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宝钢高炉长寿新技术的开发与应用
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金觉生
金觉生
摘 要；根据炉身破损机理、炉缸侵蚀机理、高炉传热与冷却等方面理论研究结果，对高炉长寿理念有了新的认识。通过高炉长寿系统工程技术的开发和实际应用，宝钢高炉长寿技术取得突破，逐步形成了具有宝钢特点的大高炉强化冶炼基础土的高炉长寿生产维护技术，使高炉长寿挑战更高目标。
关键词：高炉；强化冶炼；长寿；系统工程
高炉长寿是一项系统工程，它涉及到设计、选材、建造、生产、维护等诸多方面。对于运行中的高炉生产操作与日常维护则是关键。高炉长寿与高炉强化冶炼进程永远是一对矛盾，如何合理解决高炉长寿与强化冶炼之间的矛盾是高炉炼铁工程者永恒的主题。
宝钢炼铁工作者经过近20年的努力，已经完全掌握了大型高炉操作技术，高炉生产多年未出现过重大失常，实现了长时期的强化冶炼，与此同时，对高炉长寿也做了理论与实践两方面的探索，并逐渐形成了有宝钢特点的大高炉生产操作与长寿维护系统工程技术。
宝钢目前有3座高炉在生产。1号高炉(第2代)、2号高炉炉身采用冷却板冷却、3号高炉炉身采用冷却壁冷却；1号高炉炉缸采用大块炭砖加陶瓷杯结构，外部洒水冷却方式，2号高炉炉缸采用大块炭砖单一结构，外部洒水冷却方式，3号高炉炉缸采用热压小炭块结构加冷却壁冷却方式。其中2号高炉有效容积4
宝钢高炉的生产实践表明：只要长寿日常维护技术跟上，通过调节煤气流减少炉身热负荷波动，加强炉身下部冷却，确保炉缸有效传热使炉缸不再是高炉长寿的限制环节，那么，高炉寿命最终取决于高炉整体设备安全运行状况及运行成本。
为了延长高炉寿命，连续稳定顺行的操作是必不可少的前提条件。宝钢高炉长寿主要得益于以下三个方面的综合效果：①树立高炉长寿新观念，以新思想方法解决高炉生产中遇到的长寿难题；②对高炉炉身和炉缸侵蚀机理的研究；③高炉维护新技术的应用。本文着重介绍宝钢在高炉长寿新技术方面的开发与应用实绩。
2 高炉长寿理论与技术研究
经过长期生产丰富了实践经验，但缺乏理论支撑，处理生产中遇到的长寿问题往往停留在经验上，因此，从根本上揭示高炉生产与日常维护之间内在规律的理论基础研究显得十分重要。通过对炉身砖衬破损机理、炉缸侵蚀机理、高炉炉体热量传递与冷却和高炉不同部位长寿维护措施与效果分析等方面进行较系统的理论研究，使实践经验与理论基础得到完善与统一，对高炉强化冶炼下的长寿与维护措施有了新的认识，极大地改善了高炉长寿工作的效果，井使之受控，使高炉长寿挑战更高目标。
2．1 调节煤气流分布，实现炉身中上部长寿
通过炉身砖衬破损机理研究，并结合宝钢生产实践，可以得出高炉强化冶炼条件下的炉身中上部块状区域的长寿维护关键措施不在于冷却而在于高炉内煤气流控制的结论。
