廖海歐

1.引言

自18世紀(jì)以來(lái)，高爐煉鐵一直是煉鐵生產(chǎn)的主要生產(chǎn)方法，由于高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)量大，勞動(dòng)生產(chǎn)率高,能耗低，這種方法生產(chǎn)的鐵仍占世界鐵總產(chǎn)量的95%以上。我國(guó)作為世界上第一鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，目前已經(jīng)擁有4000立方米以上巨型高爐22座。冷卻壁漏水問(wèn)題一直是困擾高爐長(zhǎng)壽的技術(shù)難題。

高爐橫斷面為圓形的煉鐵高爐。爐殼通常采用BB503厚20mm-100mm熱軋鋼板制做而成，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五部分。為了保護(hù)爐殼穩(wěn)定，在爐殼與耐火材料內(nèi)襯之間安裝有冷卻壁，通冷卻水進(jìn)行冷卻，以保護(hù)爐殼的強(qiáng)度和剛度，實(shí)現(xiàn)爐體安全穩(wěn)定；冷卻壁有鑄鐵、鑄鋼、銅等材料做成。

馬鋼第三煉鐵總廠2座4000m3高爐冷卻壁配置為，一層-五層為灰口鑄鐵冷卻壁 HT200；六層風(fēng)口帶為球鐵冷卻壁QT400-20A ；七層-十二層為銅冷卻壁；十三層-十六雙層為冷卻管鑲磚球鐵QT400-20A冷卻壁；十七層-十九層為單管C型灰鐵HT200冷卻壁。冷卻壁與爐殼相互依存，爐殼的剛性強(qiáng)度是靠冷卻強(qiáng)度來(lái)保證的，治理冷卻壁漏水必須系統(tǒng)分析、統(tǒng)籌考慮爐殼的強(qiáng)度和熱應(yīng)力變化，以及熱應(yīng)力變化對(duì)冷卻壁的損傷，實(shí)現(xiàn)兩者交互作用的和諧統(tǒng)一。

高爐生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁生產(chǎn)到中后期，都會(huì)出現(xiàn)破損漏水情況；通常采用控水、停水方法。保當(dāng)期生產(chǎn)的正常進(jìn)行。由于一直沒(méi)有完整的技術(shù)路線，便捷的監(jiān)控手段，科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，交互作用的理念；隨著漏水冷卻壁不斷增多，冷卻壁供水不斷減少，爐殼冷卻強(qiáng)度得不到保證；隨即出現(xiàn)“發(fā)紅”“開(kāi)裂”“起皺”；兩者不匹配的交互作用加劇了冷卻壁和高爐爐殼的破損，安全生產(chǎn)得不到保證，甚至出現(xiàn)“爐殼燒穿”的惡性事故，迫使高爐停產(chǎn)進(jìn)行大、中規(guī)模的檢修。

為了實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定順行、同時(shí)又要保證高爐高作業(yè)率長(zhǎng)壽，治理冷卻壁漏水至關(guān)重要，需要站在系統(tǒng)的高度，系統(tǒng)理解高爐冷卻壁與爐殼的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)掌握冷卻壁破損的基本原理，系統(tǒng)分析爐殼熱應(yīng)力變化對(duì)冷卻壁破損的影響，不斷探索新的技術(shù)路線。

2.治理冷卻壁漏水同時(shí)保爐殼無(wú)損

馬鋼2座4000m3巨型高爐從2007年投產(chǎn)到2015年，自進(jìn)入爐役中后期以來(lái)，冷卻壁破損漏水現(xiàn)象顯著增多，如何有效控制漏水，保證2座高爐的生產(chǎn)穩(wěn)定順行，又要保爐殼無(wú)損實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽，必須探索有效的綜合治理措施，不僅為高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定順行提供保證；還要避免業(yè)內(nèi)同行發(fā)生過(guò)的爐殼“發(fā)紅”“開(kāi)裂”“燒穿”的惡性事故，甚至迫使高爐停爐進(jìn)行大中修更換冷卻壁，修復(fù)爐殼。

馬鋼第三煉鐵總廠結(jié)合2座4000m3高爐的實(shí)踐運(yùn)行狀況，為了確保高爐安全穩(wěn)定順行，保證2座4000m3高爐主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)始終保持高水平；高爐作業(yè)率99%以上、高爐利用系數(shù)2.1以上、燃料比≤520kg/t鐵，制定了監(jiān)控治理高爐冷卻壁3002供水點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可控漏水點(diǎn)≤60個(gè)（2%）的目標(biāo)，保爐殼完好。

