（钢铁冶金专业论文）高炉长寿综合技术阶段研究.pdf

摘要 本文详细介绍了实现高炉长寿的现实意义和国内外高炉长寿的 现状。详细论述了高炉长寿技术的研究和应用现状，以及相关技术的 发展趋势。 通过分析高炉长寿和高利用系数操作的辨证关系，结合一钢 2 5 0 0 m 3 高炉的实际情况，提出了本文研究的主要内容。 通过对目前一钢2 5 0 0 m 3 高炉使用原燃料条件的实验和分析，提 出了为了达到长寿和高效的目的，高炉在燃料结构、合理炉料结构和 布料制度等方面应采取的措施，并在2 0 0 3 年取得了较好的操作业绩。 根据高炉内传热和传质基本原理建立了软熔带推断的初步模型， 并随机分析了2 5 0 0 m 3 高炉的某些操作数据，为高炉形成合理的软熔 带，从而优化煤气流分布提供了理论依据。 简略分析了影畸高炉长寿的水质问题现状、高炉压浆技术的实际 应用和高炉标准化操作制度的实践等，提出了影响目前一钢2 5 0 0 m 3 高炉长寿存在的若干闻题。 关键词：高炉长寿操作制度高炉软熔带炉料和燃料结构 护炉技术 a b s t r a c t t h er e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e a n dt h e a c t u a l i t y i nd o m e s t i co re x t e m a lo fb f ， l o n g e v i t yi si n t r o d u c e di nd e t a i l a n dt h et e c h n o l o g i e so ft h es t u d ya n da p p l i e da b o m b f l o n g e v i t yi sd i s c u s s e da tl e n g t h a tt h em e a nt i m e ，t h et r e n da b o u tc o r r e c t e d t e c h n o l o g i e si se x p o u n d e d t h ed i a l e c t i c a lr e l a t i o nb e t w e e nl o n gl i f e s p a na n dh i g hp r o d u c t i v i t yo fb fi s a n a l y z e d t h e na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo f2 5 0 0 m 3b fi nn o 1s t e e lc o m p a n y , t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ec o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n da n a i y s e sa b o u tt h er a wa n df u e i m a t e r i a l s ，t h es t e p sw h i c hh o wt oc h a n g et h es t r u c t u r eo ff u e l sa n dr a wm a t e r i a l s a n dh o wt o o p t i m i z et h es y s t e mo fd i s t r i b u t i n gb u r d e na r ea d o p t e di no r d e rt o a c h i e v eb o t h l o n gl i f ea n dh i g hp r o d u c t i v i t yi nb f t h e p r i n c i p i u mm o d e lo fd e d u c i n gt h ec o h e s i v ez o n ei ss e tu pa c c o r d i n gt ot h e h e a ta n dm a s st r a n s f e r r e d s o m eo p e r a t i o nd a t u mo f 2 5 0 0 m 3b fa r eu s e dt oa n a l y z e w h e t h e rt h es h a p ea n dt h es i t u a t i o no fc o h e s i v ez o n ei sr e a s o n a b l e t h e t h e o r yc a nb e u t i l i z e dt o o p t i m i z et h eg a sf l o wd i s t r i b u t i n g i nb fb y a d j u s t i n gt h e s y s t e mo f o p e r a t i o n t h ew a t e rq u a l i t yw h i c ha f f e c t st h e s p a no fb fi sa n a l y z e di nb r i e f t h e