高爐長壽設計綜述

陳 濤

（中冶華天工程技術(shù)有限公司鋼鐵設計研究總院， 江蘇 南京 210019）

高爐長壽設計，應按照長壽設計技術(shù)要求，選用冷卻設備結(jié)構(gòu)形式，材質(zhì)、冷卻介質(zhì)、耐火材料、砌筑結(jié)構(gòu)及監(jiān)控技術(shù)，可有效減少大中修費用，避免停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失。高爐大型化以后，新建高爐要求1 000 m3以上，各企業(yè)高爐數(shù)量減少明顯，停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失更明顯。國外高爐壽命最長已超過24年，國內(nèi)寶鋼、武鋼高爐壽命最長超過15年，跟國外長壽水平仍有一定差距，本文從高爐爐缸侵蝕機理談起，以高爐設計角度闡述高爐長壽技術(shù)的關鍵要素，供同行參考。

1 爐缸侵蝕機理

優(yōu)質(zhì)炭磚與合理冷卻相結(jié)合，形成理想的凝固線。爐缸工作面形成穩(wěn)定的凝固殼是高爐長壽的保證。爐缸結(jié)構(gòu)設計雖然利用水冷方式將耐材溫度降到凝固線以下，在耐材熱面形成渣鐵凝固殼實現(xiàn)耐材與高溫渣鐵在空間上的分開，以延長耐材使用壽命達到高爐長壽的目的，但是實際生產(chǎn)過程中的渣鐵凝固殼厚度并不是一成不變，是建立在不斷熔化與凝固的動態(tài)平衡中，當爐缸熱流波動導致凝固線往外推移，并推移至炭磚熱面或者炭磚內(nèi)時，炭磚不可避免地要與高溫鐵水直接接觸從而使炭磚發(fā)生脆裂，脆裂是通過以下四種方式實現(xiàn)[1]。

1.1 鐵水滲透

鐵水滲透是鐵水通過炭磚氣孔滲透，滲鐵后的炭磚體積膨脹，導致炭磚結(jié)構(gòu)破壞而形成脆裂，脆裂到一定程度會造成耐材砌體局部上浮，給高爐操作帶來極大的安全隱患。

鐵水滲透程度與耐材溫度有關。目前降低耐材溫度提高抗鐵水滲鐵的方式有三種行之有效的方式：加強易侵蝕區(qū)域冷卻器冷卻強度，當鐵水與炭磚直接接觸時能盡快帶走多余熱量，達到降低耐材內(nèi)部溫度的目的；改善爐缸侵蝕區(qū)耐火材料綜合導熱系數(shù)；降低爐缸內(nèi)熱流強度。

1.2 爐缸漏水滲入

目前各種高爐用耐火材料都無法抵擋高爐高溫鐵水的侵蝕，因此高爐爐缸設計理念普遍采用在耐材冷面增加冷卻壁，通過水冷方式降低耐材內(nèi)部溫度。然而當冷卻器受損向爐缸內(nèi)發(fā)生滲漏的時候應該引起高度重視，爐缸漏水滲入會導致竄進傳熱體系縫隙的高溫煤氣迅速降溫，并在水蒸汽的作用下，生成大量炭黑和氧化炭磚，增加爐缸傳熱體系的熱阻，使侵蝕線往外推移造成耐材侵蝕。由于這一過程不可逆，因此設計工作者有必要在高爐水系統(tǒng)設計中充分考慮檢漏與報警的效用，盡早使高爐操作者知道漏水的位置以及漏水量，為操作者制定處理方案提供便捷。

如果條件允許，建立全國高爐專家系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)會員高爐漏水及時檢測與報警功能，并及時將優(yōu)化的處理方案實時推送給高爐操作者，將極大減少爐缸漏水對高爐長壽的影響。

1.3 堿金屬破壞

堿金屬與耐火材質(zhì)中Al2O3、SiO2生成硅酸鹽低熔物，使耐火材料損壞，在傳統(tǒng)爐缸耐火材料中，碳質(zhì)耐火磚的抗堿性大于陶瓷質(zhì)耐火磚。