馬鋼第三煉鐵總廠成功應(yīng)用紅外成像技術(shù)，監(jiān)控爐殼溫度場(chǎng)的變化，以有效控制爐殼溫度不超標(biāo)，確保爐殼適度的冷卻強(qiáng)度前提下，最大限度的減少冷卻壁漏水；同時(shí)采取“穿管”、安裝冷卻柱等系列在線再造措施。在保證當(dāng)期生產(chǎn)穩(wěn)定順行的前提下，既及時(shí)治理冷卻壁漏水，又保證了高爐爐殼無(wú)損的冷卻強(qiáng)度，保持在安全的溫度下安全運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)高爐爐殼沒(méi)有大的熱應(yīng)力波動(dòng)，不會(huì)因應(yīng)力波動(dòng)而加速冷卻壁破損速度，有效遏制高爐中后期漏水冷卻壁數(shù)量快速增加的趨勢(shì)，保生產(chǎn)穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷卻設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.紅外集成冷卻壁治漏關(guān)鍵技術(shù)

3.1 應(yīng)用紅外成像技術(shù)，監(jiān)控冷卻壁漏水狀態(tài)下的高爐情況

馬鋼第三煉鐵總廠消化國(guó)內(nèi)外同行的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用紅外成像技術(shù)，監(jiān)控各種狀態(tài)下的冷卻壁，探索各種控制冷卻壁供水狀態(tài)下的高爐爐殼溫度，統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算熱流強(qiáng)度、冷卻強(qiáng)度；以控制爐殼溫度為切入點(diǎn)，制定各種狀態(tài)下的溫度標(biāo)準(zhǔn)；保證爐殼的強(qiáng)度、剛性不受到大影響的前提下，實(shí)現(xiàn)爐殼與冷卻壁交互作用的和諧統(tǒng)一，綜合性地治理高爐冷卻壁漏水。

應(yīng)用紅外成像技術(shù)，監(jiān)控各種控制冷卻壁漏水狀態(tài)下的高爐爐殼溫度，統(tǒng)計(jì)分析熱流強(qiáng)度、冷卻強(qiáng)度，從控制爐殼溫度入手，制定各種狀態(tài)下的溫度標(biāo)準(zhǔn)；綜合治理高爐冷卻壁漏水。每座高爐風(fēng)口帶以上冷卻壁共有3002個(gè)供水點(diǎn)。至2017年底統(tǒng)計(jì)與2015年初相比，A高爐發(fā)現(xiàn)破損漏水點(diǎn)67個(gè)，只增加了19個(gè)；B高爐發(fā)現(xiàn)破損漏水點(diǎn)26個(gè)，只增加了7個(gè)。由于堅(jiān)持冷卻壁治漏與保護(hù)爐殼完好協(xié)同完成，在10年多時(shí)間里，高爐冷卻壁破損漏水點(diǎn)增加速度相對(duì)穩(wěn)定，驗(yàn)證了爐殼與冷卻壁交互作用的科學(xué)理念。

3.2 控制爐殼溫度治理冷卻壁漏水完整技術(shù)路線

有效監(jiān)測(cè)每座高爐冷卻壁的3002個(gè)供水點(diǎn)，準(zhǔn)確掌握工作完好情況，及應(yīng)用紅外技術(shù)監(jiān)控漏水冷卻壁處爐殼溫度，保證爐殼溫度控制在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)不超標(biāo)，保高爐保持高作業(yè)率，保生產(chǎn)操作不受影響，不斷探索制定科學(xué)的技術(shù)路線。見(jiàn)表1。

4.創(chuàng)新漏水冷卻壁再造關(guān)鍵技術(shù)

4.1 漏水冷卻壁穿管再造

高爐冷卻壁冷卻水管修復(fù)再造，包括破損冷卻水管以及破損冷卻水管上部的冷卻進(jìn)水端和下部的冷卻出水端；冷卻進(jìn)水端和冷卻出水端外折后通過(guò)外接冷卻管連通，內(nèi)穿有專用金屬軟管，金屬軟管和破損冷卻水管形成的間隙內(nèi)填充高導(dǎo)熱灌漿層；外接冷卻管上部開(kāi)有旁通管。見(jiàn)圖1。

圖1 冷卻壁穿管再造

主要實(shí)施步驟：打壓找漏→破損冷卻水管截?cái)唷c(diǎn)旁通→破損冷卻水管的穿線→破損冷卻水管的穿絲→破損冷卻水管的穿管→外接水源→灌漿等。

表1 控制爐殼溫度綜合治理冷卻壁漏水技術(shù)路線表

4.2 高爐銅冷卻壁冷卻水管再造

高爐銅冷卻壁冷卻水修復(fù)，包括破損冷卻水管以及破損冷卻水管上部的冷卻進(jìn)水端和下部的冷卻出水端；破損冷卻水管的兩端及冷卻進(jìn)水端、冷卻出水端均外折出冷卻壁；所述冷卻進(jìn)水端和冷卻出水端外折后通過(guò)外接冷卻管連通，所述破損冷卻水管內(nèi)穿有金屬軟管，所述金屬軟管外管壁固定有鋼絲層；金屬軟管兩端分別外接進(jìn)水管和出水管。

新發(fā)明的金屬軟管有金屬鋼絲網(wǎng)護(hù)套，提高了金屬軟管的強(qiáng)度、使用壓力和張緊力，減少了二次或重復(fù)穿管，降低了通管成本，也提高了金屬軟管的使用壽命。見(jiàn)圖2。

