安鋼170 t鐵水罐安全長壽運行實踐

魏太林 楊 松 牛衛軍 焦虎豐

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

2005年以來，安鋼兩座2000 m3級高爐相繼投產，投運了76個170 t鐵水罐運送鐵水。由于這種鐵水罐在安鋼是首次使用，存在使用經驗不足和技術難題。在運行初期，170 t鐵水罐事故較多，正常周轉困難重重，直接影響到了公司高爐鐵水的安全運送。后經原因分析、質量改進和加強日常運行監測和管理等多方面努力，最終大大延長了鐵水罐的使用壽命，壽命穩定在了550次之上，保證了高爐正常生產與安全運行。筆者主要對安鋼170 t鐵水罐內襯磚、永久層、砌筑質量、運行監測等過程控制進行分析，為今后的此類鐵水罐安全長壽運行提供借鑒。

1 170 t鐵水罐的使用情況

隨著鋼鐵業的發展，特大型鋼聯大多數使用了大魚雷罐運送鐵水。但是，安鋼這個畝產鋼全國最高的特大型鋼鐵企業，因占地面積小，煉鋼布局緊湊，不得不采用軸跨距較小，容鐵量較大的大鐵水罐。目前，170 t鐵水罐是我國最大容量的鐵水罐，因此，在2000 m3級高爐投產時選用了該類型的鐵水罐。

在運行初期，170 t鐵水罐主要出現兩大問題。一是罐的使用壽命不長，最短的使用爐齡只有60次～70次，大多數在300多次，維修工作量十分大。再購買此類鐵水罐，占用資金和維修場地，經過測算鐵水罐使用壽命必須穩定在550次之上，才能保證使用和維修之間的平衡，避免待修罐積壓、鐵路線上罐周轉不暢、正常生產秩序受到影響;二是罐內襯磚剝落和裂縫大、永久層容易漏鐵、罐體外表面溫度升高、砌筑質量不能滿足工藝要求。因為鐵水罐漏鐵的安全事故時有發生。

2 出現問題的原因及分析

鐵水罐由鋼板焊成，罐內砌筑耐火磚襯，并在磚襯與罐殼之間設置永久性內襯，也稱永久層。永久層作為鐵水罐內襯的重要組成部分，主要兼顧隔熱性、保溫和輔助防漏能力。

鐵水罐內襯磚的受到侵蝕的原因：①鐵水和渣鐵混合物與內襯材料發生的化學侵蝕;高溫的鐵水罐在倒掉其中的鐵水返回煉鐵高爐過程中，空氣的氧化、侵蝕等。②一些物理現象引起的內襯材料的損傷，如與落鐵點接觸部位的機械磨損，鐵水滲透到磚縫中，發生龜裂;在溫度變化時引起的材料劣化和崩裂;鐵水和渣鐵冷凝物粘附、損傷。

2.1 內襯磚侵蝕快

當鐵水罐砌筑完成后，要經歷烘烤、使用、維護和拆除大修四個階段。根據多年來安鋼本部小鐵水罐運行管理經驗，安鋼170 t鐵水罐運行壽命短、維修工作量大和安全隱患多的問題，絕非某一個環節出現了短板，而是多個環節出現問題同時作用的結果。

內襯磚的受到侵蝕初期主要由于發生剝落引起，剝落的類型有以下幾種：

1)氧化剝落。即含碳內襯材料在烘烤和使用過程中抗氧化性不足，使磚體表面的碳被氧化后，造成表面組織結構疏松，強度下降，同時，間接地劣化磚的抗侵蝕性。

2)結構剝落。即內襯材料產生的膨脹或者不穩定性，超過了磚體自身的強度，導致磚體開裂、斷裂。

3)化學剝落。即由于材料自身的組織結構疏松，爐渣和鐵水容易侵蝕到內襯材料的內部而發生的一系列化學反應。產生變質層。當變質層到一定厚度時，就開始剝落。

4)熱剝落。即在經常的溫度變化中，形成了巨大的熱應力，超過其強度，則導致不規則剝落。

通過多次跟蹤觀察發現，安鋼170 t鐵水罐的剝落，主要發生在新罐初期使用階段和中期維護以后的更新使用階段，一次剝落厚度一般為10 mm～20 mm。初期的剝落，表面組織結構疏松，容易用錘頭擊碎而脫落;剝落塊小而多。中期的剝落，表面組織結構有一定的硬度(變質層)用錘頭去掉剝落層后，內襯材料(母體)組織結構疏松，剝落塊的直徑一般為600 mm～800 mm，連成一片，屬大塊剝落。