t e c h n o l o g yo f p r e s s i n gs l u r r yi nb l a s tf u m a c ei sa p p l i e da n ds o m ee f f e c t sa r ea c h i e v e d ， t h es t a n d a r d i z a t i o na b o u t o p e r a t i o ns y s t e m o fb l a s t f i l l h a t ei s p r a c t i c e d s o m e p r o n e m si n2 5 0 0 m 3b fa tp r e s e n tw h i c ha f f e c tt h el o n gs p a no fb fa r eb r o u g h t f o r w a r d k e y w o r d s ：l o n gs p a no f b f ；o p e r m i o ns y s t e m ；c o h e s i v ez o n ei nb f ； t h es t r u c t u r eo f f u e la n dr a w m a t e r i a l s ；t h et e c h n o l o g i e so fs h i e l d i n gf u r n a c e i i 高炉长寿综合技术阶段研究 1 高炉长寿综合技术的研究现状 1 1 高炉长寿的意义及决定炉龄的因素 高炉是目前生产铁水的最成熟、高效的单元体。它具有体积大、 产量高的特点；同时它是典型的气固逆流反应器，从热交换的角度 具有其独特的高效性，高炉内有效热量利用率可达9 0 以上( “。但是 新建或大修一座2 5 0 0 m 3 级的高炉需要投资几亿甚至几十亿元，如此 大的投资，要求高炉一代寿命内必须经济地生产尽可能多的铁水，才 能真正体现高炉的优越性。另外，由于高炉必须使用焦炭作为其燃料， 尤其是在软熔带的骨架作用，所以必须依赖焦炉；而焦炉的投资和环 保问题是国内外关注的焦点，因而受到了一些新工艺的冲击。再者， 由于钢铁联合企业的综合效益正逐步受到挑战，美国、日本等国家的 许多钢铁联合企业面临亏损，钢铁联合企业的生存问题被提到了议事 日程，为了扭转被动局面，高炉炼铁的技术进步是重要的一部分。而 高炉长寿是高炉技术进步的重要研究内容。 所谓高炉长寿是根据生产规划、生产成本、维修费用以及投资等 的综合判断来决定的。高炉是否继续生产的判断标准主要在以下几个 方面： 操作能力。能否达到正常的经济技术指标，能达到正常经济技 术指标的多少； 安全性。如炉壳变形的严重程度、耐火材料的损坏程度等；， 休风的时间。因为休风时间的增加，导致高炉生产的竞争力下 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 降，供铁、气的能力下降，继续运行在经济上的可行性下降。 因此，高炉炉龄取决于某个薄弱环节的出现。由于高炉是一个密 闭的高温反应器，当炉身的炉壳强度失效( 如炉壳热面已直接裸露在 高温煤气流中) 、皲裂而不能支撑炉型，这时就决定了炉役的终结； 炉缸在高温铁水的长期冲刷、侵蚀下，砖衬减薄，最后当到了铁水随 时会破炉缸而出时，这也决定了炉役的终结。近几十年来，决定炉龄 的因素随着长寿技术的进步也在发生着转变。如上世纪8 0 年代前后， 高炉多因炉身损坏而停炉。为了延长高炉寿命，采用中修的措施更换 炉缸以上的砖衬及冷却设备，这样的中修，停炉时间长，影响产量， 维修费用也高。当冷却设备可以更换，如铜冷却板冷却方式，以及炉 身中下部可采用硬质材料压入，炉身上部又能进行喷补等技术，均使 炉身部分设备状态有了明显的改观。这样炉缸的寿命就凸显出来。在 炉缸部份，由于长期处在渣铁的浸泡和冲刷作用下，当炉缸工作恶化 或炉缸工作不均匀时均导致炉缸砖衬的异常侵蚀。在炉缸部位，某处 残余砖衬减薄到危险值( 一般为5 0 0 m m ，也有3 0 0 r a m ) ，则很难使其处 于正常生产状态，维持正常的产量。近十多年来，炉缸的破损成为停 炉的根本原因，而炉缸问题又分炉缸侧壁及炉缸底面两类。在炉缸使 用高铝质耐材时期，高热阻迫使砖衬热面一直面对着高温熔融铁水， 而难以长久。风冷炉底虽运行成本低，但冷却效果不佳。在这种情况 下，炉底面常常被严重侵蚀，曾有炉底烧穿的恶性事故发生。碳质炉 底使用以来，由于碳质材料的导热性好，炉缸的寿命得到了质的飞跃。 同时，加强冷却把铁水凝固线1 1 5 0 。c 推至碳砖热面外一定距离，使 高炉长寿综合技术阶段研究 碳砖如同带上了一层盔甲保护层。碳砖炉底加纯水密闭循环冷却使炉 底面的状态得到彻底改观。炉底面的问题解决后，炉缸侧壁就成了关 切的焦点。铁口处在炉缸铁水流动的作用下，工作条件呈周期性变化， 使该处的砖衬侵蚀一直处于领先位置。为了抑制侧壁的侵蚀，可以采 用微孔质碳砖加设陶瓷壁及将炉皮洒水改为光面冷却壁等措施。以上 论述说明，决定高炉长寿的因素和长寿技术是不断变化和发展的。 1 - 2 国内外高炉长寿的发展趋势 据国外资料介绍：5 0 年代高炉平均寿命只有4 年左右，6 0 年代 为4 5 年，7 0 年代提高到5 - 6 年，8 0 年代停炉的高炉寿命可达8 1 0 年，甚至更长。