首钢高炉高效长寿技术进步.doc

首钢高炉高效长寿技术进步毛庆武， 张福明， 姚轼， 钱世崇（北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043）摘 要：本文论述了首钢高炉采用的多项高效长寿技术及取得的应用效果，对高炉内型、炉缸内衬结构、冷却体系、自动化检测、生产操作管理等技术进行了评述。关键词：高炉；高效；长寿；技术进步文献标志码：ATechnical progress of high efficiency and long-campaign life for Shougangs BFMAO Qing-wu， ZHANG Fu-ming， YAO Shi， QIAN Shi-cong(Beijing Shougang International Engineering Technology CO.,LTD. Beijing 100043)Abstract: Several high efficient, long-campaign life techniques and their effects have been discussed in this article that have been used in Shougangs BF, comments have been given to main blast furnace techniques such as proper inner profile, hearth refractory structure, cooling system, instruments and automation, operation and managements.Key words: BF; high efficiency; long-campaign life; technical progress1 概述上世纪90年代初，首钢总公司为充分发挥企业自身的潜力，将首钢建成大型钢铁联合企业，相继对2号高炉、4号高炉、3号高炉及1号高炉进行扩容和现代化新技术改造。随着北京奥运会的召开及首钢搬迁转移、战略性结构调整的需要，首钢2号及4号高炉于2008年停产，首钢1号及3号高炉分别于2010年12月18日及19日停产。首钢1号及3号高炉至停产时，高炉运行状况良好，1号高炉、3号高炉及4号高炉炉龄分别达到16.4年、17.6年及15.6年，一代炉役单位立方米炉容产铁量分别为13328t、13991t及12560t，达到国内外高炉高效长寿的先进行列。2首钢高炉高效长寿技术设计高炉高效长寿设计的关键是高炉内型、内衬结构、冷却体系、自动化检测的有机结合1 2。生产实践表明，目前高炉炉缸、炉底和炉腹、炉腰、炉身下部是高炉长寿的两个限制性环节，在设计中攻克这两个部位的短寿难题，将为高炉长寿奠定坚实的基础。首钢高炉炉体设计紧密围绕上述几个方面，通过炉型设计优化，选择矮胖炉型；为高炉生产稳定顺行、高效长寿创造有利条件；通过炉缸炉底的侵蚀机理分析研究，炉缸炉底部位采用“优质高导热炭砖-陶瓷杯”及“优质高导热炭砖-陶瓷垫”新型综合炉底内衬结构；炉腹至炉身区域采用软水密闭循环冷却技术、双排管铸铁冷却壁技术、倒扣冷却壁（C型冷却壁）技术，并实现了合理配置；有针对性地设计炉体自动化检测系统，加强砖衬侵蚀与冷却系统的检测、监控。通过这些现代高炉长寿技术的综合应用，以实现高炉高效长寿的要求。 2.1首钢高炉矮胖炉型设计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 345，优化高炉炉型设计的基本理念已经形成。在总结当时国内外同类容积高炉内型尺寸的基础上，根据首钢的原燃料条件和操作条件，以适应高炉强化生产的要求，设计了矮胖炉型。首钢1号及3号高炉炉容、炉型相同，均为2536m3，高径比均为1.985，是当时同类级别高炉高径比最小的高炉，引起了国内外炼铁工作者的广泛关注和大讨论，引领了高炉矮胖炉型的发展，也为高炉矮胖炉型的设计奠定了坚实的基础。实践证实，高炉炉缸炉底“象脚状”异常侵蚀的形成，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，提高了炉缸透液性，减轻了铁水环流，延长了炉缸炉底寿命。