我国高炉长寿技术的发展状况

高炉长寿技术概况

高炉长寿是现代高炉所追求的目标，高炉长寿就意味着经济效益的提高。近几年，我国高炉的设计水平得到了较大的提高，高炉的寿命也得到了较大的提高。但与国外高炉寿命相比，我国只有少数高炉能够达到国，外高炉寿命的水平。本文主要介绍现代长寿高炉设备的设计思想和最新发展趋势，希望能对我国钢铁企业的高炉大修或新建高炉项目有所帮助。

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。日本矢作制铁公司的361m3高炉、岩手制铁公司的150m3高炉一代炉役寿命在上世纪90年代就达到了20年以上的水平。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，我国高炉设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至15年的长寿目标，其长寿总体水平与国外先进水平相差较大。

影响高炉长寿的主要因素
　　

高炉能否长寿主要取决于三个因素的综合效果：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、优质的耐材和良好的施工水平。二是稳定的高炉操作工艺管理和优质的原燃料条件。三是有效的炉体维护技术。这三者缺一不可，但其中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后天措施来获得长寿，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，是高炉实现长寿的根本。

现代长寿高炉的新思想
　　
国内外专家认为，现代高炉的长寿设计思想有6个方面：一是注重提高高炉整体寿命优化设计，大修精心施工，确保高炉各部位同步长寿。二是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不同特点，选用不同材质的冷却系统和耐材。在炉腹、炉腰和炉身下部区域使用自我造衬、自我保护的无过热冷却设备――铜冷却壁技术，在此区域淡化耐材炉衬的作用，依靠形成稳定渣皮来保护铜冷却壁。在开炉前，炉腹、炉腰和炉身下部区域仅喷涂一层普通喷涂料来防止开炉时的炉料磨损；在高炉炉缸侧壁区域使用热压小块碳砖、优质微孔碳砖配合冷却壁或陶瓷杯来延长使用寿命。三是增加炉缸死铁层设计深度(达炉缸直径的20％左右)，减少炉缸内铁水环流对炉缸侧壁的侵蚀。四是在高利用系数(炉役平均有效容积利用系数大于2.0)、高煤比(炉役平均喷煤量达150kg／t以上)、低维护费用的基础上，炉役寿命(20年以上)和单位炉容产铁量(1.0万―1.5万t／m3炉役)应作为高炉长寿同时追求的目标。五是采用有效技术监测、维护炉体是实现高炉长寿的重要保证。六是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对高炉长寿的作用。

关于高炉长寿的几种观点

1、经济合理的长寿现
    
高炉长寿不是越长越好，应按炉容大小确定一个经济合理的寿命。即以一代高炉寿命发挥最大效益为限度。如一座30Om3级高炉寿命达15～2O年，是否合理？要达到这么长的寿命，必须采用高档优质的耐材和冷却设备及最先进的技术，势必导致基建投资过大；再说15～20年以后，新材料、新设备、新技术将发展到何等水平，难以预料，由此看来3O0m3级高炉寿命8～10年应属长寿。而1O00m3以上或 2OO0m3以上高炉寿命可搞到几年以上，甚至更长。但亦应根据实际条件和技术发展趋势作经济效益分析，确定其经济合理的长寿高炉。

2、高质量的长寿观
    
高炉长寿要强调长寿质量问题，就是说要发挥一代炉役的高效强化冶炼和良好的技术经济指标，而不是靠慢风作业、护炉措施来拖延寿命。如一个人的寿命，活着要健康无病，身强力壮，精力充沛，而不是躺在病床上靠打针吃药延长寿命。故提倡高质量的长寿，才是炼铁工作者研究的目的

3、系统整体长寿观
    
高炉长寿不仅是指高炉本体长寿，而应包括高炉生产的主体和辅助系统整体长寿。若主体的某一部位或系统的某一环节出现问题（严重损坏），均会影响其寿命，因此，在设计时就要统筹全局，做到系统内各个部位同步长寿。甚至有的专家提出热风炉寿命应是高炉本体的两倍左右。任何片面强调炉缸、炉底或其它局部长寿都是不符合高炉系统整体长寿观的。这也是在长期的实践中逐步认识和形成的长寿观念。

