王维兴

2014 年新修订的《高炉炼铁工程设计规范》中规定:高炉一代炉役的工作年限应达到15 年以上。在高炉一代炉役期间，单位高炉容积的产铁量应达到或大于1 万吨。目前，我国绝大多数高炉没有达到上述目标，特别是一些中小高炉寿命普遍处于低水平阶段。所以，努力提高我国高炉寿命，是炼铁界的一个十分重要的任务，也是提高高炉生产效率和经济效益，实现炼铁系统节能减排的重要手段，应当引起钢铁企业各级领导的高度重视。

2014 年7 月国家建设部和质量监督检验检疫总局联合发布了《高炉炼铁工程设计规范》(GB50427-2014)。其中有不少内容是与高炉实现长寿有关，特别注重整体的高炉长寿优化设计，进行全方位的改进，实行综合治理，高效冷却设备与优质耐火炉衬的有效匹配，确保高炉各部位的同步长寿；使用质量稳定的优质原燃料，保证高炉生产稳定顺行；在降低炼铁燃料比的前提下取得高产；采用有效的监测和维护手段是实现高炉长寿的重要保证。

高炉炉型设计的合理性，是实现高产、优质、低耗、长寿和环保的重要条件。炼铁工作者要通过各种措施，努力使工作炉型能够维持长久，就可以使高炉长寿，实现高炉生产的高效化。目前，我国高炉设计倾向于设计“矮胖型”高炉，推荐采用薄壁高炉内型尺寸，多风口，深死铁层，采用软水密闭循环冷却设备等特点。

1 提高精料水平，促进高炉长寿

高炉炼铁是以精料为基础，精料水平对高炉生产指标的影响率在70%左右，对高炉长寿的影响也是十分重要的。

入炉料含铁品位高是精料技术的核心，高品位会带来巨大的经济效益，特别是吨铁渣量低于300kg/t 以下时，不但有利于提高喷煤比，提高炉料的透气性(特别是软熔带)，使煤气流分布均匀、稳定，减少边缘煤气流对炉墙的冲刷，促进高炉长寿。目前，我国红矿选矿技术已过关。对于吃百家矿用低品位原料的企业，应当添加选矿设备，将低品位矿进行再选，会使高炉的效益倍增。可以有效地减少渣量，降低炼铁燃料比。

近年来，我国炼铁炉料中有害杂质含量有明显的上升趋势，造成一批高炉风口区砖上翘，炉身上部结瘤，严重影响了高炉正常生产和高炉的长寿。要严格控制入炉料有害杂质含量，对于含有害杂质高的尘泥(烧结机头除尘灰和高炉布袋除尘灰)应当进行预处理，再进行综合利用；或将这些灰添加石灰造球、干燥，再加入到转炉中(使用比例是炉料小于5%，避免出现沸腾)，切断有害杂质回到高炉的循环链。

2 高炉用耐火材料的选择

高炉砌体的设计应根据炉容和冷却结构，以及各部位的工作条件选用优质耐火材料。耐火材料质量的选择和砌筑质量对高炉寿命有极大的影响。不同容积的高炉和高炉不同部位要选用不同的耐火材料。提高炉缸、炉底和炉身中、下部砌筑质量是延长高炉寿命的重要条件。在购买耐火材料时不但要有冷性能，还要有热性能以及使用寿命的保证。高炉砌体设计应根据炉容和冷却结构以及各部位的工作条件合理选用耐火材料。风口带宜采用组合砖结构。炉缸、炉底应采用碳砖或碳砖与陶瓷材料复合式结构，并采用优质碳砖砌筑。高炉采用的优质碳砖，除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热系数、微孔率、抗铁水侵蚀性等指标的要求。

2.1 炉身上部

炉身上部宜采用镶砖冷却壁。炉身上部砖衬会受到炉料下降的冲击和磨损，还会受到煤气流上升时的冲刷，同时还有碱金属、锌蒸气和沉积碳的侵蚀等。为此，该部位选择高致密度的黏土砖或磷酸黏土砖或高铝砖。炉身上部宜采用镶砖冷却壁。该部位要用球墨铸铁冷却壁代替支梁或水箱，可明显改善这一区域的冷却条件，可以较好地维护该部分炉型，达到延长高炉长寿的目的。

