杜春松
（鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114021）
摘要：简要分析了影响高炉长寿的主要相关因素，提出必须加强工程管控、推行高炉长寿生产操作制度和重视依据日常监测结果对高炉进行的长寿维护工作，避免影响高炉长寿的不 利因素，实现一代炉龄 15~20 年的高炉长寿目标。
关键词：高炉；长寿；工程管控；生产操作；维护
中国钢铁经过过去 20 年的大发展，年产能已经越过 10 亿 t 大关，在不断追求经济效益的过程中，长寿高炉是众家追求的重点，也是现代高炉所要达到的目标。 但 2000 年以后，高炉炉缸烧穿事故又开始多起来，有的开炉几个月就造成炉缸烧穿，有的开炉 3 年左右就造成炉缸烧穿[1]，这样的情况可能在将来一段时间还会不时地出现。全国仅宝钢、武钢、首钢等先进企业的高炉一代炉役寿命实现了 10~15 年以上的长寿目标[2]。
目前高炉平均寿命还难于突破 7 年。为了提供一些具有参考价值的高炉长寿管控思想，本文简单叙述了影响高炉长寿的环节和因素，提出在工程建设时做到加强设计、采购、施工的管理与控制，后期生产操作上采用长寿操作制度，生产维护上做到早发现、早维护，减少不利于长寿的因素，以实现高炉一代炉龄达到 15 年以上长寿命的目标。
1 工程管控
工程管控是高炉长寿的前提及基础，建设单位选择的设计方、供货方、施工方在工程建设过程中所采用的方案及实施的效果直接决定了高炉是否具有长寿的野基因冶。设计采用的方案是否在特定的动力学、热力学冶炼条件下对气固液三相的破坏具有较强的抵抗性作用、 是否具有更强更广泛的高炉操作适应性、是否具备更加准确而及时的事故报警特征决定了高炉野基因冶的优劣；采购供货的设备材料是否达到了设计参数及指标是决定高炉的野骨架冶是否是按照设计的长寿野基因冶进行野孕育冶的关键；而施工则是工程的组建过程，在这个过程中是否将优良的实体按照正确的方式放在正确的位置也十分重要。
1.1 设计选择
在设计上要实现一代炉龄 15 年以上的长寿高炉，国内外专家认为高炉长寿设计思想主要体现以下几个方面。
1.1.1 高炉系统的同步长寿
高炉的长寿离不开其配套系统的稳定长寿，这些有机的外部系统能否长期稳定的服务于高炉冶炼直接影响高炉操作的波动。高炉操作波动频率对高炉的长寿影响很大，例如供料系统不能稳定提供原燃料的供应，便不可以实现连续布料生产，热风温度不能保持较小的波动，喷煤系统不能确保在风口区的均匀连续稳定喷吹，会造成高炉内的冶炼状况随时在被动变化。外部系统不稳定袁特别是频繁的变化，会给高炉带来被动的操作及适应，是影响高炉寿命的重大关联因素。所以组建设计团队做好外部系统设计也是关键任务。
1.1.2 高炉内型的选择
高炉内型是影响高炉一代生产效能的重要因素之一。 因此高炉内型尺寸的设计是一项重要的、需要丰富经验的技术工作。确定高炉内型主要尺寸的基本原则有三种院燃烧强度、冶炼强度和炉腹煤气量指数[3]。
在满足冶炼的条件下，尽可能采用小的炉缸直径，炉缸直径增大需增加鼓风动力需求，造成焦炭粉化且不利于中心发展，影响高炉顺行，推荐采用炉腹煤气量指数来确定炉缸直径[4]。 经验认为，炉缸截面积燃烧强度一般取值 1.00~1.25 t/（m2 ·h），计算得到的炉缸直径采用有效容积Vu /炉缸截面积进行校核，一般大高炉取值 22~28，中型高炉取值15~22，小高炉取值 11~15。死铁层深度适宜偏大，但过深的死铁层深度对下部炭砖不利， 一般取值范围在炉缸直径的 20%~25%。 炉缸高度一般为风口高度 hf +(0.4~0.8)m。
