有效避免高炉风口小套频繁破损实践

刘泽阳

1 风口小套破损情况极其影响

河北燕山钢铁集团有限公司（以下简称“燕钢”）2560m3高炉共有3 个铁口，30 个风口，其风口长度均为670mm，风口直径φ120mm 为14 个，风口直径φ110mm 为16 个，风口顶端全部下斜5°。2018 年全年高炉基本处于良好稳定顺行状态，自2019 年1月份开始出现风口小套频繁破损现象，在2019 年1 月份～3 月份期间共破损小套24 个，因更坏破损小套而导致高炉休风8 次。破损小套平均使用寿命134 天，最低使用寿命仅3 天，整体使用寿命偏短，且破损小套基本为非正常性损坏。风口小套直接插入高炉内部，承受炉内的高温高压，靠密闭循环冷却水进行冷却，一旦风口小套破损冷却水直接进入炉缸，不但破坏高炉热制度，严重时还会导致高炉炉凉及炉缸冻结，甚至存有风口烧穿的安全风险。风口小套一旦破损漏水需及时组织高炉休风换套，严重影响高炉连续稳定运行，高炉生产组织十分被动，导致人力物力消耗，生产成本大幅增加，给公司带来巨大经济损失。为有效解决这一严重问题，炼铁厂内部成立攻关小组，职能部室及烧结、转底炉等原料厂全力协助配合，通过详细记录破损小套位置分布、小套自身破损部位及形态，检测各类入炉原燃物料质量，查找相关文献并同周边钢铁厂专家交流探讨，研究分析影响风口小套频繁破损原因，制定有效应对措施并最终形成制度固化，坚决减少直至避免后续风口小套继续破损。

2 原因分析

风口小套约有30%～40%长度直接伸入到高炉内部，不但要承受风口回旋区2000℃以上高温热辐射，还要承受400kpa 以上高压，以及高温热风及煤粉高速冲刷，高温焦炭的磨损撞击，甚至是液态渣铁冲蚀，工作环境极其恶劣。恶劣的工作环境致使导致风口小套破损原因众多。造成铁水熔损主要因素有边缘过度发展、高炉炉缸堆积不活、鼓风动能不足、碱金属富集等；造成磨损主要因素有喷吹煤粉射流磨坏、炉况不顺悬坐料以及热风纯净度差冲刷导致，主要磨损部位基本为小套内壁；而开裂主要指小套自身质量问题，包括材质、结构与制造工艺不合理，无法满足小套恶劣的使用环境要求。

根据2019 年1 月份～3 月份对漏水小套的详细跟踪检查，破损24 个小套当中，120mm 直径小套破损率为16.33%，110mm直径小套破损率为12.5%。前端上沿破损13 个，前端下沿破损4个，前端一圈整体烧损2 个，内壁焊口开裂4 个，内壁中部漏眼1个。整体铁水熔损占比75%，内部焊口开裂、漏眼占比25%。根据破损小套分布、破损位置和形态，分析破损具体原因如下。

2.1 中心气流弱，边缘气流过分发展

前端上沿破损占比达75%，且呈现外眼大而内眼小，判断基本为铁水熔损导致。经过统计分析，2019 年1 月上旬开始，2560m3高炉中心焦质量明显下降，从指标上看最主要为热反应性能降低，反应性21.44%→28.6%，反应后强度68%→61%。为了进一步验证焦炭质量下降，借鉴马钢风口取焦经验，在2019年2 月中旬及3 月上旬利用休风换套机会分别从东、南、西、北四个方向取风口焦，对应5#、12#、20#、28#四个风口，取样深度2m ～3m，经过检测风口焦平均粒径在12.3mm，较2018 年4 月检测时16.7mm 下降较明显。另外自2018 年12 月中旬开始2560m3高炉利用休风检修机会逐步扩大风口，由7 个φ120mm 直径小套逐步增加至14 个φ120mm 直径小套，送风面积由0.318 ㎡扩至0.324m2，初始气流发生变化与现役炉型匹配度降低，鼓风动能由9512 降至9150，实际风速由244m/s 降低至235m/s，理论风口回旋区减小。