目前，工业发达国家高炉寿命已普遍达到1 0 1 5 年。 表1 - 1 列出了部分长寿高炉的情7 兄【2 。5 】。其中干叶6 号高炉在1 9 9 8 年 3 月达到了2 0 年9 个月的炉龄记录；而川崎钢铁公司( 简称k s c ) 水岛厂的2 号高炉在2 0 0 0 年2 月1 5 日突破了这个记录【6 1 ，并继续向 2 5 年的炉龄努力，其4 号高炉目前也已超过了2 1 年的寿命。日本矢 作制铁公司的3 6 1 m 3 高炉、岩手制铁公司的1 5 0m 3 高炉，在9 0 年代 就达到了2 0 年以上的水平。巴西的c s t 厂【硼( c o m p a n h i as i d e r u r g i c a d et u b a r 菇o ，坐落在巴西e s p i r i t os a n t o 州，v i t 6 r i a 的北部) 的1 号高 炉( 内容积4 4 1 5m 3 ，工作容积3 7 0 7m 3 ) 于1 9 8 3 年1 1 月3 0 日点火， 至今已经稳定生产超过2 0 年，新的目标是2 5 3 0 年。 我国高炉的寿命远低于国外高炉的一般水平。我国曾经对 1 9 6 3 1 9 9 0 年的3 0 座高炉的4 0 炉次进行了统计，炉缸平均寿命约8 一 年，但炉腹以上的寿命只有3 5 年，即国内高炉在3 - 5 年后必须进行 3 上海交通大学宝钢集团公司博士后出站报告 金永龙一 一次中修，8 年左右大修。国内高炉寿命达到1 0 年以上的为数不多。 如宝钢股份有限公司的1 b f ，是君津3 b f 的翻版，其有效容积为4 0 6 3 表1 - 1 国外大型长寿高炉 高炉 千叶6 b f 千叶5 b f 水岛3 b f 广i 毋4 b f 大分1 b f 大分2 b f 名古屋1 b f 名古屋3 b f 君津3 b f 君津4 b f 户生田1 b f 卢灿4 b f 鹿岛1 b f 鹿岛3 b f 扇岛1 b f 扇岛2 b f 福山3 b f 福山4 b f 福山5 b f 京浜1 b f 京浜2 b f 加古川3 b f 和歌山 八幡1 b f 八幡4 b f 高炉容积 m j 日 4 5 0 0 2 5 8 4 4 0 4 0 2 9 5 0 4 1 5 8 5 0 7 0 3 8 9 0 3 2 4 0 4 0 6 3 4 9 3 0 4 1 4 0 4 2 5 0 3 6 8 0 5 0 5 0 4 0 5 2 4 0 5 2 3 2 3 3 4 2 8 8 4 6 1 7 4 0 5 2 4 0 5 2 4 5 0 0 2 1 5 0 4 1 4 0 4 2 5 0 点火时间 年月 本 1 9 7 7 6 1 9 8 0 1 0 1 9 7 8 6 1 9 7 7 2 1 9 7 9 8 1 9 7 6 1 0 1 9 7 9 3 1 9 7 4 1 2 1 9 7 1 9 1 9 7 5 1 0 1 9 7 5 3 1 9 7 8 ，7 1 9 7 9 2 1 9 7 6 9 1 9 7 6 1 l 1 9 7 9 7 1 9 7 51 1 9 7 8 2 1 9 7 3 1 1 1 9 7 6 1 l 1 9 7 9 7 1 9 7 8 2 1 9 8 1 6 1 9 7 5 3 1 9 7 8 7 端问n 稀- n 备注年月 1 1 9 9 8 3 1 9 9 1 9 1 9 9 0 2 1 9 9 4 6 1 9 9 3 1 1 9 8 8 8 1 9 9 0 1 0 1 9 8 4 8 1 9 8 2 5 1 9 8 6 7 1 9 8 5 8 1 9 8 8 1 2 1 9 9 0 8 1 9 9 0 1 1 9 8 9 7 1 9 8 6 2 1 9 9 0 2 1 9 8 3 1 0 1 9 8 9 7 1 9 9 0 6 1 9 8 8 2 1 9 9 0 9 1 9 8 5 8 1 9 8 8 1 2 2 0 9 1 0 1 1 1 1 - 8 1 6 - 4 1 3 5 1 1 ，1 0 1 1 7 9 8 1 0 - 8 1 0 9 1 0 5 1 0 5 1 l 一7 1 3 。6 1 4不详 1 1 一l 1 2 0 9 一1 1 1 2 8 l o 1 l 1 0 0 9 8 1 0 - 5 1 0 5 其他国家 韩国浦项3 b f 3 8 0 0 1 9 7 8 1 21 9 8 8 99 - 1 0 翟斧 3 0 5 0 1 9 7 7 3 1 2不详 法国索拉克公司 福斯1 b f 2 8 4 31 9 8 1 7 1 9 9 1 71 0 0 福斯2 b f 2 8 4 3 1 9 8 2 31 9 9 3 1 1 1 1 - 8 荷兰翼冬奎翅堡公司“3 6 1 5 1 9 8 0 ，41 9 9 1 2 1 0 1 0 垩垄奎z 里e 4 高炉长寿综合技术阶段研究 m 3 ，1 9 8 5 年9 月1 5 日投产，1 9 9 6 年4 月2 日停炉，一代炉龄达到 1 0 年零6 个月；当时的炉况尚好，停炉后考察，估计再生产1 - 2 年没 司题。宝钢2 b f 于1 9 9 2 年6 月投产，目前还在正常生产，但目前的 利用系数已经不如第二代的1 b f 和1 9 9 4 年投产的3 b f 。