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1、摘 要 结合钒钛矿特点及钒钛矿高炉操作特殊性，对西昌钢钒1750m高炉及西南地区钒钛矿高炉长寿问题进行了分析。针对钒钛矿高炉长寿的薄弱环节，认为冶炼钒钛矿的高炉重点要对TiO2过还原、钒钛矿特殊性、高炉大风量、高冶强操作特点进行综合分析进行选择。西昌钢钒1750m高炉在日常操作中所采取的控制合适煤气流分布、控制适宜的铁水和炉渣成分等措施规避有害元素的不利影响、铁口在线压浆技术等措施对钒钛矿高炉长寿有较好的促进作用。关键词 钒钛矿 冷却壁 长寿 炉型 铁口攀钢集团西昌钢钒有限公司建有3座1750m高炉，三座高炉分别于2011年12月、2012年12月、2014年5月开炉投产，炉渣TiO2达到21
2、24%。截止2020年2月，西昌钢钒炉龄最长的一座高炉已生产8.5年，三座高炉的冷却壁除铁口区域外均完好无损，炉皮无开裂、变形等异常现象。而三座高炉铁口区域冷却壁因操作、维护不当出现过损坏现象，1号高炉于2016年2月、2号高炉于2017年9月、3号高炉于2018年1月铁口冷却壁损坏。西南地区冶炼钒钛矿的高炉在长寿方面面临的主要问题大致有两个方面：（1）高炉炉腹至炉身中下部冷却壁损坏频繁，一般在高炉投产后13年内开始损坏，35年左右高炉需停产更换，如某厂两座炉容1500m的高炉于2012、2013年投产，生产至2017年，炉身下部、炉腹、炉腰区域就损坏了90余块冷却壁；（2）铁口区域容易出现铁
3、口孔道窜铁烧坏冷却壁的问题，20162018年1月西昌钢钒出现了3次铁口孔道窜铁烧坏铁口下方冷却壁的事故，2019年9月A厂、B厂分别有一座高炉也发生了该类事故。下面结合西昌钢钒高炉生产情况，对影响钒钛矿高炉的长寿问题进行简要探讨。1 高炉设计对高炉长寿的影响1.1 炉缸结构与耐材钒钛矿高炉在高炉长寿方面具有一定的先天优势。高炉内炉渣TiO2在还原性气氛下部分被还原为TiC、TiN高熔点物质（TiC熔点3140，TiN熔点3290），这些高熔点物质容易粘附在炉缸内表面，形成一层保护层，能够在一定程度上保护炉缸冷却壁、耐材不受高温渣铁的接触而损坏。西南地区冶炼钒钛矿的高炉，炉缸区域（除铁口外）极
4、少发生事故。铁口区域冷却壁容易损坏的主要问题在于：（1）高炉渣量大，炉渣对铁口孔道及铁口泥包耐材的侵蚀比普通矿高炉更加严重。西南地区的钒钛矿品位低，近五年来攀钢高炉综合入炉品位4952%，渣比高达550-650kg/t。（2）钒钛矿高炉采用大风量、高冶强操作抑制炉渣TiO2过还原，这种操作有利于高炉的稳定顺行，但炉缸煤气、铁水、炉渣对铁口区域耐材及冷却壁的冲刷、侵蚀比较严重。针对以上特点，钒钛矿高炉在炉缸结构及耐材选择方面可根据不同区域、部位有针对性的选择，以达到经济、长寿的目的，攀钢高炉的一般原则是炉缸侧壁及炉底选择性价比较高的耐材砌筑，铁口区域选择抗冲刷、耐侵蚀的高级耐材。西昌钢钒炉缸区域
5、采用粘土-半石墨炭砖炉底、莫来石陶瓷侧壁，如图1所示，从炉底至炉缸底部上表面依次为半石墨炭砖-超致密粘土砖-复合莫来石砖-超致密粘土砖；炉缸侧壁采用复合莫来石砖砌筑。铁口区域在初始设计中采用刚玉莫来石砖砌筑，铁口孔道采用低水泥高Al2O3-低SiC浇注料浇注，风口区域采用刚玉莫来石砖砌筑。20162018年三座高炉空料线停炉检修期间对炉缸铁口以上部位包括铁口孔道均采用刚玉浇注料整体浇注。1.2 炉型结构1.2.1 死铁层深度死铁层对炉缸寿命和高炉稳定顺行有重要影响。死铁层过浅炉缸铁水环流加剧炉缸侧壁砖衬侵蚀，并恶化焦炭死料柱透液性，对高炉长寿及稳定顺行不利；死铁层过深使铁水对炉底产生很大的静压