焦炭质量与送风制度这2 种原因共同导致高炉中心气流减弱，高炉2018 年12 月份～2019 年2 月份具体体现为透气性指数平均由22.4%降低至21.6%，下降0.8%；风压由421kpa 升高至427kpa；风量由4338m3/min 降低至4275m3/min，下降63m3/min；煤气利用率由40.8%降低至39.3%。高炉内部料慢产量下滑，燃耗增加，操作上被迫控风，缩矿批，调料制适当发展边缘气流。而高炉中心气流弱，边缘气流的过分发展，就会导致边缘生成渣铁量的增加，沿风口回旋区表面进入炉缸，少量渣铁沿炉墙滚落，当出现少量渣铁飘落到风口小套上部，造成小套上端前沿熔损。尤其高炉被迫多次换套休风后由于边缘气流发展生成的渣铁冷凝到小套上，待高炉送风后随着温度逐步升高渣铁开始熔化滴落，导致送风前期小套前端极易熔损，形成恶性循环。

2.2 炉缸中心焦质量下降和边缘气流发展共同作用

2019 年1 月份～2 月份因3#铁口修补大沟，使用1#、2#铁口轮换出铁，3#铁口于3 月10 日晚八点半出铁大沟修补完成开始投用，而经统计观察3#铁口附近烧损风口小套相对偏多，且风口小套基本呈现为下沿熔损。

正常情况，炉缸死料柱焦炭是依靠炉缸渣铁浮力而上下浮动完成更替的，上浮时回旋区下部焦炭被重新推入风口回旋区烧掉；由于炉料重量而影响死料柱中心焦炭下沉补充被燃烧焦炭，从而使得死料柱焦炭不断的更新。死料柱焦炭更新循环路径是由中心死料柱焦炭下沉至炉缸下部至回旋区下部上浮至回旋区燃烧，而渣铁循环路径由回旋区下部向下至死料柱中心，两者正好相反，尤其边缘气流发展后，边缘生成的渣铁量增加并沿风口回旋区表面进入炉缸内部。相互相反的两个循环路径势必影响死料柱焦炭更新速度减慢，而焦炭质量下降，共同影响焦炭粉化现象加重，影响透气透液性变差，再加3#铁口一段时间未投用，很有可能导致局部液泛发生或局部堆积，从而烧损风口小套下沿甚至整个前端。

2.3 热制度与造渣制度波动

由于焦炭质量降低及炉内气流变化，造成煤气利用率变化降低，给生产调剂带来较大困难，操作上把握不准，影响高炉整体热制度稳定性与造渣制度稳定性下降，整体表现为硅素和渣碱度升高，物理热下降。尤其2019 年1 月下旬至2 月上旬高炉硅素在0.15%～1.20%呈较大幅度波动，平均硅素0.54%，硅素稳定率大幅下降至59.5%；物理热最低到1467℃，平均仅为1482℃，较2018 年11 月份物理热均值1498℃下降16℃；炉渣碱度升高由1.19 升高至1.26；炉渣镁铝比在0.63%～0.66%之间变化不大。中心气流的减弱和边缘气流的不稳定发展，炉衬稍波动，再加小套漏水等因素，导致渣铁流动性整体变差，影响炉内透气性及压量关系进一步恶化，给炉外出铁组织带来困难，出铁量差偏差加大，导致渣铁在炉缸内部积存，渣铁液面上涨，接触到风口小套后极易烧损小套下沿。

2.4 碱金属富集因素

自2018 年底到2019 年3 月份高炉入炉锌负荷整体升高趋势，由最初2018 年11 月份0.31kg/t.Fe 逐步升高2019 年2 月份的0.63kg/t.Fe。实际入炉锌负荷远远超过国标所要求的指数，分析高炉入炉锌负荷升高有以下几点原因：

