魏太林 楊 松 牛衛(wèi)軍 焦虎豐

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

2005年以來，安鋼兩座2000 m3級高爐相繼投產(chǎn)，投運了76個170 t鐵水罐運送鐵水。由于這種鐵水罐在安鋼是首次使用，存在使用經(jīng)驗不足和技術(shù)難題。在運行初期，170 t鐵水罐事故較多，正常周轉(zhuǎn)困難重重，直接影響到了公司高爐鐵水的安全運送。后經(jīng)原因分析、質(zhì)量改進(jìn)和加強(qiáng)日常運行監(jiān)測和管理等多方面努力，最終大大延長了鐵水罐的使用壽命，壽命穩(wěn)定在了550次之上，保證了高爐正常生產(chǎn)與安全運行。筆者主要對安鋼170 t鐵水罐內(nèi)襯磚、永久層、砌筑質(zhì)量、運行監(jiān)測等過程控制進(jìn)行分析，為今后的此類鐵水罐安全長壽運行提供借鑒。

1 170 t鐵水罐的使用情況

隨著鋼鐵業(yè)的發(fā)展，特大型鋼聯(lián)大多數(shù)使用了大魚雷罐運送鐵水。但是，安鋼這個畝產(chǎn)鋼全國最高的特大型鋼鐵企業(yè)，因占地面積小，煉鋼布局緊湊，不得不采用軸跨距較小，容鐵量較大的大鐵水罐。目前，170 t鐵水罐是我國最大容量的鐵水罐，因此，在2000 m3級高爐投產(chǎn)時選用了該類型的鐵水罐。

在運行初期，170 t鐵水罐主要出現(xiàn)兩大問題。一是罐的使用壽命不長，最短的使用爐齡只有60次～70次，大多數(shù)在300多次，維修工作量十分大。再購買此類鐵水罐，占用資金和維修場地，經(jīng)過測算鐵水罐使用壽命必須穩(wěn)定在550次之上，才能保證使用和維修之間的平衡，避免待修罐積壓、鐵路線上罐周轉(zhuǎn)不暢、正常生產(chǎn)秩序受到影響;二是罐內(nèi)襯磚剝落和裂縫大、永久層容易漏鐵、罐體外表面溫度升高、砌筑質(zhì)量不能滿足工藝要求。因為鐵水罐漏鐵的安全事故時有發(fā)生。

2 出現(xiàn)問題的原因及分析

鐵水罐由鋼板焊成，罐內(nèi)砌筑耐火磚襯，并在磚襯與罐殼之間設(shè)置永久性內(nèi)襯，也稱永久層。永久層作為鐵水罐內(nèi)襯的重要組成部分，主要兼顧隔熱性、保溫和輔助防漏能力。

鐵水罐內(nèi)襯磚的受到侵蝕的原因：①鐵水和渣鐵混合物與內(nèi)襯材料發(fā)生的化學(xué)侵蝕;高溫的鐵水罐在倒掉其中的鐵水返回?zé)掕F高爐過程中，空氣的氧化、侵蝕等。②一些物理現(xiàn)象引起的內(nèi)襯材料的損傷，如與落鐵點接觸部位的機(jī)械磨損，鐵水滲透到磚縫中，發(fā)生龜裂;在溫度變化時引起的材料劣化和崩裂;鐵水和渣鐵冷凝物粘附、損傷。

2.1 內(nèi)襯磚侵蝕快

當(dāng)鐵水罐砌筑完成后，要經(jīng)歷烘烤、使用、維護(hù)和拆除大修四個階段。根據(jù)多年來安鋼本部小鐵水罐運行管理經(jīng)驗，安鋼170 t鐵水罐運行壽命短、維修工作量大和安全隱患多的問題，絕非某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了短板，而是多個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題同時作用的結(jié)果。

內(nèi)襯磚的受到侵蝕初期主要由于發(fā)生剝落引起，剝落的類型有以下幾種：

1)氧化剝落。即含碳內(nèi)襯材料在烘烤和使用過程中抗氧化性不足，使磚體表面的碳被氧化后，造成表面組織結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度下降，同時，間接地劣化磚的抗侵蝕性。