2.2 炉身中下部和炉腰

本部位宜采用强化型铸铁镶砖冷却壁、铜冷却壁或密集式铜冷却板，也可采用冷却板和冷却壁组合的形式。这区域的炉衬主要是受碱金属、锌蒸气和沉积碳的侵蚀，初成渣侵蚀，炉料和炉墙热震引起的剥落和高温煤气流的冲刷等。该部分宜采用超高氧化铝耐火材料，如刚玉莫来石砖、铬铝硅酸盐结合制成的耐火砖；半石墨化——碳化硅砖、Si3N4-SiC 砖、铝碳砖或高铝砖。碳化硅砖具有导热系数高，抗热震性好的特点，适宜在炉体中下部使用。

过去，炉身下部和炉腰采用高质量耐火材料，来抵御高温和化学侵蚀。近年来，该部位采用铜冷却壁，对热量进行疏导，让铜冷却壁形成稳定的渣皮来保护冷却设备，实现高炉的长寿。在开炉时，在铜冷却壁之外砌筑一层厚50cm 的耐火砖或不定型耐火材料，就可以使该部分的使用寿命在15-20 年。铜冷却壁的导热性好，冷却壁体温度均匀，表面工作温度很低，一旦渣皮脱落，也能快速形成稳定的渣皮，淡化了高炉内衬的作用，有利于采用薄壁结构。所以，采用铜冷却壁，对延长高炉寿命有着明显的效果，已经得到国内外炼铁界的普遍认同。但铜冷却壁价格高，在高冶炼强度下，一些高炉也出现过不同程度的问题。宝钢湛江5000m³ 级高炉就不使用铜冷却壁。

高炉采用优质碳化硅砖，除提出常规性能指标的要求外，还应提出导热率、抗渣性、热震稳定性、抗氧化性、线膨胀系数等适宜炉身中、下部工作的指标要求。炉腹宜采用铸铁冷却壁或铜冷却壁，也可采用密集式铜冷却板或铸钢冷却壁。

炉腰和炉身中、下部的冷却设备宜采用强化型镶砖铸铁冷却壁、铸钢冷却壁、铜冷却壁或密集式铜冷却板，也可采用冷却板和冷却壁相组合的薄炉衬炉体结构形式。

高炉砌体设计应根据炉容和冷却结构以及各部位的工作条件合理选用耐火材料。风口带宜采用组合砖结构。炉缸、炉底应采用碳砖或碳砖与陶瓷材料复合式结构，并采用优质碳砖砌筑。高炉采用的优质碳化硅砖，除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热率、抗渣性、热震稳定性等适宜炉身中、下部工作的指标要求。

2.3 炉缸、炉底

《高炉炼铁工程设计规范》中提出:高炉炉底宜采用水冷，炉缸、炉底侧壁应设置有效冷却设施，宜采用炉壳开孔少、界面少、容易施工、传热可靠的冷却方式。采用冷却壁方式时应注意冷却壁间及冷却壁与碳砖间的不定形材料的选择和施工方法的选择，防止生产过程中出现气隙，影响炉缸的传热体系工作效率。

炉缸、炉底应采用全碳砖或复合碳砖炉底结构，并采用优质碳砖砌筑。大型高炉采用碳砖、SiC 砖对延长高炉寿命极为重要。在采用铜冷却壁之后，高炉长寿的薄弱环节已从炉身中下部、炉腰、炉腹转移到炉缸部位，所以延长炉缸寿命已成为高炉长寿工作的重点。近年来，我国一批高炉出现炉缸水温差升高的现象，甚至烧穿，应当采取综合措施，解决这方面问题。

高炉采用的优质碳砖和碳块除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热系数、透气度、抗氧化性、抗碱性、抗铁水侵蚀性等指标要求。风口带宜采用组合砖结构，一般使用刚玉莫来石砖或棕刚玉砖，也可用热压碳砖NMA 或NMD 砖。

