綜合長壽技術在大高爐爐體設計的應用

趙艷霞，吳志宏，全 強，王春龍

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

現(xiàn)代高爐趨于大型化發(fā)展，高爐長壽的重要性更加凸顯。實現(xiàn)高爐長壽是一項融合了設計、設備與材料質(zhì)量、施工和操作與維護等多項技術的系統(tǒng)工程，爐體設計是其中非常重要的環(huán)節(jié)，對長壽起到至關重要的作用。本文以我公司新近設計、投產(chǎn)的唐山地區(qū)某2 300 m3級高爐為例，對高爐爐體設計上采用的多項綜合長壽技術，包括合理的高爐內(nèi)型及冷卻結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)的耐材、高效的冷卻系統(tǒng)以及全面的爐體檢測技術等的設計情況進行詳細論述，綜合技術的應用為實現(xiàn)高爐快速達產(chǎn)、達效和長壽奠定良好的基礎。

1 合理確定高爐內(nèi)型

大型高爐多采用適當矮胖的薄爐襯結(jié)構(gòu)，可以在整代爐役過程中保持形成相對穩(wěn)定的操作爐型，有利于快速達產(chǎn)和長期穩(wěn)定運行，在國內(nèi)外大高爐設計中已廣泛應用，并取得了很好的長壽效果。本高爐的爐型設計，在分析比較了大量國內(nèi)外同級別高爐內(nèi)型特點和實際生產(chǎn)效果基礎上，結(jié)合本工程實際情況，確定了高爐的內(nèi)型，其內(nèi)型特點主要表現(xiàn)在適宜的高徑比（Hu/D）值、合理的爐腹角、適當加深死鐵層等方面。

1.1 適宜的Hu/D 值

適當加大爐腰直徑，降低Hu/D 值，適當矮胖。矮胖型高爐降低了料柱高度，原燃料在下降過程中內(nèi)摩擦力以及爐墻與爐料間摩擦力相對減小，高爐料柱阻損降低，透氣性改善，有利于強化冶煉[1]；風口增多，利于接受風量，強化冶煉、穩(wěn)定順行。本設計高徑比Hu/D 為2.222，風口數(shù)量確定為30 個。

1.2 合理的爐腹角和爐身角

與“厚壁”高爐相比，“薄壁”高爐爐腰直徑有所增大，爐身角與爐腹角均有減小的趨勢。合理的爐腹角度，有利于工作爐腹角的自然形成和渣皮的穩(wěn)定，可以有效保護爐腹冷卻設備。本設計總結(jié)了同級別高爐爐腹角和爐腹結(jié)構(gòu)，同時考慮到強化冶煉和長壽的要求，將爐腹和爐身角控制在合理范圍內(nèi)，設計爐腹角為77.560°，爐身角為82.395°。

1.3 適宜的死鐵層深度

加深死鐵層深度已被公認為是延長爐缸、爐底壽命的有效措施[2]。較深的死鐵層可以增大邊緣角部的無焦炭的鐵水自由空間，減輕爐缸的環(huán)流，從而減少對爐缸耐火材料的沖刷，起到保護爐底、延長高爐爐底壽命的作用。同時死鐵層可貯存較多的鐵水，保證爐缸具有充足的熱量。但死鐵層也不宜過深，過深將可能會由于爐底靜壓力增加及鐵口下部通道出鐵時鐵流量過大等加重侵蝕。本高爐設計死鐵層深度為爐缸直徑的21.2%。

2 爐缸爐底砌筑結(jié)構(gòu)及耐材選擇

設計根據(jù)爐體各部位工作條件和侵蝕機理的不同，合理配置爐缸、爐底結(jié)構(gòu)及耐火材料。爐腹以上區(qū)域的耐材配置已經(jīng)有比較統(tǒng)一的認識，爐缸、爐底耐材的使用壽命決定了一代爐役的長短，其結(jié)構(gòu)和耐材合理選擇對于延長高爐壽命至關重要。

圖1 高爐爐缸爐底耐材結(jié)構(gòu)

2.1 爐缸爐底砌筑結(jié)構(gòu)

爐缸爐底侵蝕機理主要為鐵水環(huán)流，渣鐵化學侵蝕，鐵水、鉛、鋅及堿金屬對炭磚的滲透脆化，熱應力破壞等[3]。采用綜合炭質(zhì)爐底和水冷爐底系統(tǒng)，可以提高爐底壽命。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)陶瓷杯材料，將1 150 ℃鐵水凝固線控制在陶瓷杯以內(nèi)，防止鐵水的侵蝕，可以延長爐缸爐底壽命。

本高爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)設計采用水冷管布置在爐底封板以下的水冷爐底，大塊炭磚結(jié)合陶瓷杯的結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮炭磚的高導熱特性及位于熱面的陶瓷杯的“隔熱”和抵抗熱應力強的優(yōu)勢，爐缸爐底結(jié)構(gòu)見圖1。

