本钢新一号高炉主铁沟浇筑模具改造与创新

张守喜，刘庆涛

（本钢炼铁总厂，辽宁本溪117000）

1 引言

高炉主铁沟是渣铁及时排放的通道，它是高炉生产工序中的一个极为重要的环节，必不可少。本钢新一号高炉共有4个出铁场，主铁沟外壳设计为全风冷结构，所有主铁沟内衬均采用氧化铝微粉、氮化硅、有机纤维、水泥等一次浇筑成型。由于主铁沟结构设计上存在瑕疵，再加上高炉不断强化管理渣铁排放量迅猛增加，主铁沟每天流过铁量达1.1万吨，流过渣量超过3千吨，导致主铁沟内浇筑料侵蚀快影响高炉生产。主铁沟浇筑模具不仅决定了主铁沟内衬结构形状，同时也决定了主铁沟的壁厚，所以，对主铁沟浇筑模具改造很有必要。

2 主铁沟的结构及性能

2.1 结构

全风冷贮铁式主铁沟结构由钢甲、环冷通风道、永久层、耐火砖、浇筑料、炉渣排放口、撇渣器、残铁孔等组成（见图1），主铁沟采用钢板箱体夹层结构，钢板之间夹层空隙宽度为120mm，夹层之间分散设置垂直钢板拉筋，拉筋相互之间形成冷风通道，利用鼓风机作为风源对主铁沟钢壳进行冷却，防止钢壳变形。

图1 贮铁式主铁沟剖面图

2.2 性能

全风冷贮铁式主铁沟设计长度为22m、浇筑后宽度为1.45m、坡度为5°、最大深度为1.5m。铁次之间，主铁沟内部存储60t高温熔融渣铁，此时红铁表面凝固成硬壳，确保下次连续出铁时内部渣铁不会凝固。由于铁的密度大于渣的密度，渣铁流经撇渣器时铁水从大闸底部流进铁罐，炉渣从撇渣器上部流进冲渣池。主铁沟浇筑料的理化技术指标如表1所示。

表1 主铁沟浇筑料的理化技术指标

3 主铁沟破坏机理

3.1 机械侵蚀

高炉出铁口高出主铁沟水平面300mm，且主铁沟具有5°的斜坡，高炉顶压为0.24MPa。

出铁时，渣铁带压从出铁口喷射而出，直接冲击主铁沟周围各部位浇筑料，并且形成涡流集中冲刷侵蚀落铁点周围浇筑料，造成耐火材料颗粒脱落形成机械侵蚀，它是主铁沟破坏的最主要原因,危害极大。

3.2 化学侵蚀

因主铁沟浇筑料中含有氧化铝微粉、氮化硅、有机纤维、水泥等部分属于酸性材料，而炉渣属于碱性材料，两者相遇不可避免的发生化学反应生成化合物和水形成化学侵蚀，化合物从浇筑料中分解出来形成炉渣，水分高温气化蒸发掉，化学侵蚀速度极小，危害不大。

3.3 温差应力

出铁时，渣铁带压从出铁口喷射而出时温度大于1,450℃，出铁间隔期间，主铁沟暴露在室外，出铁过程中存储的热量由外向内渐渐降低，由于温差作用主铁沟产生内应力，使浇筑料产生开裂或裂缝，加剧侵蚀。

4 模具改造

4.1 主铁沟炸裂及隔热罩烧毁原因

出铁间隔期间，主铁沟裸露在室外，渣铁自身携带的热量由外向内渐渐降低，由于温差作用主铁沟钢结构产生内应力造成连接焊缝胀裂，拉扯浇筑料产生开裂或裂缝，如图2所示，加剧破坏，缩短使用寿命，一般只用3～5天就必须上补，最短的甚至每出铁间隔期间修补一次，增大了炉前维护工人的劳动强度。

图2 主铁沟浇筑料爆裂导致钢甲开裂

另外，主铁沟内部耐火材料被渣铁侵蚀掉后，造成主铁沟宽度增加，隔热罩外壳钢结构距离渣铁太近，烧毁隔热罩，导致主铁沟隔热罩更换频繁维修，增加维修和备件成本，如果该隔热罩严重烧毁无法移动，如图3所示，将造成铁口堵不上铁水外溢事故。