在后期，主要是內襯材料表面到內部會產生深度較大的裂紋，隨著裂紋的擴展，內襯材料會發生剝落。另一個方面，內襯材料在使用過程中，材料表面經常會結有大量渣鐵，并隨著每一次倒空罐后罐內溫度的下降，殘余的渣鐵會發生較大的收縮，此時產生的收縮力也可以導致材料表面被拉裂或者收縮，形成內襯材料受到更大的壓力造成開裂，從而導致下一次鐵水沖刷時產生剝落。

對照四種剝落類型，可以認為：鐵水罐初期和中期的剝落主要是氧化剝落和化學剝落，后期出現的剝落主要是熱剝落和結構性剝落，安鋼所用170 t鐵水罐出現的剝落主要發生在初期和中期。

2.2 砌筑及維修質量不高

170 t鐵水罐所使用的耐火材料包括鋁碳化硅磚(ASC磚)粘土磚、低水泥澆注料。該鐵水罐共使用了40余種磚型，磚型搭配較多，砌筑精度要求嚴格，所以需要較高的砌筑技術。砌筑主要存在的問題是：

1)以罐口為中心放垂直線時，找不好罐體中心，易砌歪工作襯。

2)砌筑異形磚襯時易出現放射縫。

3)永久層不是一次澆筑而成，而是邊砌筑邊澆注，出現了澆注空洞。

4)受鐵沖擊區，沒有增加磚襯厚度，受鐵時沖刷、磨損而被損壞。

5)砌筑用泥漿因攪拌不均勻粘結力不足導致磚縫較大，有的部位超過了5 mm，出現了工作層大裂縫。

6)修補維護罐底時，未清理干凈渣鐵，未使用與ASC磚同材質的不定型耐火材料，未打鉚罐體釉層。

2.3 罐的永久層材質差

通過觀察發現，破損的170 t鐵水罐永久層存在以下問題：

1)拆除永久層時，較為疏松，沒有強度，澆注或搗料時未實。

2)永久層顏色變黑，且不均勻，耐火度差。

3)有裂縫，有渣鐵侵入永久層，抗熱震性差。

4)有大面積修補痕跡，平時大修時未按照規定進行徹底更換永久層材質。

3 采取的改進措施

3.1 優化內襯材質

從國外使用Al2O3-Si-C磚的情況看，不同性能指標的ASC磚有不同的使用壽命，為了既可低成本運行，又有安全保障，我們選擇了一種輕燒Al2O3-Si-C磚制品，該制品的理化指標見表1［1］。

表1 輕燒Al2O3-Si-C磚理化指標

從表1可以看出，該制品的顯氣孔率，體積密度，耐壓強度等物理指標與燒成的高爐用制品有一定的差距，但就鐵水罐使用而言，著重考慮了其抗渣性、抗熱震性、穩定性和抗機械沖刷能力。另外，還在磚型尺寸和砌筑過程中加以改進。消除了砌筑時放射縫和變磚時大錯臺和砌體中心歪斜等問題。

為了防止工作層磚襯剝落，沖擊區既采用碳化硅磚，還特地增加了其磚襯厚度。其他區域采用了普通的ASC磚和普通粘土磚。

3.2 完善永久層設計

將罐內打理干凈，以上罐口和二層罐口為中心，改放線方式為雙放線，放好垂直線，找出罐體中心。以中心線為參考，設定模具中心，固定好模具，根據不同部位的使用條件選配澆注料;渣線和罐身部位選用抗侵蝕、耐沖刷具有結構強度的高鋁質—碳化硅澆注料，罐底部位選用了莫來石質澆注料，罐體上部選用了低水泥澆注料。進行整體澆注，永久層澆注時，嚴格控制料與水的混合比。堅持不流淌、不開裂、振動時表面微泛漿為原則。所有澆注作業結束后，根據硬化情況脫模。自然養護48 h后，開始烘烤。烘烤是嚴格按照烘烤曲線進行。確保前期自由水和中期結晶水順利烘干、脫出。