堿金屬在高爐內(nèi)富集造成透氣性變壞，生產(chǎn)低熔點化合物黏結(jié)爐襯，造成黏結(jié)物頻繁脫落，風口破損嚴重影響高爐生產(chǎn)及順行，不利于爐缸長壽。

爐內(nèi)鋅蒸汽順著冷卻設備縫隙進入風口區(qū)，使風口組合磚體積膨脹或損壞；當鋅蒸汽進入爐缸炭磚縫隙將造成炭磚脆化，炭磚中脆裂帶大都是堿金屬對炭磚侵蝕造成。

1.4 熱應力破壞

炭磚傳熱性能變差，炭磚內(nèi)部熱應力增大，產(chǎn)生微裂紋，給水蒸氣、煤氣、堿金屬蒸汽裂化爐襯提供溫床。一般認為，炭磚在870℃左右溫度區(qū)間發(fā)生熱應變，造成耐火磚向上折斷進而產(chǎn)生縫隙，因此在高爐爐缸設計過程中，應盡量將870℃等溫線推離炭磚熱面，減少熱應力對爐缸炭磚的破壞，達到高爐長壽爐缸設計的目的。

2 高爐長壽設計關鍵要素

2.1 延長耐材使用壽命的機理研究

目前高爐爐缸設計理念普遍采用在耐材冷面增加冷卻壁，通過水冷方式降低耐材內(nèi)部溫度，以利用在耐材熱面形成渣鐵凝固殼延緩耐材的侵蝕速度，達到延長高爐使用壽命的目的。該理念可用圖1方式表示。

圖1 爐缸侵蝕簡化模型

針對爐缸渣鐵凝固殼生成過程是一個相對緩慢的過程，將此模型簡化為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，即：單位時間單位面積鐵水向渣鐵凝固殼傳遞的熱量加上凝固殼釋放的潛熱，等于通過爐缸側(cè)壁傳出的熱量。

式中：ai為鐵水對凝固殼的換熱系數(shù)45 W（/m2·℃）；tl為鐵水溫度1 500℃；ts為凝固殼的凝固溫度1 150 ℃；Ls為凝固殼厚度，m；Lz為炭磚厚度，m；Lb為冷卻壁熱面至冷卻水管中心的距離，m；aw為冷卻水換熱系數(shù)W（/m·2℃）；tw為冷卻水溫度30℃；ρs為致密度2 200 kg/m3；hs為熔化潛熱1674 kJ/kg。

渣鐵凝固殼形成過程：當耐材熱面溫度低于凝固溫度1 150℃時，耐材熱面附近鐵水的熱量通過爐缸爐墻的傳熱體系導出，凝固殼逐漸生成，隨凝固殼厚度增大，凝固殼前沿釋放的潛熱傳遞到冷卻水的熱阻增大，即熱量導出越來越困難，因此凝固速度減慢，最終達到動態(tài)平衡，實現(xiàn)保護耐材的目的。

2.2 長壽爐缸結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

爐缸部位擁有較厚的耐火材料，市場主流采用鑄鐵冷卻壁形式進行冷卻，亦能達到預期冷卻效果，近年普遍在爐缸鐵口區(qū)及環(huán)流侵蝕區(qū)采用銅冷卻壁形式加強冷卻，主要應對爐役后期爐缸耐材侵蝕后的強化冷卻。因此爐缸長壽設計的重點在爐缸耐材結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，當前主流形式為：基于強化冷卻的凝結(jié)層理論形式和基于陶瓷杯結(jié)構(gòu)的隔熱理論形式。

1）基于凝結(jié)層理論的爐缸結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的重點在于高質(zhì)量的炭磚性能及導熱體系，要求導熱體系炭磚耐火材料具有高導熱性、防滲透性、防止發(fā)生環(huán)裂等優(yōu)異性能。該爐缸結(jié)構(gòu)的設計重點在于投產(chǎn)后烘開爐方案的設計，通過優(yōu)化烘開爐方案設計使導熱體系的不定性炭質(zhì)材料達到預期的密度、強度及導熱性能。具體措施如提高烘開爐期間耐材工作溫度、對易形成空隙部位進行二次灌漿等。