目前，国内外高炉均已采用高导热碳砖、微孔碳砖和陶瓷垫结构。高喷煤比的高炉，在操作上强调要活跃炉缸中心，又要求炉底中心要保持适当的温度。因此，人们逐渐重视陶瓷垫的阻热作用，也重视陶瓷垫寿命的提高，希望能获得适中的炉底中心温度。

带炉底冷却的综合炉底是比较合理的结构。在冷却管上有碳捣层，其上面砌上2-3 层碳砖。对于不同部位要使用不同性能的碳砖。铁口以下是容易受到严重侵蚀的地方，要用抗渗透性高的微孔碳砖；炉底的最底层要用具有高导热性的碳化硅砖；其他部位采用普通碳砖或微孔碳砖。对于铁口以下的炉底周边碳砖的长度要增大，以提高其抵抗铁和碱金属对此处的强烈渗透和侵蚀能力；砖与砖之间的缝隙，要将宽缝改为细缝(<0.5mm)进行砌筑。

对于有“陶瓷杯”的综合炉底结构，学术上有争议。一些人认为“陶瓷杯”的作用大，应予加强；另一些人认为，“陶瓷杯”在一定时间内会消失掉，碳砖是起主导作用的，在炉缸侧壁也使用高抗铁水渗透和高导热性、高密度的压小块碳砖。总体上评述，两种方式各有优缺点，均可实现高炉长寿，经济代价有所差异。

高质量的微孔、超微孔碳砖(高密度的碳化硅砖是在大于1400℃，8 小时以上条件下焙烧)和压小块碳砖得到推广之后，我国高炉寿命得到显著提高。

美联碳生产的小块微空碳砖，热压成形，未经高温焙烧，就其本质来说是类似于我国自烧碳砖，它适用于全碳结构，不适用于陶瓷杯结构；如将其用于陶瓷杯结构，碳砖就没有焙烧的机会，一旦陶瓷杯损坏，铁水接触碳砖就易造成溶蚀而出现漏铁或烧穿事故；如用在全碳结构，碳砖可得到自焙烧，砖质量好，砌筑规范，可以使高炉长寿，宝钢3 号4350m³ 高炉用它，炉龄达到19年。我国自产的这种热压微孔小块碳砖，并不比美联碳的差，但部分高炉的寿命短，其原因在于砌筑质量差，也就是筑炉管理缺失或不到位，砌筑用浆不当，砖缝过大造成投产后出现气隙，甚至铁水沿砖缝渗透。国内大中型高炉基本上是否定了采用炭料捣打炉底，自焙烧制碳砖的工艺技术。

3 炉衬砌筑

目前，影响高炉内衬砌筑质量的主要问题是各部位砌体的砖缝实际控制值，特别是炉缸、炉底砖砌筑质量的高低，对高炉长寿的影响较大。表1 为高炉各部位砌体砖缝厚度。

4 高炉炉体冷却系统

高炉炉体、炉底宜采用软水密闭循环冷却。在水源充足、水质好的地区也可采用工业水开路循环冷却。对高炉炉衬必须要进行冷却。冷却的作用:一是降低耐材的温度，使其保持一定强度，可以维持合理的操作炉型，实现延长高炉寿命和安全生产；二是促使炉衬形成保护性渣皮、铁壳和石墨层，保护炉衬并代替炉衬工作；三是保护炉壳及金属构件，免受高温的影响及减少破损；四是冷却设备起到支撑部分炉衬。

4.1 冷却介质种类

《高炉炼铁工程设计规范》中规定:以江河水、湖水等地表水为原水，经常规处理产生低硬度的水时，高炉可采用开路循环冷却水系统。在水质硬度高或较高的地区，应对生产新水进行软化，并应采用软水密闭循环冷却系统。在气象条件允许的地区，宜采用空气冷却器冷却循环水。

软化水:将钠离子经过离子交换剂与水中钙、镁离子进行转换，即软化处理，去掉钙、镁离子，降低水的硬度，获得软化水。

4.2 冷却方式

《高炉炼铁工程设计规范》中规定:高炉炉体、炉底应采用软水密闭循环冷却。在水源充足，水质好的地区可采用工业水开路循环冷却。铸铁冷却壁要求水质的含氧量低。

高炉应根据不同用水水质和压力要求，分别设置供水系统，并应根据不同水质和水温的要求串级使用。炉底的冷却被整合进行有回路的回形管中，要有一个膨胀罐。在流量控制及泄漏检测中，应使其波动达±0.3%的程度。