对于冷却板冷却的高炉，炉身块状区域炉墙砖衬的损坏一般有机械磨损、碱金属侵蚀、煤气流冲刷和热应力破裂，其中热应力的破坏程度最大。热应力主要来自不均匀的局部边缘煤气流，因为无论是怎样的冷却方式和多大的冷却强度，遇到强大的瞬间局部煤气流冲击时，因来不及交换热量而显得无能为力，炉墙砖衬温度场必然要发生大幅波动，产生的热应力极易导致砖衬破裂。炉身砖衬的侵蚀和冷却设备的破损大多数是在这种情况下出现的，尤其在炉身中部，当砖衬侵蚀得差不多时会造成块状区炉皮发红。一般来说，高炉投产3年后砖衬破损一半以上，如果是强化冶炼破损得更利害，冷却板大部分暴露出来，更容易出现炉皮发红。设计阶段的改善冷却设备结构与布置和改善耐火材料的配置、在冷却板冷却的高炉上实施硬质压人造壁和增加微型冷却器等措施都是防御性的，对高炉长寿能起到积极作用，而控制煤气流合理分布才是从根本上解决炉身上部长寿问题的关键措施。
对于炉身采用冷却壁冷却的高炉，热应力也是冷却壁破损的主要原因。
改变上部煤气流二次分布的装料制度对高炉炉身中上部长寿起到了较为重要的作用，但是，起决定性影响的因素是炉缸区域初始煤气流分布。为了进一步开拓下部调剂手段，通过理论研究建立了炉缸活性指数的概念，它是一个量化炉缸活跃程度的指标。在活性指数概念的基础上，改变送风制度以外的操作条件来增加炉缸活跃程度，使得初始煤气流分布及中上部煤气流再分布更加合理，在生产中起到了较好的效果。
2．2 强化冷却，确保炉身下部长寿 炉身下部包括炉腹、炉腰，为高炉软熔带和滴落带交汇区域，是炉料、渣铁和煤气流多相运动最复杂的部位。破损的主要原因是：渣铁的侵蚀、热震引起的剥落、高温煤气流的冲刷等，因此，炉身下部的长寿主要靠炉内稳定的保护层。
目前，任何耐火材料都难于达到保护层的目的在炉身下部形成稳定的渣皮是高炉最好的致密保护层。内部通过调节上下部煤气流分布，达到炉内稳定的温度场分布，外部通过增加冷却水流量，提高冷却水流速来强化冷却，根据高炉炉身下部热流强度计算，使高炉冷却与温度场相匹配，达到热负荷相对平衡，在炉身下部形成一定厚度的渣皮保护层。强化冷却，形成稳定均匀的渣皮是高炉炉身下部长寿的关键措施。同时，渣皮厚度相对平衡，反过来也会减少炉皮热损失，达到长寿和低耗双重目的。只要内部温度场和外部强化冷却相平衡，实现高炉稳定顺行，炉身下部寿命是可以控制的。
2．3 有效传热，延长炉缸寿命
谈起炉缸侧壁砖衬侵蚀问题，普遍认为是一个与过去炉底“蘑菇装”侵蚀有关的问题，而这种形成的侵蚀是由炉缸铁水环流引起的，所以一般地表现为铁口区域附近的炉缸侧壁温度容易升高和难以控制，这是因为该部分的环流较炉缸其它部位要强烈得多所造成的。在这种概念的指导下，当炉缸侧壁温度上升过快过高时必然要采取加钛矿护炉、限产和强调炉前作业确保铁口深度等措施，这是一个传统的很被动的炉缸长寿维护技术，对高炉长寿起到过一定的作用。宝钢高炉历史上也有过吨铁人炉钛矿量达到
铁水环流引起炉缸侵蚀这种观点是正确的，问题在于究竟是铁水侵蚀导致炉缸侧壁温度升高还是侧壁温度升高给铁水环流对炉缸的侵蚀创造了条件，在没有经过深入理论研究之前，容易造成理解上的因果倒置或者忽视他们之间的因果关系。这个概念上的理解模糊，导致了整个炉缸长寿对策措施上的被动和收效甚微。
在炉缸储存铁水的高温区域，通过冷却把炉缸侧壁砖衬中的温度场分布控制在1
在有效传热和冷却的情况下，炉缸工作状况或铁水环流冲刷对炉缸热平衡的破坏可以很快复原，极大多数只是把凝铁层冲刷了。而传热或冷却过程发生了问题，对热平衡的破坏若没有及时发现与正确处理，就会造成根本性的破坏，最终导致炉缸砖衬被侵蚀。
