高爐爐齡指的是點火到停爐大修的實際運行時間，當出現爐襯侵蝕嚴重等現象時，表明爐役結束。高爐長壽是企業效益的重要組成部分之一，並且對鋼鐵企業的正常生產有重大影響。國內包括鞍鋼在內的鋼鐵企業，近年來在高爐長壽技術方面有了許多改進，但仍有許多工作要做，包括維修技術的改進和長壽操作技術的最佳化等。
基本介紹
- 中文名：高爐爐齡
- 外文名：Blast furnace life
- 概念：點火到停爐大修的實際運行時間
- 爐役結束標誌：爐襯侵蝕嚴重等
- 維護內容：維修技術的改進和長壽操作技術
- 學科：冶金工程
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定義介紹
高爐長壽是企業效益的重要組成部分之一，並且對鋼鐵企業的正常生產有重大影響。國內包括鞍鋼在內的鋼鐵企業，近年來在高爐長壽技術方面有了許多改進，但仍有許多工作要做，包括維修技術的改進和長壽操作技術的最佳化等。
維修技術
由於銅冷卻壁具有導熱性好、抗拉強度高、抗熱震性和抗熱流衝擊性好等優勢，自2000年以來，銅冷卻壁在我國許多高爐得以推廣套用。但近年來，國內先後有多座高爐發生了銅冷卻壁損壞事故，嚴重影響了高爐生產。
1 安裝金屬軟管或雪茄式冷卻器
台灣中鋼和寶鋼成功開發和套用了該技術。台灣中鋼2號和1號高爐分別於2006年1月和2010年6月在爐腹、爐腰和爐身下部區域安裝了銅冷卻壁，又分別於2011年9月和11月出現銅冷卻壁漏水事故。為了保護爐皮，把小型金屬軟管穿入漏水的冷卻壁管道代替原來的冷卻水管道，在金屬軟管外與原冷卻水管道之間的縫隙灌進導熱性好的澆注料以提高冷卻能力。
在選用澆注料時，台灣中鋼通過傳熱分析認為，使用低導熱性(1．5 W/m·℃)的澆注料其冷卻能力不能滿足穩定操作期間的要求；只有使用高導熱性(15 W/m·℃)的澆注料才能滿足高爐穩定操作期間的要求。
在金屬軟管被侵蝕並再次漏水後，休風並把澆注料灌進軟管；為了保護爐皮，從爐皮向里安裝雪茄式冷卻器。
為了達到較好的效果，使用傳熱分析對安裝24個雪茄式冷卻器後爐皮溫度與爐內煤氣溫度之間的關係進行了研究，結果表明，在爐內煤氣溫度400℃情況下，使用導熱係數分別為1．5、10 W/m·℃和15 W/m·℃的澆注料時，爐皮溫度分別為127、107℃和100℃。這意味著，在穩定操作期間，使用24個雪茄式冷卻器處理漏水銅冷卻壁是可行的。但是，在爐內煤氣溫度為1 200℃時，無論使用何種澆注料，爐皮溫度均高於200℃；因此，此種方法只適於爐內煤氣溫度較低的區域，如爐身中部及以上部位，1 200℃及溫度更高的區域不適用。在溫度較高的區域發生冷卻壁破損，最好採用冷卻壁更換技術。
即使非銅質冷卻壁出現漏水或破損，也可採用上述措施。如寶鋼3號高爐上爐役也曾出現冷卻壁(非銅冷卻壁)破損並採用了類似的處理技術。效果良好。寶鋼3號高爐上爐役於1994年9月投產，開爐最初幾年，出現冷卻壁水管破損現象，其中最嚴重的一次是，爐身中下部的S3和S4段冷卻壁水管出現大量破損，其中S3段冷卻壁凸台管破損率達95%，本體管破損率達71% ，針對S3、S4段冷卻壁水管破損日趨嚴重的狀況，寶鋼採取了與台灣中鋼處理漏水銅冷卻壁相似的技術措施，首先在破損的本體管內穿人不鏽鋼軟管，在不鏽鋼軟管被侵蝕並再次漏水後，採用安裝微型冷卻器的措施。在微型冷卻器再次損壞後，整體更換冷卻壁。
2 採用冷卻壁更換技術
新日鐵住金的原住友金屬公司和寶鋼都開發和成功套用了冷卻壁更換技術。1982年開爐的和歌山廠4號高爐，從1986年左右就開始出現冷卻壁破損，住友金屬公司於2002年用111 h更換了102塊冷卻壁，於2006年用93 h更換了78塊冷卻壁 。
