马洪斌

(秦皇岛首秦金属材料有限公司)

摘 要：结合首秦2座高炉炉体冷却壁的使用及管理实践，阐述了1号高炉炉体冷却壁的破损原因和2号高炉炉体铜冷却壁的使用经验，并总结了首秦高炉炉体冷却制度的控制原则。

关 键 词：高炉；冷却壁；破损；冷却制度

首秦1号高炉(1200m3)于2004年6月6日开炉，2号高炉(1780m3)于2006年5月31日开炉。2座高炉炉体冷却结构设计不同，冷却壁破损情况也不同。1号高炉炉腹、炉腰、炉身下部冷却壁破损严重，2010年11月进行了整体更换，但2011年11月中修时观察，炉腹、炉腰、炉身下部的冷却壁破损又比较严重，大量冷却壁的水管已经露出；2号高炉炉体冷却壁保存完好，没有冷却壁破损情况。本文从2座高炉炉体的冷却结构设计出发，对炉体冷却结构进行了对比，阐述了1号高炉冷却壁破损分析，及2号高炉炉体铜冷却壁使用经验，总结了首秦高炉炉体冷却制度的控制原则。

1 高炉炉体冷却结构设计及开炉后生产情况

1．1 高炉炉体冷却结构设计

2座高炉炉腹及以上区域采用砖壁合一的薄炉衬结构形式，耐火砖内衬采用冷镶方式与冷却壁砌成一体。1号高炉冷却壁全部为铸铁材质，2号高炉第6、7、8段为铜冷却壁，砖衬和冷却壁之间采用燕尾槽连接，铸铁冷却壁和铜冷却壁燕尾槽深均为78mm；冷却壁与冷却壁之间的水平缝和竖缝采用捣打料进行填充和捣同。第6、7段采用SiC砖镶嵌，第8～11段采用Si3N4结合SiC砖镶嵌，炉身中、上部第12～15段采用磷酸浸渍的高密度黏土砖镶嵌，镶砖内面采用喷涂料进行喷涂保护。1、2号高炉炉体冷却结构设计分别见表1、2。

1．2 高炉开炉后生产情况

1号高炉投产以后，生产指标不断进步，煤比曾长期稳定在180～200kg/t。2号高炉开炉第三天产量完成4058t，利用系数2．28，达到设计产能，当月完成焦比349kg／t，取得了新建高炉投产快速强化冶炼的好成绩，开炉实践充分体现了薄壁炉衬高炉“接近操作炉型的特点”。1、2号高炉投产后前三年指标对比见表3。

2 高炉炉型及冷却参数对比

2．1 高炉炉型参数对比

首秦1、2号高炉与首钢2号高炉炉型参数对比见表4。

2．2 高炉冷却壁设备结构参数对比

高炉冷却壁设备结构参数对比见表5。

首秦1号高炉冷却壁为前排管和后排管，首秦2号高炉冷却壁只有前排管，首钢2号高炉铜冷却壁只有前排管，球墨铸铁冷却壁为前排管、后排管和凸台管(除第6段)。首秦1号高炉与首钢2号高炉冷却壁管间距一致，首秦2号高炉冷却壁管间距稍小。首秦1号高炉、首秦2号高炉与首钢2号高炉相比，冷却水管直径稍大。

2．3 高炉软水密闭循环系统冷却工艺参数对比

首秦1、2号高炉与首钢2号高炉相比，软水量较小，来水温度较低(见表6)。

2．4 高炉炉内喷涂造衬后的炉衬厚度对比

首秦1号高炉于2007年7月第一次中修炉内喷涂，2号高炉于2008年7月第一次中修炉内喷涂。3座高炉炉内喷涂后的炉衬厚度相比较，首秦2号高炉炉衬相对较薄，1号高炉炉衬相对较厚(见表7)。

