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口 張建良 焦克新 馬富濤 胡小云 蔣海冰 方大特鋼1號1050m3高爐一代爐役壽命在11年以上，單位爐容產(chǎn)鐵量為11996.43t/m3。高爐一代爐役期間無中修，冷卻壁零破損，達到同立方米級高爐長壽指標領(lǐng)先水平。該高爐爐役末期采取鈦礦護爐、優(yōu)化操作、有害元素控制、現(xiàn)場改造等措施進行精心維護，研發(fā)了基于爐殼測溫的高爐爐體長壽維護監(jiān)測系統(tǒng)，對高爐爐缸安全狀況進行實時在線監(jiān)測，保障了高爐安全，延長了高爐壽命。研究者在高爐停爐破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了軟熔帶，軟熔層和焦窗層交替分布，軟熔層和焦窗層厚度分別約100mm。同時，研究者對爐缸侵蝕情況及Ti(C,N)保護層形成情況進行了詳細的測量，結(jié)果表明，實測碳磚最薄部位的碳磚殘余厚度為50mm~150mm，與模型計算值35mm~160mm非常吻合，驗證了模型的準確性。 高爐爐體破損調(diào)查結(jié)果分析 該高爐爐體冷卻系統(tǒng)采用板壁結(jié)合方式，爐身角為83°，爐腹角為79°。高爐爐底采用兩層半石墨碳磚﹢兩層微孔碳磚﹢兩層陶瓷墊結(jié)構(gòu)，爐缸環(huán)碳采用國產(chǎn)大塊微孔碳磚。碳磚熱面設(shè)有陶瓷杯。爐缸側(cè)壁碳磚厚度為850mm，爐缸直徑為8.35m，死鐵層深度為1.7m，死鐵層深度占爐缸直徑的比例為20.4%。 高爐爐體冷卻壁零破損。高爐一代爐役期間順行狀態(tài)一直良好，技術(shù)經(jīng)濟指標不斷改善，原計劃2017年12月份停爐大修，10月下旬高爐爐缸冷卻壁水溫差急劇升高，爐缸熱負荷增加，因而決定緊急停爐，停爐沒有采用降料線方法，直接休風后用水冷卻，休風后的料線為5m。高爐爐內(nèi)狀況保存較為完整，這是國內(nèi)少有的停爐方式。停爐后，研究者從南北兩個鐵口處開窗，將爐料排出。高爐爐體冷卻板和冷卻壁完好無損，冷卻壁和銅冷卻板零破損。 高爐爐體軟熔帶形貌特征。高爐停爐排出爐缸中心死料柱中的物料后，顯露出明顯的軟熔帶。軟熔帶分布于高爐風口帶上沿至爐身下部，高度約3.5m。軟熔帶呈層狀分布，軟熔層和焦窗層交替，厚度均約為100mm，上部的軟熔層中含有明顯的燒結(jié)礦和球團礦，下部的軟熔層中存在大量的渣相。焦窗中焦炭顆粒大小不一，平均粒度為25mm~40mm。 高爐爐缸爐底侵蝕情況。高爐爐缸共有15層大塊碳磚，鐵口中心線以上部分的12層~15層大塊碳磚原始設(shè)計厚度為850mm，停爐后測量殘余厚度為350mm~450mm。鐵口中心線處的10層~11層大塊碳磚殘余厚度約為200mm，侵蝕最為嚴重的區(qū)域為第7層~第8層大塊碳磚，碳磚殘余厚度約為50mm~150mm，爐缸在周向部位侵蝕較為均勻，局部區(qū)域碳磚被全部侵蝕，僅剩下?lián)v打料。爐底部位侵蝕較輕微，爐底陶瓷墊僅侵蝕約1層，殘余的陶瓷墊幾乎完好。 該高爐2015年爐缸侵蝕狀況較為嚴重，所有爐缸電偶全部失效，隨后一直進行了鈦礦護爐，入爐鈦礦15kg/tHM~20kg/tHM。