其他一代炉 龄无中修达到1 0 年左右的高炉还有梅山的1 b f ( 有效容积1 0 8 0 m 3 ， 第二代炉龄期1 9 8 6 1 1 9 9 5 1 1 ，炉龄9 年1 0 个月) 和2 b f ( 有效容 积1 2 5 0m 3 第二代炉龄期1 9 8 6 1 2 1 9 9 7 9 ，炉龄l o 年8 个月) 、莱 钢的6 2 0 m 3 高炉( 炉龄期1 9 8 2 4 1 9 9 4 1 ，炉龄1 1 年8 个月) ，及韶 钢的1 b f ( 有效容积3 0 5m 3 ，1 9 8 7 9 1 9 9 7 1 ，炉龄9 年4 个月) 。它 们分别是目前我国中小型长寿高炉的记录8 。6 1 。表1 2 是国内高炉的 一些统计数据。 表1 - 2 国内部分高炉统计 马钢9 b f 8 6 1 2 3 0 - 9 4 1 11 8 6 2 3 98 年 攀钢2 b f 宝钢i b f 宝钢2 b f 梅山1 b f 梅山2 b f 莱钢 韶钢1 b f 唐钢二铁1 b f 首钢4 b f 攀钢4 b f 鞍钢1 0 b f 马钢 鞍钢1 1 b f 武钢5 b f 宝钢3 b f 鞍钢7 b f 邢钢4 b f 1 2 0 08 5 1 1 1 4 9 7 4 15 6 8 5 8有一次中修 4 0 6 38 5 9 15 9 6 4 2 8 3 8 21 0 年8 月 4 0 6 3 9 26 已经1 1 年 1 0 8 08 61 1 5 9 5 1 1 2 5 6 9 7 89 年1 0 月 1 2 5 08 6 1 22 7 9 7 9 1 2 7 0 2 21 0 年8 月 6 2 08 2 4 2 8 9 4 1 4 6 0 2 411 年8 爿 3 0 0 级8 7 9 7 9 7 15 6 1 6 89 年4 月 1 2 6 0 8 99 9 8 1 2 2 5 5 3 8 99 年3 月 2 1 0 09 2 5 ( 预计1 2 年)6 4 5 9 ( 预计 8 0 0 0 ) 2 0 0 0 年统计 1 3 5 08 99 ( 预计1 2 年)5 4 2 8 ( 预计 7 0 0 0 ) 9 8 年1 1 月统计 2 5 8 0预计可达1 0 年 无具体报道 2 5 0 09 4 2 ( 已达1 0 年) 2 0 0 1 年统计 2 5 8 0 9 59 不详 3 2 0 09 17 不详 4 3 5 0 9 49 一已接近9 年 2 5 8 09 2 5 2 0 0 3 年年底 现在大修 3 0 0 9 06 1 2 0 1 1 18 9 0 1 01 1 年5 个月 s 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告金永龙 1 3 实现高炉长寿技术的研究现状 实现高炉长寿是个系统工程，涉及方方面面的技术，主要有以 下几个方面： 1 3 。l 高炉设计研究及施工管理 设计阶段首先要确定选择合理的高炉有效容积，不仅决定于生产 厂的产能要求，更是因为不同的高炉有效容积对原燃料的质量要求是 有差别的，如武钢新5 b f 和鞍钢的新1 b f 之所以选择3 2 0 0i 2 1 3 ，而不 是更大的有效容积，是由于对它们的焦炭质量和目前的炉料特性研究 的基础之上的。 选择了高炉炉容之后，要确定高炉的合理炉型，这是高炉强化、 顺行的基础，也是长寿的关键之一。目前的趋势是向矮胖型发展，即 高炉的有效高度与炉腰直径之比( h 1 - t 1 3 ) 趋小。如2 0 0 0 - 3 0 0 0m 3 级高炉在2 4 5 2 3 5 ，4 0 0 0m 3 级高炉在1 9 - 2 0 ；因此不同级别的高炉 有效高度变化不大( 2 0 0 0 3 0 0 0m 3 为2 9 3 0 m ；4 0 0 0m 3 级高炉在 3 2 m ) ；而考虑焦炭的反应强度，炉身高度变化在1 7 - 1 8 m 。炉身角( 1 3 ) 和炉腹角( d ) 趋于接近，b 在8 1 8 2 。，a 在8 0 - 8 1 。为保证提 高间接还原和预热带，炉身和炉腰容积之和与有效容积之比应在 6 2 6 5 左右。另外，铁口数量和炉缸死铁层深度对高炉寿命有重要 影响。铁口数量的设计必须保证能够减少由于炉缸周向出铁不平衡造 成铁水过分环流引起的炉缸侵蚀；死铁层有加深的趋势，而炉底趋于 减薄，目的是为了使炉底远离高温区，减少铁水的环流对炉底的侵蚀， 同时可以节省耐火材料的消耗和砌筑时间；这部分的设计是建立在炉 高炉长寿综合技术阶段研究 底耐火材料的性能改善和炉底冷却技术改进的基础之上的；通过炉底 传热计算，以及侵蚀速率的研究，炉底炭砖的厚度还可以进一步降低。 目前国外对炉缸死料柱的透气、透液性以及对铁水的环流都进行了较 为深入的研究，建立了物理和数学模型，并对死料柱的焦炭进行取样 分析，这都有利于进一步改善炉底和炉缸的设计。”2 i i 对于高炉各部位冷却制度和冷却形式的选择，首先要对高炉各部 位的受热情况和工作环境进行研究和了解。如高炉炉身上部，过去认 为由于该区域温度较低，往往不设冷却器，但如宝钢1 b f 第一代炉 役大修时发现，由于下降的炉料和上升的煤气流冲击和磨损，炉衬已 经被损害，因此3 b f 的设计就采用了水冷壁。 