图3 主铁沟内部侵蚀后导致隔热罩外壳烧毁

4.2 主铁沟浇筑模具改造创新

现有的高炉主铁沟浇筑模具结构如图4a所示，它是用0.01m厚钢板焊接而成箱体结构，长:22m，宽：1.45m，前高：1.0m，后高：1.1m。用它浇筑的主铁沟（见图4b），从图4b可以看出整体主铁沟的耐火材料层厚度均为0.325m，由于落铁点附近的浇筑料层较薄，抵抗冲刷侵蚀能力较弱。另外，主铁沟隔热罩盖在主铁沟上，主铁沟两侧被铁水冲掉后，造成主铁沟跨距加宽，隔热罩内壁耐火材料距离渣铁太近，冲刷速度加快，导致主铁沟隔热罩烧毁，频繁维修和更换，增加维修和备件成本，为了改变这种不利状况，对现有的主铁沟浇筑模具结构进行创新改进。

图4 现有的主铁沟浇筑模具及用它浇筑的主铁沟示意图

通过对高炉主铁沟实际使用状况条件及频繁损坏原因进行分析，查明问题的主要原因是：主铁沟浇筑模具的原始设计、结构形状方面存在严重问题。根据《液压流体力学》流量控制原理，对主铁沟浇筑模具进行局部创新，如图5a所示，用改造后的主铁沟浇筑模具浇筑的高炉主铁沟，如图5b所示，落铁点两侧位置的浇筑料比原来加厚0.15m，并形成5.5m长流量阻尼节流口，作用是当渣铁通过该阻尼节流口产生减压，降低渣铁动能，减小对主铁沟内壁的撞击力，进而减小对主铁沟浇筑料的机械侵蚀。

图5 改造后的主铁沟浇筑模具及用它浇筑的主铁沟示意图

4.3 铁水具有的动能计算

改造前、后的主铁沟浇筑模具浇筑的主铁沟平面图（见图6），根据《液压流体力学》原理，已知高炉容积：4,747m3,利用系数：2.27～2.41，在这里利用系数取2.3，由于高炉昼夜连续出铁，铁口直径：φ50~φ60mm，则由公式可得：

图6 主铁沟浇筑模具改造前、后浇筑的主铁沟平面图

铁口的平均流量：

铁水的平均流速：

渣铁从出铁口流出时的动能：

渣铁经过5.5m长节流口的动能：

渣铁经过5.5m长节流口后的动能损失为：

式中Q——铁口的平均流量

V——铁水的平均流速

ρ铁——铁水密度

D——铁口直径

l——阻尼长度

λ——摩阻系数（常数）

d——阻尼宽度

E1——铁水具有的动能

E2——铁水流经阻尼长度后具有的动能

根据上述计算可知，渣铁经过5.5m长阻尼节流口后，它的动能损失掉0.57N·m，说明渣铁粒子对主铁沟浇筑料的撞击（机械侵蚀）冲击动能减小0.57N·m，主铁沟其余16.5m长度的使用寿命得到保护，实践证明这种高炉主铁沟抵抗冲击（机械侵蚀）能力极强。

5 改造效果

解决了浇筑料薄厚不均、铁次间隔期间温差大，受热不均，出现炸裂现象。避免经常修补，减轻工人劳动强度，满足高炉要求。改造后主铁沟故障率大幅下降，对新一号高炉3#出铁场主铁沟2018年（改造前）和2019年（改造后）故障率（见图7）进行分析，明显看出，改造后主铁沟故障率大幅下降。

图7 主铁沟浇筑模具改造前、后故障率对比

改造后提高了隔热罩的使用寿命，维修成本大幅度降低，对主铁沟浇筑模具改造后，防止了隔热罩内壁浇筑料与渣铁接触太近侵蚀快，提高了隔热罩的使用寿命，保证高炉的正常生产。对新一号高炉3#出铁场主铁沟2018年（改造前）和2019年（改造后）隔热罩使用寿命（见图8）进行分析，明显看出，改造后隔热罩使用寿命大幅提高。

图8 主铁沟浇筑模具改造前、后隔热罩的使用寿命对比

6 结论

（1）主铁沟浇筑模具的改造，提高了炉前设备的使用水平，充分挖掘了设备本身具有的潜能，每年可降低备件、材料采购费用368万元。

（2）主铁沟浇筑模具改造后，防止了主铁沟隔热罩内壁耐火材料与渣铁接触太近侵蚀快，提高了主铁沟隔热罩的使用寿命，寿命比原来延长3倍。

（3）高炉主铁沟工作寿命延长，改造前主铁沟工作寿命为40天，改造后，主铁沟工作寿命为80天，避免经常修补，减轻工人劳动强度。