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高炉长寿技术浅析 臧红瑞，黄秀花，柳 祎 （邯郸钢铁集团有限责任公司，河北 邯郸056015） 摘 要长寿是现代高炉追求的目标，通过分析影响高炉长寿的因素，阐述了我国现代长寿高炉的设计思想以及高炉长寿装备的现状和发展趋势。 关键词高炉；长寿技术；装备；设计思想；发展趋势 中图分类号TF57 文献标识码A 文章编号1004-4620（2007）02-0019-03 Technology about Long Campaign of Blast Furnace ZANG Hong-rui, HUANG Xiu-hua, LIU Yi （Handan Iron and Steel Group Co., Ltd., Handan 056015, China） AbstractLong campaign of the blast furnace in modern times is the object that the worker of pudding always aspires. From some factors are analyzed effecting it, the author introduces equipment、designed and trend of development for long life of the blast furnace. Key wordsblast furnace; long campaign technology; equipment; design thought; development tendency 1 引 言 高炉长寿是现代高炉追求的目标，高炉长寿就意味着经济效益的提高。近几年，随着我国钢铁工业的发展，我国高炉的数量迅速增加，高炉容积向大型化发展，高炉的设计水平、高炉寿命都有了较大提高。国外先进高炉长寿水平较高，一代炉役（无中修）寿命可达15年以上，部分高炉达20年以上。日本川崎公司千叶6号高炉（4500m3）和水岛2号、4号高炉都取得了20年以上的长寿实绩[1]。最近，经过大修的部分高炉已将长寿目标定为30年。相比而言，我国高炉装备的长寿水平则较低，一般一代炉役无中修寿命低于10年，仅少数高炉可实现10～15年的长寿目标，其长寿总体水平与国外先进水平相差甚大。 2 影响高炉长寿的主要因素 2.1 高炉长寿的影响因素 高炉能否长寿主要取决于以下因素的综合效果一是高炉大修设计或新建时采用的长寿技术，如合理的炉型、优良的设备制造质量、高效的冷却系统、优质的耐火材料。二是良好的施工水平。三是稳定的高炉操作工艺管理和优质的原燃料条件。四是有效的炉体维护技术。这四者缺一不可，但第一项是高炉能否实现长寿的基础和根本，是高炉长寿的“先天因素”。如果这种“先天因素”不好，要想通过改善高炉操作和炉体维护技术等措施来获得长寿，将变得十分困难，而且还要以投入巨大的维护资金和损失产量为代价。因此，提高高炉的设计和建设水平，是实现高炉长寿的根本所在。 2.2 影响高炉一代寿命的关键部位 大量事实表明，影响现代高炉一代炉役寿命的薄弱环节主要集中在两个区域一是炉腹、炉腰至炉身中下部；二是炉缸区域（铁口、渣口又是炉缸的薄弱之处）。 2.3 高炉关键部位的破损机理 2.3.1 炉腹、炉腰及炉身中下部 炉腹的破损包括（1）温度波动造成的热震破坏；（2）高温热应力对炉衬的破坏；（3）熔渣和铁水的侵蚀；（4）上升煤气流及下降炉料的冲刷磨损；（5）碱金属及CO气体的化学侵蚀。 