武钢延长高炉寿命的实践和理念

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武钢延长高炉寿命的实践和理念

1 前言

武钢现有7座容积为2200～3400m³的高炉，其中5座正在生产。武钢容积1386m³的1号高炉1958年9月13日投产，容积1436m³的2号高炉1959年7月投产。上世纪60年代，2号高炉和1号高炉先后发生过炉缸烧穿、炉身内衬快速侵蚀等问题，而炉衬侵蚀严重是当时高炉炼铁的主要难题。70年代，4号高炉首次在国内采用炭砖水冷薄炉底，大大减缓了炉缸、炉底的侵蚀。1978年以来，武钢利用每次高炉大中修机会对残存的内衬和冷却器进行破损调查，探索高炉内衬的破损机理。根据对高炉内衬破损机理的理解，90年代初武钢建成了容积3200m³的5号高炉，该炉采用了一系列延长高炉寿命的先进技术。5号高炉1991年10月19日投产，顺利服役15．6年，产铁35．51万t，其间炉衬没有中修也没有喷补。5号高炉的长寿经验已推广到新建的6号高炉和7号高炉，以及大修改造的4号高炉和5号高炉第2代，并在技术上不断完善。

2 上世纪70年代以前高炉遇到的问题

上世纪60年代武钢有3座高炉，高炉寿命的主要问题是炉喉钢砖破损严重、炉身寿命短和炉缸烧穿。

2．1炉喉钢砖破损

炉喉钢砖快速破损曾是武钢1号高炉和2号高炉长期存在的问题。当时炉喉采用横列式块形钢砖，使用寿命只有3年左右。1970年4号高炉采用了纵列式条形钢砖，此后再未发生过炉喉钢砖破损问题。

2．2炉身寿命短

1号高炉和2号高炉最初的设计炉身上部不冷却，炉腰托圈以上有4排钢冷却板，炉身下部是8排冷却箱。60年代到70年代，炉身侵蚀情况很严重，最短的炉身寿命只有1．5～2年，这是因为炉身部位的冷却能力低，不能有效地保护炉衬。

2．3炉缸烧穿

1962年2号高炉发生了炉缸烧穿事故。造成这一事故的主要原因是高炉炉衬设计的失误。1号高炉采用的是环墙砌筑炭砖、芯部砌筑高铝砖的综合炉底，而2号高炉采用的是全高铝砖炉缸、炉底，其传热能力差，抗铁水侵蚀能力低，从而导致了这一事故发生。

3 90年代前延长高炉寿命的尝试

为了克服70年代前遇到的困难，武钢在延长高炉寿命方面做了以下工作：

3．1采用水冷炭砖薄炉底

1号高炉综合炉底的厚度是5．6m。铁水对炉底的侵蚀受制于铁水凝固线，而铁水凝固线的位置则取决于冷却强度。由于炭砖导热注好，理论上讲，如果冷却强度足够，由铁水供热和冷却水散热达到平衡决定的铁水凝固面即炉底侵蚀面可保持稳定。基于这一设想，在建设容积2516m³的4号高炉时采用了厚度3．2m的薪型全炭砖水冷炉底。4号高炉第一代炉役寿命达到13．7年，产铁12．93万t。由于全炭砖水冷炉底取得了良好的使用效果，随后武钢新建的和大修改造的高炉均采用了这种炉底设计。

3．2延长炉身寿命

3．2．1 4号高炉汽化冷却的失败

为了延长炉身寿命，1970年9月30日投产的4号高炉曾试图采用汽化冷却来改善炉身冷却效果。然而高炉投产一年半以后就发现汽化冷却系统漏水，不得不在1974年进行中修以更换炉身冷却壁。中修之后汽化冷却系统的工作仍不正常，1975年内耕烧坏了30多根汽化冷却的水管。j4号高炉只能依靠强制喷水冷却炉壳来维持生产，直到1977年进行第二次中修。鉴于汽化冷却的失败，1977年中修时将汽化冷却改为常规的水冷。

3．2．2采用全冷却壁结构

众所周知，炉身下部的特点是热负荷水平高，必须强化冷却。实践证明，上世纪60年代和70年代武钢高炉炉身采用的冷却箱结构不能有效地保护炉身上部砖衬，使炉身寿命短的问题多年未能解决。1983年1号高炉采用全冷却壁结构取代冷却箱结构，显著地延长了炉身寿命。此后武钢各高炉推广采用了这种全冷却壁结构，并不断地予以完善。

3．3大中修期间进行高炉破损调查

1978年以来，武钢每次高炉大修、中修都进行高炉内衬破损的调研工作。停炉以后，从炉内不同部位采集残存的耐火材料、粘结物、破损的冷却器试样，并进行系统的检验。此外还进行模拟炉内侵蚀反应的特殊试验，以弄清炉衬破损的机理。在高炉寿命问题的研究中得到以下结果：

(1)碱金属和锌在高炉内衬破损过程中起很重要的作用。在900～1000℃的温度区间，气态的碱金属与高铝砖、炭砖作用，生成新的化合物，从砖衬的热端向砖内逐步侵蚀。在碱金属存在的条件下，气态锌在类似高炉炉腹煤气的气氛中产生沉积碳。这些新化合物和沉积碳的生成伴随着体积增加，导致耐火砖破损。为了减轻高炉内碱金属和锌的有害作用，必须降低入炉炉料的碱负荷和锌负荷，采用抗碱性能好、微孔结构的、热导率高的优质耐火材料。