2）基于隔熱理論的爐缸結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)在爐缸炭磚熱面附加一層抗鐵水侵蝕能力強、低導熱的優(yōu)質(zhì)莫來石或剛玉質(zhì)的陶瓷杯將1 150℃鐵水凝固線和防止大塊炭磚環(huán)裂的870℃熱應變線控制在陶瓷杯以內(nèi)，降低炭磚的工作溫度，避免炭磚過早發(fā)生脆化侵蝕達到延長高爐爐缸壽命的目的。另外該結(jié)構(gòu)具有保溫作用，有利降低熱損失。

該結(jié)構(gòu)的不足：陶瓷材料未經(jīng)在爐缸長期工作的溫度下充分燒透，開爐使用過程中內(nèi)部可能因發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生膨脹或開裂，影響使用壽命。優(yōu)化措施為：合理設計陶瓷磚與炭磚之間的膨脹縫和三角縫；根據(jù)陶瓷材料晶型轉(zhuǎn)變區(qū)間及理化條件，優(yōu)化烘開爐方案及達產(chǎn)日期天數(shù)。

2.3 死鐵層深度設計優(yōu)化

由于中心焦堆沉坐占用了一定的高爐死鐵層深度，且中心焦堆的透氣透液性下降，鐵水通過中心焦堆底部的量急劇減少，僅有的死鐵層邊緣角部仍存在狹小的無焦炭鐵水自由空間，因此在此區(qū)域便形成強烈的環(huán)流，沖刷爐缸耐火材料，使渣鐵凝固殼不易形成，因此，加深死鐵層已被公認為延長爐缸、爐底壽命的措施，目前國內(nèi)設計的死鐵層深度一般取爐缸直徑的20%。

另一方面，爐缸死焦堆遠動軌跡為，部分焦炭從燃燒帶下方被擠入循環(huán)區(qū)而氣化，這部分氣化量占總量的15%～20%，死焦堆的焦炭沿著底部自由的焦炭床表面按傾角不超過靜摩擦角，向循環(huán)區(qū)下部運動，一般更新周期約為7～10 d。如果一味加深死鐵層深度勢必造成死焦堆焦炭運動軌跡延長，更新周期變長，中心焦堆透氣透液的進一步變差和沉坐的惡性循環(huán)。

綜上分析，基于各設計機構(gòu)經(jīng)驗方面，當前高爐設計的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%～25%為宜。

2.4 高爐內(nèi)型設計優(yōu)化

高爐實際操作中，生產(chǎn)企業(yè)往往在投產(chǎn)初期采取發(fā)展邊緣，盡快形成操作爐型，達到快速提高生產(chǎn)指標的目的；爐役后期又因耐材的不同程度侵蝕剝落，理想操作爐型難以維持，邊緣氣流過剩，往往采取壓制邊緣的操作。因此設計過程應充分考慮這一變化規(guī)律，設計爐型盡量靠近爐役中期指標理想時期的操作內(nèi)型，并通過優(yōu)化水系統(tǒng)及耐材系統(tǒng)設計水平使理想操作爐型維持時間不低于15年。

高爐投產(chǎn)以后，爐腰直徑受氣流沖刷擴大，爐內(nèi)阻損減小，高爐順行改善。擴大后的爐腰直徑促使順行改善的同時，保證高爐下部有充足儲熱，能有效降低噸鐵燃料消耗。設計工作者在爐型設計過程必須對生產(chǎn)企業(yè)未來爐料結(jié)構(gòu)及高爐操作水平進行合理預估，結(jié)合該企業(yè)已有高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定高爐爐型合理區(qū)間。根據(jù)過去經(jīng)驗，我國大多數(shù)企業(yè)爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7～0.8范圍內(nèi)阻損最小，適合于強化冶煉。隨著高爐操作時間延續(xù)，爐腰內(nèi)襯侵蝕逐步向上推移，當爐身中上部磚襯脫落形成凹凸不平的剖面或階梯狀剖面，在爐身邊緣形成爐料的混合層，邊緣氣流難以控制，易發(fā)生邊緣管道，侵蝕后的爐身角希望在80°以上，不應小于78°，不使大量煤氣從邊緣通過，而導致操作指標惡化[2]。