理论研究和实践表明，死铁层深度一般为炉缸直径的20%左右。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，适宜的高炉炉缸容积应为有效容积的16%18%。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。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，国内E号高炉（2600m3）炉腹角已降低到755749。国内几座2500m3级高炉内型尺寸比较见表1。表1 国内几座2500m3级高炉内型尺寸比较 Table 1 Compare among several domestic 2500m3 class blast furnace proper inner profile 项 目单位首钢1、3号高炉迁钢1、2号高炉国内A号高炉国内B号高炉国内C号高炉国内D号高炉国内E号高炉有效容积 Vum32536265025802500256025162600炉缸直径 dmm11560115001150011400110001120011000炉腰直径 Dmm13000127001300012750122001220012800炉喉直径 d1mm8200810082008100830082008200死铁层高度 h0mm2200210020042500220020041900炉缸高度 h1mm4200420041004500460045004300炉腹高度 h2mm3400340036003400340034003600炉腰高度 h3mm2900240020001800180019002000炉身高度 h4mm13500166001750017000175001740017000炉喉高度 h5mm1800220023002000200023002000有效高度 Humm25800288002950028700293002950028900炉腹角 a780236795931781354784615795931813802755749炉身角 b795509820642821127821244833830832634821742风口数 个30303030302828铁口数个3333323渣口数个无无无无无无无风口间距mm1211120412041194115212571234Hu/D1.9852.2682.2692.2512.4022.4182.258V1/ Vu 17.3816.2915.1617.2916.9617.1015.312.2炉缸炉底内衬结构设计实践证实，高炉炉缸、炉底的寿命是决定高炉一代寿命的关键6 7 8，受到国内外炼铁工作者的高度重视。从上世纪60年代起，首钢高炉开始采用炭砖高铝砖综合炉底技术，使用情况一直较好。随着炼铁技术的发展，到上世纪80年代中期以后，高炉冶炼强度提高，炉缸、炉底问题变得突出，通过对10多次高炉停炉实测结果的研究分析9，总结得出了首钢高炉炉缸、炉底内衬的侵蚀是典型的“象脚状”异常侵蚀和炉缸环裂。象脚状异常侵蚀最严重的部位发生在炉缸、炉底交界处，对应炉缸第2段冷却壁的位置，实测发现侵蚀最严重的区域距冷却壁不足100mm。残余炭砖和高铝砖表面粘结有凝固的渣、铁及Ti(C、N)等高熔点凝结物。炉缸壁环形炭砖均出现环裂现象，裂缝80200mm，裂缝中渗有凝固的渣、铁。结合首钢高炉的原、燃料条件和操作条件，研究分析了首钢高炉炉缸、炉底内衬侵蚀机理，主要如下：铁水对炭砖的渗透侵蚀；铁水环流的机械冲刷；熔融渣铁及ZnO、Na2O、K2O等碱金属对炭砖的熔蚀和化学侵蚀；热应力对炭砖的破坏；CO2、H2O等氧化性气体对炭砖的氧化破坏。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10 11。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、鞍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、鞍钢、沙钢、宣钢等企业的大型高炉上也得到了推广应用；进口大块炭砖综合炉底技术在宝钢、武钢、首钢京唐等企业的大型高炉上也取得了长寿实绩。