考虑炉缸区域铁液的漂浮力对炉缸炉底耐材的影响，炉缸炉壳应设置成圆锥台型，利用炉壳的斜度、陶瓷杯的环挡、风口中小套上部限制的作用，在炭砖尧陶瓷杯受热膨胀挤压、加热焙烧后形成较稳定的盛渣铁结构体。 图 1、图 2 分别为陶瓷垫长寿型炉缸和陶瓷杯长寿型炉缸。
炉腹角度是形成该区域下料漏斗形状的因素，适当减小炉腹角度有利于炉缸煤气流的排升、下料顺行、炉腹区域渣铁皮的挂靠，可以减弱边缘煤气流，对高炉长寿有益。目前大中型高炉炉腹角均减小至 74°~78°，但炉腹角减得太小不利于炉料的下降，会造成板结渣铁皮太厚，对边缘发展不利，不利于高炉顺行。高炉越大，炉腹角宜偏高取值。在确定适宜的炉喉直径以满足灵活布料的同时，必须先选择适宜的炉身高度及炉身角度。炉身角对煤气气流分布影响很大， 炉身角太大不利于煤气利用，会造成燃料比上升，且容易受到料柱磨损，影响寿命；炉身角太小容易在炉身中下部形成管道气流，不利于间接还原反应。因此需设置合理的炉身角及适宜的炉身高度，对满足煤气上升冷却体积减小、原燃料下降体积膨胀等各方面因素也有好处。炉身角一般取值 80.5°~83.5°之间，大高炉取偏小值，中小型高炉取偏大值；炉身高度占高炉有效高度的比值范围宜为 50%~60%。炉腰处于高炉软熔带区域，透气性差，需要扩大直径满足透气性，炉腰是炉身炉腹的连接带，能起到尺寸过渡作用遥 一般炉腰直径与炉缸直径比值范围为 1.1~1.2。
炉腰高度 1.2~3.0 m，大高炉偏取上限。根据炉容需求，可以通过调节炉腰的高度来调整炉容大小。
1.1.3 建立适应一定热冲击能力的高炉冷却体系
建立良好的冷却系统需要选择高效冷却设备和优质耐材炉衬，形成有效配合，炉体冷却器全覆盖，冷却要无盲区。根据炉内各区域热负荷特点，选择不一样的冷却器及耐材，在一定冷却强度下，形成稳定的导热系统，软熔带以下要形成具有一定厚度及粘挂强度好的渣铁皮，冷却强度的选择要适应高炉热负荷在一定范围内变化的要求。目前国内高炉冷却设施不论是卧式冷却壁还是竖式冷却壁，设计上一般采用冷却比表面积在 1.0~1.3的冷却壁，水速控制在（2±0.2） m/s 左右，基本能较好的满足冷却强度要求，也具有承受一定的热冲击能力。
图 3 为炉缸传热温度梯度示意图。热流强度的多层平壁理论计算一般参照式（1）进行。
式中，Q热为通过炉缸的热流强度，W/m2；T1 为陶瓷杯热面温度，℃；T 6 为冷却壁水管冷面温度，℃；Ii为每层材料厚度，m；λi为材料导热系数，W/(m·℃)。
实际的热流强度利用冷却水水温差进行计算，设计时可分区分段设置检测点，经验公式为Q热= 0.278（冷却水流量×水温差）/冷却器面积，炉壳热散失约 5%，一般不计入热。炭砖温度及冷却壁温度可作为热异常情况下检查排查的参考。要防止高炉炉缸烧穿，必须监控热流强度值防止其达到炉缸极限热流强度，炉缸极限热流强度是当高炉炉缸炭砖热面温度为 1 150 ℃，且炭砖剩余厚度 300 mm 时的热流强度[5]。 因炉缸耐火材料的导热系数和厚度、炉内热状态及冷却强度不同，高炉炉缸的热流强度是变化的。在达到炉缸极限热流强度之前，高炉必须采取措施，否则随时具有烧穿的危险。图 4 为炉缸炭砖厚度与热流强度之间的关系[6]。
