瑞爾論文
高爐鐵口區域安全與壽命的主要對策
高爐，鐵口，炮泥，長壽，安全何汝生（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘 要：鐵口異常影響高爐的爐役壽命，甚至導致安全事故。在鐵口區具有合理的工藝結構、優質耐材等基礎上，漏鐵和斷鐵口、異常噴濺、鐵口過淺等鐵口異常現象可通過采用操作性能和使用性能良好的優質炮泥、改進爐前操作、特種炮泥治理等技術和操作對策予以克服。
高爐鐵口作為渣鐵排放的通道，要承受冶煉生產中諸多型式、性質的破壞，并須始終保持為正常的工作狀態。鐵口異常時，不但不能實現正常的冶煉生產，還將影響到鐵口附近的耐材等的使用壽命，長期、嚴重的鐵口異常必將影響高爐壽命、甚至導致意外事故。多座、多級別高爐在近年發生的爐壽異常、爐缸意外事故中，不乏事故點位于鐵口區域的實例。可見，隨高爐冶煉效率的提高等，通過適宜的技術、操作對策使鐵口區域始終處于正常狀態是關系高爐安全生產、長壽的關鍵。
與爐缸其它部位比較，鐵口區域耐火材料內襯面臨的破壞因素更多、危害程度更大，主要有：①渣鐵排放過程中的劇烈的機械沖刷，②爐渣、堿金屬和Zn等的化學侵蝕，③Pb等重金屬的滲透破壞，④開口、堵口作業的附加影響，⑤高溫、熱沖擊、氧化破壞等。這些因素中，機械沖刷、化學侵蝕、熱沖擊的程度遠惡劣于爐缸其它部位，因而也是鐵口異常、鐵口區域內襯被破壞的主要因素。
高爐煉鐵實踐證明：僅鐵口區的耐火材料磚襯是不能充分抵御這些破壞而滿足高爐長壽需求的，需要性能適宜的優質炮泥和良好的爐前操作。盡管如此，包括鐵口區域耐火材料在內的合理的鐵口區工藝裝置仍然是必須的，它們是維護好鐵口，實現安全、長壽不可或缺的基礎。
漏鐵和斷鐵口、異常噴濺、鐵口過淺等均屬于鐵口異常。鐵口出現漏鐵和斷鐵口時，應通過提高炮泥的操作和使用性能、改進爐前操作等解決。鐵口出現的異常噴濺，能夠通過提高炮泥的使用性能、改進爐前操作、特種炮泥等措施予以治理。鐵口過淺常是因為使用了性能不適宜的炮泥、爐前操作不合理所導致，因而也需要從炮泥和爐前操作兩個方面予以提高、改進。
1 合理的鐵口區工藝配置
鐵口區工藝配置包括鐵口框、冷卻設備和耐火襯體等。它們雖然僅是鐵口區安全、長壽的基礎，但其合理性緊密關系著鐵口深度、噴濺、泥包保持等，需針對鐵口區固有特點和安全、長壽需求，采用合理的結構。
1.1 鐵口冷卻
良好的冷卻是保證高爐內襯保持正常功能所必須的。對于爐缸鐵口區，鑒于磚襯厚度較大和存在復雜、劇烈的物理、化學侵蝕，合理的冷卻顯得更加重要。長期以來，鐵口區一直選擇灰鑄鐵光面冷卻壁作為鐵口冷卻器，寶鋼高爐曾在鐵口磚襯中插入過鑄銅冷卻板。隨著純銅冷卻壁技術的發展，近年新建的大型和超大型高爐多數在鐵口區域選用了銅冷卻壁、軟水/純水密閉循環冷卻。銅冷卻壁具有很高的導熱率，極為適用于具有高熱負荷、熱波動特征的鐵口區域。按照制造方式的不同，銅冷卻壁有鑄造和銅板加工兩種型式。圍繞鐵口的銅冷卻壁多為異形，其內的冷卻水道也常需非規則布置，銅板加工冷卻壁需多處施焊才能適應這些工藝需求，而純銅具有焊接性不好的特點，易出現焊接缺陷，所以鐵口采用優質鑄銅冷卻壁為宜。在冷卻介質方面，以采用軟水/純水、40~50mm冷卻通道、水流速≥2m/s、水溫升≤0.5℃等為宜。