2.3.2 炉底炉缸 炉底、炉缸是高炉内衬破损严重的主要区域之一。一代炉役的寿命也主要取决于高炉炉底、炉缸内衬的破损程度。对于炉底、炉缸内衬的破损大致可概括为（1）铁水对碳砖的渗透侵蚀。铁水渗透到碳砖的气孔中，生成FexC一类的脆性物质，造成碳砖热面脆化，物理性能下降。（2）铁水环流的机械冲刷。出铁时，铁水环流冲刷碳砖热面造成碳砖的磨蚀，加之铁水环流的冲刷，两种破损作用是形成炉缸“象脚状”异常侵蚀的主要原因。（3）热应力对碳砖的侵蚀。（4） CO2、H2O等对碳砖的氧化。（5）熔渣对碳砖的冲刷和化学侵蚀。 3 现代长寿高炉的设计思想 从国内外近年大修或新建的高炉所采用的长寿装备技术来看，现代高炉的长寿设计思想有以下方面[2]（1）注重高炉整体寿命的优化设计，精心施工，确保高炉各部位同步长寿。（2）强调高效冷却设备和优质耐材炉衬的有效匹配，从炉底至炉喉全部采用冷却器，无冷却盲区，并针对高炉不同部位的破损特点，选用不同材质的冷却设备和耐火材料。（3）增加死铁层深度（达炉缸直径的20左右），以减少炉缸内铁水环流对炉缸侧壁的冲刷侵蚀。（4）在追求高炉长寿（炉役寿命15年以上和单位炉容产铁量1.0万～1.5万t/m3）的同时，也追求高利用系数（有效容积利用系数最高达2.5 t/（m3.d））、高喷煤比（喷煤量达200kg/t以上）等。（5）采用有效的技术监测、炉体维护技术。（6）注重高炉稳定顺行的工艺操作管理和使用成分稳定的优质原燃料。 4 现代高炉长寿装备发展趋势 4.1 采用全炉体冷却技术装备 我国近年来新建或大修后的高炉，都采用全炉体冷却技术装备，从炉底至炉喉全部采用冷却器，无冷却盲区，可实现高炉各部位的同步长寿。例如宝钢4号高炉、武钢6号高炉、鞍钢新1号高炉均采用全炉体冷却技术。 4.1.1 炉底、炉缸区域的长寿技术 为加强炉缸侧壁、特别是铁口附近区域的冷却效果，有一些高炉在铁口四周采用铜冷却壁（如武钢6号高炉、鞍钢新1号高炉等）。同时，在炉衬耐材方面，采用以下两种方法来获得炉缸长寿保护层一是强化冷却理论或热解决论，即采用全碳质材料炉底炉缸结构；二是碳质陶瓷材料复合炉底炉缸结构。 （1）全碳质材料炉底炉缸结构。主张高导热设计的薄壁炉衬结构，强调通过高导热系数的半石墨碳块将热量传递给冷却系统，从而实现热平衡。同时利用良好的导热性，在炉缸内侧壁部位降低工作面（热面）温度，并形成渣皮状附着物，将800℃等温线推至碳砖以外，保护炉缸内壁，实现炉缸系统的安全高效长寿。此类炉缸侧壁耐材使用具有高导热系数（600℃18.4W/m.K，20℃60～80W/m.K）的热等静压小块碳砖或超微孔碳砖，其透气度比普通碳砖低100倍。这样的低孔隙度能阻止铁水和熔渣的渗透，具有高抗碱性能，可吸收部分热应力。配以高效的水冷系统，能将炉缸的热流迅速传递给冷却系统带出炉外，降低了炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成一层稳定的凝结保护层，抵抗炉缸侧壁的“象脚形”侵蚀，使炉缸长寿。小块碳砖还能缓冲缸壁的径向热膨胀，能调节缸壁厚度上的差热膨胀，使大块碳砖常发生的环形裂纹大大减少。热压碳砖已在世界上300余座高炉的炉缸内衬上成功应用，炉缸的寿命都在10年以上。 （2）碳质陶瓷材料复合炉底炉缸结构。