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1、高炉长寿技术评述,四川大学化学工程学院顾 武 安,E-mail: Tel: 13408489830,钢铁冶金新进展,高炉长寿技术评述,2008年公布的高炉炼铁工艺设计规范中规定：高炉一代炉役的工作年限应达到15年以上。在高炉一代炉役期间，单位高炉容积的产铁量应达到或大于1万t。我国绝大多数高炉没有达到上述目标，特别是一些中小高炉寿命普遍处于低水平阶段，个别小高炉寿命5年以下。提高我国高炉寿命，是炼铁界一个十分重要任务，也是提高高炉生产效率和经济效益，实现炼铁系统节能减排的重要手段，引起钢铁企业各级领导的高度重视。,高炉长寿的重大意义,高炉长寿是钢铁企业可持续发展的一项重大举措。钢铁联合企业生
2、产各工序物流一环扣一环。高炉大修停产，企业生产链断开，造成炼铁前后工序减产，企业造成重大经济损失，产量，设备作业率下降，经济效益大幅下滑；高炉大修支付巨额资金，一座大型高炉大修费用1亿元左右。,高炉长寿的重大意义,高炉大修前后，增加企业资源和能源消耗，污染物排放也增加，对生产环境造成较大负面影响。高炉长寿，不仅在炼铁工序，而且也给整个钢铁企业带来巨大效应，包括降低生产成本，减少能源消耗，减少污染物排放，实现钢铁联合企业高效化、连续化和紧凑化生产。延长高炉寿命，直接节约大修费用，减少因大修而引起的停产损失，提高经济效益。,高炉长寿的工作目标,依据高炉设计、设备制造、高炉操作和维护等方面先进炼铁科
3、学技术，高炉寿命实现下列目标：高炉一代炉龄（不进行中修）在20年以上；高炉日常处于高效化、自动化、连续化、长寿化，生产过程环境友好稳定生产状态，一代高炉单位炉容产铁量在1.5万t/m3以上；采取有效技术措施（包括分段拆装，炉缸预砌等），最大限度地缩短高炉大修工期（大型高炉2个月以内），优化停炉和开炉操作技术，实现科学停炉和快速达产，减少高炉大修对联合企业的不利影响。,高炉长寿的理念,高炉长寿是系统工程，包括高炉设计，材料和设备选择、施工质量，高炉操作科学和稳定，炉体维护和管理，应急事故处理等。上述因素有内在因素，相互影响，也有互补的作用。高炉长寿核心技术是形成和维护一代高炉的合理炉型，保护永久
4、性炉衬完整。,认真贯彻高炉炼铁工艺设计规范,2008年7月国家建设部和质量监督检验检疫总局联合公布高炉炼铁工艺设计规范，GB50427-2008。该规范共有16章，主要内容有：总则、术语、基本规定，原料、燃料和技术指标，能源和资源利用，矿槽、焦槽及上料系统，炉顶、炉体、风口平台及出铁场，高炉炉渣处理及其利用，热风炉、高炉煤气清洗及煤气余压发电，喷吹煤粉及富氧自动化，环境保护，节约用水。,认真贯彻高炉炼铁工艺设计规范,规范十分注重整体的高炉长寿优化设计，进行全方位改进，实行综合治理，高效冷却设备与优质耐火炉衬有效匹配，确保高炉各部位同步长寿；使用质量稳定优质原燃料，保证高炉生产稳定顺行；在降低炼
5、铁燃料比前提下取得高产；采用有效监测和维护手段，实现高炉长寿。,认真贯彻高炉炼铁工艺设计规范,高炉炉型设计合理性，是实现高产优质、低耗、长寿和环保的重要条件。合理炉型选择原则是要求炉型能够很好适应于炉料顺利下降和煤气流均匀稳定上升运动。高炉生产过程中炉型不断变化。开炉时炉型是设计的炉型。在高炉投产后，经过一段时间，炉墙不同部位会受到不同程度炉料冲刷，化学腐蚀，特别是软熔带区域炉墙会受到高温、热应力、渣铁化学浸蚀。在一定生产条件下，变化后炉型形成一个相对稳定，适应当时生产能力的工作炉型（或称为操作炉型）。,认真贯彻高炉炼铁工艺设计规范,炼铁工作者通过各种措施，使工作炉型能够维持长久，延长高炉长寿
6、，实现高炉生产高效化。目前，我国高炉设计倾向于设计“矮胖型”高炉，推荐采用薄壁高炉内型尺寸，多风口，深死铁层，采用软水密闭循环冷却设备等特点。,提高精料水平，促进高炉长寿,高炉炼铁以精料为基础，精料水平对高炉生产指标影响率70左右，对高炉长寿影响显著。入炉料含铁品位高是精料技术核心，高品位带来巨大经济效益，特别吨铁渣量低于300kg/t时，有利于提高喷煤比，提高炉料的透气性（特别是软熔带），使煤气流分布均匀、稳定，减少边缘煤气流对炉墙的冲刷，促进高炉长寿。目前，我国红矿选矿技术已过关。对于吃百家矿低品位原料的企业，添加选矿设备，将低品位矿进行再选，使高炉效益倍增。有效地减少渣量，降低炼铁燃料比