2)結(jié)構(gòu)剝落。即內(nèi)襯材料產(chǎn)生的膨脹或者不穩(wěn)定性，超過了磚體自身的強(qiáng)度，導(dǎo)致磚體開裂、斷裂。

3)化學(xué)剝落。即由于材料自身的組織結(jié)構(gòu)疏松，爐渣和鐵水容易侵蝕到內(nèi)襯材料的內(nèi)部而發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生變質(zhì)層。當(dāng)變質(zhì)層到一定厚度時，就開始剝落。

4)熱剝落。即在經(jīng)常的溫度變化中，形成了巨大的熱應(yīng)力，超過其強(qiáng)度，則導(dǎo)致不規(guī)則剝落。

通過多次跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)，安鋼170 t鐵水罐的剝落，主要發(fā)生在新罐初期使用階段和中期維護(hù)以后的更新使用階段，一次剝落厚度一般為10 mm～20 mm。初期的剝落，表面組織結(jié)構(gòu)疏松，容易用錘頭擊碎而脫落;剝落塊小而多。中期的剝落，表面組織結(jié)構(gòu)有一定的硬度(變質(zhì)層)用錘頭去掉剝落層后，內(nèi)襯材料(母體)組織結(jié)構(gòu)疏松，剝落塊的直徑一般為600 mm～800 mm，連成一片，屬大塊剝落。

在后期，主要是內(nèi)襯材料表面到內(nèi)部會產(chǎn)生深度較大的裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，內(nèi)襯材料會發(fā)生剝落。另一個方面，內(nèi)襯材料在使用過程中，材料表面經(jīng)常會結(jié)有大量渣鐵，并隨著每一次倒空罐后罐內(nèi)溫度的下降，殘余的渣鐵會發(fā)生較大的收縮，此時產(chǎn)生的收縮力也可以導(dǎo)致材料表面被拉裂或者收縮，形成內(nèi)襯材料受到更大的壓力造成開裂，從而導(dǎo)致下一次鐵水沖刷時產(chǎn)生剝落。

對照四種剝落類型，可以認(rèn)為：鐵水罐初期和中期的剝落主要是氧化剝落和化學(xué)剝落，后期出現(xiàn)的剝落主要是熱剝落和結(jié)構(gòu)性剝落，安鋼所用170 t鐵水罐出現(xiàn)的剝落主要發(fā)生在初期和中期。

2.2 砌筑及維修質(zhì)量不高

170 t鐵水罐所使用的耐火材料包括鋁碳化硅磚(ASC磚)粘土磚、低水泥澆注料。該鐵水罐共使用了40余種磚型，磚型搭配較多，砌筑精度要求嚴(yán)格，所以需要較高的砌筑技術(shù)。砌筑主要存在的問題是：

1)以罐口為中心放垂直線時，找不好罐體中心，易砌歪工作襯。

2)砌筑異形磚襯時易出現(xiàn)放射縫。

3)永久層不是一次澆筑而成，而是邊砌筑邊澆注，出現(xiàn)了澆注空洞。

4)受鐵沖擊區(qū)，沒有增加磚襯厚度，受鐵時沖刷、磨損而被損壞。

5)砌筑用泥漿因攪拌不均勻粘結(jié)力不足導(dǎo)致磚縫較大，有的部位超過了5 mm，出現(xiàn)了工作層大裂縫。

6)修補維護(hù)罐底時，未清理干凈渣鐵，未使用與ASC磚同材質(zhì)的不定型耐火材料，未打鉚罐體釉層。

2.3 罐的永久層材質(zhì)差

通過觀察發(fā)現(xiàn)，破損的170 t鐵水罐永久層存在以下問題：

1)拆除永久層時，較為疏松，沒有強(qiáng)度，澆注或搗料時未實。

2)永久層顏色變黑，且不均勻，耐火度差。

3)有裂縫，有渣鐵侵入永久層，抗熱震性差。

4)有大面積修補痕跡，平時大修時未按照規(guī)定進(jìn)行徹底更換永久層材質(zhì)。

3 采取的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化內(nèi)襯材質(zhì)