热流强度检测控制值可以参照表 1 进行比对，不同高炉实践操作过程中根据炭砖导热性及厚度不同可不同取值。
1.1.4 设备材料的选择及配置
高炉本体区影响高炉长寿的主要设备材料为冷却器及耐材。目前我国广泛应用的冷却设备主要是铸铁冷却壁、轧制或铸造铜冷却壁和铜冷却板。按高炉使用冷却设备的情况不同，可分为全冷却壁高炉、全冷却板高炉和板壁结合高炉。全冷却壁工艺院炉腹及以上炉墙的支承条件不好，某部位烧蚀以后，容易造成上部耐材脱落，同时冷却壁损坏后不易更换。全冷却板工艺院炉壳开孔过大，降低了炉壳的强度；另外全冷却板的点式冷却，不能完全满足现代高炉高强度的冶炼要求。目前，采用冷却壁与冷却板相结合的冷却工艺效果较好。图 5 为板壁结合示意图。
对于大高炉，在风口处和炉腰处的薄壁内衬之间，可采用铜冷却板过渡，即在炉腹部位设置2~4 层铜冷却板，呈品字型布置，其上设冷却壁，在冷却板区域砌导热性好、抗热震性高耐材，砌体有冷却板支撑，不易塌落。
（1）在炉身中上部适宜选择冷却壁与耐材的镶嵌配合。选择具有抗磨损、抗冲刷、抗热震性能好的耐材作为冷却壁的镶砖，如中部可采用Si3N4-SiC 砖；上部可采用性能好的 Si3N4-SiC 砖。由于热负荷不算大，且侵蚀不严重，主要为煤气冲刷和炉料磨损，亦可采用浸磷酸粘土砖。
（2）在炉腹、炉腰、炉身下部高热负荷液相区选择导热系数大的冷却壁。经过快速导热将液相凝固等温线向炉内延伸，形成渣铁皮的自我保护。此区域可以弱化耐材保护作用，采用喷涂料，但考虑渣铁皮脱落对冷却设备造成的短期热冲击因素，建议在资金充足的情况下，采用强度高、热导率大、线膨胀系数小、化学稳定性高、耐磨蚀性好、抗氧化性好、抗热震性优异的 Si3N4-SiC 砖配高导热的铜冷却壁。
（3） 在炉缸区域选择冷却壁配置微孔、超微孔炭砖加陶瓷杯的结构体系。近年来也有许多设计取消了陶瓷杯，利用环炭加强冷却形成保护层实现护缸。目前炉缸形成以 SGL、NDK、兰炭大块炭砖和 UCAR 小块炭砖两个体系。大块炭砖是抗渣铁、抗碱金属侵蚀、高导热、抗氧化等各方面性能良好的内衬材料，加上陶瓷杯的低导热、高抗渣铁侵蚀性能结合，形成保温型长寿高炉；小块炭砖是采用导热性好、抗热应力强炭砖，通过薄炉墙及与其紧密接触的高效冷却系统，冷却形成渣铁皮而起到保护炉墙的作用，属于导热型长寿高炉理念。 由于小块炭砖设计时要求的冷却强度高、操作上炉缸温度频繁变化易造成渣铁壳破落频繁，加之小块炭砖与陶瓷杯的施工要求较高等因素，国内小块炭砖获得成功应用的高炉较少， 故最近几年高炉建设基本选择以大块炭砖为主。炉缸要解决好炭砖与陶瓷杯之间的热膨胀结构问题，做好炭砖砖缝及错层布置设计，防止铁水渗透及碱金属浸入；陶瓷杯与环碳之间碳素捣料、环碳与冷却壁之间的碳素捣料设计要确保开炉后热量的正常传输及热膨胀的吸收， 冷却壁与炉壳间的自流浇注料要防止煤气及漏渗水的流动，铁口宜采用冷却强度大的冷却壁， 砌筑要保证铁口深度；无陶瓷杯的炉缸要做好传热计算、对炭砖质量控制特别是抵抗热环裂性能要求更高，对操作也提出更加稳定的要求。