3 首秦1号高炉炉体冷却壁破损

3．1 炉体冷却壁破损情况

随着高炉冶炼强度不断提高和炉体逐步老化，1号高炉炉体冷却壁损坏数量逐年增加。特别是进入2010年以后，经过6年的生产，炉体冷却水箱进入了加速损坏时期。截止到2010年11月，冷却壁更换前，炉体冷却壁共损坏93根，其中前排86根(第6段7根、第7段22根、第8段54根、第9段3根)，后排5根，未分段前排2根，主要集中在第7、8段冷却壁部位，均是高炉热负荷最大处。由于冷却壁破损严重，炉腹、炉腰多处出现了炉皮发红现象，被迫外加喷水冷却，对高炉的正常生产造成了严重威胁。1号高炉炉体冷却壁破损情况如图1所示。

3．2  球墨铸铁冷却壁破损机理

燃烧带形成炉料下降和煤气运动最活跃的区域，在循环区内煤气的温度高达2000℃以上。从循环区逸出的超高温煤气和渣铁流动对炉腹部位剧烈的冲刷。由于在炉腹、炉腰和炉身下部正是软熔带根部和焦炭焦窗的所在区域，软熔带气流分布的随机变化会引起炉腰和炉身下部相应的温度变化，温度的波动将引起耐火材料、渣皮的严重剥落。该区域的长寿主要取决于冷却设备是否能长期可靠的工作。

球墨铸铁冷却壁金相组织的基体是铁素体和少量的珠光体，生铁中的碳以球状石墨的形式存在，热导率比普通铸铁略低。当冷却壁受高温作用发生裂纹时，裂纹不向热影响区以外传播，允许的使用温度较高，通常以珠光体的相变温度760℃作为球墨铸铁冷却壁的允许工作温度。球墨铸铁冷却壁中珠光体所占的比例小于15％，由于组织内珠光体发生相变，将造成原来组织的破坏而导致裂纹。因此，球墨铸铁冷却壁的热面温度不能长期高于760℃，否则必然发生冷却壁的破损。炉腹、炉腰、炉身下部的热负荷较高，炉况异常时，若热负荷超过冷却壁最大承受能力，冷却壁热面温度上升至760℃以上，则易发生裂纹、变形，造成冷却壁破损[1]。

3．3 高炉操作对炉体冷却壁破损的影响

(1)煤气流分布的稳定。炉内边缘的不稳定煤气流，造成冷却壁热面温度的波动，使冷却壁急冷急热，冷却壁变形，进而破损。国内外冷却壁使用经验表明，球墨铸铁冷却壁急冷急热次数超过800次，就会出现破损[1]。1号高炉煤气流分布的稳定性长期偏差，高炉应寻求合理的布料模式与煤气流分布模式，提高煤气流分布的稳定程度，减少不稳定的边缘气流对冷却壁的破坏。

煤气流分布的稳定不单是强调边缘煤气的稳定，中心煤气或者边缘煤气的不稳定都将造成炉内渣皮的脱落。边缘煤气分布的稳定也不是边缘煤气温度越低越好，而是边缘煤气温度能够稳定、不剧烈波动。1号高炉十字测温温度分布的变化如图2所示。

(2)边缘煤气温度。在高炉冷却制度确定、稳定的生产状态下，冷却壁热面温度取决于炉内边缘煤气温度。高炉投产后，应防止因边缘煤气温度过高造成冷却壁热面温度长期高于其允许的工作温度，致使冷却壁过早破损。首秦1号高炉第4～15段冷却壁的热负荷8200kW(不包括后排管)，与2号高炉4~15段冷却壁的热负荷、首钢2号高炉第6～15段冷却壁的热负荷基本一致。首秦1、2号高炉十字测温温度分布的对比示意如图3所示。