6、力，也不利于高炉长寿。国内炼铁界对死铁层深度存在一定分歧，有专家认为死铁层深度是炉缸直径的2022%为好，不超过25%1。也有部分专家认为死铁层深度为炉缸直径20%不宜继续加深2。攀钢及其他西南地区钒钛矿高炉的死铁层深度一般在炉缸直径的20%以下，这种设计有如下考虑：（1）死铁层过深造成炉缸滞留的含钛铁水较多，一定程度上会影响炉缸活跃度的问题，死铁层深度控制在炉缸直径的20%以下，对预防铁水中TiC高熔点物质的生成有利。如某厂三座1200m的高炉冶炼高钛型钒钛矿，采用粘土砖炉底，死铁层深度是炉缸直径的1015%，在矿石综合入炉品位4951%的情况下，高炉利用系数长期保持在2.7t/（m3d）以
7、上，一代炉役寿命达到1215年。（2）死铁层深度过深对Zn负荷高的高炉炉底寿命不利，Zn蒸汽进入炉底低温区容易造成Zn的沉积、氧化，进而造成炉底砖衬的侵蚀、炉底上涨等不利于炉底长寿的问题。西南地区高炉普遍存在Zn负荷偏高的问题，西昌钢钒高炉Zn负荷长期在0.8kg/t以上。从这方面考虑，死铁层深度也不宜超过炉缸直径的20%。死铁层深度的选择需结合资源、冶炼条件综合考虑决定。钒钛矿高炉“快进快出”以保证炉缸活跃度，结合钒钛矿护炉的先天优势，死铁层深度按炉缸直径的20%以下控制是比较合理的。西昌钢钒高炉的死铁层深度控制在炉缸直径的1518%。三座高炉投产以来，炉缸、炉底冷却设备、耐材运行状况较好，
8、无明显异常现象。1.2.2 炉腹角、炉身角炉腹角、炉身角是关系高炉内煤气流分布的重要参数，减小炉腹角、增大炉身角有利于抑制边缘气流3，相反增大炉腹角、减小炉身角有利于发展边缘气流。而边缘气流的控制对高炉长寿与稳定顺行很重要。钒钛烧结矿、钒钛球团矿及TiO2具有一定特殊性，影响着高炉炉身角、炉腹角的设计。（1）钒钛矿高炉上部块状带炉料下降过程中，炉料体积膨胀较小，一方面钒钛烧结矿具有易粉化、强度低、低温还原粉化率高的特点；二方面西南地区钒钛球团矿含MgO较高，球团矿的膨胀率不大，一般在1215%。（2）TiO2在高炉内还原形成的TiC、TiN高熔点物质粘附在炉墙或炉缸边缘会造成炉墙结厚、炉缸边缘
9、粘结、堆积等问题，而较大的炉腹角对发展边缘气流防止炉墙结厚、炉缸边缘粘结、堆积等问题有一定作用。对西昌钢钒高炉及A厂高炉炉身角、炉腹角及表征边缘气流强弱的炉喉温度、透指进行了对比分析，如表1所示，西昌钢钒高炉炉喉温度在100200、透指在23002700，结合高炉冷却壁运行情况考虑，西昌钢钒三座高炉除铁口区域的冷却壁从投产至今无破损现象表明，西昌钢钒高炉的炉身角、炉腹角选择是合理的。1.3 冷却结构、形式及冷却壁材质西昌钢钒采用的是全铸铁冷却壁、工业水开路循环冷却。炉底、炉缸区有4段灰铸铁光面冷却壁，1-4段冷却壁是单层竖向蛇型管式冷却，铁口冷却壁是双层蛇形管冷却，风口区（第5段）冷却壁是双层
10、管式冷却；炉腹、炉腰及炉身有11段满镶砖球墨铸铁冷却壁，炉腹到炉身下部是双层竖向蛇型管冷却，炉身中上部是单层U型管式冷却。这种设计具有如下优点：（1）铸铁冷却壁耐磨、耐冲刷性能好，对冶炼钒钛矿高炉的“大风量、高冶强操作”的特点有较好的适应性。A厂曾在炉身下部、炉腰、炉腹采用铜冷却壁结构，在投产13年内就出现铜冷却壁损坏问题。2016-2018年西昌钢钒高炉空料线停炉结果显示，高炉冷却壁壁体完好无损，如图2所示为2017年12月某高炉停炉后冷却壁现场图。（2）炉腹到炉身下部镶砖冷却壁是双层竖向蛇型管结构，冷却强度大、冷却效果好。双层冷却结构在一面损坏后，另一面可以继续使用，对冷却壁冷却功能起到双