從國外使用Al2O3-Si-C磚的情況看，不同性能指標(biāo)的ASC磚有不同的使用壽命，為了既可低成本運行，又有安全保障，我們選擇了一種輕燒Al2O3-Si-C磚制品，該制品的理化指標(biāo)見表1［1］。

表1 輕燒Al2O3-Si-C磚理化指標(biāo)

從表1可以看出，該制品的顯氣孔率，體積密度，耐壓強(qiáng)度等物理指標(biāo)與燒成的高爐用制品有一定的差距，但就鐵水罐使用而言，著重考慮了其抗渣性、抗熱震性、穩(wěn)定性和抗機(jī)械沖刷能力。另外，還在磚型尺寸和砌筑過程中加以改進(jìn)。消除了砌筑時放射縫和變磚時大錯臺和砌體中心歪斜等問題。

為了防止工作層磚襯剝落，沖擊區(qū)既采用碳化硅磚，還特地增加了其磚襯厚度。其他區(qū)域采用了普通的ASC磚和普通粘土磚。

3.2 完善永久層設(shè)計

將罐內(nèi)打理干凈，以上罐口和二層罐口為中心，改放線方式為雙放線，放好垂直線，找出罐體中心。以中心線為參考，設(shè)定模具中心，固定好模具，根據(jù)不同部位的使用條件選配澆注料;渣線和罐身部位選用抗侵蝕、耐沖刷具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的高鋁質(zhì)—碳化硅澆注料，罐底部位選用了莫來石質(zhì)澆注料，罐體上部選用了低水泥澆注料。進(jìn)行整體澆注，永久層澆注時，嚴(yán)格控制料與水的混合比。堅持不流淌、不開裂、振動時表面微泛漿為原則。所有澆注作業(yè)結(jié)束后，根據(jù)硬化情況脫模。自然養(yǎng)護(hù)48 h后，開始烘烤。烘烤是嚴(yán)格按照烘烤曲線進(jìn)行。確保前期自由水和中期結(jié)晶水順利烘干、脫出。

3.3 改進(jìn)砌筑工藝

針對在砌筑工藝中存在的諸多問題，技術(shù)人員經(jīng)過對比其他單位，參照熱砌標(biāo)準(zhǔn)，對砌筑工藝實行了如下改進(jìn)：

1)增加預(yù)砌工序，以消除砌筑過程中造成的放射縫、三角縫等不利于長壽的因素。

2)增加受鐵區(qū)磚襯厚度，通過適當(dāng)增加工作層厚度(150 mm～200 mm)，以達(dá)到延長使用壽命的目的。

3)在使用過程中，鐵水罐使用300爐次時和400～450次時分別進(jìn)行一次冷檢修補料。修補料使用與ASC磚同材質(zhì)的不定型耐火材料，修補有效使用爐數(shù)為100次。對下線冷卻好的鐵水罐，用風(fēng)鎬或者鑿子將粘附在工作層的渣鐵清理下來，將磚襯釉層打掉然后用高壓風(fēng)吹清罐內(nèi)殘余粉塵直到罐壁內(nèi)無渣鐵和其他粉塵后，再支模澆注修補。修補層一般為200 mm～220 mm.。

永久層部位的改良效果：采用上罐口和二層罐口為中心，雙放線找中心和澆注過程分區(qū)域選配后，永久層的性能、作用發(fā)生了較大變化，與工作層內(nèi)襯進(jìn)行了有效互補，為170 t鐵水罐安全運行提供了最后的保障。

3.4 加強(qiáng)日常運行監(jiān)測和管理

由于是首次使用170 t鐵水罐，為確保安全生產(chǎn)，充分發(fā)揮170 t鐵水罐運輸鐵水的優(yōu)勢，生產(chǎn)技術(shù)人員結(jié)合本單位生產(chǎn)實際，采取了一系列行之有效的管理措施。

