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國內外高爐爐缸燒出事故案例及分析
【摘要】：
1 概述
高爐爐缸爐底安全狀態直接關系到一代爐役的終結與否。因此，在設計、監測、操作和維護方面，廣大的煉鐵技術人員和管理人員對高爐爐缸安全非常重視。自2015年年底以來，伴隨著高爐經濟料的使用、受市場催動高爐產能的不斷提升、高爐操作及監測手段相對落后的情況下，國內高爐出現爐缸爐底燒出的情況。尤其是2016年以來，隨著產能的不斷擴大，市場形式影響下高爐檢修等維護日期的不斷延后，對高爐爐缸的安全造成很大的威脅。
高爐爐缸由外至內通常包括爐皮、搗料層、冷卻壁、搗實層、碳磚、陶瓷杯、黏土磚等，其中，黏土磚在高爐開爐后2個月內脫落。高爐正常生產時爐缸鐵水與爐墻陶瓷杯或碳磚之間生成一層爐渣、鐵水、碳磚、含鈦難融物組成的保護層，這就是我們所說的“高爐爐缸自保護層”。
高爐爐缸結構簡圖
以下針對國內外典型高爐爐缸燒出案例進行統計，并對燒出原因、修復和維護等方面進行詳細的說明，為國內外高爐的長壽提供技術和數據參考。
表國內部分高爐爐缸燒出統計
2 鞍鋼新3＃高爐爐缸燒穿事故分析
2.1 高爐參數
新3號高爐設計參數
2.2 高爐燒出經過
2008年8月25日20：30左右，新3高爐處于正常生產狀態，爐內各操作參數全部正常，爐前2＃鐵口執行出鐵作業末期，突然在4＃鐵口爐臺下方爐缸區域出現異常響聲并伴有火光，高爐值班工長立即組織現場人員撤離并迅速減風到零（休風），同時通知火警及上報事故。
20余輛消防車輛于報警后陸續到達，對現場起火區域滅火，由于現場火勢較大，于次日5：40分左右才將現場明火撲滅。
事后確認：4＃鐵口下方爐缸燒穿，大量渣鐵和炙熱的爐料（焦炭、礦石）噴出，現場燒損嚴重（新3高爐本體電纜、煤粉噴吹總線電纜、新2高爐電源電纜、計量儀表電纜、出鐵場天棚、4＃爐前炮、開口機、東場及北場爐前吊車、爐前休息室、電梯等燒損。）
燒出現場
2.3 事故處理
現場積料清理（25/8-20：30—28/8-7：00，總計58.5h）
利用挖掘工具和人力，將燒穿區域大量渣鐵、爐料清理干凈，露出燒穿部位，交付設備檢修人員處理。
燒損部位清理（28/8-7：00—30/8-16：00，總計57h）
割除燒穿區域燒損的5塊冷卻壁，并清理燒穿部位的殘渣、爐料，摳除部分燒損炭磚，露出砌筑接口。
燒損部位砌筑（30/8-16：00—02/9-15：00，總計71h）
利用工程剩余的UCAR炭磚重新砌筑，部分炭磚需要現場加工外型，縫隙采用炭質泥漿?？傆嬈鲋?1層，449塊炭磚。
燒損部位冷卻壁安裝、試水（2/9-15：00－6/9-15：00，總計96h）
按圖紙重新制作5塊鑄鐵冷卻壁，焊接安裝，外聯水管焊接，試壓，通水。
高爐裝料及送風前準備（6/9-15：00—7/9-4：00，總計13h）
2.4 原因總結
（1）爐缸冷卻強度不夠。
設計爐缸冷卻循環水量1248m3/h，由于水量少，導致冷卻強度偏低，不能將熱量及時傳遞出去，造成內部炭磚出現異常侵蝕。此時二段水溫差經常在1.5℃左右，對應的熱流強度在24KW/m2，按照鞍鋼院的設計思路，老區新建2580高爐（7、新4、新5）爐缸冷卻水量都大于3700m3/h。另一方面，環炭設計成高導熱的UCAR炭磚，更加顯現冷卻水量不足，爐內傳遞出來的大量熱量無法排走的弊端
（2）爐缸部位相應溫度檢測點檢測設置偏少，操作人員無法判斷異常侵蝕情況。
爐缸6層冷卻壁未設計水溫差檢測裝置，導致局部熱流強度過大時，高爐操作人員無法掌握。爐缸環炭區域只設計了7層環炭溫度檢測，尤其在二段部位，只在四個方向安裝了8點溫度檢測，且都不在侵蝕最嚴重的鐵口下方，導致無法掌握該部位的侵蝕情況，導致炭磚侵蝕殆盡并最終燒穿。
（3）爐缸耐材設計成陶瓷杯＋UCAR小塊環炭的形式不合理。