炉缸气隙问题容易发生在大块炭砖炉缸加吸收热膨胀的填料层结构的高炉上，对于采用热压小块炭砖设有填料层炉缸结构的高炉发生这种情况的可能性极小。宝钢3座高炉，l号、2号高炉以前经常发生炉缸温度异常升高的现象，而3号高炉10年来没有出现过炉缸侧壁温度异常上升问题，一直十分平稳。
冷却系统参数发生了变化，比如冷却壁冷却高炉冷却水管堵塞和洒水冷却高炉炉皮挂异物等都使有效冷却强度减小，都可使大块和小块砖衬结构的炉缸温度上升与出现侵蚀，所以，强化冷却系统的日常管理也是十分重要的。
为了确保高炉炉缸部位的有效传热，还需要建立一个炉缸气隙指数概念，通过定量分析与诊断可以直接判断炉缸侧壁温度上升的原因，并指导生产中采取正确的对策和措施，可以从根本上解决炉缸部位铁水环流侵蚀的问题。只要炉缸传热与冷却是有效的，炉缸砖衬温度场分布和厚度就不会改变。
根据以上分析，尽管一座高炉寿命的长短牵涉到炉型设计、耐材选择、冷却系统配置、生产、操作和日常长寿维护等许多技术和领域，但最重要的是长寿日常维护技术是否正确、及时、到位。只要长寿措施正确，从宝钢生产实际情况来看，强化冶炼条件下的高炉20年以上寿命是完全可以实现的。
3 宝钢高炉长寿技术支撑
要延长高炉寿命，在理论研究的基础上，还需要建立新的技术支撑。通过长期生产实践和理论研究，宝钢已形成了一套有效的高炉长寿关键技术，归纳起来有以下几个方面。
3．1 建立在炉缸活性指数基础上的煤气流调整
前面已经提到炉身中上部的长寿主要依赖于高炉内煤气流的控制。这种控制必须是上下部综合调剂才能够实现。限与篇幅，这里只简单地介绍用于下部煤气流分布的炉缸活性指数的建立。
长期强化冶炼生产必须要活跃炉缸，形成初始煤气流中心发展有利于高炉上部长寿这一观点被接受之后，掌握定量计算炉缸活跃程度能否满足高炉长寿需要的技术势在必然。结合理论与实践，发现在强化冶炼生产时炉缸侧壁温度与炉底温度和透气性指数之间存在着某种相关性，由此开发出了炉缸活性指数，它的基本定义是炉底电偶温度权重值除以炉缸侧壁电偶温度权重值。该指数主要用来定量计算上部长寿的要求。根据指数值决定是否要采取有利于提高炉缸活性指数的措施，再结合一些常规的炉身维护技术，目前宝钢3座高炉实现了长时期强化冶炼而高炉上部的长寿仍然得到了保证。
3．2 风口焦取样分析技术
通过风口取样，可以分析炉缸死料柱内粉焦和未燃煤粉的积聚量、滞留的渣铁量，测定死料柱的空隙度和渗透性等，也可以定量地对炉芯活性进行评价，尤其是对确定焦炭强度、减少炉芯焦粉量来说是非常重要的。它与炉缸活性指数一起成为分析炉缸活度和控制上部煤气流合理分布的有效检测手段。
3．3 增加冷却水量和安装微型冷却器技术
生产实践表明，高炉强化冶炼之后，原来设计的炉身下部冷却强度已不能满足生产发展的需求了，出现了冷却设备频繁破损，炉身下部易粘结与脱落，甚至
出现炉身发红现象。新高炉在设计阶段就会考虑加强该部位的冷却强度，对于旧高炉只有采取增加系统水量和安装微型冷却器等补救措施来提高冷却强度。号高炉大修时因炉壳未更换而保持了原来的炉体冷却结构，但冷却水量比以前增加一倍；2号高炉2002年经过改造炉身冷却水量也增加了一倍，同时3座高炉都在关键部位安装了必要的微型冷却器，为确保高炉强化冶炼与长寿起到了作用。
3．4 依靠炉缸气隙指数，控制炉缸侧壁温度技术
