高爐渣溝是高溫爐渣及時(shí)排放的通道，它是高爐生產(chǎn)工序中的一個(gè)極為重要的部分，必不可少。本鋼新1號4747 m3高爐設(shè)計(jì)共有4個(gè)出鐵口，兩套INBA法水沖渣系統(tǒng)和兩個(gè)小沖渣系統(tǒng)，渣溝設(shè)計(jì)為兩個(gè)出鐵口共用一條公共渣溝，渣溝襯均采用Al2O3、SiC、C、水泥等一次澆筑成型[1]。隨著高爐冶煉的強(qiáng)化，出鐵量迅速增加，爐渣溫度提高，渣溝襯耐火材料的使用環(huán)境日益惡劣，尤其是渣溝交匯處是熔渣的回旋區(qū)域，損毀更快；另外，出鐵間歇，渣溝因溫度驟降而發(fā)生收縮炸裂現(xiàn)象，需頻繁進(jìn)行修補(bǔ)才能維持生產(chǎn)，給高爐生產(chǎn)帶來極大影響。針對上述情況，對高爐渣溝進(jìn)行局部改造創(chuàng)新，采取分段先行預(yù)制存儲，并且，預(yù)制塊內(nèi)增加鋼筋龍骨，鋼筋會阻礙渣溝澆注料硬化時(shí)的自由收縮，在渣溝澆注料中會引起拉應(yīng)力，阻礙渣溝澆注料開裂和炸裂[2]。解決了渣溝局部放炮致使渣溝澆注料層變薄，需頻繁地進(jìn)行熱態(tài)修補(bǔ)，甚至燒穿渣溝等嚴(yán)重影響高爐正常生產(chǎn)的問題。

1.   高爐渣溝的布置及結(jié)構(gòu)性能

1.1   布置

高爐渣溝分為主渣溝、公共渣溝、小沖渣溝，1#出鐵口的爐渣和2#出鐵口的爐渣通過1號和2號主渣溝匯集到西側(cè)公共渣溝流入西側(cè)水渣處理裝置；3#出鐵口的爐渣和4#出鐵口的爐渣通過3號和4號主渣溝匯集到東側(cè)公共渣溝流入東側(cè)水渣處理裝置，（如圖1所示）。高爐出鐵場平臺東、西兩側(cè)各設(shè)有一套INBA法水渣處理裝置，并配置小沖渣事故處理設(shè)施。INBA法水沖渣是保爾沃特公司的專利技術(shù)，具有布置緊湊占地面積小，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程自動化機(jī)械化，水渣質(zhì)量好，沖渣水閉路循環(huán)，渣中含鐵度高時(shí)，該系統(tǒng)也能安全進(jìn)行爐渣的?；?/span>

在正常情況下100%沖水渣，水渣設(shè)備出故障或檢修時(shí)采用小沖渣工藝，水渣經(jīng)膠帶機(jī)送至水渣裝車槽通過火車或汽車外運(yùn)。

1.2   結(jié)構(gòu)及性能

高爐渣溝設(shè)計(jì)為長方體箱體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，箱體外殼鋼板厚度為30 mm，箱體內(nèi)鑲嵌耐火磚，最外層渣溝襯采用Al2O3、SiC、C、水泥等一次澆筑成型每條主渣溝長度為36 m、公共渣溝長度為24 m、小沖渣溝長度為18 m，高爐渣溝總長度為228 m。渣溝澆筑后寬度為700 m、深度為420 m、坡度為6°。渣溝澆筑料的理化技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖  2  高爐渣溝截面圖

2.   高爐渣溝的破壞原因

2.1   內(nèi)部應(yīng)力和溫差應(yīng)力

高爐渣溝在澆筑過程中，由于耐火澆注料中混有大量空氣，澆注料硬化期間放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力；后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老澆注料的約束，又會在澆注料內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)這些拉應(yīng)力超出澆注料的抗裂能力時(shí)，即會出現(xiàn)裂縫（如圖3所示）。許多澆注料的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化，如養(yǎng)護(hù)不充分、急于烘烤，表面干縮形變受到內(nèi)部澆注料的約束，也往往導(dǎo)致炸裂。另外，由于澆注料原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一條高爐渣溝澆注料中其抗拉強(qiáng)度也是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位[3]。

氣溫的降低也會在高爐渣溝表面引起很大的拉應(yīng)力，高爐內(nèi)熔渣由爐內(nèi)流出時(shí)溫度大于1450 °C，出鐵間隔期間，高爐渣溝裸露在大氣中，特別是寒冷的北方冬季生產(chǎn)，出渣過程中積蓄的熱量由表及里逐漸散失，產(chǎn)生溫差應(yīng)力，使?jié)沧⒘袭a(chǎn)生裂紋或裂縫，加劇侵蝕，甚至燒穿渣溝。內(nèi)部應(yīng)力和溫差應(yīng)力是高爐渣溝損壞的主要原因，危害極大。