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐缸碳磚熱面形成了大量的Ti(C,N)保護層，呈金黃色，厚度為150mm~300mm，可見護爐取得了良好的效果。 高爐爐役末期維護分析 方大特鋼1號高爐爐役后期，爐缸側(cè)壁熱電偶燒壞嚴重且主控室數(shù)據(jù)均為在線實時監(jiān)測，沒有數(shù)據(jù)的記錄與保存。高爐有害元素負荷較大，堿金屬負荷為5kg/tHM~7kg/tHM，鋅負荷為1.0kg/tHM~1.5kg/tHM。為了盡可能降低有害元素對高爐的影響，研究者分析了有害元素（K、Na、Zn、Pb）在高爐入爐原料、高爐鐵水、爐渣、爐塵以及煤氣中的含量，確定各有害元素的來源比例和主要排出途徑及所占比例，并計算高爐堿金屬和鋅的最大富集量，結(jié)合方大特鋼1號高爐生產(chǎn)實際，建立高爐有害元素負荷上限量化控制模型，提出有害元素入爐控制標準。他們還詳細分析了方大特鋼1號高爐爐役期間的生產(chǎn)情況，結(jié)合1號高爐熱流強度的變化情況，對1號高爐最薄處碳磚殘厚進行了估算。研究者結(jié)合方大特鋼1號高爐的生產(chǎn)情況，提出了原燃料的控制標準，尤其是要保證焦炭的反應后強度和入爐粒度；通過調(diào)研分析高爐炮泥的性能，提出了1號高爐炮泥采購標準；針對1號高爐的具體情況，模擬計算了灌漿壓力、灌漿面積以及灌漿位置對耐火材料應力分布的影響，提出了1號高爐灌漿操作指導建議；針對1號高爐末期的維護操作制度進行調(diào)研后，提出了合適的操作制度建議。 結(jié)合方大特鋼1號高爐生產(chǎn)實際，研究者在現(xiàn)場改造方面，進行了如下調(diào)整：一是將爐身上部以上的水量分到爐缸部位，在保證爐腹爐腰部位水量不減的前提下增加爐缸水量；二是將3臺水泵由兩用一備改為3臺同時使用；三是定期清洗水管；四是從接線頭處檢查熱電偶損壞情況，盡可能多地恢復爐缸熱電偶；五是矯正風量，弄清楚風量和富氧量數(shù)據(jù)的準確性；六是通過降燃料比增加產(chǎn)量，避免通過增加冶煉強度來增加產(chǎn)量；七是每班次準確測量一次爐缸側(cè)壁所有冷卻壁的水流量，并同時測量對應的水溫差，時刻關(guān)注爐缸側(cè)壁水溫差變化趨勢；八是根據(jù)高爐爐缸側(cè)壁冷卻壁水流量及水溫差測量值，計算一次爐缸側(cè)壁冷卻壁熱流強度。 在操作制度方面，研究者進行了如下調(diào)整：一是按照設(shè)計材料和結(jié)構(gòu)，降低利用系數(shù)到2.55t/(m3·d)，日均產(chǎn)量為2700t/d，相應降低冶煉強度15%~20%，減少出鐵次數(shù)并降低出鐵速度；二是鐵口深度增加至2.6m，并改善炮泥質(zhì)量；三是整體加長風口到550mm；四是堵側(cè)壁熱流強度最高處對應位置的1個~2個風口；五是盡可能降低冷卻水進水溫度到25℃~26℃；六是長期穩(wěn)定加鈦礦護爐；七是嚴格控制入爐Zn負荷到0.3kg/t~0.55kg/t；八是嚴格控制鐵水中[S]≤0.04%。 在高爐爐缸護爐方面，研究者進行了如下調(diào)整：一是鐵水中Ti含量至少達到0.12% ~0.2%，保證[Si]≥0.5%且維持穩(wěn)定；二是[Ti]﹢ [Si]≥0.7%；三是鐵水溫度控制在1480℃~1500℃；四是堿度維持在1.15~1.20；五是護爐料盡量從高爐邊緣加入，以保證有效護爐，且護爐不能間斷。 