寶鋼3號高爐上爐役初期出現冷卻壁損壞，分別於2004年3月(100 h)和2009年5月(93 h)對S3和S4段冷卻壁進行了整體更換作業。冷卻壁更換操作包括以下方面：
(1)休風降料線。
①根據料線高度控制送風量，防止出現管道現象；
② 為保護爐頂設備，選擇合適灑水設備和灑水量；
③降料線操作和休風時間控制。住友金屬在操作設計、計畫制定中，曾採用數學模型進行了模擬研究。
(2)冷卻壁更換作業。
首先，在爐頂開設大入孔和在破損冷卻壁上部一定位置開冷卻壁出入孔，具體孔數根據所計算的爐皮強度來定，寶鋼3號高爐當時根據計算結果開設了4個孔，並在開孔位置鋪設專用環形軌道，再在軌道上布置冷卻壁運輸台車，進行冷卻壁運輸。在高爐爐頂外部平台上沿爐身一圈事先架設20台左右的無走行固定式電動葫蘆，特殊設計的“吊鉤”在高爐休風后通過頂部開孔進入爐內進行吊裝作業。先拆除冷卻壁並吊出。冷卻壁拆除時使用液壓千斤頂，通過焊接在爐皮上的槽鋼反力架把冷卻壁推入爐內。在舊冷卻壁冷卻管保護管上焊上吊耳，在舊冷卻壁被完全推出後從爐頂人孔或者爐皮開孔中吊出。
舊冷卻壁吊出後，對安裝面進行清理，再吊裝新冷卻壁。然後在爐皮與冷卻壁之間的縫隙壓人耐火材料。
(3)完成冷卻壁更換之後，再恢復料線高度，提高送風量。為提高爐內溫度，適當提高焦比。
操作技術
在高爐一代爐役里，爐牆絕大部分時間要靠渣皮來保護，如何形成穩定堅固的渣皮和提高渣皮脫落後的快速恢復能力才是解決高爐長壽的關鍵所在。
高爐一代爐役長短主要取決於爐缸壽命。美鋼聯通過對其17座高爐的多年監測發現，避免爐缸碳磚與渣鐵直接接觸對於延長爐缸壽命是非常重要的，而能夠避免爐缸碳磚與渣鐵直接接觸的有效措施就是促使渣皮形成。只要有渣皮存在，就幾乎不會出現爐缸侵蝕；當渣皮消失時，爐缸侵蝕就會加速。因此延長爐缸壽命關鍵的一點，是促使渣皮形成並能夠避免脫落。美鋼聯與普度大學聯合研究了爐缸渣皮形成的影響因素及提高渣皮形成率的技術措施 。使用傳熱、流體流動力學和計算機模型對渣皮形成進行了研究，模擬的爐缸直徑約為11．28 m，鐵口側耐火磚襯厚約2 438．4 mm，非鐵口側厚約1 193．8 mm。對50種不同情況進行了研究，結果與美鋼聯高爐的操作經驗相一致。設計及操作參數對渣皮形成的影響概括如下：
(1)耐火磚襯厚度：隨耐火磚襯變薄，渣皮形成率增加；無論模擬計算值還是測量值，均具有相似的趨勢。鐵口區較厚的耐火材料與非鐵口區較薄耐火材料相比，渣皮的脫落和耐火材料的侵蝕更易發生。
(2)鐵水流速：靠近爐缸側壁的鐵水流速對爐缸侵蝕起很大作用。隨鐵水流速降低，渣皮形成率增加。而鐵水流速受一些操作變數的影響很大，其中最重要的影響因素是死料柱透氣性、出鐵操作和鐵水生產率。因此，為了使渣皮不脫落，應該採取措施提高死料柱透氣性、改進出鐵操作以及降低生產率。
(3)冷卻水進口溫度：隨冷卻水進口溫度升高，渣皮形成率稍有提高。對於鐵口區耐火磚襯，在冷卻水進口溫度由0℃升高至35℃時，渣皮形成率僅降低5%。冬天冷卻水進口溫度約0℃，夏天冷卻水進口溫度23．89℃ ，未發現渣皮厚度隨冷卻水進口溫度季節性的變化而有明顯的變化。但在夏天的幾個月，冷卻水進口溫度頻繁變化時，能觀察到一些渣皮脫落現象。可以使用密閉循環系統避免水溫的短期波動。
(4)鐵水溫度：隨鐵水溫度升高，渣皮形成率將減小。當鐵水溫度為1 482℃時，渣皮形成率為28%；當鐵水溫度為1 537℃時，將不復有渣皮存在。當鐵水溫度降至1 454℃時，渣皮形成率增加至55%。因此，為了保證爐缸側壁的渣皮存在，必須控制爐缸熱狀態。結合實際經驗得出：在鐵水平均溫度降至1 476—1 490℃範圍時，可以促進鐵口附近渣皮形成。