目前冷却器的形式主要是冷却壁和冷却板，孰强孰弱国际上还有 争论。如日本的一些高炉采用板壁结合的方式；欧洲的法国、俄罗斯 等国家的高炉以冷却壁为主，英国和日本比较接近；还有的高炉采用 铜冷却板，见表1 3 。这些冷却器形式都有长寿的例子，如日本千叶 的6 b f 采用板壁结合的形式，创造了高炉长寿的世界记录；法国八 十年代投产的使用冷却壁的高炉寿命都达到或超过了1 0 年，而第四 代冷却壁的使用，使一些新设计高炉的寿命都达到了1 5 年以上；宝 钢l 、2 b f 第一代炉龄使用的是密集型铜冷却板，寿命都超过了1 0 年。 对于冷却器的使用效果及理论研究，国内外作了大量的研究。如 宝钢3 b f 使用冷却壁，但投产两年后冷却壁出现了大量破损，为此 ” 宝钢股份和北京科技大学、鞍山科技大学等单位合作进行了大量的研 7 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站撮告 究，如高炉热平衡测试研究，目的是对高炉各部位冷却制度进行优化； 并进行了热态试验和数值计算，找出了在实际生产情况下冷却壁的温 度分布及侵蚀的可能性；同时宝钢股份3 b f 采用了微型冷却器的技 表1 - 3 一些长寿高炉的冷却器形式 注：c 一冷却板；s 一冷却壁。 术，取得了很好的效果。另外，对带有凸台的冷却壁，生产实践发现 其凸台是薄弱环节，如鞍钢1 1 b f 是全冷却壁高炉，生产仅3 个月就 发现冷却壁凸台水管的损坏。研究发现凸台和炉内距离较近，要承担 较大的热负荷并还要支撑炉体砖衬的部分重量，因此要增加冷却强 度，必然会导致冷却壁内温度分布的不均匀，从而产生热应力。目前 日本新日铁的第四代冷却壁在大量高炉生产实践的基础上，对冷却壁 的结构和冷却强度等方面都进行了优化。而千叶6 b f 长寿的原因之 一就是安装在冷却壁之间的冷却板对凸台起到了保护作用；也避免了 炉内气体通过炉壳和冷却壁之间的缝隙而造成的损坏；另外，日本对 冷却板的突出长度作了比较细致的研究，如冷却板的受力情况，对炉 一 料下降的影响等。总的来说，冷却器损坏的主要部位在炉体中下部， 高妒长寿综合技术阶段研究 即炉身中下部、炉腰、炉腹部位，这些部位冷却器的选择更加重要。 对冷却壁的材质方面，德国蒂森公司在多座高炉试验安装了部分铜冷 却壁，试验发现：尽管铜冷却壁周围的铸铁冷却壁破损严重，但铜冷 却壁完好无损；现场测试发现：铜冷却壁壁体平均温度低于铸铁冷却 壁，且温度波动较小。近几年，国内如北京科技大学对铜冷却壁进行 了大量的理论研究，进行了物理和数值模拟，并在国内部分高炉安装 了部分试验用的铜冷却壁，对其使用情况进行监测和研究。 2 2 - 2 5 对高炉各部位使用耐火材料的研究，首先是基于对各部位侵蚀机 理的认识，国内外对高炉各部位的侵蚀机理进行了详细的研究。高炉 受到的侵蚀和破坏主要有机械破坏和化学侵蚀。如炉身上部的炉料撞 击和磨损；炉身下部、炉腹和炉腰的化学侵蚀，如炉渣侵蚀、碱金属 侵蚀等；炉缸和炉底的铁水环流冲击、铁水渗透等；煤气流对炉衬的 冲刷，煤气流渗透到砖衬中的侵蚀；部分区域由于耐火材料经受热应 力的侵蚀等。根据高炉内侵蚀机理和耐火材料的特性，就可以选择相 应种类耐火材料。如炉缸和炉底区域采用导热性好的炭砖，一定要避 免炭砖发生裂纹，而炭砖产生裂纹的主要原因是由于热应力，比如高 炉点火期间、休复风期间、铁水流动变化产生的温度变化等都易产生 热应力。日本等国对不同耐火材料种类在不同部位可能产生的热应力 进行了解析，目前比较先进的是利用有限元方法进行三维解析，研究 结果可以用于确定选择最佳的耐火材料种类和尺寸。 z 6 - 2 9 对于冷却介质，目前国内外高炉普遍都采用了软水或纯水冷却的 技术，认为“水质是高炉长寿的基础”的说法并不为过。研究发现， 9 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 水质恶化，容易在冷却器内产生结垢，而尽管结垢很薄，但其热阻比 冷却器水管综合热阻高出许多。如有研究发现，当有1 5 m m 水垢时， 对铸管冷却壁来说，有垢的综合热阻比无垢时大约降低2 8 6 8 ：而 对钻孔冷却壁，有垢的综合热阻比无垢时大约降低9 0 9 8 t 2 4 1 。这样 容易导致冷却器的烧损，降低冷却器的寿命。因此，对于冷却器来说， 水质是第一位的，其次才是冷却器本身。因此对水质的研究还需进一 步深入和加强。 对于高炉炉壳的选择，主要是考虑炉壳的强度，对高炉的支撑作 用，并确保煤气不泄露。因此，对炉壳强度和应力的研究就成了重点。 如炉壳应力，有的研究者对其进行了现场测试，有的利用数值方法对 其进行了计算和研究，尤其是对于开孔的位置、数量( 如风口区域) ， 炉壳的设计更需要这些技术的支持。 施工质量是高炉长寿至关重要的一环，国内外对此都相当重视。 在施工管理方面，主要是要加强施工质量的监督和管理，制定一系列 比较完善的施工质量标准。另外，对耐火材料及冷却器的制造技术也 是实现高炉长寿的必要条件。如高炉炉缸的耐火材料制造、砌筑，对 其施工后耐火材料的砖缝要求很严，否则生产中铁水容易渗透，并造 成耐火材料的侵蚀、上浮，导致高炉寿命的降低。 1 3 2 高炉操作技术 高炉合理的设计和严格的施工以后，就要交给高炉操作人员。