3.3 改進砌筑工藝

針對在砌筑工藝中存在的諸多問題，技術人員經過對比其他單位，參照熱砌標準，對砌筑工藝實行了如下改進：

1)增加預砌工序，以消除砌筑過程中造成的放射縫、三角縫等不利于長壽的因素。

2)增加受鐵區磚襯厚度，通過適當增加工作層厚度(150 mm～200 mm)，以達到延長使用壽命的目的。

3)在使用過程中，鐵水罐使用300爐次時和400～450次時分別進行一次冷檢修補料。修補料使用與ASC磚同材質的不定型耐火材料，修補有效使用爐數為100次。對下線冷卻好的鐵水罐，用風鎬或者鑿子將粘附在工作層的渣鐵清理下來，將磚襯釉層打掉然后用高壓風吹清罐內殘余粉塵直到罐壁內無渣鐵和其他粉塵后，再支模澆注修補。修補層一般為200 mm～220 mm.。

永久層部位的改良效果：采用上罐口和二層罐口為中心，雙放線找中心和澆注過程分區域選配后，永久層的性能、作用發生了較大變化，與工作層內襯進行了有效互補，為170 t鐵水罐安全運行提供了最后的保障。

3.4 加強日常運行監測和管理

由于是首次使用170 t鐵水罐，為確保安全生產，充分發揮170 t鐵水罐運輸鐵水的優勢，生產技術人員結合本單位生產實際，采取了一系列行之有效的管理措施。

3.4.1 規范熱態點檢

鐵水罐上線運行50次以后，要進行第一次熱檢，從罐口觀察罐內有無襯體剝落、下垂、和磚縫鉆鐵等砌筑質量問題。

確認無誤后再投入使用。對正常在線運行的鐵水罐要點檢鋼結構部分和罐體耐火材料部分。鋼結構部分包括車架、支座、耳軸、罐軸、罐殼。罐體耐火材料部分包括護板、罐口澆注料、罐體內襯。點檢內襯的方法包括：用測溫槍對鐵皮測量，溫度一般在170℃ ～240℃范圍內，如超出此溫度范圍，要進行重點監護，通過檢查鐵水罐皮重，找出皮重減輕較多的鐵水罐，說明其磚面剝落較嚴重，應進行重點監護，肉眼觀察鐵水罐內襯，如發現磚縫清晰，錯臺明顯，磚面呈蘑菇狀，說明磚體侵蝕嚴重，應進行下線，冷態點檢，實測磚襯厚度。

3.4.2 增加下線點檢

鐵水罐使用到300次時要進行一次冷檢，觀察內襯磚體是否侵蝕均勻，是否有剝落，并對照原始砌筑尺寸計算其破損程度。使用到400爐次時要進行第二次冷檢，要對罐口，球形區，直段處、沖擊區進行實際尺寸實際測量。測量判斷其使用壽命。一般按照罐體內襯侵蝕線來預測其壽命和安全性，要求鐵水罐下線大修時罐內最小殘余內襯尺寸不得小于120 mm。大修時一般要組織專業技術人員，對鐵水罐鋼結構進行探傷。

4 使用效果及實踐

170 t鐵水罐采取改進措施后，內襯材質選用了不同的輕燒Al2O3-Si-C磚理化指標和增加沖擊區域的碳化硅磚的厚度，實現了同步侵蝕;砌筑方面，消除了放射縫和澆注空洞，采取清除干凈渣鐵、打鉚磚體釉層，澆注修補料等措施之后，磚縫鉆鐵現象得到了有效控制;通過170 t鐵水罐熱態點檢、下線點檢，運行監控，對應維護，通過記錄等手段，不留死角，發現小問題，杜絕大事故，為其使用效率的提高提供了有效依據。

這些措施的有效實施，在生產實踐中，控制了氧化剝落、化學剝落和機械剝落，在原設計不足或設計冗余量不足的情況下，根據實際使用的情況，對各方面進行綜合改進，充分發揮了170 t鐵水罐運輸鐵水的優勢，確保了170 t鐵水罐的安全長壽運行，獲得了良好的效果。2011年170 t鐵水罐平均使用壽命由之前最少的60次～70次提高到了平均550爐次，期間公司未發生一次由于鐵水罐泄漏導致的生產事故或安全事故。本次運行實踐不僅改良了原設計，優化了原工藝，更取得了具有借鑒意義的成功經驗。

5 結語

170 t鐵水罐的安全、高效運行涉及到工藝、材料、管理等多方面內容，任何一個環節出現問題或者隱患都將極大的影響鐵水罐的使用壽命，本次實踐對于170 t鐵水罐的安全長壽運行和維護上有著借鑒意義。在保證安全的前提下，對其再次進行改良，追求更高的使用壽命是下一步的工作方向。

［1］ 周傳典，劉萬山，王筱留，等.高爐煉鐵生產技術手冊.北京：冶金工業出版社，2005：624.