填充在鐵口冷卻壁與炭磚之間的填料的導熱率、密實度、加熱線變化率、結合強度對發揮冷卻壁的冷卻能力、避免氣隙、防止鐵口噴濺具有重要作用。傳統的普通碳素搗打料存在上述性能方面的技術缺陷，難以滿足使用要求。應將施工方便的、具有~14w/m.k的常溫導熱率、無加熱線收縮、冷態固結等技術特性的新型填充料用于冷卻壁與炭磚間隙的填充，例如RL75H/SF導熱型自流澆注料。
1.2 鐵口框及鐵口框內襯
目前的鐵口框主要有冷面帶擋圈的鑄鋼鐵口框和冷面全敞開的鋼板焊接鐵口框兩種型式。鑄鋼鐵口框中的冷面擋圈可支撐鐵口組合磚，防止鐵口組合磚在爐內壓力作用下的外移，但擋圈與鐵口框內襯之間的結合面難于形成良好結合，只能依靠泥漿填充二者的間隙，影響鐵口密閉性。焊接鐵口框具有內襯制作方便等特點，但防止鐵口組合磚外移的能力不足。從鐵口框內襯制作與施工、保證鐵口框密閉性等出發，冷面全敞開的鋼板焊接鐵口框較好，并應在鐵口框與爐殼、磚襯的結合部設置防止磚襯受爐內壓力影響而外移的構件。
位于鐵口組合磚冷側的鐵口框內襯與鐵口組合磚和鐵口框結構之間應結合密實，并在泥炮和開口機的操作影響下保持整體的穩定性、密閉性，具有較好的抗高溫和溫度波動、渣鐵侵蝕的能力。為此，建議采用剛玉澆注料、剛玉質大塊制品共同構成鐵口框內襯或者采用剛玉澆注料整體澆注。
1.3 鐵口區域耐材內襯
要滿足高爐安全生產、高產、長壽的需求，無疑應選擇適合鐵口區域工作環境的耐材品種和內襯結構。
超微孔炭磚具有良好的導熱率、抗鐵水侵蝕、抗渣堿侵蝕、強度高等優良性能，是鐵口區碳質耐材的首選材料。由于Al2O3-SiO2系耐材與碳材具有不同的膨脹性，砌筑在鐵口區域時不能與周圍的炭磚形成嚴密結構，因此不宜采用Al2O3-SiO2耐材制作鐵口組合磚。位于碳材熱面的“陶瓷杯”耐材隔離了侵蝕介質和炭磚，對炭磚具有明顯的保護作用等。在碳質鐵口組合磚熱面設置“陶瓷杯”耐材時，同樣可為保持鐵口的正常工作狀態奠下好的基礎。由于這些“陶瓷杯”耐材主要受到鐵水的沖刷、溶蝕等，宜選擇剛玉類材料。采用剛玉質材料時，它與現代高爐用Al2O3-SiC-C質無水炮泥具有較好的結合性，有利于在鐵口區域形成穩定的炮泥保護層。
為獲得穩定、嚴密的鐵口區域內襯，鐵口區炭磚應為組合式結構，其冷面應伸入鐵口框100~150mm，避免炭磚與鐵口框內襯的接縫貫通于炭磚與冷卻壁之間的接縫。同時，應在炭磚的冷端部位設置擋圈頂緊炭磚，避免鐵口區內襯在爐內壓力作用下的外移。碳素膠泥含有大量揮發物，且砌筑磚縫較大，為獲得嚴密的鐵口區域砌體，碳質鐵口組合磚采用磚縫不大于0.5mm的干砌。
鐵口區炭磚熱面的“陶瓷杯”除自身應具有穩定、嚴密的結構特性之外，還應保持與炭磚之間的嚴密。在小塊耐火磚頂緊炭磚砌筑時的三角縫或者脫開砌筑時的~10mm間隙中填充泥漿時，難于獲得“陶瓷”質材料與碳質材料之間的嚴密結合。為此，“陶瓷”質材料與碳材之間采用40~60mm間隙，填充抗侵蝕性較好、易于施工的剛玉質澆注料的結構為宜。
高爐建設中，常見加大鐵口區及爐缸根部炭磚厚度的現象，其目的是希望通過加大的磚襯厚度延長內襯使用時間、保持較大的鐵口深度。從磚襯承受著渣鐵沖刷的侵蝕機理、鐵口深度與磚襯厚度的關聯性看，加大磚襯厚度是需要的，但應控制在合適的程度。過度加厚鐵口區、爐缸根部磚襯時，加厚磚襯將明顯地鼓凸于爐缸內，它們與周邊磚襯之間的厚度差將導致劇烈的鐵水渦旋而加劇磚襯的沖刷破損。同時，局部明顯鼓凸于爐缸內的炭磚也影響熱面陶瓷杯的整體穩定性。結合高爐生產實際，綜合考慮鐵口深度、磚襯的侵蝕平衡和安全厚度等因素時，鐵口及以下側壁炭磚的厚度以1100~1200mm、且熱面為平滑圓周為宜。
