决定高炉寿命因素的转变及其主要原因的分析

供镐/侯万鹏  吴炯利

摘要：  本文分析了高炉冶炼技术的提高和工艺的变化影响高炉寿命的因素，提出了延长高炉生产期限的可能性及可行性。

关键词：高炉；转变；长寿

前言：高炉寿命取决于某个薄弱环节的出现。由于高炉是一个密闭的高温反应器，当炉身的炉壳强度失效（通常是炉壳热面已直接裸露在高温煤气流中）、破裂而不能支撑炉型，这时就决定了炉役的终结；炉缸在高温铁水的长期冲刷、侵蚀下，尤其是当炉缸侧壁传热平衡受到破坏时，砖衬减薄，当到了铁水随时会破炉而出时，也决定了一代炉役的终结。而近十年来，决定炉龄的因素随着长寿技术的进步和冶炼强度的提高也在不断发生着变化。

一． 炉身与炉缸间的转变

20世纪80年代以前，高炉多因炉身的毁坏而停炉，为了延长高炉寿命，采用中修的措施，更换炉缸以上的砖衬及冷却设备。这样的中修停炉时间长，影响产量，维修费用也高。当冷却设备可以更换，以及对炉身中下部采用冷却板冷却方式的高炉采用硬质材料压入，炉身上部又能进行喷补技术等技术，使炉身部位设备状况有了明显改观，这样炉缸的寿命就明显的突出。一般认为，由于炉缸长期处在渣铁的浸泡、冲刷作用下，炉缸工作恶化或炉缸工作不均匀，易导致炉缸砖衬的异常侵蚀。在炉缸部位某处残余砖衬厚度减薄到危险值（一般认为500mm，也有300mm），则很难使高炉生产处在正常状态，维持正常的产量。这是高炉炉龄决定因素由炉身向炉缸转变的过程，一直延续至今。宝钢1号高炉（第一代）就是在这样的环境下设计、投产、运行了10年8个月直至停炉。生产中有过为保护炉缸而进行钒钛矿护炉，用量达到过12kg/t铁以上。

近年来，随着高炉喷煤量的不断提高，高炉煤气量的增加（特别是局部边缘管道行程的经常出现）对炉身砖衬的冲刷、侵蚀的破坏作用越来越显著。与此同时，随着对炉缸侵蚀机理研究的深入，找到了可以有效抑制炉缸侵蚀的措施之后，高炉炉龄决定因素将再一次由炉缸向炉身转变。宝钢2号高炉投产运行至今14年，目前高炉产能的制约因素不在炉缸而在炉身中下部。宝钢1号高炉(第二代)的煤比比宝钢2号高炉高，所以，炉身中下部的长寿问题相对严重些。宝钢3号高炉运行了10年，炉缸部位温度场始终是十分稳定的，而2004年上半年对炉身中部冷却壁进行一圈整体更换。这些都说明了高炉炉龄决定因素由炉缸向炉身转变的趋势。

二． 炉缸侧壁与炉底间的转变

近10年来，炉缸的破损成为停炉的主要原因。而炉缸问题又分炉缸侧壁和炉底面两类。在使用高铝质材料的时期，高热阻迫使炉底砖衬一直面对高温溶融铁水而难以长久。风冷炉底虽运行成本低，但冷却效果不佳。这种情况下，炉底面常常被严重侵蚀，时有炉底烧穿的事故发生。碳质炉底使用以来，由于碳质材料的导热性好，炉缸寿命得到一个质的飞跃。加强冷却，把铁水凝固线（1150℃）推至碳砖热面外一定距离，使碳砖如同戴上了一层盔甲保护层。碳砖炉底加纯水密闭循环冷却，使炉底面的状态得到彻底改观，并得到了一致认同，近年来高炉设计都采用了这种模式。炉底面的问题解决后，炉缸侧壁就成了关切的焦点。一般认为，铁口处在炉缸铁水的作用下，工作条件呈周期性变化，也是炉缸中最恶劣的工作环境，使该处的侵蚀一直处于领先位置。所以，每当我们讨论高炉使用寿命时，都把问题的焦点投向炉缸侧壁残余厚度，都在想方设法采取措施以减缓其侵蚀程度。随着喷煤量的进一步提高后，炉缸问题出现了新的变化。由于炉缸内焦层厚度的减薄，炉缸中心不活跃区在扩大，炉底热电偶温度不断下降，铁口出铁次数在增多，炉内煤气压差在升高，这种炉缸活性不足的局面加重了炉缸侧壁问题的压力。希望出现炉缸“锅底型”侵蚀来抑制炉缸“蒜头型”侵蚀的可能性不存在了，相反，出现了加剧炉缸侵蚀的炉底“蒜头型”。这是高炉提高喷煤量后伴随产生的新问题。所以，炉缸活跃性不足成了影响高炉寿命的主要因素之一。

