杜春松
（鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114021）
摘要：簡要分析了影響高爐長壽的主要相關因素，提出必須加強工程管控、推行高爐長壽生產操作制度和重視依據日常監測結果對高爐進行的長壽維護工作，避免影響高爐長壽的不 利因素，實現一代爐齡 15~20 年的高爐長壽目標。
關鍵詞：高爐；長壽；工程管控；生產操作；維護
中國鋼鐵經過過去 20 年的大發展，年產能已經越過 10 億 t 大關，在不斷追求經濟效益的過程中，長壽高爐是眾家追求的重點，也是現代高爐所要達到的目標。 但 2000 年以后，高爐爐缸燒穿事故又開始多起來，有的開爐幾個月就造成爐缸燒穿，有的開爐 3 年左右就造成爐缸燒穿[1]，這樣的情況可能在將來一段時間還會不時地出現。全國僅寶鋼、武鋼、首鋼等先進企業的高爐一代爐役壽命實現了 10~15 年以上的長壽目標[2]。
目前高爐平均壽命還難于突破 7 年。為了提供一些具有參考價值的高爐長壽管控思想，本文簡單敘述了影響高爐長壽的環節和因素，提出在工程建設時做到加強設計、采購、施工的管理與控制，后期生產操作上采用長壽操作制度，生產維護上做到早發現、早維護，減少不利于長壽的因素，以實現高爐一代爐齡達到 15 年以上長壽命的目標。
1 工程管控
工程管控是高爐長壽的前提及基礎，建設單位選擇的設計方、供貨方、施工方在工程建設過程中所采用的方案及實施的效果直接決定了高爐是否具有長壽的野基因冶。設計采用的方案是否在特定的動力學、熱力學冶煉條件下對氣固液三相的破壞具有較強的抵抗性作用、 是否具有更強更廣泛的高爐操作適應性、是否具備更加準確而及時的事故報警特征決定了高爐野基因冶的優劣；采購供貨的設備材料是否達到了設計參數及指標是決定高爐的野骨架冶是否是按照設計的長壽野基因冶進行野孕育冶的關鍵；而施工則是工程的組建過程，在這個過程中是否將優良的實體按照正確的方式放在正確的位置也十分重要。
1.1 設計選擇
在設計上要實現一代爐齡 15 年以上的長壽高爐，國內外專家認為高爐長壽設計思想主要體現以下幾個方面。
1.1.1 高爐系統的同步長壽
高爐的長壽離不開其配套系統的穩定長壽，這些有機的外部系統能否長期穩定的服務于高爐冶煉直接影響高爐操作的波動。高爐操作波動頻率對高爐的長壽影響很大，例如供料系統不能穩定提供原燃料的供應，便不可以實現連續布料生產，熱風溫度不能保持較小的波動，噴煤系統不能確保在風口區的均勻連續穩定噴吹，會造成高爐內的冶煉狀況隨時在被動變化。外部系統不穩定袁特別是頻繁的變化，會給高爐帶來被動的操作及適應，是影響高爐壽命的重大關聯因素。所以組建設計團隊做好外部系統設計也是關鍵任務。
1.1.2 高爐內型的選擇
高爐內型是影響高爐一代生產效能的重要因素之一。 因此高爐內型尺寸的設計是一項重要的、需要豐富經驗的技術工作。確定高爐內型主要尺寸的基本原則有三種院燃燒強度、冶煉強度和爐腹煤氣量指數[3]。