高爐爐缸陶瓷杯耐火材料具有較高的強度與抗渣鐵侵蝕性能，導熱性較差，有較大的膨脹系數，在爐缸起的作用是保熱。而小塊碳磚導熱性非常好，主要是通過冷卻系統的熱量傳遞，在表面形成1150℃的鐵水凝固線來保護小塊碳磚，由于很難精確地考慮到陶瓷杯砌體膨脹量與陶瓷杯破損時間，就有可能在高爐開爐不久產生的膨脹力使陶瓷杯砌體迅速損壞或對小塊碳磚產生擠壓性破壞；小塊碳磚施工要求留有適當磚縫，其中的漿料炭質焦泥的固結溫度大于400℃，因陶瓷杯砌體的存在，開爐后不能很好的進行加熱固化，呈流態，當陶瓷杯破裂后，鐵水容易進入磚縫，甚至出現漂移。
2.5 預防及改進
增加爐缸部位冷卻強度
由于設計冷卻強度低，為維護爐缸安全，千方百計提高爐缸冷卻強度。（1）原設計閉路水泵工作2用2備，先期改為3用1備，爐缸冷卻水量由1200m3/h增加到1500m3/h。
（2）在線生產期間對閉路水泵、爐缸供水管線增容改造。水泵流量由2700m3/h增容到3200m3/h，并新增2條爐缸供水管線，使爐缸冷卻水量增加到2900-3000m3/h左右。
（3）對鐵口下方熱流強度較高的冷卻壁預留高壓工業水支管（1.6MPa）。
（4）鐵口區域下方爐皮噴淋水冷卻。
利用檢修機會壓漿
由于砌筑或生產過程中的熱膨脹現象，會在爐皮與冷卻壁間以及冷卻壁與爐缸炭磚之間產生氣塞，尤其在冷卻壁與炭磚之間的氣塞，會嚴重降低冷卻效率，致使炭磚熱面外擴，熔蝕加快。換角度說：只有消除氣塞，冷卻系統才會發生作用，將熱量傳遞出來，利于爐缸內形成渣鐵保護層，促進爐缸的安全長壽。
利用檢修停爐機會，在爐缸區域冷卻壁之間爐皮開孔（￠15-20mm，孔深到達炭磚面），用壓漿機將炭質泥漿壓入。
原則：1、壓漿機壓力應控制小于2.0MPa，否則容易造成炭磚內移或冷卻壁變形破損。2、開孔不宜過密集，
否則易造成爐皮強度下降。3、舊孔在下一次檢修過程中可重復利用
采用釩鈦礦護爐
采用釩鈦礦護爐主要是生成高熔點的Ti-C和TiN，沉積在爐缸區域，進而保護炭磚，減少侵蝕。鞍鋼主要采用
天然釩鈦礦、釩鈦球團、冷固結釩鈦球團三種原料，具體使用視資源和價格因素綜合考慮。
加強檢測
加強對爐缸炭磚溫度、爐缸各部位水溫差的檢測，給操作者提供更多的基礎數據，對及時采取應對措施，避
免各種爐缸事故的發生無疑是必要也是必須的。
原則：1、采用一點雙支電偶，以便檢測炭磚侵蝕情況。2、鉆孔深度進入炭磚150mm，兩點電偶深度分別為50mm和150mm。3、鐵口區域尤其鐵口下方侵蝕嚴重的地方是安裝的重點部位。（新3高爐共計新增電偶檢測68支，136點）
對新三高爐進行超聲波-回波監測，是采用應力波無損檢測方法監測爐況
沿3號高爐周向布置20條線檢測線每條檢測線設定多達14個檢測點。
說明：檢測由加拿大HATCHGON公司進行，國內目前上海大學于要偉教授采用電動勢測量任由較高的精確度。
制定合理的事故控制預案
3 沙鋼1#2500m3高爐爐缸
2.1 基本情況
1.Vu=2500m3；購自德國蒂森克虜伯的二手設備，2004年3月16日投產。
2.爐缸直徑10.9m；爐喉直徑8.3m；爐缸高度4.42m；死鐵層高度2.203m；爐缸容積412.4m3。
3.2個出鐵口（東、西）；28個風口。
4.全爐13層冷卻壁。1層（40）和2、3層（38）低鉻鑄鐵、光面；風口帶球墨鑄鐵、光面；5~8層銅壁；9~12層球墨鑲磚；13層球墨倒扣、光面。爐底水冷。
5.爐襯。
（1）爐底立砌2層國產炭磚，每層600mm；下層半石墨，上層石墨；第三層平砌一層日本產微孔炭磚，400mm；再上為法國陶瓷墊，兩層各400mm；
（2）爐缸環砌11層炭磚。1~4層超微孔炭磚（日本）；5~9為日本產微孔炭磚；11~12層為國產炭磚；
（3）鐵口區為日本超微孔組合炭磚；
（4）炭磚與冷卻壁間為碳素搗料，60mm；
（5）風口區采用剛玉莫來石大塊組合磚；
（6）爐缸內襯陶瓷杯。