是采用绝热原理设计的厚壁结构，强调在采用高导热系数的热压小块碳砖或超微孔碳砖将炉缸热量传递给冷却系统的同时，通过在碳质炉衬内侧砌筑一层具有耐高温、抗渣铁侵蚀、耐冲刷和具有良好热震稳定性的陶瓷材料制成的陶瓷杯，将炉缸内的碳质材料与铁水及其它混合物分隔，从而在相当一段时间内杜绝了铁水对碳质炉缸的侵蚀，实现炉缸部位的安全高效长寿。我国的大部分高炉都采用了这种炉底炉缸结构。 高质量的微孔和超微孔碳砖是继热压小块碳砖得到推广应用后，又研制成的高质量的碳砖，其主要特点是体积密度、耐压强度、导热率更高，适合大型、高强度生产高炉的炉缸使用。美国UCAR公司生产的热压小块碳砖NMA、NMD（70石墨质）和德国SGL碳素公司生产的微孔碳砖（3RD-N）及超微孔碳砖（7RD-N）的理化性能指标见表1～4。 表1 美国UCAR公司NMA砖理化性能指标 项 目 年均值 典型值 保证值 体积密度/g.cm-3 1.61 1.59 1.53 显气孔率/ 18 常温抗压强度/N.mm-2 33 30 22 导热系数/W.K.m-1 17 13 9 灰分（含添加剂）/ 12 13 16 透气度（mda） 11 16 30 重烧线变化/ 0.1 表2 美国UCAR公司NMD砖理化性能指标 项目 年均值 典型值 保证值 体积密度/g.cm-3 1.82 1.80 1.74 显气孔率/ 16 常温抗压强度/N.mm-2 30 28 22.7 导热系数/W.K.m-1 60 55 45 灰分（含添加剂） 9 10 14 透气度（mda） 5 7 15 重烧线变化/ 0.1 表3 德国SGL碳素公司微孔碳砖3RD-N的性能指标 项 目 典型值 保证值 标准偏差 体积密度/g.cm-3 1.64 ≥1.61 0.04 显气孔率/ 15 ≤17 2 常温抗压强度N/mm2 55 ≥51 5 热膨胀系数/μm.K.m-1 2.9 ≤3.1 0.2 导热系数/W.K.m-1 12 ≥10 2 灰分（含添加剂）/ 20 耐碱度 U U ≥1μm孔隙比/ 4 ≤5 表4 德国SGL碳素公司超微孔碳砖7RD-N的性能指标 项 目 均 值 标准偏差 接受值 体积密度/g.cm-3 1.70 0.04 ≥1.67 显气孔率/ 15 2 17 冷抗压强度/N.m-2 55 5 ≥51 热膨胀系数/μm.K.m-1 2.6 0.2 ≤2.8 导热系数/W.K.m-1 17 2 ≥15 灰分含添加剂/ 22 耐碱度 U 含铁量/ 0.1 ≤0.3 ≥1μm孔隙比/ 2 ≤3 4.1.2 炉腹、炉腰至炉身下部区域长寿技术 炉腹、炉腰至炉身下部区域是整个高炉工况条件最恶劣的区域之一，炉料磨损冲刷、炉渣化学侵蚀、软融带根部反复上下移动产生的热震等破坏机制同时存在，特别是热震作用使任何耐材在此区域都难以长期维持存在，最终只能靠形成渣皮来保护冷却设备实现长寿最有效。因此，能否快速形成稳定渣皮是此区域选择冷却设备的关键条件。在此部位，我国近年新建和大修的高炉主要采用两种冷却设备，即铜冷却壁和铜冷却板。 （1）铜冷却壁。在此区域应用铜冷却壁能满足快速形成稳定渣皮的要求。铜冷却壁导热性好、冷却强度大，在冷却水量足够并稳定的条件下，工作时冷却壁体温度均匀，表面工作温度一般在40℃以下，并且能在其热面形成非常稳定的渣皮。即使高炉操作过程中发生渣皮脱落，也能在短时间（15min）内形成新渣皮。铜冷却壁一般不必外砌耐火砖，仅需在开炉前喷涂一层抗磨损的耐火喷涂料，其工程造价与采用铜冷却板相当。自20世纪90年代初以来，世界上已有50多座高炉采用了铜冷却壁，尚未发现有一根水管烧坏。铜冷却壁是迄今为止最彻底地贯彻自我造衬、自我保护设计理念的无过热冷却设备。