4、永久性炉衬长寿观
    
有专家研究后提出：只要设计、制造无过热冷却器，使高炉渣、铁凝聚附着，而生成永久性的炉村，包括炉内块状带的炉料保护村，维持高炉长期作业，达到长寿之目的。因此，认为对于高热流强度的炉身中下部第一需要的并不是高级耐火材料，而是无过热（烧不坏）的冷却器，这是设计长寿高炉的关键。也就是说冷却器热面最高温度不超过其材料强度允许的范围，那么冷却器将不会烧坏，永久性炉村将会形成，则高炉就能长寿。这一观点的关键是要有优良的冷却水质和理想的冷却设备作为先决条件。因此，做好水质处理和设计制造冷却器的技术决窍更为重要。

我国大型高炉长寿现状
　　
据不完全统计，我国高炉容积大于1000 m3（3上标）的大型高炉有50余座，2000m3（3上标）以上的大型高炉有25座，这些大型高炉的生产能力约占全国炼铁生产能力的50％以上。20世纪90年代，一批新建或大修技术改造的高炉采用了铁素体球墨铸铁冷却壁、铜冷却板、软水密闭循环冷却、陶瓷杯等现代高炉长寿技术，寿命已达到8～10年以上。其中我国自行设计建设的特大型高炉  一宝钢2号高炉(4063 m3（3上标）)寿命已达到12年，武钢5号高炉(3200m3（3上标）)、首钢4号高炉(2100m3（3上标）)的寿命也相继达到12年。这些高炉至今未进行中修，仍在正常工作，预计高炉寿命将达到15年以上。
　　
我国新建或大修改造的大型高炉，遵循高效、长寿并举的原则，高炉一代炉役设计寿命15～20年，一代炉役平均利用系数大于2.0t/(m3（3上标）·d)，一代炉役单位有效容积产铁量达到10000～15000t/m3（3上标）。

我国高炉长寿技术情况
　　
1、优化高炉炉型
　　
我国炼铁工作者历来重视高炉炉型设计，通过研究总结高炉破损机理和高炉反应机理，优化高炉炉型设计的基本理念已经形成。
　　
(1)加深死铁层深度 实践证实，高炉炉缸炉底“象脚状”的异常侵蚀，主要是由于铁水渗透到炭砖中，使炭砖脆化变质，再加之炉缸内铁水环流的冲刷作用而形成的。加深死铁层深度，是抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施。死铁层加深以后，避免了死料柱直接沉降在炉底上，加大了死料柱与炉底之间的铁流通道，提高厂炉缸透液性，减轻了铁水环流，延长厂炉缸炉底寿命。理论研究和实践表明，死铁层深度一般为炉缸直径的15％～20％。

(2)适当加高炉缸高度　高炉在大喷煤操作条件下，炉缸风口回旋区结构将发生变化。适当加高炉缸高度，不仅有利于煤粉在风口前的燃烧，而且还可以增加炉缸容积，以满足高效化生产条件下的渣铁存储，减少在强化冶炼条件下出现的炉缸“憋风"的可能性。近年我国已建成或在建的大型高炉都有炉缸高度增加的趋势，高炉炉缸容积为有效容积的16％～18％。
　　
(3)加深铁口深度　铁口是高炉渣铁排放的通道，铁口区的维护十分重要。研究表明，适当加深铁口深度，对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用，铁口深度一般为炉缸半径的45％左右。这样可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流，延长铁口区炉缸内衬的寿命。
　　
(4)降低炉腹角　降低炉腹角有利于炉腹煤气的顺畅排升，从而减小炉腹热流冲击，而且还有助于在炉腹区域形成比较稳定的保护性渣皮，保护冷却器长期工作。现代大型高炉的炉腹角一般在80°以内，本钢；号高炉(2 600m3（3上标）)炉腹角已降低到75.37°。
　　　
2、炉缸炉底内衬结构
　　
长寿炉缸炉底的关键是必须采用高质量的炭砖并辅之合理的冷却。通过技术引进和消化吸收，我国大型高炉炉缸炉底内衬设计结构和耐火材料应用已达到国际先进水平。