通過爐缸爐底溫度場的數(shù)學模型軟件計算，計算結(jié)果見圖2，從圖中可以看出1 150 ℃等溫線控制在陶瓷杯以內(nèi)，800 ℃和600 ℃等溫線也推離爐缸爐底炭磚熱面，控制在陶瓷杯內(nèi)，使炭磚可以在600 ℃以下的溫度區(qū)間工作，爐缸爐底熱面易于較早形成渣鐵凝結(jié)層，把熾熱的鐵水與爐缸爐底內(nèi)襯隔離開，有效地保護炭磚。

圖2 高爐爐缸爐底溫度場等溫線分布

2.2 爐缸爐底耐材配置

爐缸爐底耐材具體配置為：爐底水冷封板上滿鋪1 層國產(chǎn)石墨大塊炭塊，其上滿鋪2 層國產(chǎn)微孔大塊炭塊、1 層進口SGL 超微孔大塊炭磚9RDN，爐底炭磚總厚度2 000 mm；鐵口及以下易出現(xiàn)異常侵蝕的爐缸區(qū)域環(huán)砌進口SGL 超微孔大塊炭磚9RDN；爐底炭磚以上砌筑厚度為800 mm 大塊剛玉質(zhì)陶瓷墊，爐缸炭磚內(nèi)側(cè)砌筑大塊剛玉質(zhì)陶瓷杯。

在鐵口區(qū)采用剛玉質(zhì)大塊組合磚砌筑。風口區(qū)域的工作條件惡劣，高強度冶煉條件下，此區(qū)域耐材的抗熱震性、抵御爐料中堿金屬和鋅等的破壞作用的性能尤為重要，本設計組合磚采用Si3N4-SiC 材質(zhì)。為了預防堿金屬、鋅等有害元素以及風口設備漏水對炭磚和炭素搗料的侵蝕，在風口組合磚下部還加設了銅板密封，如圖3 所示。

爐殼與冷卻壁之間的耐材選擇對高爐壽命有直接影響。由于材料本身及性能不同，使用效果也千差萬別，有些高爐在投產(chǎn)后出現(xiàn)竄煤氣通道，煤氣與堿金屬一起破壞炭磚和冷卻壁，如果不及時處理會嚴重影響高爐壽命。本高爐設計通過反復比較和對某些大高爐成功應用的實地考察，在爐殼和冷卻壁之間采用了自流澆注料代替常規(guī)設計的無水壓入泥漿。該自流澆注料的主要指標見表1。

圖3 高爐風口組合磚下密封銅板設置

表1 自流澆注料主要指標

3 適當?shù)臓t體冷卻結(jié)構(gòu)

本高爐采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐腹、爐腰及爐身下部關鍵部位采用銅冷卻壁，爐喉鋼磚采用一段式水冷結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高爐100%水冷。爐體冷卻設備具體方案見表2。

表2 爐體冷卻設備主要特征表

3.1 爐底、爐缸冷卻設備

爐底、爐缸部位采用5 段光面灰鑄鐵HT150 冷卻壁（包括風口區(qū)1 段冷卻壁）。

3.2 爐腹、爐腰及爐身下部冷卻設備

爐腹、爐腰及爐身下部工作條件惡劣，超高溫煤氣和渣鐵流對爐腹部位劇烈沖刷，經(jīng)受著高溫和多變的熱流沖擊，以及堿金屬及鋅等有害元素的破壞。爐腰及爐身下部是決定高爐長壽的關鍵部位，該部位采用的冷卻設備形式極為重要。

本高爐爐腹、爐腰與爐身下部共設置4 段帶復合孔的銅冷卻壁，冷卻壁體厚度為115 mm 壁，燕尾槽內(nèi)冷鑲Si3N4-SiC 磚。同時，注意到了爐腹冷卻壁與風口冷卻壁的過渡的問題，采用了爐腹區(qū)域銅冷卻壁的安裝角度略大于設計爐腹角的方案，具體結(jié)構(gòu)見圖4。爐腹區(qū)域冷卻壁背部采用凸臺結(jié)構(gòu)，既保證了風口組合磚的厚度，又使風口冷卻壁和銅冷卻壁遠離回旋區(qū)，消除了該部位的安全隱患，已在多做高爐成功應用。

3.3 爐身中上部冷卻壁

爐身中上部設6 段鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質(zhì)QT400-20；爐喉鋼磚以下設置1 段倒扣型光面球墨鑄鐵冷卻壁，不砌耐火材料，冷卻壁內(nèi)表面與高爐內(nèi)型重合，冷卻壁材質(zhì)為QT400-20；爐喉部位設1段水冷式爐喉鋼磚，材質(zhì)為ZG35CrMnSi。