我国近年来新建或大修的高炉绝大多数都采用这种方式。 （2）铜冷却板。基于“高导热、抗热震”理论的密集铜冷却板加石墨耐材炉衬结构是另一类在此区域应用比较成功的冷却系统。我国宝钢采用该冷却系统的1号、2号高炉常年在高冶炼强度下运行了10年以上，其炉腰部位的炉壳温度仍控制在30～40℃。铜冷却板特点为一是使用“高导热、抗热震”性能的石墨耐材内衬；二是使用密集布置的多通道冷却板结构，铜冷却板的间距为250mm和312mm，在不同高度上铜冷却板的长度有所差异。由于铜冷却板属于点式冷却，对耐材的冷却不均匀，形成的渣皮也不均匀、不牢固，冷却效果差的地方，耐材易被迅速侵蚀。随着耐材的侵蚀，铜冷却板的前端大部分裸露在炉内，熔融的渣铁很容易滴落到裸露的冷却板前端，极易造成冷却板熔损性烧坏；同时，使用冷却板后，高炉内不能形成平滑的操作炉型，冷却板将受磨损而损伤，特别在滑料、崩料时，这种损伤更为严重。冷却板的优点是可更换，但设备维护工作量大，增加生产成本。使用密集布置冷却板的高炉炉壳开孔太多且密集，不仅煤气泄漏点多，而且炉役期内炉壳局部温度过高将产生应力集中引发炉皮开裂事故。目前，采用冷却板形式的高炉数量不多。国内采用这种冷却设备的厂家有宝钢及鞍钢新1号高炉。 4.1.3 炉身中上部的冷却系统与炉衬耐材 软熔带以上的炉身中部，炉料温度达700～1000℃。随着喷煤量的提高，该区域的热负荷急剧升高，但此区域属干区，没有形成渣皮的条件，是炉衬磨损最严重的区域，是现代高炉长寿的难点之一。目前，这一区域主要采用第四代镶砖冷却壁结构，使砖壁合一，取消凸台，可以保证光滑的炉型。冷却壁主要选用球墨铸铁材质，镶嵌的耐火材料主要为碳化硅砖或氮化硅结合碳化硅砖，炉身上部采用磷酸浸渍粘土砖。 4.1.4 炉喉部位 炉喉钢砖严重烧损的主要原因是炉喉区温度的升高，造成钢砖出现龟裂、断裂等现象。为解决这一问题，近年来新建和大修的大型高炉都采用水冷钢砖，有效地解决了炉喉部位破损的难题。 4.2 普遍采用无料钟炉顶设备 我国目前新建或大修的高炉普遍采用无料钟炉顶设备。采用无料钟炉顶设备能实现高炉上部炉料分布及煤气流分布的灵活调节，通过控制煤气流分布来控制炉身热负荷，使高炉煤气流分布稳定合理，从而实现高炉长寿。 4.3 采用软水密闭循环冷却系统 由于软水密闭循环冷却具有安全可靠、耗水量少、能耗少、系统简化、投资少、占地小等优点，我国近年来新建和大修的大型高炉都采用软水密闭循环冷却方式。目前，软水密闭循环冷却又分为两种形式，即全软水密闭循环冷却（如武钢6号高炉）和高压工业水软水密闭循环冷却（如宝钢4号、鞍钢新1号高炉等）。 4.4 完善的监控设施 近年来我国新建和大修的高炉都采用比较完善的监控设施，如冷却水温差监测设施、高炉各部位温度监测设施、热流强度监测设施、冷却壁破损监测设施、高炉内衬侵蚀监测设施等。这些完善的监控设施为高炉操作者了解和掌握炉况变化、处理异常炉况、加强高炉操作、控制煤气流合理分布提供了可信的依据，为高炉长寿打下坚实的基础。 4.5 切实可行的炉体维护技术 炉体灌浆、炉衬喷补和加含钛物料护炉是延长高炉寿命的有效措施。尤其是近年开发出来的降料线喷补造衬技术配合冷却壁排管修复技术，可以代替中修，能够有效地延长高炉寿命。而加含钛物料护炉可以使侵蚀严重的炉底、炉缸转危为安，显著地提高高炉寿命。 参考文献 [1] 周传典,等.高炉炼铁生产技术手册[M].北京冶金工业出版，2002. [2] 张树勋，等.钢铁厂设计原理[M].北京冶金工业出版社，1994.