以美国UCAR公司为代表的“导热法”(热压炭砖法)炉缸设计体系已在本钢、首钢、宝钢、包钢、湘钢等企业的大型高炉上得到成功应用；以法国SAVOIE公司为代表的“耐火材料法”(陶瓷杯法)炉缸设计体系在首钢、梅山、宝钢、鞍钢等企业的大型高炉上也得到了推广应用。日本大块炭砖——综合炉底技术在宝钢、武钢等企业的大型高炉上也取得厂长寿实绩。“导热法”和“耐火材料法”这两种看来似乎截然不同的设计体系，其技术原理的实质却是一致的。即通过控制1150 ℃等温线在炉缸炉底的分布，使炭砖尽量避开800～1100 ℃脆变温度区间。导热法采用高导热、抗铁水渗透性能优异的热压小块炭砖，通过合理的冷却，使炭砖热面能够形成一层保护性渣皮或铁壳，并将1150 ℃等温线阻滞在其中，使炭砖得到有效的保护，免受铁水渗透、冲刷等破坏。陶瓷杯法则是在大块炭砖的热面采用低导热的陶瓷质材料，形成一个杯状的陶瓷内衬，即所谓“陶瓷杯”，其目的是将1150 ℃等温线控制在陶瓷层中。这两种技术体系都必须采用具有高导热性且抗铁水渗透性能优异的炭砖。将两种设计体系组合在一起也不失为一种合理的选择，首钢1号高炉(2536 m3（3上标）)采用热压炭砖—陶瓷杯组合炉缸内衬技术，至今已安全运行10年，预计高炉炉缸炉底寿命可以达到15年。随着微孔炭砖、超微孔炭砖的相继问世，大块炭砖一综合炉底技术得到进一步发展，但采用此种结构的炉缸炉底须长期进行护炉操作。另一种值得关注的现象是高炉炉底和炉缸壁厚度都呈减薄趋势，个别大型高炉的炉底厚度已经减薄到2400 mm，首钢首秦公司l号高炉(1200m3（3上标）)炉缸采用热压炭砖，其炉缸壁厚度仅为800mm。

3、铜冷却壁
　　
20世纪70年代末期，德国GHH公司和蒂森公司合作率先在高炉上应用了铜冷却壁，取得厂令人满意的效果。高炉铜冷却壁具有高导热、抗热震、耐高热流冲击和长寿命等优越性能，越来越多地应用于国内外大型高炉的关键部位，为高炉高效长寿起到了重要的作用。
　　
我国对铜冷却壁的研究始于20世纪90年代中期。广东汕头华兴冶金备件有限公司和首钢合作，于2000年1月设计研制出2块铜冷却壁，并安装在首钢2号高炉(1 726m3（3上标）)上试用，取得了显著的应用效果。2002年3月首钢2号高炉技术改造中，应用了该公司提供的120块铜冷却壁，这是我国高炉正式使用国产铜冷却壁，标志着铜冷却壁技术已经完全实现国产化。据不完全统计，目前我国已有20余座大型高炉采用了国产铜冷却壁。
　　
采用铜冷却壁的技术原理是依靠铜冷却壁优异的导热性、抗热震性和耐高热流冲击性，在其热面能够形成比较稳定的保护性渣皮。即使渣皮瞬间脱落，也能在其热面迅速地形成新的渣皮保护冷却壁，这种特性是其他常规冷却器所不能比拟的。实践证实，铜冷却壁是一种无过热冷却器，使用寿命可以达到20～30年。铜冷却壁在首钢、武钢、本钢、马钢、攀钢、湘钢等企业的大型高炉上已经得到了应用。
　　
目前，我国已经研制出多种不同形式的铜冷却壁，有轧制铜板钻孔铜冷却壁、铜管铸造铜冷却壁、Ni-Cu合金管铸造铜冷却壁、铸造坯锻压钻孔铜冷却壁和连铸铜冷却壁等。轧制铜板钻孔铜冷却壁由于结构致密、组织缺陷少、冷却效率高，其应用范围最为广泛。
　　
铜冷却壁是高炉长寿的关键技术之一，铜冷却壁的应用使高炉在不中修的条件下，寿命达到15～20年成为可能。铜冷却壁应使用在高炉热负荷最大的区域，即炉腹、炉腰和炉身下部，该区域是高炉异常破损严重且造成高炉短寿的关键部位，在此区域使用铜冷却壁对于延长高炉寿命具有重要作用。此外，在高炉炉缸(特别是铁口区)使用铜冷却壁也将会取得良好的应用效果。进一步优化铜冷却壁结构，降低造价是我国铜冷却壁技术发展的重要课题。