在滿足冶煉的條件下，盡可能采用小的爐缸直徑，爐缸直徑增大需增加鼓風動力需求，造成焦炭粉化且不利于中心發展，影響高爐順行，推薦采用爐腹煤氣量指數來確定爐缸直徑[4]。 經驗認為，爐缸截面積燃燒強度一般取值 1.00~1.25 t/（m2 ·h），計算得到的爐缸直徑采用有效容積Vu /爐缸截面積進行校核，一般大高爐取值 22~28，中型高爐取值15~22，小高爐取值 11~15。死鐵層深度適宜偏大，但過深的死鐵層深度對下部炭磚不利， 一般取值范圍在爐缸直徑的 20%~25%。 爐缸高度一般為風口高度 hf +(0.4~0.8)m。
考慮爐缸區域鐵液的漂浮力對爐缸爐底耐材的影響，爐缸爐殼應設置成圓錐臺型，利用爐殼的斜度、陶瓷杯的環擋、風口中小套上部限制的作用，在炭磚堯陶瓷杯受熱膨脹擠壓、加熱焙燒后形成較穩定的盛渣鐵結構體。 圖 1、圖 2 分別為陶瓷墊長壽型爐缸和陶瓷杯長壽型爐缸。
爐腹角度是形成該區域下料漏斗形狀的因素，適當減小爐腹角度有利于爐缸煤氣流的排升、下料順行、爐腹區域渣鐵皮的掛靠，可以減弱邊緣煤氣流，對高爐長壽有益。目前大中型高爐爐腹角均減小至 74°~78°，但爐腹角減得太小不利于爐料的下降，會造成板結渣鐵皮太厚，對邊緣發展不利，不利于高爐順行。高爐越大，爐腹角宜偏高取值。在確定適宜的爐喉直徑以滿足靈活布料的同時，必須先選擇適宜的爐身高度及爐身角度。爐身角對煤氣氣流分布影響很大， 爐身角太大不利于煤氣利用，會造成燃料比上升，且容易受到料柱磨損，影響壽命；爐身角太小容易在爐身中下部形成管道氣流，不利于間接還原反應。因此需設置合理的爐身角及適宜的爐身高度，對滿足煤氣上升冷卻體積減小、原燃料下降體積膨脹等各方面因素也有好處。爐身角一般取值 80.5°~83.5°之間，大高爐取偏小值，中小型高爐取偏大值；爐身高度占高爐有效高度的比值范圍宜為 50%~60%。爐腰處于高爐軟熔帶區域，透氣性差，需要擴大直徑滿足透氣性，爐腰是爐身爐腹的連接帶，能起到尺寸過渡作用遙 一般爐腰直徑與爐缸直徑比值范圍為 1.1~1.2。
爐腰高度 1.2~3.0 m，大高爐偏取上限。根據爐容需求，可以通過調節爐腰的高度來調整爐容大小。
1.1.3 建立適應一定熱沖擊能力的高爐冷卻體系
建立良好的冷卻系統需要選擇高效冷卻設備和優質耐材爐襯，形成有效配合，爐體冷卻器全覆蓋，冷卻要無盲區。根據爐內各區域熱負荷特點，選擇不一樣的冷卻器及耐材，在一定冷卻強度下，形成穩定的導熱系統，軟熔帶以下要形成具有一定厚度及粘掛強度好的渣鐵皮，冷卻強度的選擇要適應高爐熱負荷在一定范圍內變化的要求。目前國內高爐冷卻設施不論是臥式冷卻壁還是豎式冷卻壁，設計上一般采用冷卻比表面積在 1.0~1.3的冷卻壁，水速控制在（2±0.2） m/s 左右，基本能較好的滿足冷卻強度要求，也具有承受一定的熱沖擊能力。
圖 3 為爐缸傳熱溫度梯度示意圖。熱流強度的多層平壁理論計算一般參照式（1）進行。
式中，Q熱為通過爐缸的熱流強度，W/m2；T1 為陶瓷杯熱面溫度，℃；T 6 為冷卻壁水管冷面溫度，℃；Ii為每層材料厚度，m；λi為材料導熱系數，W/(m·℃)。