通過采取以上措施，研究者實現(xiàn)了降低方大特鋼1號高爐爐役末期護爐成本、保障高爐安全，延長方大特鋼1號高爐壽命的目的。 高爐爐體長壽維護監(jiān)測系統(tǒng) 在高爐強化冶煉的情況下，爐缸安全隱患凸顯，爐缸一旦出現(xiàn)安全問題，會造成重大損失且嚴重威脅人身安全。方大特鋼1號高爐爐缸側(cè)壁熱電偶全部損壞，現(xiàn)場難以準確判斷高爐爐缸的侵蝕情況及安全狀況。這些問題嚴重影響了方大特鋼1號高爐的安全生產(chǎn)，若征兆爐缸燒穿或者提前大修，會增加方大特鋼煉鐵廠的一代爐齡鐵水成本，造成不必要的經(jīng)濟損失。因此，建立全面高效的全自動化高爐爐體長壽維護監(jiān)測大系統(tǒng)是非常必要的。 這種系統(tǒng)是基于傳熱學、數(shù)值模擬、人工智能算法等理論建立模型，充分考慮爐缸爐底侵蝕、保護層形成機理，利用爐殼測溫、水溫差等檢測數(shù)據(jù)，建立包括保護層、爐襯、填料、冷卻壁體、水冷通道、填充料、爐殼在內(nèi)的完整的能量守恒體系。對于爐缸部位一塊冷卻壁區(qū)域，從爐殼到爐內(nèi)按照實際尺寸進行精細化物理建模，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的正問題（通過熱點偶溫度，計算碳磚殘余厚度；反問題：先假設(shè)碳磚殘余厚度，然后計算熱電偶處的溫度。）溫度場精細化計算，建立爐缸監(jiān)測預警系統(tǒng)，提供不同爐缸剩余厚度下的爐殼溫度預警值，加強安全監(jiān)測效果，并還原整個爐缸爐底區(qū)域的溫度場分布，實現(xiàn)侵蝕、結(jié)厚過程的動態(tài)模擬計算，以直觀的圖像、數(shù)據(jù)、趨勢曲線等形式在線監(jiān)測侵蝕結(jié)厚狀況，幫助高爐操作者及時掌握爐缸內(nèi)的侵蝕狀況，為采取有效護爐措施提供依據(jù)，有效延長高爐使用壽命。 方大特鋼1號高爐爐體長壽維護監(jiān)測大系統(tǒng)包含爐殼溫度在線監(jiān)測報警系統(tǒng)、水溫差熱流在線監(jiān)測系統(tǒng)、爐殼溫度預警值計算模型、基于爐殼測溫的三維侵蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)這4個子系統(tǒng)，通過各子系統(tǒng)之間密切協(xié)作，實現(xiàn)爐缸區(qū)域從內(nèi)到外的全面監(jiān)測和模擬計算，形成多重防護，保障爐缸安全，并最終集成為全自動化高爐爐體長壽維護監(jiān)測大系統(tǒng)。 研究者通過對高爐爐殼溫度監(jiān)測，反算得出冷卻壁熱面碳磚的殘余厚度，結(jié)合水溫差、熱流強度的數(shù)據(jù)，判斷爐缸的安全狀況；根據(jù)現(xiàn)場操作的需求，設(shè)置了報警系統(tǒng)，對高爐安全狀況進行實時在線監(jiān)測。2017年10月下旬，該在線模型持續(xù)報警，爐殼溫度及熱流強度均超出了設(shè)定的安全值，為現(xiàn)場停爐大修提供了有益的參考。研究者在高爐破損調(diào)查過程中，通過對實際碳磚殘余厚度的測定，驗證了模型的計算結(jié)果，實測碳磚最薄部位的碳磚殘余厚度約50mm~150mm，與模型計算值35mm~160mm非常吻合。 |
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