7、。,提高精料水平，促进高炉长寿,炉料有害杂质要少。有害杂质指K、Na、Pb、Zn、F、S、As、Cl-等。高炉炼铁工艺设计规范明确有害杂控制值（kg/t）：K2O+Na2O3.0，Zn0.15，Pb0.15，As0.1，S4.0，Cl-0.6等。炉料带入碱金属及氟化物对炉衬破坏相当严重，它们形成低熔点物质直接导致砖衬表面结瘤，恶化高炉生产顺行。处理结瘤容易损坏炉墙。,提高精料水平，促进高炉长寿,炉身下部炉料中还原出来的铅、锌等低沸点金属蒸汽随煤气流上升，到炉身中上部区域沉积在砖缝中，部分金属又被氧化，产生的氧化物体积膨胀，造成砖衬开裂、破损。我国炼铁炉料中有害杂质有明显的上升趋势，造成一批高炉
8、风口区砖上翘，炉身上部结瘤，严重影响高炉正常生产和高炉长寿。严格控制入炉料有害杂质含量，对有害杂质高的尘泥进行预处理，再进行综合利用。K对炉衬和炉料的破坏作用比Na大十倍以上，严格控制K含量(包括焦炭,煤粉,矿石)。,高炉耐火材料,高炉砌体的设计，根据炉容和冷却结构，及各部位的工作条件，选用优质耐火材料。耐火材料质量和砌筑质量，极大影响高炉寿命。不同容积的高炉和高炉不同部位，选用不同耐火材料。提高炉缸、炉底和炉身中、下部砌体质量是延长高炉寿命的重要条件。购买耐火材料不但考虑冷性能,还考虑热性能,及保证使用寿命。,炉身上部,炉身上部砖衬受到炉料下降冲击和磨损，还受到煤气流上升冲刷，同时碱金属、锌
9、蒸汽和沉积碳的侵蚀等。该部位选择高致密度的黏土砖或磷酸黏土砖或高铝砖。炉身上部采用镶砖冷却壁。该部位用球墨铸铁冷却壁代替支梁或水箱，明显改善这一区域的冷却条件，较好地维护该部分炉型，达到延长高炉长寿的目的。,炉身中下部和炉腰,本部位采用强化型铸铁镶砖冷却壁、铜冷却壁或密集式铜冷却板，也可采用冷却板和冷却壁组合形式。这区域的炉衬主要是受碱金属、锌蒸汽和沉积碳的侵蚀，初成渣侵蚀，炉料和炉墙热震引起的剥落和高温煤气流冲刷等。,炉身中下部和炉腰,该部分宜采用超高氧化铝耐火材料，如刚玉莫来石砖、铬铝硅酸盐结合制成的耐火砖；半石墨化碳化硅砖、Si3N4-SiC砖、铝碳砖或高铝砖。1994年，武钢与耐火厂研
10、制成功微孔铝碳砖，价低和性能好，在鞍钢、包钢等钢铁企业中得到推广。碳化硅砖具有导热系数高，抗热震性好的特点，适宜在炉体中下部使用。,炉身中下部和炉腰,炉身下部和炉腰采用高质量耐火材料，抵御高温和化学侵蚀。近年来，该部位采用铜冷却壁，对热量进行疏导，让铜冷却壁形成稳定的渣皮保护冷却设备，实现高炉长寿。开炉时，在铜冷却壁之外砌筑一层厚50cm的耐火砖或不定型耐火材料，使该部分使用寿命在1520年。铜冷却壁导热性好，冷却壁体温度均匀，表面工作温度很低，一旦渣皮脱落，也能快速形成稳定的渣皮，淡化了高炉内衬的作用，有利于采用薄壁结构。采用铜冷却壁，对延长高炉寿命效果明显，已得到国内外炼铁界普遍认同。,炉
11、身中下部和炉腰,高炉采用优质碳化硅砖，除提出常规性能指标要求外，还提出导热率、抗渣性、热震稳定性、抗氧化性，线膨胀系数等适宜炉身中、下部工作指标要求。,炉缸、炉底,高炉炼铁工艺设计规范提出：炉缸、炉底采用全碳砖或复合碳砖炉底结构，并采用优质碳砖砌筑。大型高炉采用碳砖、SiC砖对延长高炉寿命极为重要。采用铜冷却壁,高炉长寿的薄弱环节从炉身中下部、炉腰、炉腹转移到炉缸部位。延长炉缸寿命已成为高炉长寿工作的重点工作。近年来，我国一批高炉出现炉缸水温差升高的现象，甚至烧穿。应当采取综合措施，解决这方面问题。,炉缸、炉底,高炉采用优质碳砖和碳块除应提出常规性能指标的要求外，还应提出导热系数、透气度、抗氧