(2)高炉冷却系统，包括冷却结构、冷却器形式、冷却水质量，对延长高炉寿命非常重要。武钢实践证明，炉身寿命短主要是冷却系统设计不当，而炉缸烧穿则因炉衬冷却不足所致。

(3)研究和实践证明，延长高炉寿命综合技术，包括高炉设计、冷却器的制造技术、水冷技术、耐火材料的质量控制以及高炉操作技术等。为了延长高炉寿命，必须采取以下措施：

——合理的高炉炉体设计；

——采用软水密闭循环取代工业水冷却系统；

——不断提高耐火材料的质量；

——提高高炉操作的灵活性。

4 集成高炉长寿技术的尝试

根据我们对高炉内衬破损机理的理解，90年代初武钢建设了容积：3200 m³的5号高炉，这是武钢集成高炉长寿技术的一次尝试。5号高炉采用的长寿技术简述如下：

4．1全炭砖水冷炉底

5号高炉的炉体结构示于图1。水冷炉底下部由2层长度各为1200mm的立砌炭砖组成，炉底表面由2层高铝砖组成，炉底总厚度3200mm。炉底以上的炉缸部位砌筑7层微孔炭砖。

4．2全冷却壁系统

5号高炉采用全冷却壁系统，炉壳以内从下向上共有17段冷却壁。1段到4段是单层水管光面铸铁冷却壁，5段到11段是双层水管镶砖的铸铁冷却壁，12段到16段是单层水管镶砖的铸铁冷却壁，17段是与炉喉钢砖相接的反扣型铸铁冷却壁。

4．3合理选择炉身耐火材料

如上所述，5号高炉炉缸、炉底使用的是炭砖，至于炉身耐火材料，下部使用的是Si₃N₄结合的SiC砖，上中部使用的是磷酸浸渍黏土砖，炉身砖衬厚度为345mm。用作高炉内衬的所有耐火材料，除进行常规检验外，还进行抗碱性试验。

4．4软水密闭循环系统

为保证冷却系统的可靠性，5号高炉采用了软水密闭循环系统，该系统由以下三个子系统组成：

(1)炉体冷却壁闭路循环系统，水压0．78MPa，水量4416m³／h；

(2)炉底闭路循环系统，水压0．43MPa，水量440m³／h；

(3)风口、风口二套和热风阀闭路循环系统，水压1．03MPa，水量2640 m³／h。

密闭循环的软水温度由平板换热器控制，软水消耗量为设计水量的3％到5％。

4．5 PW无钟炉顶

为控制炉衬的热负荷采用PW无钟炉顶以控制布料。众所周知，PW无钟炉顶布料有很好的灵活性。

除采用上述技术外，还对出铁场布置作了改进，4个铁口在360°范围内等角度分配，采用INBA水渣系统以保证较好地排出渣铁，这是维护好炉缸的一项重要措施。

工程质量是影响高炉寿命的重要因素，砌砖质量和施工质量尤其重要。5号高炉建设过程中实施严格的施工管理，在施工质量不能满足工艺要求时必须返工，这是实现预期目标的一项重要措施。

5号高炉1991年10月19日投产，顺利生产了15．6年，其间内衬没有更换，也未进行过喷补。5号高炉第一代炉役产铁35．51万t，单位炉容产铁11096．6t／m³。表1所示为5号高炉第一代炉役最后7年的技术经济指标。数据表明，5号高炉炉型保持了良好的状态。5 5号高炉长寿经验的推广

5号高炉延长高炉寿命的尝试获得成功，促进了这些长寿经验在武钢其他高炉上的推广工作。1996年4号高炉第三代大修时采用了上述长寿经验，在此后的1号高炉大修改造和新建6号高炉、7号高炉时推广了长寿经验，并进行了持续的改进和完善。

5．1 1号高炉大修

2001年1号高炉大修改造，容积由1386m³扩大到2200m³。武钢的实践表明，只要冷却壁能起延长高炉寿命的作用，炉身砌砖就没有必要。因此，1号高炉大修时在炉腹和炉身下部采用了两段镶砖的铜冷却壁，炉身没有砌砖。为了节约闭路循环的冷却水量，1号高炉的软水系统由5号高炉的三个子系统简化为两个子系统。在新冷却系统中，炉体冷却壁闭路循环系统的水压为0．78MPa，水量为5100m³／h；一部分排出水用于风口、风口二套和热风阀闭路循环系统，水压为1．03MPa，水量为2640m³／h。这意味着将原来的两个闭路循环子系统合并为一个闭路循环系统，节约循环水约2640m³／h。另一个闭路循环子系统用于炉底冷却，水压1．03MPa，水量2640m³／h。

5．2新建6号高炉

2004年，容积3400m³的6号高炉建成投产。该高炉采用了与1号高炉相似的炉身不砌砖设计，但炉腹、炉腰和炉身下部采用了3段镶砖的铜冷却壁。此外，炉缸、炉底采用了热导率高的超微孔炭砖取代了普通炭砖，炉底厚度减少到2800mm。预计炉缸侧墙砖衬温度可降低到1000℃以下，这可减轻碱金属和锌对炉衬的有害作用。