理论上只要确保了有效传热与冷却，以目前的炉缸结构都能满足20年以上寿命。由于炉缸侵蚀极大多数是从炉缸侧壁产生气隙破坏了热平衡使得热量无法正常导出开始的，所以，炉缸气隙指数就是为了解决这个问题才建立的。2号高炉由原来的设计厚度
3．5 更换冷却壁技术
宝钢3号高炉于
3．6 高炉长寿维扩系统工程技术
高炉长寿是一个系统工程，对于已建成并投产的高炉，其长寿是关键主要取决于生产中维护措施的落实与效果的好坏。除了上述重点介绍外，一些日常维护技术的紧密配合和充分发挥也很重要，比如炉身硬质造壁、炉身降料线喷补、炉身钢砖保护与更新、炉缸压浆、炉身热负荷管理、建立数学模型控制高炉操作稳定、强化炉前作业管理与一次性开口技术的应用等等。只有将以上这些长寿技术有机地结合在一起，形成一个系统维护工程，才能将高炉长寿工作做得更好，才有可能实现20年以上炉龄的生产实绩。
4 新技术应用实绩
宝钢3座高炉多年来一直保持着强化冶炼进程，其高炉利用系数和煤比见表1。3号高炉1994年9月投产至今已接近10年炉龄，2004年2月高炉利用系数达到了2.5以上生产水平。今年成功地实施了S-3段冷却壁整体更换技术，正准备向更高利用系数挑战。宝钢高炉在强化冶炼初期也遇到了长寿方面的许多问题，担心难以持久，随着新技术不断应用，问题才逐步得到解决。
通过合理调整煤气流，结合炉身造壁和强化冷却等措施，炉身上部的炉皮发红次数和冷却设备的破损显著减少。以2号高炉为例：炉身残砖已很薄，但炉皮发红次数没有增多，见表2。因此，在炉缸活性指数和风口取样技术指导下，上部煤气流得到合理控制，解决了高炉上部遇到的长寿问题。
增加冷却水量，特别是强化炉身下部冷却，对于强化冶炼下的炉体长寿维护是有显著效果的。1号高炉第2代与第1代比较，冷却方式和布置完全一样，但前者冶炼强度大于后者，只因冷却水量前者是后者的二倍，结果冷却设备的破损量明显要少很多(见表3)。2004年由于局部边缘煤气流过强造成一次损坏冷却板8块，包括2003年1号高炉炉身部位出现的长寿问题也是局部边缘煤气流管道行程所致，煤气流分布对炉身中上部寿命的影响可见一斑。2号记炉2002年因炉缸侧壁温度异常上升限产而年产较2001年减少2.42％，2003年起在炉缸气隙指数的指导下，及时分清了炉缸温度上升的原因，采取相应的维护措施，近两年来没有加过钍矿和限过产量，一直保持高产，而炉缸没有出现新的侵蚀。这就说明延长炉缸寿命，实现20年以上寿命是可能的。这一成功经验应用到1号高炉后同样取得了很好的效果。这说明宝钢高炉长寿维护系统工程技术又越上了一个新台阶。
5 结语
(1)实现高冶炼强度下的高炉长寿是一项维护技术方面的系统工程，只有将许多长寿技术有机地结合在一起形成一个系统维护工程，特别是关键性新技术得到应用之后，才能将高炉长寿工程做得更好。通过理论研究，开拓新的思路，应用新技术，解决高炉强化冶炼生产中遇到的长寿新问题，这是高炉长寿维护工作的重要环节。
(2)高炉强化冶炼后炉身长寿维护关键是煤气流的控制，通过炉缸活性指数计算结合风口取样分析来指导高炉煤气流的分布，能够获得较为满足的效果。
(3)炉缸传热受阻或炉缸冷却效果变差是炉缸出现侵蚀的根本原因。
(4)高炉长寿工作是一项系统优化工作。在日常维护到位的情况下，高炉寿命最终取决于高炉整体设备安全运行状况及运行成本。