12、化性、抗碱性、抗铁水侵蚀性等指标要求。风口带采用组合砖结构，一般使用刚玉莫来石砖，或棕刚玉砖，也可用热压碳砖NMA或NMD砖。高炉炉缸侵蚀原因：化学侵蚀、水蒸汽氧化、锌和碱金属、热应力破坏。,炉缸、炉底,采用高导热性微孔碳砖，对炉缸冷却壁实行强化冷却，渣铁形成凝固，1150温度残存于碳砖之中，并使之远离冷却壁。目前国内外高炉炉缸、炉底结构有3种基本类型：一大块碳砖砌筑，炉底设陶瓷垫；二热压小块碳砖，炉底设陶瓷垫；三大块或小块碳砖砌筑，炉底设陶瓷杯。上述3种结构形式均有高炉长寿实例。,炉缸、炉底,国内外高炉均采用高导热碳砖、微孔碳砖和陶瓷垫结构。高喷煤比高炉，在操作上强调活跃炉缸中心，又要求炉底
13、中心要保持适当的温度。人们逐渐重视陶瓷垫的阻热作用，也重视陶瓷垫寿命提高，希望获得适中的炉底中心温度。,炉缸、炉底,强化冷却形成凝固层理论：在炉缸侧壁采用有高导热的耐火材料600，18.4W/（mK），20，6080W/（mK）。强化冷却之后，高导热耐材、低孔隙度能阻止渣铁的渗透，并具有高抗碱性能，可吸收部分热应力，高效的水冷却系统条件下，能将炉缸的热量迅速地传递给冷却水，将热量带出炉外，有效地降低炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成一层稳定的凝结保护层（即铁水凝固1150以下的等温线，使炉底形成稳定的“铁壳”保护层），抵抗炉缸侧壁的“象脚”侵蚀，获得炉缸长寿，其关键是炉缸侧壁的
14、导热能力。,炉缸、炉底,这部分选择耐材的重点是导热性、防渗透性和防止发生环形裂纹的优质耐材。炉缸维护，强调发挥冷却效果，及时对炉缸冷却壁水温差和炉皮温度进行监测，经常对容易形成空隙部位进行灌浆。,炉缸、炉底,带炉底冷却的综合炉底是比较合理的结构。在冷却管上有碳捣层，其上面砌上23层碳砖。对于不同部位要使用不同性能的碳砖。铁口以下容易受到严重侵蚀的地方，用抗渗透性高的微孔碳砖；炉底的最底层用具有高导热性的碳化硅砖；其他部位采用普通碳砖或微孔碳砖。对于铁口以下的炉底周边碳砖的长度要增大，以提高其抵抗铁和碱金属对此处的强烈渗透和侵蚀能力；砖与砖之间的缝隙要将宽缝改为细缝（0.5mm）进行砌筑。,炉缸
15、、炉底,“陶瓷杯”的综合炉底结构，学术上有争议。一些人认为“陶瓷杯”的作用大,应予加强；另一些人认为，“陶瓷杯”在一定时间内会消失掉，碳砖起主导作用，炉缸侧壁也使用高抗铁水渗透和高导热性、高密度的压小碳砖。总体上评述，两种方式各有优缺点，均可实现高炉长寿，经济代价有所差异。高质量的微孔、超微孔碳砖和压小块碳砖推广后，我国高炉寿命显著提高。国内大中型高炉基本否定了采用炭料捣打炉底，自焙烧制的工艺技术。,炉衬砌筑,高炉炉衬砌筑有国家规定，各施工队伍也有与钢铁企业共识的筑炉手册。所使用的标准砖型、非标准砖型，也有相关的砌筑标准。具体砌筑中执行的程度及时进行检查和监督。目前，影响高炉内衬砌筑质量主要问
16、题是，各部位砌体的砖缝实际控制值，特别是炉缸、炉底砖砌筑质量的高低，对高炉长寿影响较大。,高炉各部位砌体砖缝厚度,高炉炉体冷却系统,高炉炉衬必须进行冷却，冷却的作用：一降低耐材的温度，保持一定的强度，维持合理操作的炉型，延长高炉寿命和安全生产；二促使炉衬形成保护性渣皮、铁壳和石墨层，保护炉衬并代替炉衬工作；三保护炉壳及金属构件，免受高温的影响及减少破损；四一些冷却设备支撑部分炉衬。,冷却介质种类,冷却介质有水、风、蒸汽3种。普遍采用水，它的热容大、传热系数大、便于输送、成本低，是较理想的冷却介质。天然水经过沉淀及过滤处理后，去除水中的悬浮物杂质，而溶解的杂质未发生变化，称为普通工业净化水。我国南方，水中pH值低，其硬度3.57mmol/L，低于40，悬浮物200mg/t。,冷却介质种类,高炉炼铁工艺设计规范规定：以江河水、湖水等地表水为原水，经常规处理产生低硬度的水时，高炉可采用开路循环冷却水系统。在水质硬度高或较高的地区，应对生产新水进行软化，并应采用软水密闭循环冷却系统。在气象条件允许的地区，宜采用空气冷却器冷却循环水。软化水：将钠离子经过离子交换剂与水中钙、镁离子进行转换，即软化处理，去掉钙、镁离子，降低水的硬度，获得软化水。,