而 高炉能否达到设计要求的寿命，决定予操作者的操作和管理水平：国 高炉长寿综合技术阶段研究 7 0 0 6 0 0 5 0 0 望4 0 0 髫3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 - 、 。，一 1234 边缘 图1 - 1国内部分2 5 1 1 0 高炉炉喉十字测温典型的温度分布曲线 内外就高炉操作对高炉长寿的影响也有诸多论述，概括如下： o 稳定炉况，形成合理的煤气流分布。1 3 0 - 3 3 1 炉况稳定，即减少崩滑料，消灭悬料，这样易于形成稳定的操作 炉型，易于稳定附着在冷却器内壁的炉渣，从而保护冷却器。而要达 到稳定、顺行的炉况，必须在操作上努力探索形成合理的煤气流分布。 高炉合理的煤气流分布，必须坚持以发展中心为主，适当发展边缘气 流的方针，如图1 1 是考察国内部分2 5 0 0m 3 高炉顺行时比较典型的 炉顶十字测温的温度分布，即反映了煤气流分布的基本特性。 如果采用过分发展边缘气流的操作制度，高温煤气流大量从边缘 通过，必然加重炉体砖衬的侵蚀；同时加大炉体冷却器的热负荷，造 成冷却器上附着的炉渣经常脱落，对冷却器的长寿造成直接的影响。 反之，如果边缘过重，也会导致炉况不顺。如1 9 8 4 年l o 月，鞍 钢7 b f 开炉后，因边缘过重，促使炉墙结厚；1 9 8 9 年首钢1 b f 开炉 9 缘边 占 。激桃 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 初期，也由于加重边缘而出现了结厚现象；武钢3 b f 在1 9 7 8 年因过 分加重边缘也导致了结厚；宝钢1 b f 在1 9 8 7 年园边缘过重，多次炉 腰结厚，多次洗炉，并造成风口曲损等现象。 高炉合理煤气流分布的标志：高炉稳定顺行，主要是指炉料沿 高度及半径方向下料顺畅；煤气流能量能被充分利用，煤气利用率 尽可能地高：炉热充沛，炉缸活跃。 o 形成合理的煤气流分布，原燃料条件是保证。 对高炉炉料最基本的要求是含铁品位高、强度好、粒度均匀，同 时要求原料有良好的热性能，如还原强度( 还原粉化和还原膨胀) 、 软熔特性和还原性等。但是单一的炉料往往不能达到理想的要求。如 酸性炉料，在冶炼过程中必须加熔剂才能形成合适的炉渣碱度，保证 生产合格铁水的要求。高品位低s i 0 2 的低碱度烧结矿的强度不好，而 s i 0 。过高又不能满足品位和不加熔剂的要求。自熔性烧结矿其强度虽 然处于低强度槽形区以后，但强度并不是最佳的，也适应不了高炉大 型化对炉料的要求。高品位自熔性球团矿的冶炼效果还不如高品位的 自熔性烧结矿。因此提出了合理炉料结构的思想，并将高碱度烧结矿 作为合理炉料结构不可或缺的主题部分，因为高碱度烧结矿的主要矿 物结构是铁酸钙( 2 c a 0 s i 0 。) ，其还原性能良好，同时高碱度烧结矿 的软化开始温度较高，易于使软融带的高度下移。但是，高碱度烧结 矿必须加适量的酸性炉料，如酸性球团、天然矿等，一方面为了调节 炉渣碱度：另一方萄可以使软化终了温度适当降低，使软融带不会变 宽。合理的炉料结构是形成合理软融带的基础，合理软融带是煤气流 高炉长寿综各技术阶段研完 二次分布的先决条件。 焦炭性能包括焦炭的物理性能( 如固定碳含量、s 含量、焦炭强 度和耐磨指数等) 、焦炭反应性、焦炭抗碱金属的能力等，目前更重 视焦炭的高温反应强度，实验设计的反应温度最高达到了1 3 5 0 。c ， 这样可以模仿高炉风口区焦炭的实际反应性。随着高炉煤比的增加， 对焦炭质量的要求越来越高，据报道，宝钢针对煤比长期稳定在2 3 0 k g t 。1 以上的特殊要求，提出c r i ( 焦炭反应性) 控制在2 2 2 6 ，c s r 控制在6 6 7 0 l l 较适宜。表卜4 列出了部分厂家焦炭的质量指标。 表卜4 部分高炉使用的焦炭指标 炉别炉容，煤比， 3 k g t 1 鞍钢7 b f 2 5 8 01 3 0 鞍钢i o b f 2 5 8 01 4 5 鞍钢1 1 b f 2 5 8 01 2 5 鞍钢新1 b f + 武钢5 b f 宝钢1 b f 艾莫伊登7 b f 汤恩托5 b f 焦炭质量， 挥发份硫分m 4 0m i oc r ic s r 1 1 6o ，5 68 0 77 。o3 4 5 05 2 5 0 1 1 60 5 77 9 56 73 2 5 05 4 5 0 1 1 60 5 77 9 56 73 4 5 05 2 5 0 0 68 08 0 灰份 1 2 3 3 1 2 1 9 1 2 1 9 3 2 0 01 9 01 2 设计值。 高炉喷吹煤粉能大幅度地降低入炉焦比，减少对日益匮乏的焦煤 资源的依赖，是炼铁降低生产成本的最有效手段，还可以少建焦炉， 保护环境。因此世界各国均在采取各种措施来提高高炉喷煤量，以取 得最佳的经济效益。高炉喷煤初期，限于当时对高炉喷煤的了解及对 喷吹煤种的认识，对喷吹煤的性能只提出了理化性能上的一些要求， 而未涉及到煤的流动性及其它些方面的要求。随着喷煤比的提高， 棚 由于喷吹煤种的关系，在喷煤系统曾发生空喷、管线堵塞、风口结渣 篙鬈絮锄 o 7 t 曩 5 7 虬 玎 勰 弛 船眈 珀5 6 他n 9 9 m 撕 0 3 o 9| | i 蛳伽渤 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 金永龙 等一系列问题，使高炉喷煤比难以提高。