实行分段供水:大高炉采取炉底冷却、铁口区冷却、软熔带冷却，炉身的冷却分开进行。

4.3 热流强度和冷却水量

热流强度是指冷却介质从每平方米冷却面积所带出的热量。高炉的冷却面积应以炉壳内的表面积为依据进行计算。

用冷却壁内表面作为冷却面积进行计算。高炉热流强度最大的区域在炉身下部。炉身下部的热流强度是随着砖衬侵蚀程度而有很大的变化。在砖衬被完全侵蚀掉，或因操作条件变化造成渣皮脱落时，该部分热流强度会剧烈上升。这时表现出的数值为最大热流强度值。开炉初期冷却设备所承受的是最小热流强度值。

系统的最大负荷是各区段热流强度的最大值与它们面积乘积的总和。它是确定冷却系统能力的主要参数之一。

铜冷却壁使用工业水冷却时，其水速必须大于2m/s，水.的硬度必须小于8，避免产生硬质垢并需定期进行杀菌无藻。在采用软水或纯水冷却时，则要求水速大于15m/s。

炉体冷却水压力要比炉内压力高0.1MPa 为宜。为防止水中悬浮物沉积，最低水速应大于0.8m/s。高炉风口冷却水速大于7.2m/s，2000m³ 以上容积的高炉风口冷却水速大于9m/s。高炉炉体冷却用水量是用每立方米有效容积每小时消耗水量来表示。高炉有效容积越大，单位容积小时耗水量会相对减少。

4.4 安全供水

《高炉炼铁工艺设计规范》提出:高炉必须设置安全供水系统。并被列为强制性条款，严格要求。安全供水泵的定量为定额循环量的50%，扬程与电动循环泵相同。要求柴油机启动时间15-30s。

冷却水的压力取决于冷却器的水阻损和炉内压力。立式冷却壁的总阻损每米管子可考虑为0.27-0.78kPa；高炉平台回水槽水箅处最低水压必须保持比风压高50%。

4.5 水温和水温差

高炉各部位的热流强度与水速、水温、进出口水温差有着直接关系。进水温度是与大气温度和回水状态有关，一般企业是:夏天为30-35℃，冬天为23-25℃。

4.6 水冷炉底

水冷炉底较风冷炉底冷却强度大，能耗低。目前，国内外大型高炉普遍采用水冷炉底形式。其供水方式有两种:一种由炉缸排水供给，另一种为由炉体给水总管供水。

5 高炉炉体维护

对炉体各部位炉衬进行监测，控制炉内煤气流的边缘发展，进行喷补炉衬和科学维护等手段均有延长高炉寿命的效果。

5.1 建立完善的监控设施

目前，大部分高炉是用人工监测。水温差是直接反映出相应部位冷却壁承受热负荷的状态，可判断炉衬破损的情况。因此，要求每个班均要对冷却壁水温差变化进行观察记录，及时进行分析。对超过允许范围水温差变化部位要及时采取相应措施。尤其是炉缸部位的水温差升高要及时进行科学判断，可采取清洗冷却壁，提高供水压力，增加供水量，减少冷却壁供水串联数量等措施。对冷却壁水温差值超过规定值时，可堵相应部位风口，布料适当加重边缘矿石，改用新水强化冷却；甚至于提高炉温，进行钒钛矿护炉等措施。

5.2 冷却设备破损监测和处理

冷却设备破损后漏水会直接影响到炉缸碳砖的寿命。碳和石墨在氧化气氛中可氧化成气态，400℃就能被氧化，500℃和水发生气化作用，700℃时开始和CO₂ 发生反应，均生成CO 气体，而使碳砖破损。碳化硅在高温条件下也会缓慢发生氧化作用。炉缸中漏水，是氧的主要来源。不少大修后发现炉缸碳砖破损严重的部位，大多数是在生产过程中曾有过漏水记录。所以，对于冷却设备漏水，一定要及时处理。