綜合上述，推薦圖1所示的大中型高爐鐵口及以下區域側壁的工藝配置。
2 炮泥與鐵口維護
高爐生產中出現的泥包漏鐵、斷鐵口、鐵口過淺、異常噴濺等均屬于鐵口異常，它們會導致難開口、增加爐前消耗和勞動強度、惡化爐前環境、降低正點出鐵率和鐵口合格率等，嚴重時甚至導致爐況惡化、燒壞鐵口冷卻器等。導致鐵口異常的原因很多，包括炮泥品質、泥套、爐前操作、爐前機械、爐況等。鑒于鐵口機械、爐況以及其它鐵口事故等非本文說明內容，不贅述。
2.1 泥包漏鐵和斷鐵口
泥包漏鐵是指鐵口前端的泥包中存在裂紋或大的裂縫，熔融渣鐵滲入泥包。連續、嚴重的泥包漏鐵易導致鐵口孔道中出現有“鐵隔”的斷鐵口現象。泥包漏鐵時，常導致難開口、燒壞鉆頭等，不得不采取更換鉆桿、多次鉆進、燒氧開口等措施打開鐵口，損壞鐵口孔道甚至泥包，出現出鐵時間短、鐵口噴濺、鐵口淺等。出現斷鐵口時，常需采用更加激烈的操作手段來打開鐵口。這些鐵口異常均會影響鐵口區域的安全和壽命。
炮泥性能不佳和不適當的操作是導致泥包漏鐵、斷鐵口的主要原因。在炮泥性能方面，應考慮改善炮泥的高溫性能、控制揮發分在適當水平、改善炮泥的致密性和粘結性等。爐前操作中應堅持渣鐵出凈、空噴后全風堵口，采取適當的打泥壓力和速度等。
2.2 鐵口過淺
適宜的鐵口深度是保證鐵口區域安全、壽命的重要內容之一。鐵口過淺會導致出鐵時的異常噴濺、出鐵時間過短等，甚至導致堵不上鐵口、跑大流、燒壞鐵口冷卻器等鐵口事故。適宜的鐵口深度與鐵口構造、高爐容積等有關。一般情況下，鐵口的正常深度為稍大于鐵口區爐襯的厚度。表1為不同爐容的高爐要求的鐵口正常深度范圍[1]。
表1 高爐的正常鐵口深度
爐容/m3 | ≤350 | 500~1000 | ＞1000~2000 | ＞2000~4000 | ＞4000 |
鐵口深度/m | 0.7~1.5 | 1.5~2.0 | 2.0~2.5 | 2.5~3.2 | 3.0~3.5 |
鐵口過淺常常是炮泥性能低劣、操作失當等造成。此時，應采用具有良好抗沖刷、抗侵蝕性和作業性好的優質炮泥，以降低泥包的侵蝕速率、逐漸修補好泥包、恢復到正常的鐵口深度。生產操作中，應采取出凈渣鐵、空噴后全風堵口，根據鐵量負荷選擇適宜的打泥量。當鐵口已經出現過淺時，應逐漸加大打泥量來逐漸增加鐵口深度，需要時可加長鐵口上方的風口長度、減小風口直徑，或者堵掉鐵口上方的風口。
鐵口過淺是冶煉生產中必須克服的鐵口異常。同時，冶煉生產中還應避免采用過大的鐵口深度，而采用“扁平狀”凸出爐缸側壁400~500mm、并與爐墻緊密貼合的泥包[2]。鐵口深度過大時，泥包常常是“孤立”地伸入在鐵水中，生產中極易出現破損、斷裂，導致滲鐵、難開口、噴濺等。采用優質炮泥，通過適宜的打泥量、出凈渣鐵等操作，方能獲得合理的泥包形狀與鐵口深度。
2.3 異常噴濺
出鐵初期的10min左右時間內，鐵口存在較小程度的噴濺屬于正常現象。但時間很長、程度過大的則屬于鐵口的異常噴濺。異常噴濺嚴重污染爐前作業環境，在鐵水主溝兩側堆積大量噴濺物，極大地增加爐前勞動強度，長期的異常噴濺會導致出不凈渣鐵、影響爐況順行與產量甚至導致難堵口等。