6.冷卻系統采用軟水密閉循環。
7.燒穿處炭磚原厚度為1104mm，搗料厚度60mm。
8.爐缸熱電偶大部分已損壞。
2.2 事故說明
2010年8月20日晚20：08，沙鋼1#2500m3高爐爐缸燒穿。燒穿位置在19#風口正下方（西鐵口正上方是15#風口），與西鐵口夾角51.43°；水平位置距鐵口中心線1.6m；1和2層冷卻壁之間。最終燒壞的冷卻壁有1層25#、26#，2層23#、24#、25#。破損孔洞呈橢圓形，橫向約700mm，縱向約500mm。燒穿后當即休風。從爐內流出渣鐵約350t，并噴出焦炭。噴出物在爐臺引起大火，燒壞電纜等設備，幸無人員受傷。燒穿前，東鐵口于20：06打開，流鐵約100t。燒穿時，正常料線，休風后料線約8m，向燒穿方向傾斜。
2.3 爐缸解剖情況
縱剖示意圖
鐵口位置示意圖
2.4 燒穿原因
遠因分析
1#高爐設計壽命15年，實際使用6年5個月。壽命較短的原因：
（1）1#高爐是沙鋼第1座大型高爐，投產初期缺乏經驗，爐況不順，事故頻繁，經常用錳礦洗爐。加上煉鋼事故多發，高爐頻繁休風，04、05年休風率高達5~9%；
（2）04、05、08年由于操作制度不佳，焦炭質量低下等原因，風口大量破損。05年3月最嚴重時，一個班壞風口14個；08年因焦炭質量下降，3座高爐共壞風口400多個。大量水流入爐缸，對炭磚的破壞作用嚴重；
（3）長期Zn負荷高。08年前（含08年），片面理解循環經濟，Zn負荷2~2.5kg/t，改善后仍達到1.3kg/t左右，爐襯上漲，中缸嚴重上翹，對炭磚壽命極不利；堿負荷偏高；
（4）鐵口少。國內外很少2500m3等級高爐只有2個鐵口。每個鐵口流鐵量較3個鐵口增加50%（生產期間共出鐵26404次，每個鐵口13202次），增加了鐵口周圍爐襯的侵蝕速度；
（5）較多時間焦炭質量不佳，爐缸中心焦柱透液性低，加劇鐵水環流對爐襯炭磚的侵蝕；
（6）鐵口長期深度不足，據研究，對鐵口兩旁30~60°內的炭磚十分不利；
（7）水量不足，設計水量3200t/?？鄢隣t底冷卻后，爐體冷卻用水量只有2800t左右。較國內同類高爐低；
（8）設計產量630萬t/年，09年產680萬t，特別是2010年在護爐情況下，強度未減。
近因分析
（1）09年10月HATCH公司無損檢測結論，爐缸最薄處炭磚厚 度仍＞600mm，有一定誤導作用，對護爐力度、壓漿決策起負面影響；
（2）在炭磚過薄的情況下，熱面壓漿壓力過高，疑將殘磚推向爐內。這從壓漿后7#風口全黑（估計所壓漿料沿殘磚內側上到風口），在風口發黑后9小時燒穿以及燒穿口內大面積已無殘存炭磚可以證明（如為熔損，破損口應呈喇叭形，不應大面積無磚）。
總結
高爐爐缸安全按照目前的情況發展下去有集中爆發的危機，因此，從操作層面和監測層面，廣大煉鐵同行應引起重視。建議在入爐堿金屬控制、爐缸熱流強度監控、出鐵操作等方面進行強化，以降低爐缸發生危險的風險。
休風后拆下一段25#、26#，二段23#、24#、25#、26#，6塊冷卻壁及相應的爐殼。扒出燒穿口內側爐料，以求清出殘存炭磚平面，便于砌筑新磚。清理發現殘破口內存在多量未熔化、但已熔結在一起的燒結礦和球團礦，說明有軟熔帶以上的爐料下落到死鐵層。殘鐵口向右（順時針）約1.5m，向左逆時針，即向西鐵口方向約3米；向上下各300mm的大面積內已完全或基本沒有炭磚。最后向下拆到環砌炭磚第三層上平面和六層炭磚下平面，上下各有400~560mm炭磚。第四和五層向右拆到二段第26#冷卻壁內面約0.5m處，發現炭磚約300mm，向左側直到二段22#冷卻壁內面800mm處才發現有炭磚，而且厚度只有50~100mm，連同60mm厚的炭素搗料，最薄處只有150mm。而且向高爐半徑方向存在高鈦物質，繼續清理十分困難。
轉爐煉鋼
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