（4） 炉底区域设置炉底水冷管及石墨、半石墨尧炭砖、微孔炭砖、陶瓷垫的传热冷却体系。炉底炉缸传热体系冷却强度控制宜将 1 150 ℃等温线、炭砖脆裂 800 ℃温度线控制在陶瓷垫厚度范围内。
（5） 炉体设计要设置炉体耐材温度、冷却器温度、冷却水温度检测及报警体系。
1.2 采购控制
高炉系统设备材料的优劣是直接影响高炉长寿的因素，特别是一些关键设备材料如冷却壁、炭砖尧刚玉陶瓷、碳素捣料、冷却壁镶砖等，因此，采购不仅要做好选择、支付及催交，还包括了深入供货商的全部制造流程之中，控制所有的物质流按照设计参数及指标进行组建， 监察过程抽检及交货验收，最终达到各项性能指标并按期交货的全部行为。高炉内的关键设备均应列入 A 类采购计划，执行 A 类设备招标采购流程、合同授予、监造监制、过程抽检及出厂验收、包装运输、现场开箱接货、转运管理程序，确保各环节处于项目的可控范围。
常见高炉设备采购流程中容易出现的影响高炉寿命的相关问题有：
（1） 冷却壁铸造内部夹渣、 裂纹未被检查发现袁开炉后损坏。
（2） 冷却壁水管与壁体之间熔铸结合不实，存在气隙未被检查发现， 投产后冷却壁烧损袁漏水；铜冷却壁焊接进出水管焊缝未达标。
（3）炭砖石墨化程度不够，添加人工石墨、电煅烧温度不合格，焙烧温度不到位、不均匀，超微粉未形成微孔新物质、成分偏差等造成导热能力、抗侵蚀能力、抗压抗折未达到标准，成型压力低、加工精度低。
（4）耐材管理不善造成泡水、外形破坏等遥[5] 招标体系内恶意竞争，低价中标，无法保证产品质量的管理问题。
1.3 施工控制
合格的施工过程是将所有合格设备材料按照理论设计的数据以最小误差方式进行组装的过程。施工质量的好坏取决于施工方及监理方对图纸的理解程度及施工采用的工器具、作业条件等遥高炉本体筑炉质量的好坏直接影响一代高炉的炉龄，是高炉长寿的关键环节，高炉筑炉工程必须遵循野设计是前提、材料是基础、施工是关键、管理是保证冶的质量管理理念。
所有砌筑到场的耐火材料均要妥善保管，入库登记、检查验收、分类堆放、标识；炉底砌筑时宜用扁钢网格控制炉底找平层的标高和平整度；炉底炭砖用支承架砌筑，上下层炭砖中心线要偏差30°~60°进行砌筑，确保砌体的砖缝要符合设计规范要求；陶瓷杯垫采用野十字形冶砌筑；环炭及炉腰炉身砌筑时，要挂设炉体中心线，安装半径规，确保炉子的内型尺寸；铁口砌筑时，先砌筑铁口组合砖，再砌筑两侧砌体，确保铁口组合砖砌筑质量；风口、铁口、渣口、炉底、炉缸是高炉重要部位，砌体质量要求高，因此，必须对这些部位的砌体进行预砌筑确保各关键部位的砌筑质量。在砌筑炭砖时，要保证施工作业环境温度，施工速度要兼顾炭砖泥浆的凝固时间，防止抢工期造成砌体变位遥陶瓷杯与环碳之间碳素捣料、环碳与冷却壁之间的碳素捣料均需仔细捣实，捣实密度达到1.6 g/cm3 以上，确保开炉后热量的正常传输及热膨胀的吸收，冷却壁与炉壳间的自流浇注料施工要确保填充密实，防止开炉后漏出的煤气流带动碱金属的流动或冷却器漏水向下流动接触炭砖后对炭砖的损害。
高炉试水要注意防止炉顶打水及炉顶齿轮箱冷却水流入高炉炉缸，高炉烘炉完成后要进行冷却打压检漏，整改漏气、漏水的部位，确保开炉成功，防止投产被迫停炉的风险。投产后要先冶炼二周左右的铸造铁，使炉内炭砖泥浆焙烧到位、炭砖捣打料干燥，达到强度及导热指标后再提高产量，不能盲目追求达产交工。