4、软水密闭循环冷却技术
　　
高炉冷却系统对于高炉正常生产和长寿至关重要。20世纪80年代末期，我国高炉开始采用软水密闭循环冷却技术，经过不断地改进和完善，软水密闭循环冷却技术已日趋完善，并成为我国大型高炉冷却系统的主流发展模式。
　　
软水密闭循环冷却技术使冷却水质得到极大改善，解决了冷却水管结垢的致命问题，为高效冷却器充分发挥作用提供了技术保障。该系统运行安全可靠，动力消耗低，补水量小，维护简便。
　　
近年来，我国高炉软水密闭循环冷却技术进行了许多优化和改进：①根据冷却器的工作特点，分系统强化冷却，单独供水；②根据高炉不同部位的热负荷情况，在垂直方向上分段冷却，如炉缸、炉底设为一个冷却单元，炉腹、炉腰和炉身下部设为一个冷却单元；⑧为便于系统操作和检漏，采用圆周分区冷却方式，在高炉圆周方向分为4个冷却区间；④软水串联冷却，软水经炉底、冷却壁后，分流一部分升压再冷却风口、热风阀等。这种串联冷却系统具有占地省、投资低、动力消耗低的特点，在武钢1号高炉(2200m3（3上标）)上已经得到应用。
　　
5、薄壁内衬，砖壁一体化
　　
高炉炉体破损机理的研究，使人们更加清楚地了解了高炉内衬和冷却器的工作条件；现代传热学理论的研究和运用，已将人们从传统的思维困惑中解脱出来，形成现代高炉长寿设计的基本理念，薄壁内衬技术就是在此条件下应运而生。所谓薄壁内衬就是对高炉内衬和冷却壁进行优化组合，形成砖壁一体化结构，解决炉腹、炉腰和炉身下部高热负荷区的短寿问题，使其寿命与高炉炉缸、炉底的寿命同步。
　　
我国已有数座大型高炉采用了砖壁一体化的薄壁内衬技术。冷却壁取消厂凸台，消除了冷却壁破损最薄弱的部位，而且冷却壁热面全部采用耐火材料保护，即所谓全覆盖镶砖冷却壁。这种砖壁一体化的冷却壁是在第四代冷却壁的基础上优化演变而来的，其内衬厚度仅为150～250mm。大型高炉炉腹、炉腰、炉身下部采用铜冷却壁，炉身中部采用此种结构，炉身上部设2～3段C型光面水冷壁，这应是一种配置合理的长寿炉体结构。