2.2   機(jī)械侵蝕

高爐渣溝具有一定的坡度，因高爐內(nèi)具有一定的壓力，因此當(dāng)高溫熔渣進(jìn)入渣溝時(shí)具有一定的動能，直接沖刷高爐渣溝周圍部位耐火材料，如圖4（a）所示。為了滿足高爐高產(chǎn)的要求，常常兩個(gè)出鐵口同時(shí)出鐵，爐渣量增加，爐渣溫度提高，渣溝澆注料的使用環(huán)境日益惡劣，尤其是高溫熔渣在主渣溝、公共渣溝、小沖渣溝交匯處形成渦流，該位置由于受高溫熔渣的長時(shí)間、不間斷沖刷，損毀更快，如圖4（b）所示，需及時(shí)采用高爐渣溝澆注料對此處進(jìn)行重新澆筑，機(jī)械侵蝕是高爐渣溝損壞的次要原因，危害較大。

2.3   化學(xué)侵蝕

因高爐渣溝澆注料中含有Al2O3、SiC、C，而在煉鐵過程中造堿性爐渣，堿性爐渣與渣溝澆注料中酸性氧化物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，在高溫作用下形成熔融狀態(tài)被沖刷掉或變?yōu)橐簯B(tài)，進(jìn)入爐渣中，使渣溝澆注料失去結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成化學(xué)侵蝕。化學(xué)侵蝕不可避免，但是侵蝕速度極小，危害不大。

3.   高爐渣溝的改造

3.1   高爐渣溝U型鋼筋預(yù)制塊創(chuàng)新與應(yīng)用

公共渣溝實(shí)際長度為24 m，它是兩個(gè)相鄰主渣溝的高溫熔渣交匯后通往水沖渣池的必經(jīng)之路，由于受高溫熔渣的侵蝕長時(shí)間、不間斷沖刷，損毀更快。

為了避免對公共渣溝重復(fù)修補(bǔ)和澆筑，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察，根據(jù)公共渣溝原始圖紙研制一種高爐渣溝U型鋼筋預(yù)制塊，它的長度為2000 mm；寬度為1200 mm；高度為760 mm；凹槽深度為420 mm；重量為1.5 t。由Al2O3、SiC、C和少量水泥，利用模具振動澆筑成型，內(nèi)部設(shè)置鋼筋龍骨，吊裝環(huán)與鋼筋龍骨焊接成一體，預(yù)制塊本體為長方體形狀，等腰梯形凹槽縱向貫通鋼筋預(yù)制塊本體，等腰梯形凹槽為熔渣通道。

需要更換渣溝鋼筋預(yù)制塊時(shí)，首先把舊渣溝鋼筋預(yù)制塊從渣溝槽依次吊出，清理渣溝槽殘?jiān)缓?，把新的渣溝鋼筋預(yù)制塊依次吊入渣溝槽內(nèi)，首尾相連，各個(gè)渣溝鋼筋預(yù)制塊銜接處拍上石英砂，即可使用，如圖5所示。

3.2   高爐渣溝鋼筋“四岔口”預(yù)制塊的研制與應(yīng)用

以往，高爐各個(gè)出鐵口渣溝交匯處的施工，采用的是澆注料加水在攪拌機(jī)中攪勻，運(yùn)輸?shù)皆撐恢蒙戏絻A倒，先用振動棒將底部振實(shí)，然后對側(cè)壁進(jìn)行涂抹施工。由于此處形狀不規(guī)則，再加上渣溝澆注料有自流性，因此，施工特別困難。另外，澆筑施工總耗時(shí)約4.5 h，自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間至少12 h，施工完成后以小火烘烤72 h，然后用中火和大火各烘烤6 h，才能投入使用。

有時(shí)，為了爭取時(shí)間，渣溝澆注料未干透就急于使用，造成局部放炮，渣溝澆注料層侵蝕快，容易燒穿，需頻繁地進(jìn)行熱態(tài)修補(bǔ)，嚴(yán)重影響高爐正常生產(chǎn)。

為了解決上述技術(shù)問題，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，研制一種高爐渣溝鋼筋“四岔口”預(yù)制塊，先行預(yù)制存儲，需要時(shí)可以直接投入使用，免去了澆筑、養(yǎng)護(hù)、烘烤時(shí)間。以解決現(xiàn)有技術(shù)中渣溝局部放炮、渣溝澆注料層變薄需頻繁地進(jìn)行熱態(tài)修補(bǔ)甚至燒穿渣溝等嚴(yán)重影響高爐正常生產(chǎn)的問題。