11、保险作用。内部蛇形管结构使冷却更加均匀。2 日常操作及维护2.1 优化高炉操作，规避有害元素的不利影响碱金属、Zn对高炉寿命的影响很大，而西昌钢钒高炉有害元素负荷长期偏高，如图3所示为近5年西昌钢钒高炉的有害元素统计。关于碱金属、Zn的治理关键是源头治理，但是对于部分厂内固废无法有效处置的高炉而言，高炉内部优化操作，规避有碱金属、Zn对高炉长寿及稳定顺行的影响就至关重要，西昌钢钒高炉的操作措施如下：（1）采取坚持发展中心、适当抑制边缘气流的装料制度，增强高炉排碱、排Zn的能力。西昌钢钒高炉的炉喉温度控制在100200，中心温度控制在400600。煤气流分布的控制一方面是基于炉身角、炉腹角的设计
12、，二方面装料制度方面适当中心加焦，中心焦比例控制在20-30%，中心和边缘布焦炭，矿石布于焦炭平台的中间环带，边缘焦比例控制在15-25%，常用的装料制度如表2所示。（2）控制好排料顺序，有害元素含量高的炉料布在远离炉墙的位置，防止炉墙结厚、结瘤和有害元素对冷却壁、耐材、渣皮的侵蚀。（3）阶段性采取适当放边、热洗的措施增大高炉整体煤气量及提高边缘煤气流速以清洗炉墙粘结物，保持高炉合理的操作炉型。（4）控制合适的铁水温度和炉渣成分，增强高炉排碱能力。西昌钢钒高炉有一定的先天排碱优势，高炉排碱效率较高，一是铁水温度比普通矿高炉低3080；二是炉渣具有二元碱度低、MgO高的特点，如表3所示为西昌钢钒
13、某高炉2019年7-12月铁水温度及炉渣成分统计。通过以上操作制度的优化，高炉排碱、排Zn能力提高，为长寿和稳定顺行提供了有力支撑。如表4所示为2019年7-12月某高炉排碱、排Zn情况统计。2.2 控制适宜的冷却强度高炉冷却强度过大容易造成炉墙结厚、炉缸边缘粘结等影响炉况的问题，而冷却强度过低不利于高炉长寿。2017年以前高炉本体冷却水量控制在6000-6200t/h，冷却强度偏大，高炉稳定性不足。2017年三座高炉逐步将冷却水量下调了1500-2000t/h，经过调整，冷却强度趋于合理，炉况顺行情况改善，表5为当前某高炉冷却水量、水温差、热流强度统计。2.3 加强冷却设备、水质监测对高炉冷
14、却壁热流强度、水温差在线监测，同时配管工每天测量一次各冷却壁的水温差，确保冷却壁热流强度、水温差的测量准确度，进一步避免单一检测设备故障造成检测失真的问题。冷却水质管理方面建立了适合工业水开路循环冷却的水质控制标准，并严格按标准控制水质，表6为高炉冷却水质控制情况。2.4 加强铁口操作管理铁口区域是钒钛矿高炉长寿的薄弱环节，铁口区域发生冷却壁烧坏、铁口孔道窜铁等事故较频繁。其中西昌钢钒三座高炉在2016年、2017年、2018年初均出现了此类事故，西南地区冶炼钒钛矿的A厂、B厂在2019年也发生了铁口冷却壁烧坏事故。为了改变这种状况，管理上措施如下：（1）严格控制铁口深度在2.83.2m；（2
15、）出铁次数稳定在1516次/d；（3）制定单铁口作业管理规定等。技术上，开发了一种铁口在线压浆技术修复铁口孔道，以消除铁口区域冷却壁、耐材之间产生的气隙、裂纹、煤气通道。铁口在线压浆装置如图4所示，通过该技术的应用，高炉铁口工作状况大幅改善。2019年某高炉曾经因铁口区域窜漏煤气造成铁口冷却壁水温差升高，实施该技术前铁口冷却壁水温差最高达到0.8的高位，实施后下降到0.3-0.5的正常水平，效果对比如图5所示。3 结语（1）高炉炉型、冷却设备、耐材等选择应结合原燃料条件、操作制度、工艺特殊性等综合考虑，以实现高炉长寿和炉况稳定顺行的目的，冶炼钒钛矿的高炉重点要对TiO2过还原、钒钛矿特殊性、高炉大风量、高冶强操作特点进行综合分析进行选择。（2）冶炼钒钛矿的高炉长寿的重点在于上部边缘气流的控制和下部铁口区域的操作维护，从高炉长寿和炉况稳定顺行综合考虑，控制炉喉温度在100-200、中心温度在400-600的煤气流分布，阶段性适当放边热洗规避有害元素对长寿和炉况的影响；同时加强冷却水温差、热流及水质管控，铁口日常操作维护中加强铁口深度、出铁次数、铁口状态的管理。