實際的熱流強度利用冷卻水水溫差進行計算，設計時可分區分段設置檢測點，經驗公式為Q熱= 0.278（冷卻水流量×水溫差）/冷卻器面積，爐殼熱散失約 5%，一般不計入熱。炭磚溫度及冷卻壁溫度可作為熱異常情況下檢查排查的參考。要防止高爐爐缸燒穿，必須監控熱流強度值防止其達到爐缸極限熱流強度，爐缸極限熱流強度是當高爐爐缸炭磚熱面溫度為 1 150 ℃，且炭磚剩余厚度 300 mm 時的熱流強度[5]。 因爐缸耐火材料的導熱系數和厚度、爐內熱狀態及冷卻強度不同，高爐爐缸的熱流強度是變化的。在達到爐缸極限熱流強度之前，高爐必須采取措施，否則隨時具有燒穿的危險。圖 4 為爐缸炭磚厚度與熱流強度之間的關系[6]。
熱流強度檢測控制值可以參照表 1 進行比對，不同高爐實踐操作過程中根據炭磚導熱性及厚度不同可不同取值。
1.1.4 設備材料的選擇及配置
高爐本體區影響高爐長壽的主要設備材料為冷卻器及耐材。目前我國廣泛應用的冷卻設備主要是鑄鐵冷卻壁、軋制或鑄造銅冷卻壁和銅冷卻板。按高爐使用冷卻設備的情況不同，可分為全冷卻壁高爐、全冷卻板高爐和板壁結合高爐。全冷卻壁工藝院爐腹及以上爐墻的支承條件不好，某部位燒蝕以后，容易造成上部耐材脫落，同時冷卻壁損壞后不易更換。全冷卻板工藝院爐殼開孔過大，降低了爐殼的強度；另外全冷卻板的點式冷卻，不能完全滿足現代高爐高強度的冶煉要求。目前，采用冷卻壁與冷卻板相結合的冷卻工藝效果較好。圖 5 為板壁結合示意圖。
對于大高爐，在風口處和爐腰處的薄壁內襯之間，可采用銅冷卻板過渡，即在爐腹部位設置2~4 層銅冷卻板，呈品字型布置，其上設冷卻壁，在冷卻板區域砌導熱性好、抗熱震性高耐材，砌體有冷卻板支撐，不易塌落。
（1）在爐身中上部適宜選擇冷卻壁與耐材的鑲嵌配合。選擇具有抗磨損、抗沖刷、抗熱震性能好的耐材作為冷卻壁的鑲磚，如中部可采用Si3N4-SiC 磚；上部可采用性能好的 Si3N4-SiC 磚。由于熱負荷不算大，且侵蝕不嚴重，主要為煤氣沖刷和爐料磨損，亦可采用浸磷酸粘土磚。
（2）在爐腹、爐腰、爐身下部高熱負荷液相區選擇導熱系數大的冷卻壁。經過快速導熱將液相凝固等溫線向爐內延伸，形成渣鐵皮的自我保護。此區域可以弱化耐材保護作用，采用噴涂料，但考慮渣鐵皮脫落對冷卻設備造成的短期熱沖擊因素，建議在資金充足的情況下，采用強度高、熱導率大、線膨脹系數小、化學穩定性高、耐磨蝕性好、抗氧化性好、抗熱震性優異的 Si3N4-SiC 磚配高導熱的銅冷卻壁。
（3） 在爐缸區域選擇冷卻壁配置微孔、超微孔炭磚加陶瓷杯的結構體系。近年來也有許多設計取消了陶瓷杯，利用環炭加強冷卻形成保護層實現護缸。目前爐缸形成以 SGL、NDK、蘭炭大塊炭磚和 UCAR 小塊炭磚兩個體系。大塊炭磚是抗渣鐵、抗堿金屬侵蝕、高導熱、抗氧化等各方面性能良好的內襯材料，加上陶瓷杯的低導熱、高抗渣鐵侵蝕性能結合，形成保溫型長壽高爐；小塊炭磚是采用導熱性好、抗熱應力強炭磚，通過薄爐墻及與其緊密接觸的高效冷卻系統，冷卻形成渣鐵皮而起到保護爐墻的作用，屬于導熱型長壽高爐理念。 由于小塊炭磚設計時要求的冷卻強度高、操作上爐缸溫度頻繁變化易造成渣鐵殼破落頻繁，加之小塊炭磚與陶瓷杯的施工要求較高等因素，國內小塊炭磚獲得成功應用的高爐較少， 故最近幾年高爐建設基本選擇以大塊炭磚為主。爐缸要解決好炭磚與陶瓷杯之間的熱膨脹結構問題，做好炭磚磚縫及錯層布置設計，防止鐵水滲透及堿金屬浸入；陶瓷杯與環碳之間碳素搗料、環碳與冷卻壁之間的碳素搗料設計要確保開爐后熱量的正常傳輸及熱膨脹的吸收， 冷卻壁與爐殼間的自流澆注料要防止煤氣及漏滲水的流動，鐵口宜采用冷卻強度大的冷卻壁， 砌筑要保證鐵口深度；無陶瓷杯的爐缸要做好傳熱計算、對炭磚質量控制特別是抵抗熱環裂性能要求更高，對操作也提出更加穩定的要求。