随着对喷煤过程的不断认识， 已逐渐认识到高炉喷吹煤粉除了有良好的理化质量指标外，还需要具 备良好的制粉性能( 中速磨对原煤的质量要求比较高) 和输送、流动 性能。目前对煤的综合研究包括：煤种工业分析；煤种元素分析；煤 种灰分组成和成分；煤种灰分灰熔点；煤种发热值；煤种可磨性( h g i ) 和流动性；煤种着火点和爆炸性；煤种燃烧性等。 另外，对原燃料的另一要求是碱金属含量和金属z n 含量的控制。 碱金属在高炉内的危害主要表现在： ( 1 ) 对焦炭性能的影响，加剧和提前焦炭的气化反应。如缩小 间接还原区，引起焦比的升高；降低焦炭的高温强度和性能； ( 2 ) 加剧球团矿的膨胀及一些烧结矿的中温还原粉化； ( 3 ) 碱金属引起耐火材料的侵蚀，如粘土砖的软化、膨胀：高 铝砖的膨胀； ( 4 ) 由于以上原因，高炉内的碱金属积累容易引起料柱透气性 的恶化，从而导致炉况不顺，如高炉崩、悬料，甚至结瘤，引起风口 的破损等。 金属z n 在炉内蒸发后与c o 作用，被氧化而脆化砖村。 因此，研究高炉长寿必须考虑碱金属和金属z n 的影响。碱金属 氧化物应当控制在小于2 。o k g t 一，入炉锌负荷1 5 0 9 t 一。 0 形成合理的煤气流分布，上下部调剂是手段。 高炉初始煤气在风口回旋区由于碳一氧反应产生，然后通过软融 带进行煤气流的二次分布，在通过块状带的过程中，由于炉料的分布 特性及料柱阻力变化而使煤气流的流动方向和速率随之改变。因此， 高炉长寿综合技术阶段研究 寻求合理的上下部调剂手段也是确保高炉长寿的主要措施。 上部调剂包括合理的炉料结构和炉料粒度分布，因为不同物料在 料钟或无料钟布料时都具有不同的物理特性，如料流轨迹和料面形状 的变化将影响炉料的分布；如球团矿比例过高，将导致边缘气流难以 抑制，加重炉衬热负荷，对高炉长寿不利。从操作的角度，上部调剂 主要手段是：布料角q ，调整布料位置和料流轨迹；料流阀开度y 调 整料流量，控制布料圈数或环数：批重；料线等。这些手段最终可以 控制理想的料面形状和炉料分布，达到合理的上部气流分布。另外， 有的大型高炉为了进一步发展中心气流，采用了中心加焦技术，该技 术对焦炭死料层的更新也有较大的促进作用，可以减少炉缸铁水环流 造成的侵蚀。上部调剂手段还可以采用调整顶压的措施，使高炉煤气 在炉内的停留时间加大，以提高煤气利用率；但顶压的提高必须有良 好的原燃料作保证，还要考虑高炉本体结构条件等因素；该方法作为 调节手段是有限的。 下部调剂包括适宜的鼓风条件( 鼓风强度、风温、风压、富氧和 鼓风湿度等) 、喷吹条件( 煤比) 和冶炼强度等。下部调剂的主要任 务是保证炉缸工作的活跃、均匀和稳定。首先煤种的选择必须和风温、 富氧等鼓风制度相匹配，保证煤粉在风口区域尽可能地完全燃烧，否 则未燃煤粉将在软熔层堆积，影响高炉透气性；鼓风动能的选择以保 证能够吹透中心为基准，以保证煤气流的一次分布能够促进形成以发 展中心气流为主，适当发展边缘气流的稳定型气流。 0 保持合理的操作炉型，必须有合理的冷却制度。 1 5 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 高炉开炉后，由于强烈的高温侵蚀，炉腹、炉腰及炉身下部部位 的耐火材料将会很快地被侵蚀，而维持该区域正常运行的是由于冷却 作用形成的渣皮，这些部位的内型可能会改变，即形成所谓的操作炉 型。冷却系统不仅要保护砖衬、冷却器和炉体钢板，而且还要使形成 的渣皮相对稳定，不发生周期性炉墙附着物的生成和脱落。如果高炉 炉况不稳，将引起热负荷的剧烈变化，如果不及时调整冷却强度，如 热负荷过高，冷却器将会受到损害，导致冷却水管破损；如果边缘气 流受到限制，或冷却强度过大，砖衬将聚集大量的附着物，容易导致 炉墙结瘤，严重时将引起悬料。因此，应当保证炉况顺行第一，适当 控制热负荷。图1 2 和图1 3 是某高炉生产实际的统计数据。该些数 据明确表明了炉况和热负荷对高炉冷却器长寿的影响。 四 g 糕 辎 饪 m 批 一开炉后1 年 。 开炉后2 年 。-_：葬i 嚣譬i 辜o-ly l 一 o2 04 0 滑料次数，次月 图1 2 炉况不顺对冷却器破损的影响 。其他操作制度。如出渣、出铁制度，应当及时出尽渣铁，保 护好炉缸，保证炉料下降的稳定；控制出铁时的铁流速度，以减轻环 流铁水对砖衬的冲刷作用，维护好铁口。 4 2 o 8 6 4 2 0 高炉长寿综合技术阶段研究 四 巢 黎 骚 蕊 m 舢 一一一一- 一j k 一 、 】j 01 2 5 0 13 5 01 4 5 ( )1 5 5 0 高炉本体热负荷，4 1 8 xi 0 4 k j h 图1 - 3 高炉本体热负荷对冷却器管子破损的影响 i 3 3 高炉监测和标准化操作口们 高炉是一个复杂的“黑箱”系统，先进且准确的高炉监测技术， 能够准确反映高炉内部的实际状况。如前述，对于高炉长寿，必须保 证高炉操作的稳定，确保冷却制度的合理，并通过调整原燃料条件和 上下部调剂来实现。但是，所有这些措施到底能否起到预期的效果， 必须依靠对高炉的炉况监测和预报。