3．4 炉体结构设计对冷却壁破损的影响

高炉炉腹、炉腰、炉身下部的球墨铸铁冷却壁处于软熔带的根部，工作条件非常恶劣，热流强度大。球墨铸铁冷却壁的热面温度不能长期高于760℃，一旦冷却壁热面渣皮脱落，冷却壁热面温度必然超出该温度。且球磨铸铁冷却壁热面不易形成渣皮，使该部位冷却壁长时间暴露在炉内高温煤气面前，这必然引起冷却壁的破损(球磨铸铁冷却壁热面形成渣皮大约需要1h，铜冷却壁热面形成渣皮大约需要15min)。随着高炉炉体设计、建造水平的进步，在高炉炉腹、炉腰、炉身下部使用铜冷却壁相对能够改变球磨铸铁冷却壁破损的状况。

3．5 高炉球墨铸铁冷却壁的技术管理

高炉需要监测炉身下部、炉腰、炉腹区域冷却壁壁后热电偶温度变化，重点关注温度沿圆周方向的均匀性及稳定性，大致了解渣皮厚度变化、渣皮脱落情况，来判断炉身下部、炉腰、炉腹该区域的炉型合理性及稳定性，为球墨铸铁冷却壁的维护奠定基础。1号高炉炉腹、炉腰、炉身下部炉型管控标准见表8。

3．6 小结

随着炉缸维护技术的发展，高炉炉体长寿尤其是炉腹、炉腰、炉身下部的长寿成为高炉长寿的制约性环节。边缘煤气温度是影响冷却壁热面渣皮稳定及厚度的主要凶素，高炉应寻求合理的布料模式与煤气流分布模式，提高煤气流分布的稳定性，防止因边缘煤气温度波动而造成冷却壁破损。

4 首秦2号高炉铜冷却壁使用经验

4．1 渣皮稳定性控制

炉内高度方向的渣皮稳定性，可大致反映炉内软熔带根部位置，及软熔带根部的异常变化，为炉内送风制度和装料制度的调整提供依据。2号高炉软熔带根部位置绝大部分时间在炉腰第7段铜冷却壁位置。若软熔带根部位置达到炉腹下部，尽量采取措施提高软熔带根部位置，否则极有可能造成未充分分离的生料下降到风口带，砸坏风口，或者软熔带根部以上位置不能及时形成渣皮来保护铜冷却壁；若软熔带根部位置过高，则炉内间接还原减少，不利于高炉降低燃料比。

炉内圆周方向的渣皮稳定性，特别注意圆周局部方向的渣皮频繁脱落，这说明在圆周方向上存在局部边缘气流，一方面脱落的渣皮滑落到风口带，造成风口损坏；另一方面渣皮脱落后，超高温煤气直接冲击铜冷却壁。因铜冷却壁热面易重新形成渣皮，就造成了铜冷却壁热面渣皮的反复脱落。

4．2 铜冷却壁高炉操作

使用铜冷却壁的高炉，若炉内存在铜冷却壁热面渣皮在圆周局部方向频繁脱落的现象，说明炉内中心煤气和边缘煤气都存在不稳定的可能性，必须及时稳定煤气流分布。

(1)中心煤气不稳定。伴随着压量关系的波动，料尺工作时快时慢，十字测温中心温度波幅大，这是由于中心煤气的过开引起的。过开的中心煤气引起了炉内上部块状带中心部位的频繁塌料，塌料的瞬间，煤气的部分通路丧失，炉缸初始煤气被迫从边缘薄弱部位寻找通路，边缘局部过盛气流使其所经过处的渣皮脱落。高炉需要必须及时调整装料制度，一则在料尺工作正常的情况下，适当控制中心煤气；二则可对边缘煤气适当疏导，使中心煤气与边缘煤气的比例协调。

(2)边缘煤气不稳定。一方面体现在初始边缘煤气不稳定，由于炉缸初始煤气向中心渗透困难，导致初始边缘煤气不稳定，出现边缘局部过盛气流，使渣皮脱落，高炉需要提高焦炭高温性能、调整上部装料制度疏导中心；另一方面体现在由于上部边缘矿焦比不均匀，对炉缸初始煤气及二次分布产生影响，在薄弱部位出现边缘局部过盛气流，使渣皮脱落。高炉需要调整装料制度，将炉料直接布到炉喉径向相应位置，使炉内对边缘矿焦比的控制能力增强。