高爐渣溝鋼筋“四岔口”預(yù)制塊，包括預(yù)制塊本體，由Al2O3、SiC、C和少量水泥，利用模具振動澆筑烘干成型，內(nèi)部設(shè)置鋼筋龍骨，吊裝環(huán)與鋼筋龍骨焊接成一體。預(yù)制塊本體為不規(guī)則立方體，處在高爐相鄰兩個(gè)出鐵場渣溝和一個(gè)小沖渣渣溝通往水沖渣渣溝的交匯處。該預(yù)制塊本體每個(gè)岔口的剖截面均相等，且熔渣通道均為倒等腰梯形凹槽結(jié)構(gòu)，四個(gè)岔口熔渣通道凹槽相互貫通預(yù)制塊本體。預(yù)制塊本體耐火澆注料整體性好，無貫穿裂紋；渣溝整體性能提高，有效防止渣溝滲漏生產(chǎn)事故；預(yù)制塊本體具有良好的熱震穩(wěn)定性，能承受反復(fù)升溫和降溫的考驗(yàn)，較好的保溫性能，避免爐渣熔液通過時(shí)溫降過快（如圖6所示）。

3.3   高爐渣溝鋼筋預(yù)制塊熱強(qiáng)度

當(dāng)熔渣通過渣溝時(shí)，渣溝澆注料襯受到高溫作用，水泥收縮，而Al2O3和SiC隨著溫度升高產(chǎn)生微小膨脹，兩者變形不協(xié)調(diào)使渣溝產(chǎn)生裂縫，強(qiáng)度降低。當(dāng)溫度達(dá)到400 °C以后，水泥中的Ca（OH）2脫水生成CaO，渣溝開裂，由常溫瞬時(shí)加熱到570 °C以上時(shí)渣溝澆注料體積發(fā)生突變，強(qiáng)度急劇下降產(chǎn)生炸裂。

渣溝澆注料內(nèi)加入鋼筋制造出高爐渣溝鋼筋預(yù)制塊，在鋼筋預(yù)制塊中鋼筋能承受由于彎矩作用而產(chǎn)生的拉力和壓力，能承受剪切力，能承受因渣溝澆注料收縮和溫度變化產(chǎn)生的壓力。鋼筋預(yù)制塊是鋼筋與渣溝澆注料共同承受壓力，而渣溝澆注料僅渣溝澆注料本身單一承受壓力，相同體積的鋼筋預(yù)制塊與渣溝澆注料，鋼筋預(yù)制塊承受的壓力要大得多，這是因?yàn)殇摻畹膹?qiáng)度比渣溝澆注料要大得多，而且致密性極高，一級鋼筋的強(qiáng)度是235 MPa，而渣溝澆注料凝固后一般強(qiáng)度為30 MPa，實(shí)踐證明這種鋼筋預(yù)制塊抗沖刷破壞（內(nèi)部應(yīng)力和溫差應(yīng)力、機(jī)械侵蝕）能力極強(qiáng)。

4.   高爐渣溝鋼筋預(yù)制塊改造的效果

改造后，由于有足夠的時(shí)間自然養(yǎng)護(hù)，預(yù)制塊致密度較高，透氣性好，使用過程中不易發(fā)生炸裂。制作方便，勞動強(qiáng)度低；高溫強(qiáng)度大，耐沖刷，抗侵蝕，抗氧化；抗熱震性好，不剝落和開裂。更換時(shí)節(jié)省澆筑、養(yǎng)護(hù)、烘烤時(shí)間，方便質(zhì)量控制，節(jié)能環(huán)保，可延長高爐渣溝整體使用壽命，滿足生產(chǎn)要求，節(jié)約成本。高爐渣溝故障率大幅下降，對新一號高爐高爐渣溝2020年以前（改造前）和2020年以后（改造后）平均故障率進(jìn)行分析，明顯看出，改造后高爐渣溝故障率大幅下降，如圖7所示。

改造前，高爐渣溝平均每7 d（其間需經(jīng)過無數(shù)次小修補(bǔ)）大修1次；改造后，高爐渣溝平均每21 d（其間無特殊情況不需要修補(bǔ)）大修1次，極大的保證了生產(chǎn)的順行。

5.   結(jié)束語

1）高爐渣溝鋼筋預(yù)制塊的改造與應(yīng)用，可延長高爐渣溝整體使用壽命，滿足生產(chǎn)要求。

2）高爐渣溝鋼筋預(yù)制塊制作方便，有足夠的時(shí)間自然養(yǎng)護(hù)，預(yù)制塊致密度較高，透氣性好，使用過程中不易發(fā)生炸裂，避免渣溝燒穿，為高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定順行和經(jīng)濟(jì)效益的提高，提供了保障。

3）可以分段更換，吊裝方便，避免了熱態(tài)修補(bǔ)時(shí)人工通過風(fēng)鎬、大錘、鋼釬等原始方法清理熱渣溝；交叉作業(yè)，減輕工人勞動強(qiáng)度，避免了熱態(tài)修補(bǔ)過程中安全事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]李亞偉. 耐火澆注料自損毀機(jī)理探討. 北京:冶金工業(yè)出版社,2018:35

[2]李紅霞. 耐火材料手冊. 北京:冶金工業(yè)出版社,2017:23

[3]過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東. 鋼筋混凝土原理和分析. 北京:清華大學(xué)出版社,2019:73

文章來源——金屬世界