冷却壁损坏严重时，可在相应部位插入冷却棒(柱形铸铜冷却器)，压入硬质耐火泥，可维持高炉正常生产。冷却壁大面积破损，可在中修时进行更换。新冷却壁背后要灌浆，表面要喷涂一层耐材，防止出现板间的间隙。对已坏冷却壁的再生法:用直径小于进水管的波文管(耐压、不锈钢)穿入冷却壁内管中。两管之间用导热性好的耐火材料填充。

5.3 炉衬喷涂修补

在高炉生产的后期，炉衬破损较严重，难以维持合理操作炉型，冷却设备也容易损坏。为此，有必要停炉，控料线，进行散状耐火材料喷补(有普通喷补、长枪喷补和遥控喷补3 种方法)，在残存砖或冷却器表面附着一定厚度的耐材，可替代重新砌筑的耐火砖衬，恢复炉型。为使喷补料黏附力强，可在泵底板上安装一些铆钉或铁网。湿法喷补要少用水，或不用水，可提高其强度。喷补维持的效果可在6 个月至1 年以上。

5.4 灌浆修补法

对炉皮发红，煤气串通严重的部位，炉缸冷却壁水温差高的部位可以进行灌浆。利用特殊压入设备，在一定压力下，通过管道把特定的耐火材料从炉子外部输送到需要维护的部位，达到充填空隙和修补炉衬的作用。这是可以在不停炉情况下对炉衬进行维修。只限于局部位置，量也比较小。灌浆压入维修有充填式维修和造衬式维修两种。

5.5 炉缸浇注

风口大套以下，铁口中心线以上的炉墙进行整体浇注，使用一种高强度、高导热、耐渣铁侵蚀的新型炉缸内衬材料，在碳砖破坏较严重的情况下，可形成一个新的炉衬，其厚度可在200-400mm。施工前要先清理好，一些疏松的物质也要清理掉。支好模具后进行浇注，浇注后要进行烘烤。

6 高炉操作维护

高炉长寿是一项系统工程，要贯穿于高炉生产的全过程，在生产过程中要对炉体进行精心维护和操作，对开炉初期、生产中期和炉役后期的3 个阶段要采取不同的维护手段，来促进高炉长寿。

6.1 保证冷却设备的高质量安装

冷却设备到厂后要进行检验，包括外观和内在质量。外观要平整，无裂纹，进出水管接头要牢固，丝扣好。对冷却设备先进行清扫，再进行通球试验，再进行通水打压数小时，观察是否有泄漏等。

要按有关国家标准对各类冷却设备进行安装，并要有施工监理。对安装好的冷却设备要用高压水进行管道清扫，清除管内杂物，并要进行数小时的试压阶段。用工业净化水冲洗之后要进行化学清洗除锈斑。清洗后的管道要进行钝化预膜处理。

6.2 合理开炉操作

开炉时使用铁品位低、渣量大的炉料，以产生大量炉渣，很快形成渣皮，保护炉衬，防止煤气流的冲刷。

开炉时要有一定时间的高炉温阶段，使炉缸内形成稳定的渣铁沉积，以利于保护炉缸、炉底；也有利于炉衬内的水分得以充分地蒸发、溢出。目前，我国有些高炉开炉实行快速达产，是不利于炉衬水的蒸发，砖衬逐渐膨胀定位，是不利于高炉长寿。

6.3 改善炉料质量，为优化高炉操作创造条件

炉料转鼓强度高、粒度均匀、含有害杂质少、冶金性能好、可使高炉实现高效化生产。炉料质量高，就会使炉料和软熔带透气性好，煤气流分布均匀，煤气压力损失少，有利于高炉进行强化冶炼。

6.4 进行科学布料，控制边缘煤气流发展

使用无料钟炉顶设备可以实现大矿批、正分装，中心加焦，定点布料等方式上料。工长操作完全可以控制炉内边缘煤气流的过分发展，降低煤气对炉墙的冲刷，有利于高炉长寿。

高炉炉役后期，炉型不规则，边缘煤气流不易控制，渣皮不稳定，局部区域炉皮发红，冷却设备易破损，高炉生产不好操作。这时，工长们就要充分利用好上下部调剂相结合的手段，使用可以促进延长高炉寿命的操作手段进行工作。例如，在布料矩阵变化不大的前提下，逐步扩大布矿区域，力求料面趋于平坦，适度发展中心气流，抑制边缘煤气流；在冷却壁、风口易坏的部位换上长风口，缩小风口径，提高风速和鼓风动能，改善炉缸工作状况等。