實踐表明，內(nèi)型要有平滑的剖面，使爐料順利下降。因此，高爐設計過程，在不斷優(yōu)化設計爐型外形尺寸無限接近合理操作爐型的同時，應重點優(yōu)化爐殼及耐材折點設計，尤其耐材熱面折點在考慮熱面構(gòu)造同時，還應結(jié)合冷卻系統(tǒng)設計實現(xiàn)生產(chǎn)過程等溫線的平滑過渡。

2.5 爐缸侵蝕情況在線監(jiān)測

高爐爐缸在生產(chǎn)過程中，不可避免出現(xiàn)侵蝕，而爐缸侵蝕速度決定高爐壽命，為及時應對生產(chǎn)過程爐缸異常侵蝕，降低爐缸侵蝕速度，冶金技術(shù)工作者采用爐缸在線監(jiān)測手段輔助生產(chǎn)操作，當前市場在線爐缸監(jiān)測手段主要有三種途徑；分別為：1）利用儀表對爐缸耐材殘余厚度進行直接測量；2）利用爐缸爐底熱電偶溫度，根據(jù)傳熱學原理，利用有限元推算爐缸侵蝕建立爐缸侵蝕模型，推測和掌握爐缸渣鐵殼生成與脫落狀況；3）利用精密熱電偶對爐缸冷卻壁進出水管溫度差進行在線監(jiān)測，根據(jù)水量及冷卻水管覆蓋面積計算熱流強度，反算爐缸側(cè)壁熱阻。

為使操作人員能及時了解高爐爐缸爐底各部位的運行情況，各生產(chǎn)企業(yè)引進高爐專家系統(tǒng)幫助操作人員獲取正確的操作方法，延長高爐壽命。不足之處，現(xiàn)有高爐專家系統(tǒng)在爐缸爐底侵蝕計算的基礎是施工過程預埋的熱電偶，其圓周方向大約4～6 m才能有一個監(jiān)控點，且一旦熱電偶出問題不可在線修復，而爐缸異常侵蝕加劇期大都在爐役后期，施工期預留的熱電偶難免出現(xiàn)個別故障，因此現(xiàn)有專家系統(tǒng)有關爐缸侵蝕的模塊實用性不高，有待高爐工作者進一步完善，建議可將直接測量和精密電偶測水溫手段綜合進現(xiàn)有專家系統(tǒng)，真正實現(xiàn)在線監(jiān)測無盲區(qū)，為高爐專家系統(tǒng)更好地服務生產(chǎn)做好基礎工作。

在做好爐缸爐底測溫熱電偶在線監(jiān)測和維護工作的同時，實現(xiàn)爐缸區(qū)域冷卻設備細分區(qū)域水量變化在線檢測并及時將數(shù)據(jù)輸送給專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)向操作人員及時提供冷卻器檢漏依據(jù)也尤為重要。

3 結(jié)論

1）長壽爐缸結(jié)構(gòu)技術(shù)：提高耐火磚質(zhì)量；減少炭磚與冷卻壁之間碳導料熱阻；合理控制水冷系統(tǒng)，有效杜絕1 150℃渣鐵凝固線和870℃熱應變線進入炭磚熱面保證爐墻有效的傳熱體系是高爐爐缸長壽的關鍵。

2）合理的死鐵層深度設計：當前高爐設計的死鐵層深度取值為爐缸直徑的22%～25%為宜，對活躍爐缸有利，達到減少鐵水環(huán)流延長爐缸壽命的目的。

3）合理的高爐內(nèi)型設計：高爐設計內(nèi)型盡可能接近高生產(chǎn)指標時期的操作內(nèi)型，爐喉直徑與爐缸直徑比值在0.7～0.8范圍內(nèi)；爐身角希望在80°以上，不應小于78°；優(yōu)化爐殼及耐材折點設計，消除各種應力，延長高爐合理操作爐型的維持時間，達到高爐長壽設計的目的。

4）在線監(jiān)測技術(shù)：通過將可在線維護和監(jiān)測的精密熱電偶測水溫技術(shù)和直接殘厚測量技術(shù)整合進現(xiàn)有耐材熱電偶測溫法的高爐專家系統(tǒng)爐缸監(jiān)測模塊，增加專家系統(tǒng)爐缸在線監(jiān)測手段的實用性，切實降低爐役后期耐材侵蝕速度，實現(xiàn)高爐長壽的目的。