2 生产操作维护
高炉稳定操作是高炉长寿的关键因素，为使高炉生产达到高效、低耗、长寿的目标，在高炉原燃料条件稳定的情况下，根据高炉设备的情况，制定出基本的操作制度，包括热制度、造渣制度、送风制度、装料制度，各项操作制度之间均有关联，在实际生产过程中，操作者在各种制度达到平衡后应该维持这种良好状态，当外部条件变化打破这种平衡后应该尽快处理，尽快恢复至新的稳定平衡点。由于生产情况复杂，外部影响因素众多，这种稳定操作只是一种理想的短时状态，而如何通过操作手段控制这种变化以及当变化已经发生后如何尽快维护生产达到新的平衡对高炉长寿来说十分重要。
稳定的外部条件及操作能使高炉装置处于一种稳定生产状态，稳定的热流强度能确保装置的温度变化小，热应变小袁炉缸、炉腹、炉腰形成的渣铁皮板结稳固，对其冷面以外的装置起到良好保护作用 ，每次炉况的波动都会带来渣铁皮的脱落风险，脱落部位热流强度变大，重新形成壳体之前对耐材进行侵蚀，冷却壁受到热冲击也会加快损害进程。
目前袁各企业都在追求高强度冶炼，保持高利用系数和大喷煤比，造成炉腹煤气量增加，此时需要适当发展边缘气流，分解炉腹煤气量，缓解高炉中心冶炼强度，保证高炉稳定。高强度冶炼条件下，操作要做好边缘气流发展与控制，使相应炉体冷却强度与边缘气流发展带来的热负荷变化配合，形成稳定的传热系统，确保渣铁皮保护层的稳固，高强度冶炼带来的边缘气流发展、下料速度加快增加的摩擦会加大炉身中上部的热流强度及煤气流、料流对镶砖、冷却壁的磨损。
2.1 高炉长寿操作制度
（1） 做好高炉下部送风制度，采用稳定的高送风比操作，实现炉腹煤气流均匀分布。 高炉下部送风经过操作调节，将高炉达到理想运行状态时确定的合适的炉腹煤气量、回旋区长度、鼓风动能等重要参数作为一项长期操作参考的坐标数据，从国内一些操作经验看，采用高送风比、风口延长、风口断面调整等技术能确保鼓风动能、较好的回旋区长度，能维持一定的透气性、透液性，相对减少边缘气流发展，降低煤气流冲刷侵蚀。冶炼强度提高带来边缘温度提升，能防止渣皮结厚造成的悬料及脱落坐料对炉缸造成的破坏。同时高送风比能保证中心发展，炉缸活跃，能让中心料柱温度升高熔融减小其体积袁缓解炉缸液态渣铁围绕死料柱形成的环流运动，对炉缸侧壁长寿意义重大。
（2） 调节高炉上部煤气流分布，采用灵活的布料方式，加强间接还原，实现煤气高效利用。高炉下部煤气流分布与上部煤气流调节有一定的关联性，煤气流向上流动过程中，由于布料阻损不同流场是变化的，布料制度是影响上部煤气流分布的关键。无料钟炉顶布料灵活多变，结合炉顶测温系统，可以实现任意布料组合，也可以针对单点布料， 操作实践中应根据高炉情况不同， 摸索确定各自的布料组合并随情况变化随时调整。基本布料理念应该是根据需要确定矿焦按比例层状分布布料，压制边缘，发展中心，形成边高中低的料面形状袁形成边缘、中心气流的稳定。边缘气流稳定能使高炉炉墙热负荷稳定，避免渣铁皮频繁脱落，同时减小冲刷，对高炉长寿十分重要。
（3） 制定高炉热制度袁确保铁水温度。操作中要将铁水温度控制在 1 480 ℃以上， 以便于确保渣铁有一定的流动性，避免炉缸热量不足。 铁水含Si 量宜控制在 0.3%~0.6%之间，以保持炉缸具有一定的活跃度。 炉缸活跃度是炉况顺行的重要指标，是高炉能长寿的重要表现。