三．高炉炉身寿命新问题主要原因分析

对于冷却板冷却的高炉，炉身快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。热应力主要来至于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幅的波动，必然要产生热应力易导致砖衬破裂。炉身砖衬的侵蚀和冷却设备的破损大多数是这种情况下出现的，尤其在炉身中部当砖衬侵蚀的差不多时会造成快状区炉皮发红。一般来讲，投产3年后砖衬破坏一半以上，如果是强化冶炼破坏的更加厉害，冷却板大部分暴露出来，更易出现炉皮发红。喷煤量提高以后，炉身寿命问题更突出的原因，是焦碳层减薄后的炉内料拄透气性变差和炉腹煤气量增加使高炉内边缘气流较为发展所致。为了减少砖衬破损，被迫采取抑制边缘气流、发展中心气流的上部调剂手段，却因控制困难而易出现边缘局部管道形成，加剧了炉身砖衬的破损。这是喷煤量提高过程中必然会遇到的问题。以前改变上部煤气流二次分布的装料制度对高炉炉身上部长寿起到了较为重要的作用，但是随着喷煤量的提高，起决定性影响的因素已转移到了炉缸区域的初始煤气流分布上。如果炉缸的活性不足，煤气流初始分布中心就不足，想通过上部调剂来抑制边缘气流发展中心只能是适得其反，从而出现中心边缘都抑制，结果会产生管道行程。点式冷却结构的冷却板冷却，是无法及时抵御局部管道行程的大量煤气流对炉身砖衬的冲刷和热负荷冲击的。喷煤量提高后对炉身的维护难度增加不少，以前的长寿措施已无法满足要求，进而出现炉身铁皮经常发红的现象。

三． 炉缸侧壁寿命的主要影响因素

一般来讲，铁口区域附近的炉缸侧壁温度容易升高，而且难以控制，这是因为该部位的铁水环流较炉缸其他部位要强烈得多。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、限制和强调炉前作业确保铁口深度等措施，而实际上侧壁温度升高给铁水环流对炉缸的侵蚀创造了条件。在炉缸储存铁水的高温区，通过冷却把炉缸侧壁砖衬中的温度场分布控制在1150℃铁水凝固线以下，在高温侧形成保护性凝渣铁层，只要这个温度分布场不发生变化，也就是炉缸部位传热与冷却所确立的热平衡不被破坏，就不会发生铁水环流对炉缸的进一步侵蚀。影响它的因素是很多的，比如炉缸的工作状况、铁口泥包维护、铁水环流局部冲刷严重程度、进水温度的波动、冷却水量的大小等。在诸多影响因素中，最容易被忽视而且又影响最大的因素是炉缸砖衬与炉壳间出现了气隙。在铁口常压区与上方的风口高压区压力差的作用下，这种气隙不断加大，尽管冷却系统参数没有发生变化，但其冷却效果却因传热能力下降而变小，热平衡被破坏，炉缸砖衬温度场整体升高，时间一长暴露在高温端的砖衬必然出现铁水环流的侵蚀现象。气隙在压差的作用下被扩大并破坏了有效传热，这才是铁口区域容易出现侵蚀的真正原因所在。极大多数炉缸侵蚀就是从这里开始的，所以有效传热是极其重要的。

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。而传热和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，最后导致炉缸砖衬被侵蚀。炉缸砖衬与炉壳间出现间隙是不可避免的，其他部位没有条件使之进一步扩大，而铁口区域因与大气接通而出现压差，情况就糟糕得多，因此，一个小小的铁口结构设计好坏却成了整个炉缸长寿的关键。消除铁口区域冒煤气，就等于避免了气隙扩大的可能，这对炉缸侧壁的寿命至关重要。

炉缸气隙问题容易发生在大块炉缸碳砖加吸收热膨胀的填料层结构的高炉上，对于采取热压小块碳砖没有填料层炉缸结构的高炉发生这种情况的可能性极小。宝钢的1、2号高炉以前经常发生炉缸温度异常升高的困扰，而3号高炉10年来却没有出现过炉缸侧壁温度异常上升的问题，一直十分稳定。

五．结论

现代化高炉生产面临的主要挑战是高利用系数、优质铁水、低成本和长寿命。强化冶炼后高炉长寿工作虽较以前困难得多，但通过强化冷却和有效炉缸传热的良好结合，仍然可以将炉缸侵蚀程度降到最低，甚至在现有高炉结构与材质的条件下完全可能实现单位炉容产铁量1.7万t/m3 。

高炉强化冶炼后，炉身中上部长寿维护关键是煤气流的控制，通过炉缸活跃性指数计算结合风口取样分析来指导高炉煤气流的分布，能够获得较为满意的效果。炉身下部及炉腰部位的长寿维护技术主要是强化冷却形成稳定的渣皮保护层。

高炉寿命限制因素不断转变的过程，就是高炉冶炼技术与高炉长寿技术不断发展的过程。高炉长寿是一项优化工作。长期的生产实践表明：随着高炉长寿技术的不断进步，在日常维护到位和操作水平不断提高的情况下，高炉寿命最终取决于高炉整体设备安全运行状况和运行成本。