自2018 年12 月～2019 年2 月份2560m3高炉直接配吃废钢一段，配吃量由初期25kg/t.Fe 逐步增加至75kg/t.Fe，且连续性配吃近3 个月时间，配吃入高炉废钢不乏含有一定镀锌废钢，导致高炉入炉锌负荷略升高。2560m3高炉自2 月14 日开始配吃金属化球团，配吃比例为30kg/t.Fe，同酸性球团搭配配吃，2 月26日增加配吃比例至50kg/t.Fe。而转底炉由于2 月初压球机故障，热返粉改由烧结配吃，金属化球团和热返含锌量均在0.2%左右，全部直接或间接进入高炉，导致高炉入炉锌负荷进一步升高。另外我公司炼钢长时间配吃矽钢片和废钢破碎料，炼钢污泥锌含量大幅升高，由0.5%升高至1.6%，经过烧结回配进入高炉，导致高炉入炉锌负荷升高0.1kg。以上三点原因测算理论入高炉锌负荷升高0.32kg/t.Fe。理论上锌元素会在高炉内循环富集，易黏附在炉墙上和炉料空隙中，导致炉墙结瘤，同时恶化高炉透气性，使炉料下降不畅甚至悬料。锌蒸气进入炉料内部会对高炉稳顺生产非常不利。同时，液态锌也是导致风口小套厚度增加、风口套破损以及发生上翘变形等危害的直接原因。

2560m3高炉以往操作始终以发展中心气流为主，更加有利于排碱，跟踪统计布袋灰、重力灰Zn 含量明显提升，大部分碱金属可随着布袋灰排出，而随着各类原因导致中心气流减弱后不利于高炉排碱。经过在高炉换套休风期间详细观察，风口处暂未发现明显锌富集等表观现象。在同等矿批条件下配吃废钢虽然产生的铁液过多，但废钢放在布料环带中间位置，理论不会导致过多铁液直接低落到风口前沿，根据实际情况判断烧风口小套前端同高炉配吃废钢等无直接关系。

2.5 风口小套自身结构问题

经过调查，2560m3高炉风口小套供货厂家共有3 个，其中有2家小套水工技师评价使用较好，有1个厂家小套评价使用较差，主要体现易烧损，且烧损后可控性差，长期使用一段时间后水流量会越来越少，冷却强度降低，最终导致小套使用寿命降低。为了进一步研究小套内部结构，追其根本，随即通过对评价褒贬不一的小套进行切割解剖对比，发现3 个厂家小套内部结构虽均为贯流式风口，但评价较差的厂家小套内部结构较为简单，小套最前端无隔板，未形成单独的冷却腔体，小套前端一旦烧损漏水，水流经入口通道可直接到达漏点处，导致漏水量大且可控性极差，一旦漏水高炉就需被迫休风换套。同时观察评价较差小套内部冷却水通道及腔体空间相对较大，且内部存有大量结垢，判断为冷却水流速偏低导致易结垢，结垢后又导致冷却强度进一步下降，最终体现为易烧损。经过解剖分析最终判断评价较差的风口小套材质并无问题，但其内部结构设计不合理，导致实际使用效果较差，且在破损小套中占比较高。此外，小套内壁焊口接近风口前端，焊接质量稍有缺陷势必成为薄弱点。

2.6 其它问题

经过跟踪检查漏水小套破损位置及内壁情况，基本排除煤粉射流及以及热风纯净度差而导致的小套内部冲刷磨损情况。

3 解决措施

3.1 提高中心焦质量，制定配吃标准

高炉的中心气流减弱，高炉透气性下降，操作上被迫控风，缩矿批，调料制适当发展边缘，鼓风动能和风速降低，少量渣铁落到风口小套上部，造成小套上端前沿熔损，此为小套频繁烧损根本原因。结合采购部制定高炉焦炭采购与配吃管理制度，提出2560m3大高炉中心焦质量要求，确保反应后强度≥68%，反应性≤24%，抗磨性≤7%，优化焦炭粒度组成，减少铁口卡焦或涌焦频率，为炉外及时出净渣铁创造条件。同时利用检修休风机会，加强风口焦取样分析化验，作为内部评判焦炭质量有效手段。