（4）控制炉渣二元碱度。操作中炉渣碱度宜控制在 1.10~1.15 之间，控制炉渣 Al2O3 含量，保持适宜的镁铝比 0.45~0.60， 以确保渣的流动性，高碱度渣流动不好， 提升温度势必带来炉内软熔带位置变化，稳定热体系破坏，不利于高炉稳定，故应调节好适宜的碱度，控制好温度。
（5） 做好入炉原燃料管理。原燃料质量是高炉稳定顺行的基础。各高炉入炉原燃料条件情况不同，建议有条件的需适当控制入炉焦炭水分含量，反应强度，反应性指标等，控制入炉小块焦比例；控制烧结矿转鼓强度、低温还原粉化率，控制小于5 mm 烧结矿比例。要严格控制碱金属含量高的粉尘入炉循环，要定期排锌、钠等碱金属。国内众多高炉由于不重视排碱金属，造成其大量富集，与耐材反应使耐材体积膨胀 30%~50%，造成砌体损坏，炉底板上翘，使得高炉不得不停产大修。
2.2 高炉长寿维护处理
高炉生产状况复杂，除了采用有利于高炉长寿的操作模式外， 还应在不利于高炉长寿的情况出现时，立刻采取措施进行调节处理，弥补一些由于设计、供货、施工造成的先天性不足因素或操作过程中一些不可预见性带来的问题。
鞍钢集团朝阳钢铁有限公司是单高炉生产，从 2013 年开始炉缸温度升高，炼铁总厂持续关注高炉炉缸温度场的变化趋势，并采取了一系列稳定炉缸温度场的治理措施，建立了炉芯温度控制标准和炉缸侧壁温度控制标准，将高炉炉缸活跃度控制在合理范围内，高炉长周期稳定顺行，铁水质量显著提高，高炉生铁一级品率呈上升趋势，由 2011 年 的 63.60%提高至 2017 年的 97.59%[7]，炉缸管理实践效果良好。目前高炉炉缸温度控制在 300 ℃以内，利用系数在 2.3 以上，取得了护炉的成功。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼铁部1 号 4038 m3 高炉炉缸温度偏高，存在安全隐患，通过操作护炉措施，取得了很好效果，具体护炉措施如下：根据热制度将炉缸冷却水量由 2 400 m3 /h 增加到 4 800 m3 /h； 增加炉缸在线仪表监控数量；坚持精料方针，采用高温高钛操作法，既实现钒钛护炉，又确保了渣铁流动性好，实现了双高条件下的高炉顺行；采用全风全压配合双高操作发展中心冶炼，活跃了炉缸、减少了环流对炉缸的冲刷；通过固定铁口区域优质无水泡泥的打泥量，保证铁口深度 3.6~3.8 m，四个铁口轮换出铁。 通过以上维护措施炉缸温度得到有效控制，护炉效果良好，实现了长达 6 年的护炉期内，高炉安全稳定运行[8]。
1 号高炉护炉操作长达6 年时间，成功实现了采用护炉措施延长高炉寿命的案例。以上两个案例可以说明，护炉操作对高炉长寿具有重要作用，可以弥补一些先天不足或后期生产操作过程中产生的不利于高炉长寿的因素。根据不同案例，高炉的护炉措施不尽相同，需根据具体情况采用不同的护炉方案。
3 结语
高炉长寿可以大幅降低大修投资，提高生产效率，产生可观的经济效益，但要做到高炉长寿是 一个复杂的系统工程，环节很多，需要多方努力合作，把控好各个环节，避免各个阶段不利因素的产生，总的来说袁工程管控是基础，生产操作是关键，监控维护是保障。
参考文献
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