“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8001100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NMA，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，使炭砖得到有效地保护，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。首钢2(1726m3)、3(2536m3)、4(2100m3)高炉是“炭质炉缸+综合炉底”结构（如图1），首钢1高炉(2536m3)是“陶瓷杯复合炉缸、炉底”结构（如图2），炉缸、炉底交界处即“象脚状”异常侵蚀区，均部分引进了美国UCAR公司的小块热压炭块NMA。这两种结构在首钢均得到成功应用，已取得了长寿业绩，首钢北京地区高炉炉龄统计详见表2，特别是首钢1号和3号高炉炉容、炉型相同，在其它因素基本相同的条件下其炉龄基本是并驾齐驱，这也充分说明了当今炉缸炉底结构这两种技术主流模式基本成熟。首钢高炉炉底陶瓷垫与炭砖的总厚度为2800mm。风口、铁口区域设计采用刚玉莫来石组合砖，提高其稳定性和整体性。图1 “炭质炉缸+综合炉底”结构 图2 “炭质+陶瓷杯复合炉缸炉底”结构Fig.1 Carbon hearth plus comprehensive bottom structure Fig.2 Carbon plus ceramic cup compound hearth and bottom structure表2 首钢北京地区高炉炉龄统计 Table 2 Shougangs BF campaign life in Beijing district 炉号高炉容积（m3）开炉停炉日期炉龄备注首钢1号25361994.82010.1216年5个月因北京市环保搬迁停炉首钢2号17261991.52002.310年10个月首钢3号25361993.62010.1217年7个月 因北京市环保搬迁停炉首钢4号21001992.52008.115年8个月因奥运会停炉 2.3高效长寿冷却技术的设计2.3.1高炉冷却设备设计上世纪90年代，高炉冷却主要有以下几种方式：炉腹至炉身下部全部采用铜冷却板；采用全部冷却壁；采用冷却壁与冷却板的组合方式。为使高炉寿命达到1015年，首钢高炉全部采用冷却壁结构，在选择高炉各部位的冷却壁型式时考虑了以下因素：1)炉缸、炉底区域 此部位的热负荷虽然较高，但比炉腹以上区域的热负荷要小，并且温度波动较小，在整个炉役中冷却壁前的炭砖衬能很好地保存下来，使冷却壁免受渣铁的侵蚀，因此在炉底、炉缸部位（包括风口带）均采用导热系数较高的灰铸铁（HT200）光面冷却壁，共设5段光面冷却壁。2)高炉中部这一区域跨越了炉腹、炉腰及炉身下部，是历来冷却壁破损最严重的部位。由于砖衬（渣皮）不能长期稳定地保存下来，冷却壁表面直接暴露在炉内，受到剧烈的热负荷作用和冲击、渣铁侵蚀、强烈的煤气流冲刷和炉料的机械磨损等，所以要求此区域的冷却壁有较高的热机械性能及较强的冷却能力。设计时采用了第三代双排管捣料型冷却壁，壁体材质为球墨铸铁（QT400-18），共设6段，炉腰及炉身下部冷却壁带凸台。2号高炉在2002技术改造时第一次设计采用了3段国产铜冷却壁。 3)高炉中上部此区域的冷却壁寿命主要受炉料的磨损、煤气流的冲刷及碱金属的化学侵蚀，并承受较高的热负荷，所以设计时采用了镶砖型带凸台冷却壁，壁体材质为球墨铸铁（QT400-18），镶砖材质为粘土砖，共设4段冷却壁。4)在炉身上部至炉喉钢砖下沿，增加1段“C”型球墨铸铁水冷壁，水冷壁直接与炉料接触，取消了耐火材料内衬。2.3.2高炉冷却系统的设计根据首钢多年的实践得出采用先进的炉缸炉底结构的同时要特别注意炉缸炉底冷却，加强检测与监控。关键部位选用高导耐侵蚀的优质炭砖的同时，并进行强化冷却，所以在冷却水量上要节约而不要制约，在冷却流量的设计能力上要考虑充分的调节能力，冷却流量控制应根据生产实践的实际情况实施，从而达到节能降耗的目的，而不能在设计能力上以冷却水量小，说明设计先进，从而导致能力不足，在检测到炉缸炉底温度或热负荷异常时诸多措施难以实施。