(5)出渣鐵操作：爐渣比鐵水黏度高，熔融溫度也高，模擬表明這種情況下很容易在爐缸側壁形成渣皮，即在耐火襯較厚的鐵口區，日出鐵量7 257．6 t時，渣形成渣皮率達100% ，而鐵水僅為28% 。表明出鐵操作對於形成渣皮保護層是關鍵的，保持爐缸儘量少的鐵水對渣皮形成是有益的。
(6)鐵水黏度：渣皮形成率隨鐵水黏度升高而增大。通常鐵水黏度為0．007 Pa·s，對耐火襯較厚的鐵口區，渣皮形成率約為28% ；在鐵水黏度為0．02 Pa·S時，渣皮形成率約為43% 。這些結果與實際情況相符。當添加含鈦物料使鐵水鈦含量小於0．07%時無效；在鐵水鈦含量大於0．07%時，TiC和TiN顆粒沉澱導致鐵水黏度升高，渣皮形成率增大；在鐵水鈦含量大於0．2%時鐵水黏度極高，熔融溫度也很高，會發生嚴重的出鐵困難。正常範圍應為0．08% -0．15% ，既可促進渣皮形成又可避免出鐵問題。
總之，操作技術對爐缸內襯侵蝕發展起著關鍵作用，一旦發生侵蝕而導致渣皮脫落，為了恢復渣皮，可採用以下操作原則：
(1)通過降低生產率來減小渣鐵流速，情況嚴重時暫時休風。如果發生局部侵蝕，可以堵塞風口，如果發生較大區域侵蝕，降低噴煤率，使用高CSR和大粒焦炭。
(2)保持操作穩定，避免爐子過熱，維持較低的鐵水溫度(即1 454 ℃)。
(3)出淨渣鐵，使鐵口長度和角度最大，以保持較低渣鐵液位。
(4)通過加入適量的含鈦物料適當提高鐵水黏度。
爐缸壽命技術
1 含鈦物料與煤粉一起噴吹的護爐技術
歐洲高爐通常採用把含鈦物料與煤粉從風口一同噴進高爐的辦法保護爐缸，防止爐缸出現過早侵蝕。這些含鈦物料包括釩鈦礦、鈦鐵礦和人工合成TiO2等。含鈦物料進入高爐內，通過在爐缸生成Ti(C，N)沉澱來護爐。
該方法比常用的把含鈦物料從高爐爐頂加入的辦法具有優勢。因為從爐頂加入具有以下缺點：原料利用率較低、高爐能耗增加；如果爐缸某一部位出現熱點，使用該法要等待一段時間後才起作用；如果增加含鈦物料入爐量，會增加爐渣黏度、影響鐵水質量。而風口噴吹法則原料利用率高、熱點修復快，而且對高爐操作影響小。
2 通過控制爐渣成分延長高爐爐缸壽命的技術
韓國浦項科技大學研究了通過控制爐渣成分延長爐缸壽命的可行性。目前國內外一些鋼鐵企業通過添加含TiO 2物料在爐缸形成碳化鈦沉積來保護爐缸耐火襯，以達到延長爐缸壽命的目的。
但是，因為碳化鈦只在鐵水中形成，所以在爐缸中形成保護層的區域很有限。如果同時在鐵水和爐渣中形成高熔點化合物沉積下來，則能夠更有效地防止爐缸耐火襯磨損；但是改變爐渣成分和在爐渣中形成高熔點化合物會影響爐渣黏度，進而影響爐渣流動性，可能導致嚴重的操作問題。浦項科技大學基於這種想法研究了新的爐缸耐火襯保護技術，希望既可促進爐渣中形成高熔點化合物，同時又保證爐渣良好流動性。
選擇的添加物為TiO2，研究了在高爐渣中添加TiO2 對爐渣性質的影響，根據研究結果選擇最佳爐渣成分，在這種成分下既可形成高熔點化合物尖晶石，又保證爐渣具有良好的流動性。實驗研究了添加TiO2 對爐渣黏度和臨界溫度以及形成高熔點化合物尖晶石的影響。
總結
高爐長壽是一項系統工程，除了提高設計和建設水平外，還應該開發最佳化維護技術、長壽操作技術、檢測技術。在企業長期積累基礎上，不斷改進，形成自己系統且有效的技術，才能有效實現長壽目的。尤其是目前情況下，高爐冶煉強度較高，企業為降低成本採用多種爐料，來料波動幾率增加，高爐要實現穩定操作非常不易，使高爐內襯和冷卻系統經受頻繁熱負荷波動，更應該開發有利於長壽的操作技術、監測技術和維護技術。