典型的高炉监测方法包括：料面 形状和料面位置的检测、料面温度分布的检测、炉顶煤气成分的检测、 块状带的厚度检测、炉身煤气取样器：炉身静压力的检测、料尺、软 熔带的跟部及软熔带的检测、风口区的检测、炉缸温度的检测、送风 及煤粉喷吹的计量和检测、铁水( 渣) 温度和流量的检测、铁水含硅 量的快速分析、炉墙残存厚度的检测、炉缸和炉底砖衬温度的检测、 高炉操作的基础数据测定( 如原燃料成分、水分测量等) 等。在此基 础上，建立了各种模型，如炉底侵蚀模型、炉顶布料模型、炉热指数 模型和软熔带模型等；同时借助计算方法和计算机技术的发展，发展 1 7 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 了一些综合型的模型，如高炉操作指导专家系统、炉况诊断专家系统 和出铁操作指导专家系统等。 以上检测技术和模型技术的研究与应用，为实现操作制度规范化 提供了保证，这些技术使高炉原本完全是“黑箱”的复杂体系变成了 “半透明化”的单元体，便于操作者了解系统的实际运行过程。因此， 操作者的操作就可以比较容易地实现标准作业，更好地避免不同操作 者由于对实际运行状况的不同理解而产生的操作误差，为高炉的稳定 运行提供了保证，是高炉长寿的技术保证。 1 3 4 高炉炉役后期的维护技术口”4 高炉内衬在炉役中后期被侵蚀，为了保持生产的正常进行，必须 采用修补维护技术。对于不同的部位，不同的损坏状况，采用不同的 修补措施，以保证一代炉龄不中修达到1 0 年以上。日本高炉的长寿 和其先进的修补技术分不开的。下面是一些典型的修补维护技术： 1 ) 炉身上部 炉身上部的砖衬主要是由于煤气流的冲刷、固体炉料的磨损而减 薄。为了使高炉操作稳定，维持合理的操作炉型，保证煤气流的合理 分布，必须对过分磨损的砖衬进行修补。如宝钢1 b f 采用的具体措 施是：将料线降至损坏部位以下休风，再安装上预先浇铸了耐火材料 的冷却水管，然后在它的上面喷上热黏着性和耐磨性好的耐火材料。 2 ) 炉身中下部 该部位的砖衬同样受到炉身上部的侵蚀以外，还受到高温条件下 碱金属的破坏；另外，冷却板( 壁) 也较容易烧坏，甚至导致炉壳烧 高炉长寿综合技术阶段研究 红变形。在这种情况下，一般采用更换冷却设备，喷补耐火材料等方 法使露出炉壳部位重新形成保护层，降低炉壳的热负荷；休风喷补之 前在炉壳上喷水以减轻炉壳的热损伤。 高炉炉身中下部的砖衬或冷却器损坏之后，根本的方法是空料线 于修补部位以下，更换冷却器，并在冷却器上进行喷涂。其次是实施 喷涂，该方法也必须降低料线至损坏部位以下，可采用人工喷涂或遥 控喷涂，如日本鹿岛3 b f 从1 9 8 7 年到1 9 9 0 年1 月底停炉，进行了4 次喷补，效果良好。还可以采用压力灌浆的方法。如果炉衬厚度减薄 至1 5 0 r a m 或炉皮温度较高、炉皮发红的部位，应及早进行修补。日 本鹿岛厂和宝钢都采用了新开发的低温硬化树脂系粘合剂或硬质料 进行压力灌浆造衬，取得了良好的应用效果。但该方法必须在3 - 5 个 月进行一次，该方法不需降低料线。 3 ) 炉腹和炉腰部位 该部位存在着铁和熔渣，温度较高，侵蚀更加剧烈，主要是渣铁 的冲刷、化学侵蚀等。一旦冷却设备破损，很容易造成炉壳烧穿，造 成渣铁喷出的重大事故，所以应该加强对该部位的检测和维护。 该部位的修补方法和炉身中下部大体相同。宝钢采用了安装铜制 微型冷却器的方法，取得了很好的效果，因为铜的导热性能由于铸铁， 容易使其周围形成渣皮，同时使本体系的热负荷降低。 4 ) 对炉底和炉缸的维护 炉底炉缸的侵蚀是危及高炉寿命的关键，因为炉底在一代炉役内 是不能更换的。根据高炉解剖分析，炉底和炉缸结合部位经常出现“蒜 1 9 上海交通大学一宝钢集团公司博士后出站报告 头型”侵蚀，炭砖脆化。为此在炉底砌筑、炉底耐火材料的材质和 形式选择都是至关重要的。而对于生产高炉，主要采用如下的修补措 施。 ( 1 ) t i 0 2 护炉。因为t i 0 2 经还原后在铁水中形成高熔点的t i ( c ，n ) 物质，并沉积在炉缸受侵蚀的部位，并随炉缸区域不同的温 度差不同而存在不同的团聚量。日本的高炉和宝钢股份都有这方面成 功的例证。 ( 2 ) 炉缸和炉底灌浆。在炉缸和炉底部位侧面的热胀冷缩使砖 衬中产生气隙，在休风时可以有计划地采用压浆处理。针对铁口是炉 缸工作环境最恶劣的特点，加强铁口压浆，将铁口煤气火压到最小。 一般采用热传导率高、冷却效果好的与环形炭砖同材质的耐火浆灌 入。 ( 3 ) 双重炉底冷却管n 1 。水岛2 号高炉在开炉后的第1 2 年，在 炉底内的冷却管上发现了一条沟道，它使水漏进了炉底，炉底内冷却 管由于弯曲成很小的尺寸以及埋设在炉底底板的下面，不可能进行更 换。从而研究出一些补救措施，利用现有的水管来保证高炉炉底的冷 却能力，采用了双重冷却管。双重冷却管的结构如图卜4 中所示。由 水流通的金属软管和不规则的高导热泥浆组成，这样就势必需要确 立：( 1 ) 穿入长金属软管的技术；( 2 ) 在高温条件下密封和最后填 塞不规则高温( 即3 8 0 k ) 导热泥浆的技术。第一个突出的问题通过研 制出种梭子，利甩高压空气使钢丝穿过管道而得到解决；第二个问 题则通过密实地灌入泥浆i 使之达到目标导热系数而得到解决。 2 0 高炉长寿综合技术阶段