首钢高炉炉底水冷管、炉缸冷却壁(1-5段)、C型冷却壁、风口设备采用工业净水循环冷却，其中炉底水冷管、第1、4、5段冷却壁、风口大套采用常压工业水冷却，水压为0.60MPa（高炉0.000m平面）；第2、3段冷却壁位于炉缸、炉底交界处即“象脚状”异常侵蚀区，故在此处进行强化冷却，采用中压工业净水循环冷却，压力为1.2MPa（高炉0.000m平面）。风口中、小套采用高压工业净水循环冷却，压力为1.7MPa（高炉0.000m平面）。炉腹以上冷却壁（C型冷却壁除外）采用软水密闭循环冷却（3号高炉除外）。2.4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、炉顶摄像、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了进一步的保障。首钢号高炉在2002年技术改造时，引进了人工智能高炉冶炼专家系统，为延长高炉寿命创造了有利条件。3首钢高炉高效长寿的生产管理高炉的高效长寿离不开高炉冶炼技术的进步、高炉高效长寿技术的研究与应用和生产操作的科学管理。3.1加强高炉的日常监测3.1.1炉缸水温差自动监测实现实时采集监测炉缸冷却水温差与热流强度变化，才能对炉缸工作状态进行正确判断，并据此做出相应的高炉上下部调剂、护炉措施及产量调节，以保证生产的顺利进行，延长高炉的使用寿命，达到长寿和高效的统一。为实现实时采集监控炉缸第2段及第3段、铁口区域冷却壁水温差与热流强度变化，满足实时监控高炉炉缸运行状况的需要，开发在线冷却壁水温采集模块、数据处理模块及通讯模块，建立炉缸冷却壁水温差在线采集通讯系统，实时采集冷却壁水温，计算炉缸冷却壁的温差及热流强度，创建生产过程中冷却壁温差、炉缸热负荷的数据库，具备查看炉缸冷却水温差随时间变化曲线、查看炉缸热负荷随冷却壁变化的柱状图、炉缸热负荷圆周分布图、炉缸热负荷详细报表等功能，并实现炉缸热负荷超限的实时报警提示，为生产过程中高炉炉内状况和操作提供参考及指导。3.1.2软水冷却系统检测与控制除首钢3号高炉炉腹以上冷却系统分为2段：即第612段冷却壁工业水冷却系统和第1315段冷却壁软水密闭循环冷却系统外，首钢1号、2号及4号高炉炉腹以上冷却均为软水密闭循环冷却。在软水供回水管路上均设有流量、压力、温度检测装置；冷却壁的每根回水支管上均设有压力表；炉体圆周冷却壁支管上间隔均布支管温度检测，以计算冷却壁的平均热负荷。膨胀罐上设有压力过低报警、水位过低报警及补水压力过低报警装置。以上检测数据除在水泵房有显示、记录外，还送入高炉主控室计算机，实现显示、存贮、记录、报警和打印等功能。软水系统的控制和调节，膨胀罐上的氮气稳压系统和补水系统均为自动控制。3.1.3高炉专家系统高炉专家系统拥有功能强大的数据库，利用检测设备直接测量及专家系统自动生成的数据，专家系统能够描绘高炉各项冶炼参数的变化趋势，尤其体现在十字测温、煤气成分、炉衬温度、冷却壁壁后温度的变化趋势等方面，专家系统提供高炉冶炼参数的变化趋势，用于分析判断炉况的变化，优化经济技术指标。3.2加强高炉的日常维护3.2.1炉缸工作状态控制高炉顺行稳定生产要求炉缸工作活跃，中心死料堆具有足够的透气性和透液性，炉缸环流减弱。若炉缸中心死料堆透气性和透液性差，铁水积聚在炉缸边缘，在出铁时易形成铁水环流导致炉缸内衬局部出现侵蚀，引发炉缸局部过热及炉缸烧出等事故。炉缸中心死料堆透气性和透液性差，大量渣铁滞留在死料堆中导致炉缸初始煤气难于渗透到中心，破坏炉内煤气分布，影响高炉炉内顺行及炉体长寿。因此，要采取活跃炉缸中心死料堆的措施，保持适当的炉缸炉底及侧壁温度，维持活跃的炉缸工作状态。炉缸侧壁温度、炉缸炉底温度反应了炉缸内的温度场变化，随产量的提高，炉缸侧壁温度和炉底温度都呈升高趋势，随煤比的提高，炉缸侧壁温度呈升高趋势而炉底温度则呈下降趋势。炉缸工作活跃指数是监测炉缸工作状态的重要参数，为高炉长期高煤比生产下的冶炼参数调整提供依据，以达到高炉的顺行稳定生产。提高原燃料质量，在高炉下部保持足够、稳定的鼓风动能的基础上，上部装料制度控制中心与边缘煤气的合理分配从而达到高炉顺行，这些措施有利于提高炉缸工作状态活跃性。通过对炉缸工作活跃指数的监测，及时调整各项高炉冶炼参数，保持指数在正常范围内，实现了高炉在高煤比下的顺稳生产，且炉缸侧壁温度保持在较低水平，实现了炉缸的长寿。另外，炉缸压浆技术已成为现阶段延长高炉炉缸及铁口区域寿命的重要技术措施。出铁口区域一直是高炉压入维护的重点，是高炉寿命的薄弱环节。