（4） 爐底區域設置爐底水冷管及石墨、半石墨堯炭磚、微孔炭磚、陶瓷墊的傳熱冷卻體系。爐底爐缸傳熱體系冷卻強度控制宜將 1 150 ℃等溫線、炭磚脆裂 800 ℃溫度線控制在陶瓷墊厚度范圍內。
（5） 爐體設計要設置爐體耐材溫度、冷卻器溫度、冷卻水溫度檢測及報警體系。
1.2 采購控制
高爐系統設備材料的優劣是直接影響高爐長壽的因素，特別是一些關鍵設備材料如冷卻壁、炭磚堯剛玉陶瓷、碳素搗料、冷卻壁鑲磚等，因此，采購不僅要做好選擇、支付及催交，還包括了深入供貨商的全部制造流程之中，控制所有的物質流按照設計參數及指標進行組建， 監察過程抽檢及交貨驗收，最終達到各項性能指標并按期交貨的全部行為。高爐內的關鍵設備均應列入 A 類采購計劃，執行 A 類設備招標采購流程、合同授予、監造監制、過程抽檢及出廠驗收、包裝運輸、現場開箱接貨、轉運管理程序，確保各環節處于項目的可控范圍。
常見高爐設備采購流程中容易出現的影響高爐壽命的相關問題有：
（1） 冷卻壁鑄造內部夾渣、 裂紋未被檢查發現袁開爐后損壞。
（2） 冷卻壁水管與壁體之間熔鑄結合不實，存在氣隙未被檢查發現， 投產后冷卻壁燒損袁漏水；銅冷卻壁焊接進出水管焊縫未達標。
（3）炭磚石墨化程度不夠，添加人工石墨、電煅燒溫度不合格，焙燒溫度不到位、不均勻，超微粉未形成微孔新物質、成分偏差等造成導熱能力、抗侵蝕能力、抗壓抗折未達到標準，成型壓力低、加工精度低。
（4）耐材管理不善造成泡水、外形破壞等遙[5] 招標體系內惡意競爭，低價中標，無法保證產品質量的管理問題。
1.3 施工控制
合格的施工過程是將所有合格設備材料按照理論設計的數據以最小誤差方式進行組裝的過程。施工質量的好壞取決于施工方及監理方對圖紙的理解程度及施工采用的工器具、作業條件等遙高爐本體筑爐質量的好壞直接影響一代高爐的爐齡，是高爐長壽的關鍵環節，高爐筑爐工程必須遵循野設計是前提、材料是基礎、施工是關鍵、管理是保證冶的質量管理理念。
所有砌筑到場的耐火材料均要妥善保管，入庫登記、檢查驗收、分類堆放、標識；爐底砌筑時宜用扁鋼網格控制爐底找平層的標高和平整度；爐底炭磚用支承架砌筑，上下層炭磚中心線要偏差30°~60°進行砌筑，確保砌體的磚縫要符合設計規范要求；陶瓷杯墊采用野十字形冶砌筑；環炭及爐腰爐身砌筑時，要掛設爐體中心線，安裝半徑規，確保爐子的內型尺寸；鐵口砌筑時，先砌筑鐵口組合磚，再砌筑兩側砌體，確保鐵口組合磚砌筑質量；風口、鐵口、渣口、爐底、爐缸是高爐重要部位，砌體質量要求高，因此，必須對這些部位的砌體進行預砌筑確保各關鍵部位的砌筑質量。在砌筑炭磚時，要保證施工作業環境溫度，施工速度要兼顧炭磚泥漿的凝固時間，防止搶工期造成砌體變位遙陶瓷杯與環碳之間碳素搗料、環碳與冷卻壁之間的碳素搗料均需仔細搗實，搗實密度達到1.6 g/cm3 以上，確保開爐后熱量的正常傳輸及熱膨脹的吸收，冷卻壁與爐殼間的自流澆注料施工要確保填充密實，防止開爐后漏出的煤氣流帶動堿金屬的流動或冷卻器漏水向下流動接觸炭磚后對炭磚的損害。