3.2 固化送风制度，优化并稳定热制度与造渣制度

减少φ120mm 直径小套个数，维持送风面积到0.32m2左右，保持全风操作，旨在吹透中心，稳定局部气流。制定工长走动式管理制度，要求1h 一看渣铁及风口，及时掌握炉温趋势变化，副工长4h 一看料，掌握实际入炉原燃物料质量变化情况，配合工长准确把握炉况发展趋势，对炉温和燃耗进行精确定位，合理正确的利用调控手段做好计划性、预见性调剂；同时强化三班统一操作及交接班制度，确保高炉稳顺工作条件。要求炉温控制0.35%～0.5%之间，保持充足物理热，物理热要求不小于1495℃，同时要求保持镁铝比在0.60%～0.65%之间，为炉外出净渣铁创造条件。

3.3 减少入炉锌负荷，加强排碱

根据统计2015 年～2019 年高炉锌负荷实际数据及结合兄弟单位经验，确定内部高炉入炉锌负荷控制标准≯0.45kg/t。一是高炉暂停配吃废钢；二是结合公司技术部及炼钢厂从源头控制轻薄镀锌料到货及流向，镀锌废钢定向供应电炉，禁止流向大生产系统；三是结合质检部及烧结厂检测并控制原料及尘灰配料种类，细化尘灰配吃，重点是炼钢二次灰、干法细灰、污泥、粗颗粒灰以及炼铁布袋除尘灰、重力除尘灰等含锌量较高尘灰，避免烧结直接配吃，而是改由转底炉进行配吃，其余炼钢三次除尘灰以及脱硫灰等低锌尘灰继续由烧结配吃。转底炉增加水洗及强力混合工序设备，对以上高锌尘灰进行充分消化后配吃，发挥转底炉脱锌效率，提高锌粉产量及含锌量，为公司创造效益同时减少锌元素在烧结、炼铁内循环富集。四是针对现进入高炉内部循环富集的锌，通过阶段性下调炉渣碱度等措施科学排碱，从而实现降低碱害的目的。经过以上一系列管控措施后，高炉锌负荷下降到0.37kg/t 铁。

3.4 优化使用小套结构，逐步替换结构缺陷小套

漏水小套除返修的外，个别厂家供货小套结构设计不合理，水流慢，抗实际工况变化能力较差，易烧损且可控性差，3 月份开始利用休风机会逐步替换掉此类结构缺陷小套使用。细化风口小套招标要求，保证小套自身材质条件下，对冷却腔体设计形式提出明确要求，加入冷却通道阻力损失检测及要求，督促风口小套厂家对风口小套进行优化改造，务必要求小套前端有单独冷却腔体，最终实现冷却水有入口水道直接进入小套前端腔体，绕圈一周进入外腔体的循环形式，实现冷却水在小套内部较快速的流速及较好冷却效果。明确风口小套内壁焊接质量要求，必须采用氩弧保护焊接，焊口平滑，焊缝强度不低于母材，并进行探伤检验。继续延续风口小套使用评价管理机制并进行固化。

3.5 计划性休风更换到寿命风口小套

除了加强对小套的使用情况及冷却情况的监控同时，制定风口小套寿命跟踪管理办法，针对超300 天使用寿命的小套利用休风检修机会进行计划性更换，避免在使用中出现破损而影响高炉长期稳定运行。

3.6 优化炉前出铁管理

严格执行多铁口轮换出铁制度，采用3 个铁口循环出铁，同时根据实际铁量及炉况，准许可在上个铁口开始喷铁口打开下一个铁口出铁，保证连续性出铁。炉内配合炉外，抓好炉前“四率”管理，强化考核，确保及时按要求出净渣铁，减少对炉内的影响。

3.7 加强水质管理

结合技术部、质检部加强水质化验，提高对风口小套冷却用水中矿质元素种类及PH 值的检测度，避免送风装置内部结垢。

4 总结

炉风口小套一旦破损对高炉安全、稳顺生产有着巨大影响。导致风口破损原因众多，通过改善高炉原燃料质量，摸索优化合理操作制度，控制碱金属富集预防碱害，优化小套结构，强化使用寿命管理及水质管理等手段，全方位多手段杜绝风口小套烧损可能性，为高炉连续稳定、安全节能生产提供条件保障。