出铁口区域的砖衬往往受到来自泥炮、开口机对砖衬的反复冲击，砖衬易出现裂纹，形成高温煤气泄漏通道，需要进行铁口区域的压入维护，否则，不仅影响炉前工作的组织，而且造成铁口堵口困难等，也影响高炉顺行操作和高炉整体使用寿命。炉缸压浆技术的采用应着重注意不要损坏冷却壁及砖衬，在进行灌浆孔开孔时，注意避开冷却壁，防止损坏冷却壁本身；同时在压入过程中，掌握好入口压力和压入节奏，防止过高的压力冲击高炉炉缸砖衬（尤其是中后期高炉）。3.2.2煤气分布控制合理煤气分布涉及高炉稳定顺行、节能降耗、长寿等问题，首钢高炉合理煤气分布目标：一是炉况的稳定顺行，二是煤气利用的提高、燃料比的降低，代表性的煤气分布形态为“中心煤气开、边缘煤气稳定”，中心煤气的“开”表现中心火柱窄而强，炉况顺行好，煤气利用率高、燃料比低，炉缸工作活跃。边缘煤气流的过分发展，不但会造成炉体热负荷升高，影响高炉长寿，而且煤气利用率变差，能量消耗高，影响高炉长期稳定顺行；边缘煤气流的稳定，有利于冷却壁的保护和渣铁保护层的稳定，中心煤气流对煤气利用、能量消耗、强化冶炼产生影响，也对边缘煤气流的稳定产生直接影响。高炉合理煤气分布的目标是实现高炉的稳定顺行，在此基础上提高煤气利用，实现高炉炼铁的节能降耗，实现高炉的高效长寿。3.2.3操作炉型管理高炉操作炉型管理涉及到炉型设计、冷却设备配置、耐火材料使用等设计因素，原料管理、炉体冷却、煤气分布、出铁管理、工长操作等使用因素，是高炉技术管理的综合体现，操作炉型是否能够长期稳定、合理也是高炉长寿的基础。高炉操作炉型管理应作为最重要的高炉生产日常管理制度，及时、准确了解高炉炉型的变化，量化分析得到的炉型变化信息，以判断、解决引起炉型变化的因素，维持正常的高炉操作炉型。为减缓炉体的破损，首钢应用了高炉炉内遥控喷补造衬技术，喷补形成一个符合高炉冶炼规律的近似操作炉型，有利于维护炉墙冷却壁的使用寿命，延长高炉风口以上区域寿命，为高炉炉内煤气合理分布创造可靠的外围环境。3.2.4炉前作业管理高炉强化冶炼后，渣铁能否及时出净已成为高炉稳定、顺行的关键。出渣、出铁不及时易造成死焦堆中的渣铁渗透困难，破坏炉缸初始煤气分布，影响高炉操作炉型。铁口维护则直接影响铁口区域的操作炉型维护，铁口深度连续过浅，铁口区域炭砖易造成严重侵蚀，影响高炉炉缸的长寿。量化分析高炉的出铁间隔、出铁时间、见渣时间、出铁量、铁口深度、打泥量，积极提高炉前操作水平，确保高炉不憋风，减少铁口冒泥，稳定铁口深度，提高炉前作业的稳定性。炮泥质量对出铁影响较大，要稳定炮泥质量，开发适应不同炉况和冶炼强度的炮泥，充分利用无水炮泥强度高、抗渣铁侵蚀性能好的特点，采用出铁次数少、出铁时间长、出铁间隔短的出铁方式是高炉炉前作业的趋势。3.2.5加钛护炉技术现代高炉强化冶炼程度较高，尤其是处于炉役末期的高炉，含钛料的加入应成为炉缸维护的日常措施，长期连续加入含钛料，控制适宜的TiO2加入量，这样一方面可在炉缸内部形成黏度较高的保护层，减缓铁水对炉缸的冲刷侵蚀，另一方面可在炉缸侵蚀处及时形成TiC、TiN及Ti（CN）的聚集物，避免炉缸内部发生连续性侵蚀高熔点的TiC、TiN及Ti（CN）在炉缸生成、发育和集结，与铁水及铁水中析出的石墨等形成黏稠状物质，凝结在离冷却壁较近的被侵蚀严重的炉缸砖缝和内衬表面，进而对炉缸内衬起到保护作用。使用含钛料护炉时，炉渣中TiC、TiN在炉缸温度范围内不能熔化，以固态微粒悬于渣中，使炉渣流动能力恶化，TiC和TiN越多，炉渣越黏，严重时失去流动性。首钢高炉在使用含钛料护炉时，合理控制入炉TiO2加入量，合理利用炉缸温度梯度，可以较好的解决高炉炉缸维护与强化冶炼的矛盾。4 生产实践与应用首钢注重高炉高效长寿的设计研究与生产操作的科学管理，实现了高炉高效长寿的目标。2010年，是首钢搬迁转移、战略性结构调整的最后一年，首钢1号及3号高炉（2536m3）在炉役后期仍然保持安全稳定的生产，取得了较好的技术经济指标。表3为首钢1号及3号高炉2010年主要技术经济指标。表3 首钢1号及3号高炉2010年主要技术经济指标 Table 3 The main technical and economic index for Shougangs No.1 & No.3 BF in 2010 项 目产量，t利用系数，t /( m3.d)焦比，kg/t煤比，k