圖4 銅冷卻壁和風口鑄鐵冷卻壁銜接

4 高效的軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)應該在正常熱量和峰值熱負荷的情況下，帶走冷卻元件的熱量，保證其在安全無腐蝕、不結(jié)垢、無污染等優(yōu)點，已被廣泛應用，可為冷卻系統(tǒng)的有效性和高爐的長壽提供保障。本高爐設計采用了軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，從高爐軟水泵站出來的供高爐爐體冷卻的軟水由三部分組成：

（1）用于爐底及風口大套串聯(lián)冷卻，經(jīng)爐底水冷管冷卻后的軟水供風口大套冷卻，多余的冷卻水由旁通管排入回水管中；

（2）用于冷卻壁冷卻，為便于檢漏，將冷卻壁的水管分為4 個區(qū)域，采用豎向自下而上的串接方式分區(qū)冷卻；

（3）用于風口中套冷卻。

最終所有的冷卻水均排至位于爐頂大平臺下部的軟水回水總管，經(jīng)過脫氣和穩(wěn)壓裝置后，回至高爐軟水泵房二次冷卻后再循環(huán)使用。

爐體各段冷卻壁間聯(lián)管設計采用了等阻損方案，即對各段冷卻壁不同數(shù)量水管間的連接方式進行合理配置，使圓周方向每根支管的總阻損基本相同，以達到冷卻水均勻分配和均勻冷卻的效果。

5 采用全面、先進的爐體檢測手段

為了加強對高爐生產(chǎn)的的監(jiān)測和控制，本次設計采用了全面、先進的爐體檢測手段，為高爐安全生產(chǎn)、科學操作和爐體維護工作創(chuàng)造條件，為高爐的長壽保駕護航。

高爐本體除了設置常規(guī)熱電偶用以檢測和推斷爐底爐缸及冷卻壁損壞情況外，還設置了鐵口區(qū)爐殼測溫、爐身靜壓檢測裝置、爐頂紅外攝像儀、爐頂熱成像儀、高爐爐底爐缸侵蝕檢測報警系統(tǒng)、高爐冷卻水溫差熱負荷檢測和智能預警系統(tǒng)等一系列先進的檢測技術。主要包括：

（1）為保證高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)安全運行，判斷泄漏、便于檢漏等，設置了完善的測溫、測壓、流量監(jiān)測、液位監(jiān)測等檢測裝置。

（2）設置爐缸爐底侵蝕檢測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、侵蝕模型和應用程序組成，系統(tǒng)將爐底爐缸劃分為32 個縱剖面，在高爐爐底爐缸耐材內(nèi)共布置380 個溫度監(jiān)測點，通過采集程序?qū)崟r采集熱電偶溫度數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，對爐底爐缸進行三維模型計算和診斷，實現(xiàn)對爐底爐缸耐材的等溫線分布、侵蝕內(nèi)型、侵蝕厚度、渣鐵殼厚度、渣鐵殼變化在線監(jiān)測，可實現(xiàn)自動診斷和預警。

（3）設置高爐冷卻水溫差熱負荷檢測和智能預警系統(tǒng)，系統(tǒng)共設水溫差監(jiān)測點345 點，流量監(jiān)測點50 點，實時采集各部位監(jiān)測點的冷卻水溫度、流量數(shù)據(jù)，實時顯示爐底水冷管、爐缸冷卻壁、爐腰至爐身中下部冷卻壁的進水溫度、出水溫度、水流量，計算水溫差、熱負荷，自動計算和顯示爐腰至爐身中下部冷卻壁不同橫截面的渣皮厚度，并自動繪制操作爐型、渣皮形狀；自動統(tǒng)計爐墻渣皮脫落次數(shù)、渣鐵脫落頻率以及爐墻裸露時間等信息，建立數(shù)據(jù)庫，當出現(xiàn)異常時系統(tǒng)自動發(fā)出預警。

6 結(jié)語

設計采用綜合長壽技術可為實現(xiàn)高爐長壽目標奠定良好的基礎，而確定合理爐型、優(yōu)化爐缸爐底結(jié)構(gòu)與耐材選擇、采用適當?shù)臓t體冷卻結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定可靠的冷卻系統(tǒng)和全面的自動化檢測與診斷技術等方面是爐體設計需要重點考慮的技術環(huán)節(jié)。本文所述的新建高爐于2019 年2 月投產(chǎn)，很快便達到了預期的指標，并且各項技術經(jīng)濟指標不斷提升，已經(jīng)達到了同級別高爐先進水平。生產(chǎn)至今的各項檢測數(shù)據(jù)表明爐體內(nèi)襯和冷卻設備運行狀態(tài)良好，設計應用的各項長壽技術為高爐取得高效、低耗和長壽目標創(chuàng)造了有利條件。