4．3 高炉铜冷却壁的技术管理

铜冷却壁壁后热电偶温度更能反映软熔带根部大致位置，反映渣皮厚度变化、渣皮脱落情况，监测炉身下部、炉腰、炉腹区域冷却壁壁后热电偶，重点关注温度沿圆周方向的均匀性及稳定性，来判断该区域的炉型合理性及稳定性。2号高炉炉腹、炉腰、炉身下部炉型管控标准见表9。

4．4 小结

高炉炉腹、炉腰、炉身下部是高炉长寿的制约环节，在该部位使用铜冷却壁，依靠渣皮的保护，实现了高炉炉腹、炉腰、炉身下部的长寿。铜冷却壁热面的渣皮对炉内煤气分布的变化十分敏感，圆周方向局部渣皮频繁脱落危害极大，是炉内煤气分布不稳定的表现，必须及时调整、稳定煤气流分布。

5 高炉炉体冷却制度的控制原则

5．1 以确保冷却水速为出发点

在正常冷却条件下，冷却水流量调整的核心是合理的冷却水水速，确保冷却水与冷却壁道壁的对流传热系数保持在高水平，并且满足在极限热流强度下水温差不超允许值。按1号高炉设计计算，高炉后排管系统水量不宜低于270m3／min，前排管系统水量不宜低于1825m3／min，使两者最低限度满足1．5m／s的水速。按2号高炉设计计算，前排管系统水量不宜低于2280m3／min，使最低限度满足1．5m／s的水速。同样，冷却水流量无限制的提高对于渣皮厚度的影响也有限。

5．2 以稳定煤气流分布为基础

煤气流分布稳定性是指炉喉径向各点煤气流速随时间的变化情况，即高炉维持一定煤气流分布形态的能力，煤气流分布的稳定性决定了高炉是否能够实现长期的顺稳。高炉炉内渣皮的稳定性与炉内煤气流分布的稳定性、炉内边缘热负荷的合理性密切相关，其中炉内煤气流分布的稳定性是基础，降低炉内十字测温各点温度的波动幅度至关重要，稳定煤气流分布就是要提高高炉保持其煤气流分布形态的能力。首秦高炉煤气流分布波动管控标准见表10。

5．3 以控制合理热负荷为重心

冷却制度管理方面，以热负荷管理取代水温差管理。因为水温差管理是在以前水量相对稳定情况下的特殊产物，而在水量经常调整的情况，热负荷管理更为科学。若炉内出现在气流相对稳定的情况，热负荷低于管控标准，甚至经常下大块的现象，炉内可以考虑通过煤气流分布的调整来提高炉内边缘热负荷，适当减薄渣皮厚度。若炉内出现在气流相对稳定的情况，热负荷高于管控标准，炉内可以考虑通过煤气流分布的调整来降低炉内边缘热负荷，适当增加渣皮厚度。1、2号高炉冷却制度管控标准分别见表11、12。

6 结语

(1)随着炉缸维护技术的发展，高炉炉体长寿，尤其是炉腹、炉腰、炉身下部的长寿成为高炉长寿的制约性环节。高炉应提高煤气流分布的稳定性，防止因边缘煤气温度波动造成冷却壁破损。

(2)高炉炉腹、炉腰、炉身下部使用铜冷却壁，依靠渣皮的保护，实现了长寿，通过渣皮的稳定成为铜冷却壁高炉稳定、顺行的关键。高炉在炉腹、炉腰、炉身下部使用铜冷却壁，相对使用铸铁冷却壁在长寿方面更具有优势。

(3)高炉炉体冷却制度的控制应以确保冷却水速为出发点，以稳定煤气流分布为基础，以控制合理热负荷为重心。

7 参考文献

[1]   张贺顺，马洪斌，陈军．首钢3号高炉炉体冷却制度的初步研究[C]∥中国金属学会炼铁分会．2010年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集．北京：中国金属学会，2010：823—827