6、耐火材料
　　
我国大型高炉用新型耐火材料的开发与研究已取得显著进展。用于炉缸炉底的高导热半石墨炭砖、微孔炭砖已相继研制成功，并在大型高炉上使用。塑性相结合刚玉、微孔刚玉以及SIALON结合刚玉等新型陶瓷杯材料也陆续问世。SIALON结合刚玉、SIALON—SiC、高导热石墨砖、烧成微孔铝炭砖等一系列用于风口区以上的耐火材料也得到广泛应用。
　　
7、自动化检测与控制
　　
自动化检测是高炉长寿不可缺少的技术措施。炉缸炉底温度在线监测已成为监控炉缸炉底侵蚀状态的重要手段，也是建立炉缸炉底内衬侵蚀数学模型所必要的条件。炉腹、炉腰、炉身下部区域，温度、压力的检测为高炉操作者随时掌握炉况提供了有效的参考。通过对冷却水流量、温度、压力的检测。可以计算得出热流强度、热负荷等参数，而且还可以监控冷却系统的运行状况。炉喉固定测温、炉顶摄象、煤气在线自动分析、炉衬测厚等技术的应用使高炉长寿又得到厂进一步的保障。我国宝钢、武钢、首钢、本钢、湘钢的大型高炉还引进了人工智能高炉冶炼专家系统，为延长高炉寿命创造厂有利条件。
　
8、炉体维护技术
　　
用含钛物料护炉，是由于在高温条件下还原生成TiC、TiN或Ti(C、N)等高熔点化合物，沉积在炉缸炉底，对其形成保护层。我国高炉已成功应用了含钛物料护炉技术，钒钛矿、含钛球团等护炉剂在高炉长寿实践中都取得了很好的效果，采用风口喷吹含钛物料、含钛精粉炮泥护炉也正在研究试验。应该指出，高炉炉役末期，采用含钛物料护炉是延长高炉寿命的主要技术措施，但由于采用炉缸炉底内衬结构不同，开始护炉的时间也存在差异。首钢3号高炉连续工作10年尚未进行护炉操作，这也从某种程度上证实了热压炭砖技术体系的合理性。
　　
我国高炉炉体快速修补技术已经得到推广应用。炉衬遥控喷补、压浆等炉衬修补技术已成为现阶段延长高炉风口以上区域寿命的重要技术措施。微型冷却器、冷却壁水管再造等冷却壁修复技术也日渐成熟。

 个案：宝钢高炉长寿技术
　　
要延长高炉寿命，在理论研究的基础上，还需要建立新的技术支撑。通过长期生产实践和理论研究，宝钢已形成了一套有效的高炉长寿关键技术，归纳起来有以下几个方面。

1、建立在炉缸活性指数基础上的煤气流调整
　　
炉身中上部的长寿主要依赖于高炉内煤气流的控制。这种控制必须是上下部综合调剂才能够实现。
　　
长期强化冶炼生产必须要活跃炉缸，形成初始煤气流中心发展有利于高炉上部长寿这一观点被接受之后，掌握定量计算炉缸活跃程度能否满足高炉长寿需要的技术势在必然。结合理论与实践，发现在强化冶炼生产时炉缸侧壁温度与炉底温度和透气性指数之间存在着某种相关性，由此开发出了炉缸活性指数，它的基本定义是炉底电偶温度权重值除以炉缸侧壁电偶温度权重值。该指数主要用来定量计算上部长寿的要求。根据指数值决定是否要采取有利于提高炉缸活性指数的措施，再结合一些常规的炉身维护技术，目前宝钢3座高炉实现了长时期强化冶炼而高炉上部的长寿仍然得到了保证。
　
2、风口焦取样分析技术
　　
通过风口取样，可以分析炉缸死料柱内粉焦和未燃煤粉的积聚量、滞留的渣铁量，测定死料柱的空隙度和渗透性等，也可以定量地对炉芯活性进行评价，尤其是对确定焦炭强度、减少炉芯焦粉量来说是非常重要的。它与炉缸活性指数一起成为分析炉缸活度和控制上部煤气流合理分布的有效检测手段。
　
3、增加冷却水量和安装微型冷却器技术
　　
生产实践表明，高炉强化冶炼之后，原来设计的炉身下部冷却强度已不能满足生产发展的需求了，出现了冷却设备频繁破损，炉身下部易粘结与脱落，甚至出现炉身发红现象。新高炉在设计阶段就会考虑加强该部位的冷却强度，对于旧高炉只有采取增加系统水量和安装微型冷却器等补救措施来提高冷却强度。号高炉大修时因炉壳未更换而保持了原来的炉体冷却结构，但冷却水量比以前增加一倍；2号高炉2002年经过改造炉身冷却水量也增加了一倍，同时3座高炉都在关键部位安装了必要的微型冷却器，为确保高炉强化冶炼与长寿起到了作用。
　
4、依靠炉缸气隙指数，控制炉缸侧壁温度技术
　　
理论上只要确保了有效传热与冷却，以目前的炉缸结构都能满足20年以上寿命。由于炉缸侵蚀极大多数是从炉缸侧壁产生气隙破坏了热平衡使得热量无法正常导出开始的，所以，炉缸气隙指数就是为了解决这个问题才建立的。2号高炉由原来的设计厚度1.425m减薄至目前的1m左右。通过定量计算分析炉缸侧壁温度上升原因后，每次炉缸温度上升都能及时得到正确处理，为控制炉缸侧壁温度起到了决定性作用。