高爐試水要注意防止爐頂打水及爐頂齒輪箱冷卻水流入高爐爐缸，高爐烘爐完成后要進行冷卻打壓檢漏，整改漏氣、漏水的部位，確保開爐成功，防止投產被迫停爐的風險。投產后要先冶煉二周左右的鑄造鐵，使爐內炭磚泥漿焙燒到位、炭磚搗打料干燥，達到強度及導熱指標后再提高產量，不能盲目追求達產交工。
2 生產操作維護
高爐穩定操作是高爐長壽的關鍵因素，為使高爐生產達到高效、低耗、長壽的目標，在高爐原燃料條件穩定的情況下，根據高爐設備的情況，制定出基本的操作制度，包括熱制度、造渣制度、送風制度、裝料制度，各項操作制度之間均有關聯，在實際生產過程中，操作者在各種制度達到平衡后應該維持這種良好狀態，當外部條件變化打破這種平衡后應該盡快處理，盡快恢復至新的穩定平衡點。由于生產情況復雜，外部影響因素眾多，這種穩定操作只是一種理想的短時狀態，而如何通過操作手段控制這種變化以及當變化已經發生后如何盡快維護生產達到新的平衡對高爐長壽來說十分重要。
穩定的外部條件及操作能使高爐裝置處于一種穩定生產狀態，穩定的熱流強度能確保裝置的溫度變化小，熱應變小袁爐缸、爐腹、爐腰形成的渣鐵皮板結穩固，對其冷面以外的裝置起到良好保護作用 ，每次爐況的波動都會帶來渣鐵皮的脫落風險，脫落部位熱流強度變大，重新形成殼體之前對耐材進行侵蝕，冷卻壁受到熱沖擊也會加快損害進程。
目前袁各企業都在追求高強度冶煉，保持高利用系數和大噴煤比，造成爐腹煤氣量增加，此時需要適當發展邊緣氣流，分解爐腹煤氣量，緩解高爐中心冶煉強度，保證高爐穩定。高強度冶煉條件下，操作要做好邊緣氣流發展與控制，使相應爐體冷卻強度與邊緣氣流發展帶來的熱負荷變化配合，形成穩定的傳熱系統，確保渣鐵皮保護層的穩固，高強度冶煉帶來的邊緣氣流發展、下料速度加快增加的摩擦會加大爐身中上部的熱流強度及煤氣流、料流對鑲磚、冷卻壁的磨損。
2.1 高爐長壽操作制度
（1） 做好高爐下部送風制度，采用穩定的高送風比操作，實現爐腹煤氣流均勻分布。 高爐下部送風經過操作調節，將高爐達到理想運行狀態時確定的合適的爐腹煤氣量、回旋區長度、鼓風動能等重要參數作為一項長期操作參考的坐標數據，從國內一些操作經驗看，采用高送風比、風口延長、風口斷面調整等技術能確保鼓風動能、較好的回旋區長度，能維持一定的透氣性、透液性，相對減少邊緣氣流發展，降低煤氣流沖刷侵蝕。冶煉強度提高帶來邊緣溫度提升，能防止渣皮結厚造成的懸料及脫落坐料對爐缸造成的破壞。同時高送風比能保證中心發展，爐缸活躍，能讓中心料柱溫度升高熔融減小其體積袁緩解爐缸液態渣鐵圍繞死料柱形成的環流運動，對爐缸側壁長壽意義重大。
（2） 調節高爐上部煤氣流分布，采用靈活的布料方式，加強間接還原，實現煤氣高效利用。高爐下部煤氣流分布與上部煤氣流調節有一定的關聯性，煤氣流向上流動過程中，由于布料阻損不同流場是變化的，布料制度是影響上部煤氣流分布的關鍵。無料鐘爐頂布料靈活多變，結合爐頂測溫系統，可以實現任意布料組合，也可以針對單點布料， 操作實踐中應根據高爐情況不同， 摸索確定各自的布料組合并隨情況變化隨時調整。基本布料理念應該是根據需要確定礦焦按比例層狀分布布料，壓制邊緣，發展中心，形成邊高中低的料面形狀袁形成邊緣、中心氣流的穩定。邊緣氣流穩定能使高爐爐墻熱負荷穩定，避免渣鐵皮頻繁脫落，同時減小沖刷，對高爐長壽十分重要。
