达到90%以上。

2.3 细化炉前操作

2.3.1 炉前渣铁组织合理化

10号高炉细化炉前操作和操作制度的贯彻执行，加强设备维护和监管，避免设备故障影响高炉出铁节奏。同时，建立炉前耐材和炮泥管理规定，具体如下：

（1）保证日常主沟维护两供两备原则，铁口停下后必须保证12～15个工作日具备开铁口条件；

（2）高炉主沟通铁量必须达到合同要求，不能随意放砂口或停下；

（3）高炉铁口深度3.3～3.5 m，钻头直径53～57 mm，保证出铁流速 5.7～6.0 t/min，当高炉渣铁排放不及时，可以选择零间隔或者负间隔出铁，保证出净渣铁；

（4）建立炮泥跟踪和评价机制。记录高炉每次铁的炮泥打泥量、铁口深度、处理铁口时间、出铁流速、每次拔炮时间、是否使用氧气烧铁口以及是否折铁口等，利用全月数据评价炮泥是否满足高炉生产。

2.3.2 含钛炮泥炉缸侧壁局部护炉

铁水对TiC、TiN的润湿角比较小，因此铁水很容易润湿并粘附Ti（C，N），在铁水珠外形成一层Ti（C，N）薄壳，悬浮在渣铁界面。 由于 TiC、TiN 熔点高 （TiC熔点为3 150℃，TiN熔点为2 950℃，高于渣铁温度），只能呈半熔融或固相状态悬浮在铁口周围渣铁中及其界面处，出铁时会随着渣铁液面的下降逐步沉积到铁口周围的砖衬上，达到足够的沉积量后，在泥包周围砖衬上形成钛积保护层。

10号高炉采用一种特殊的含钛炮泥，这种含钛炮泥引入的反应催化剂可以大大降低TiO2的反应温度，铁水温度达到1 400℃以上即可启动反应，在炮泥中加入氮化物细粉，反应中N2析出，可以促进反应生成TiN。长期使用这种炮泥后可使铁口区域局部钛保护层的结构致密、硬度大、热阻性大、熔点高，附于铁口周围的砖衬或凝铁层之上，起到保护铁口区域的作用，有效降低铁口区域炉缸侧壁温度。

2.4 提高钒钛矿护炉效果

2.4.1 提高炉缸冷却能力

由于10号高炉采用炉缸和炉身一体式冷却模式，炉缸冷却能力不足。针对炉缸侧壁3号铁口温度高的情况，在其下方增加两台加压泵，对铁口区域的6根水管加压增加水量，增加局部区域的冷却强度，促进铁水中钛析出生成Ti（C，N）。同时，基于10号高炉炉底水冷管在炉基板上，炉底冷却能力高于其他高炉，为了减少铁水环流对侧壁的侵蚀，将炉底水量由原来的600 m3/h减少至500 m3/h。

2.4.2 长期使用钒钛矿护炉

10号高炉护炉期间铁中钛含量控制在0.100%～0.120%，后期由于炼钢要求Si+Ti＜0.7%，高炉减少入炉钛量，将铁中钛含量控制在0.060%～0.090%，仍能满足护炉效果。同时，在护炉期间，终渣碱度由原来的1.16提升至1.18，促进渣中TiO2的还原，以达到护炉效果。

2.5 控制冷却设备破损及减少中心加焦比例

10号高炉为了减少冷却设备破损，进行了风口质量提升，加强煤枪状态管理，以及坏风口减水制度建设等工作，实现了全年坏风口数量的减少，避免了大量水进入炉缸影响炉缸长寿。10号高炉近年风口破损统计见表1，可以看出，风口破损数量逐年降低。

表1 10号高炉近年风口破损数量统计Table 1 Statistics of Damaged Number of Tuyeres of No.10 BF in Recent Years 个

10号高炉优化布料制度，通过缩小下部风口面积和缩小布料平台采用5档布料增加风量，中心加焦比例大幅度下降（见表2），炉芯温度呈明显上升趋势（见图5），炉缸更加活跃，减少了炉缸中心死料柱，减少了渣铁环流带来的侧壁侵蚀。

表2 10号高炉近年中心加焦比例Table 2 Proportions of Adding Coke at Certer of No.10 BF in Recent Years %

图5 2018年10号高炉炉芯温度变化趋势Fig.5 Change Trend of Furnace Core Temperatures of No.10 BF in 2018

3 实践效果

通过采取上述措施，高炉近年来产能逐渐提升。2015-2018年10号高炉产能如表3所示。10号高炉2018年在确保炉缸长寿前提下实现了历史最好经济指标，入炉焦比315 kg/tFe，煤比162 kg/tFe，燃料比515 kg/tFe，日平均产量7 500 t/d（同年4月份实现日平均产量7 780 t/d），在炉缸长寿的基础上实现了产能的提升。

表3 2015-2018年10号高炉产能Table 3 Production Capacities of No.10 BF from 2015 to 2018 万t

4 结语

鞍钢股份有限公司炼铁总厂10号高炉针对炉缸长寿与高产能的问题，采取了提高原燃料质量，重视炉型和炉缸管理，细化炉前操作，提高钒钛矿护炉效果，控制冷却设备破损及减少中心加焦比例等措施，护炉效果明显，在炉缸长寿的基础上实现了产能的提升，值得参考和借鉴。