導致鐵口異常噴濺的原因較多，主要有：炮泥燒結性和結合強度較低、鐵口孔道粗糙、鐵口過淺、鐵口磚襯存在縫隙和串風等。鐵口和上方冷卻器及風口漏水、爐內氣流不穩等也會導致鐵口噴濺。出現鐵口異常噴濺時，需要根據不同的主要原因采取對應的措施予以避免。
鐵口部位存在縫隙時，冒出的煤氣會影響渣鐵流的正常流動狀態而導致噴濺。要消除此種原因導致的噴濺，除在高爐建設、大修時即采用合理的鐵口工藝配置外，生產中，可采用鐵口區域灌漿、特種炮泥等堵塞縫隙的措施增加鐵口區域密閉性。RL801特種炮泥系鐵口縫隙噴濺專用治理炮泥，泥炮將此炮泥壓入鐵口后可堵塞鐵口孔道周圍存在的裂縫和裂紋、提高鐵口密閉性，消除鐵口的異常噴濺，在多座大型高爐應用均取得明顯治理效果。資料報道，通過鐵口孔道、泥炮直接對鐵口孔道進行灌漿，也在治理因鐵口磚襯裂縫冒煤氣引起的異常噴濺方面取得良好效果[3]。
因炮泥性能的適應性缺陷導致鐵口異常噴濺，需要改善炮泥的燒結性能、燒結強度、作業性能等。依據對象高爐的實際需求，通過炮泥顆粒級配、結合劑性能與加入量等的調整，提高炮泥的燒結速度和強度、與爐前機械的適應性等避免鐵口的異常噴濺。因鐵口過淺導致異常噴濺時，可通過消除鐵口過淺的和炮泥品質和操作手段予以治理。生產中，若發現鐵口和上方冷卻器、風口設備漏水時，應及時修理、更換漏水設備。
因炮泥強度過高，出現難開口而反復鉆進、燒氧開口也會導致鐵口噴濺。生產中，應使用燒結強度、可塑性適宜的炮泥以避免強度過高導致的難開口、不能用合適的打泥壓力完成堵口。
3 鐵口泥套
鐵口泥套是保證堵口不跑泥、獲得正常打泥壓力與鐵口孔道內炮泥致密的關鍵環節。鐵口泥套出現破損時，將導致堵口跑泥，即使增加打泥量也難以獲得足夠的鐵口深度。跑泥還造成堵口背壓降低、孔道內炮泥疏松，出現出鐵噴濺。泥套出現嚴重破損、跑泥時，甚至導致鐵口堵不上事故等。因此，高爐生產中需要從泥套料技術品質和日常維護兩個方面保證鐵口泥套的工作特性。
現代大型高爐一般采用Al2O3-SiC-C材質的澆注型泥套料，需要具有良好的燒結性能、成型能力和新舊料結合好、組織致密等，使用中能保持體積穩定、抵抗渣鐵沖刷和氧化破壞。
生產中，應勤檢、勤修鐵口泥套，堵口前清理粘結在泥套表面的凝渣，及時修補或重新制作新泥套。
4 結語
鐵口區域是高爐爐缸中工作環境最為惡劣、安全性和壽命要求最高的重要部位。強化冷卻、優質碳材和剛玉質耐材以及合理結構的鐵口框等構成的鐵口區工藝配置是鐵口區域適應安全、高產、長壽要求、避免鐵口異常的技術基礎。
炮泥（含鐵口泥套）、爐前作業是關乎鐵口異常的重要因素。因炮泥品質原因導致的泥包漏鐵/斷鐵口、鐵口過淺、異常噴濺等鐵口異常，可通過改善炮泥的燒結性、高溫性能、抗沖刷和侵蝕性能等予以克服。同時，合適的爐前作業是消除鐵口異常必須的對策措施，包括：出凈渣鐵、空噴后全風堵口、適宜的打泥量、維護好鐵口泥套等。
5 參考文獻
[1]周傳典主編. 高爐煉鐵生產技術手冊[M]. 冶金工業出版社. 2002：585.
[2]徐瑞圖. 關于高爐爐前操作和炮泥使用的幾點認識[J], 河北冶金. 2011. 184（4）：17.
[3]劉永輝 呂春泉 王永春. 南鋼2550m3高爐鐵口維護技術進步[J], 煉鐵. 2012. 31（5）：43.
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