圖2 銅冷卻壁穿管再造用金屬鋼絲網(wǎng)護(hù)套的軟管

4.3 停供水冷卻壁嵌入新一代冷卻柱再造

當(dāng)冷卻壁4個(gè)供水通道全部損壞，爐局部最高溫度會(huì)迅速達(dá)到80℃左右，冷卻壁壁殘?bào)w開(kāi)始快速磨損，需要及時(shí)安裝新型高強(qiáng)耐磨旋流可更換高爐冷卻柱，使之恢復(fù)冷卻能力，保護(hù)殘存的冷卻壁壁體及周邊的冷卻壁，并在生產(chǎn)中使冷卻壁熱面形成渣皮保護(hù)層，降低爐內(nèi)高溫煤氣流對(duì)冷卻壁的直接熱流沖擊，起到相互支撐、相互保護(hù)、相互作用，穩(wěn)定爐內(nèi)氣流，達(dá)到有效保護(hù)冷卻壁和控制爐殼溫度的目的。見(jiàn)圖3。

新發(fā)明的冷卻柱不但可以保護(hù)受損冷卻壁，還能堵塞氣隙，再造內(nèi)襯，防止侵蝕擴(kuò)散，保護(hù)周邊相鄰的冷卻壁，達(dá)到延緩其它冷卻壁損壞的速度，滿足高爐長(zhǎng)壽目標(biāo)。見(jiàn)圖4。

通過(guò)熱流強(qiáng)度計(jì)算，新型冷卻柱布置在一塊冷卻壁的4個(gè)供水通道，全部關(guān)閉停止供水，只需要安裝7-8個(gè)高強(qiáng)冷卻柱。利用爐殼原來(lái)進(jìn)出水管的4個(gè)孔，要再新開(kāi)3-4個(gè)￠120的孔，不會(huì)造成爐殼應(yīng)力變化，更不會(huì)影響爐殼的強(qiáng)度。

5.馬鋼4000m3高爐實(shí)踐及效果

圖3 冷卻柱嵌入殘留冷卻壁中示意圖

圖4 新一代冷卻柱冷卻強(qiáng)度布置圖

馬鋼第三煉鐵總廠2座4000m3高爐應(yīng)用紅外成像技術(shù)，監(jiān)控各種控制冷卻壁漏水狀態(tài)下的高爐爐殼溫度，統(tǒng)計(jì)分析熱流強(qiáng)度、冷卻強(qiáng)度，從控制爐殼溫度入手，制定各種狀態(tài)下的溫度標(biāo)準(zhǔn)。一年以來(lái)，經(jīng)過(guò)綜合治理高爐冷卻壁漏水，每座高爐有3002個(gè)供水點(diǎn)，據(jù)2017年12月底統(tǒng)計(jì)與2016年底相比，A高爐漏水點(diǎn)僅增加了7個(gè)，B高爐漏水點(diǎn)僅增加了2個(gè),真正實(shí)現(xiàn)了爐殼完好無(wú)損，同時(shí)大大延緩了冷卻壁破損，實(shí)現(xiàn)了冷卻壁漏水的可控目標(biāo)，保證了高爐在高作業(yè)率前提下的穩(wěn)定順行。見(jiàn)表2。

2016年6月12日，A高爐定修13層，42#冷卻壁冷卻棒安裝了8件，測(cè)溫電偶安裝1件。13層42#冷卻壁爐皮溫度從最高點(diǎn)81℃，降為較理想的52℃。到2017年12月底止，僅有2塊冷卻壁安裝了12件新一代“高強(qiáng)耐磨旋流可更換”冷卻柱。

2015年至今三年多以來(lái)，馬鋼第三煉鐵總廠2座大高爐的漏水冷卻壁狀況得到科學(xué)、合理、系統(tǒng)地有效控制，高爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有力提升，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期生產(chǎn)穩(wěn)定1360多天，冷卻壁破損速率大大減緩，漏水冷卻壁再造關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，在線可控漏水點(diǎn)越來(lái)越少，冷卻壁侵蝕控制情況良好。

表2 安裝新型冷卻柱冷卻壁殘留實(shí)際尺寸表mm

6.結(jié)束語(yǔ)

馬鋼第三煉鐵總廠2座4000m3特大型高爐實(shí)踐了高爐冷卻壁與爐殼的設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用冷卻壁破損的基本原理，分析了爐殼熱應(yīng)力變化對(duì)冷卻壁破損的影響，探索了爐殼無(wú)損對(duì)高爐中后期漏水冷卻壁破損趨勢(shì)及影響，集成了成熟的控水、穿管、嵌入冷卻柱等關(guān)鍵技術(shù)，取得了數(shù)項(xiàng)專利，保證了高爐當(dāng)期生產(chǎn)的安全穩(wěn)定順行，為高爐長(zhǎng)壽提供了有力支撐。