一些中小高炉采用大风量、高冶炼强度，实现高产，会过分发展边缘煤气流，破坏炉墙，使高炉寿命降低。现在，要转变高炉炼铁经营理念，不能再追求高产，要追求低燃料比、低成本、高炉长寿。

6.5 进行钒钛矿护炉

在炉缸冷却壁水温差超过规定范围时，要进行综合技术分析:水温差升高的冷却壁进出水量是否正常?周边的冷却壁水温差是否也随之有变化?水温差升高的速度和发展趋势如何?要查看水温差变化的历史记录，并要用表面温度计对相应部位的炉皮温度进行测量等现象进行综合判断。如确认，该冷却壁水温差升高能够真实地反映出该部位炉衬侵蚀严重后，要及时采取有效措施，尽快将水温差值降下来。包括对该地区冷却壁进行清扫，加大通水压力和水量，甚至可用清洁冷水专门进行冷却；对该部分炉内实施灌浆；堵相应部位风口，改炼高标号生铁等。使用钒钛矿进行护炉是对炉缸、炉底炉衬进行保护的有效方法。

钒钛矿护炉的机理:TiO₂ 在高炉内可还原成为TiC、TiN 及其连接固熔体Ti(CN)。由于Ti 的碳、氮化物熔化温度很高，纯TiC 为3150℃、TiN 为2950℃，Ti(CN)固熔体的熔点也很高，它们对炉缸、炉底的内衬均起到保护作用。为使高炉能继续保持正常生产，在烧结矿中加入3%左右的钒钛磁铁精粉，或使用5-7kg/t 钒钛块矿入炉，就可以产生护炉的效果。

在开始阶段，钒钛磁铁矿用量占含铁炉料的25%左右，生铁中的Ti 含量在0.10%-0.15%。维持一段时间，待水温差有所下降，并相对稳定时，逐步降低钒钛矿用量，最后维持在每吨生铁含Ti5kg/t 左右即可。在此期间，冷却壁的水温差应维持在0.8℃以下。

7 高炉安全生产

炉缸渗铁或烧穿都会有征兆，需要操作人员仔细观察，尽早发现，最明显的就是炉缸冷却壁水温差异常升高，炉缸侧壁的热电偶温度异常升高。造成升高的原因有两类:一类是点升高，另一类是面升高，因此，要认真观察和分析是点升高还是面升高，点升高是铁水或煤气沿缝隙窜出来造成的，面升高绝大多数是砖衬被侵蚀，操作人员应根据情况认真观察分析，得出科学结论，采取不同措施处理。

冷却壁出现水温差升高、异常情况的处理:

1)出现水温差异常升高后，就可根据热电偶显示数据，计算炉墙残留厚度，如无热电偶则可通过冷却壁的水流量和温差，算出热流，再除以冷却壁面积得到热流强度，再算残余厚度。如果残余厚度小于300mm 就应停炉大修了；如果大于此值，就要采取必要措施来护炉，应采取以下应急措施:

①堵温度高处的风口。

②加大冷却水量，最好降低进水温度或提高水压。

③降低高炉冶炼强度，例如短期降20%左右。

④加含Ti 料护炉，一般应达到铁水中含Ti:0.15%-0.2%，砖衬残余厚度较薄时可短时加大到0.25%。另外，同时应将铁水含硅量提高到0.45%以上，要使铁水中Ti+Si=0.6%左右(不应低于0.5%)，以利于铁水中形成TiC、TiN 和石墨碳析出形成保护层。

⑤严重时应凉炉，凉炉前应使铁水含Ti 在0.2%-0.25%。

2)加强出铁管理，降低出铁速度，保证铁口长度。

3)水温差升高的局部进行灌浆处理，效果会更好。

部分高炉是由于炉料有害杂质含量过高，使炉缸碳砖被破坏，造成的水温差升高，应短时大幅度降低炉料中有害杂质含量，加强护炉。