3.4.1 規(guī)范熱態(tài)點檢

鐵水罐上線運行50次以后，要進(jìn)行第一次熱檢，從罐口觀察罐內(nèi)有無襯體剝落、下垂、和磚縫鉆鐵等砌筑質(zhì)量問題。

確認(rèn)無誤后再投入使用。對正常在線運行的鐵水罐要點檢鋼結(jié)構(gòu)部分和罐體耐火材料部分。鋼結(jié)構(gòu)部分包括車架、支座、耳軸、罐軸、罐殼。罐體耐火材料部分包括護(hù)板、罐口澆注料、罐體內(nèi)襯。點檢內(nèi)襯的方法包括：用測溫槍對鐵皮測量，溫度一般在170℃ ～240℃范圍內(nèi)，如超出此溫度范圍，要進(jìn)行重點監(jiān)護(hù)，通過檢查鐵水罐皮重，找出皮重減輕較多的鐵水罐，說明其磚面剝落較嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行重點監(jiān)護(hù)，肉眼觀察鐵水罐內(nèi)襯，如發(fā)現(xiàn)磚縫清晰，錯臺明顯，磚面呈蘑菇狀，說明磚體侵蝕嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行下線，冷態(tài)點檢，實測磚襯厚度。

3.4.2 增加下線點檢

鐵水罐使用到300次時要進(jìn)行一次冷檢，觀察內(nèi)襯磚體是否侵蝕均勻，是否有剝落，并對照原始砌筑尺寸計算其破損程度。使用到400爐次時要進(jìn)行第二次冷檢，要對罐口，球形區(qū)，直段處、沖擊區(qū)進(jìn)行實際尺寸實際測量。測量判斷其使用壽命。一般按照罐體內(nèi)襯侵蝕線來預(yù)測其壽命和安全性，要求鐵水罐下線大修時罐內(nèi)最小殘余內(nèi)襯尺寸不得小于120 mm。大修時一般要組織專業(yè)技術(shù)人員，對鐵水罐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行探傷。

4 使用效果及實踐

170 t鐵水罐采取改進(jìn)措施后，內(nèi)襯材質(zhì)選用了不同的輕燒Al2O3-Si-C磚理化指標(biāo)和增加沖擊區(qū)域的碳化硅磚的厚度，實現(xiàn)了同步侵蝕;砌筑方面，消除了放射縫和澆注空洞，采取清除干凈渣鐵、打鉚磚體釉層，澆注修補料等措施之后，磚縫鉆鐵現(xiàn)象得到了有效控制;通過170 t鐵水罐熱態(tài)點檢、下線點檢，運行監(jiān)控，對應(yīng)維護(hù)，通過記錄等手段，不留死角，發(fā)現(xiàn)小問題，杜絕大事故，為其使用效率的提高提供了有效依據(jù)。

這些措施的有效實施，在生產(chǎn)實踐中，控制了氧化剝落、化學(xué)剝落和機(jī)械剝落，在原設(shè)計不足或設(shè)計冗余量不足的情況下，根據(jù)實際使用的情況，對各方面進(jìn)行綜合改進(jìn)，充分發(fā)揮了170 t鐵水罐運輸鐵水的優(yōu)勢，確保了170 t鐵水罐的安全長壽運行，獲得了良好的效果。2011年170 t鐵水罐平均使用壽命由之前最少的60次～70次提高到了平均550爐次，期間公司未發(fā)生一次由于鐵水罐泄漏導(dǎo)致的生產(chǎn)事故或安全事故。本次運行實踐不僅改良了原設(shè)計，優(yōu)化了原工藝，更取得了具有借鑒意義的成功經(jīng)驗。

5 結(jié)語

170 t鐵水罐的安全、高效運行涉及到工藝、材料、管理等多方面內(nèi)容，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者隱患都將極大的影響鐵水罐的使用壽命，本次實踐對于170 t鐵水罐的安全長壽運行和維護(hù)上有著借鑒意義。在保證安全的前提下，對其再次進(jìn)行改良，追求更高的使用壽命是下一步的工作方向。

［1］ 周傳典，劉萬山，王筱留，等.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：624.