5、更换冷却壁技术
　　
宝钢3号高炉于2004年3月23日成功地实施了休风降料线更换s-3段冷却壁(60块)作业，整个过程休风100.2h。宝钢冷却壁更换技术是把料线降到需要更换的部位而不是降至风口，然后把破损的冷却壁尽可能吊运出来，再安装上新的经过改善后的冷却壁。这种技术对于高炉操作恢复炉况增加了难度，但可以在最短的时间内把炉况恢复到正常生产水平，把产量损失减少到最小程度。
　
6、高炉长寿维扩系统工程技术
　　
高炉长寿是一个系统工程，对于已建成并投产的高炉，其长寿是关键主要取决于生产中维护措施的落实与效果的好坏。除了上述重点介绍外，一些日常维护技术的紧密配合和充分发挥也很重要，比如炉身硬质造壁、炉身降料线喷补、炉身钢砖保护与更新、炉缸压浆、炉身热负荷管理、建立数学模型控制高炉操作稳定、强化炉前作业管理与一次性开口技术的应用等等。只有将以上这些长寿技术有机地结合在一起，形成一个系统维护工程，才能将高炉长寿工作做得更好，才有可能实现20年以上炉龄的生产实绩。

宝钢新技术应用实绩
　　
宝钢3座高炉多年来一直保持着强化冶炼进程，其高炉利用系数和煤比见表1。3号高炉1994年9月投产至今已接近10年炉龄，2004年2月高炉利用系数达到了2.5以上生产水平。今年成功地实施了S-3段冷却壁整体更换技术，正准备向更高利用系数挑战。宝钢高炉在强化冶炼初期也遇到了长寿方面的许多问题，担心难以持久，随着新技术不断应用，问题才逐步得到解决。

通过合理调整煤气流，结合炉身造壁和强化冷却等措施，炉身上部的炉皮发红次数和冷却设备的破损显著减少。以2号高炉为例：炉身残砖已很薄，但炉皮发红次数没有增多，见表2。因此，在炉缸活性指数和风口取样技术指导下，上部煤气流得到合理控制，解决了高炉上部遇到的长寿问题。

增加冷却水量，特别是强化炉身下部冷却，对于强化冶炼下的炉体长寿维护是有显著效果的。1号高炉第2代与第1代比较，冷却方式和布置完全一样，但前者冶炼强度大于后者，只因冷却水量前者是后者的二倍，结果冷却设备的破损量明显要少很多(见表3)。2004年由于局部边缘煤气流过强造成一次损坏冷却板8块，包括2003年1号高炉炉身部位出现的长寿问题也是局部边缘煤气流管道行程所致，煤气流分布对炉身中上部寿命的影响可见一斑。
　　
2号记炉2002年因炉缸侧壁温度异常上升限产而年产较2001年减少2.42％，2003年起在炉缸气隙指数的指导下，及时分清了炉缸温度上升的原因，采取相应的维护措施，近两年来没有加过钍矿和限过产量，一直保持高产，而炉缸没有出现新的侵蚀。这就说明延长炉缸寿命，实现20年以上寿命是可能的。这一成功经验应用到1号高炉后同样取得了很好的效果。这说明宝钢高炉长寿维护系统工程技术又越上了一个新台阶。