（3） 制定高爐熱制度袁確保鐵水溫度。操作中要將鐵水溫度控制在 1 480 ℃以上， 以便于確保渣鐵有一定的流動性，避免爐缸熱量不足。 鐵水含Si 量宜控制在 0.3%~0.6%之間，以保持爐缸具有一定的活躍度。 爐缸活躍度是爐況順行的重要指標，是高爐能長壽的重要表現。
（4）控制爐渣二元堿度。操作中爐渣堿度宜控制在 1.10~1.15 之間，控制爐渣 Al2O3 含量，保持適宜的鎂鋁比 0.45~0.60， 以確保渣的流動性，高堿度渣流動不好， 提升溫度勢必帶來爐內軟熔帶位置變化，穩定熱體系破壞，不利于高爐穩定，故應調節好適宜的堿度，控制好溫度。
（5） 做好入爐原燃料管理。原燃料質量是高爐穩定順行的基礎。各高爐入爐原燃料條件情況不同，建議有條件的需適當控制入爐焦炭水分含量，反應強度，反應性指標等，控制入爐小塊焦比例；控制燒結礦轉鼓強度、低溫還原粉化率，控制小于5 mm 燒結礦比例。要嚴格控制堿金屬含量高的粉塵入爐循環，要定期排鋅、鈉等堿金屬。國內眾多高爐由于不重視排堿金屬，造成其大量富集，與耐材反應使耐材體積膨脹 30%~50%，造成砌體損壞，爐底板上翹，使得高爐不得不停產大修。
2.2 高爐長壽維護處理
高爐生產狀況復雜，除了采用有利于高爐長壽的操作模式外， 還應在不利于高爐長壽的情況出現時，立刻采取措施進行調節處理，彌補一些由于設計、供貨、施工造成的先天性不足因素或操作過程中一些不可預見性帶來的問題。
鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司是單高爐生產，從 2013 年開始爐缸溫度升高，煉鐵總廠持續關注高爐爐缸溫度場的變化趨勢，并采取了一系列穩定爐缸溫度場的治理措施，建立了爐芯溫度控制標準和爐缸側壁溫度控制標準，將高爐爐缸活躍度控制在合理范圍內，高爐長周期穩定順行，鐵水質量顯著提高，高爐生鐵一級品率呈上升趨勢，由 2011 年 的 63.60%提高至 2017 年的 97.59%[7]，爐缸管理實踐效果良好。目前高爐爐缸溫度控制在 300 ℃以內，利用系數在 2.3 以上，取得了護爐的成功。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鐵部1 號 4038 m3 高爐爐缸溫度偏高，存在安全隱患，通過操作護爐措施，取得了很好效果，具體護爐措施如下：根據熱制度將爐缸冷卻水量由 2 400 m3 /h 增加到 4 800 m3 /h； 增加爐缸在線儀表監控數量；堅持精料方針，采用高溫高鈦操作法，既實現釩鈦護爐，又確保了渣鐵流動性好，實現了雙高條件下的高爐順行；采用全風全壓配合雙高操作發展中心冶煉，活躍了爐缸、減少了環流對爐缸的沖刷；通過固定鐵口區域優質無水泡泥的打泥量，保證鐵口深度 3.6~3.8 m，四個鐵口輪換出鐵。 通過以上維護措施爐缸溫度得到有效控制，護爐效果良好，實現了長達 6 年的護爐期內，高爐安全穩定運行[8]。
1 號高爐護爐操作長達6 年時間，成功實現了采用護爐措施延長高爐壽命的案例。以上兩個案例可以說明，護爐操作對高爐長壽具有重要作用，可以彌補一些先天不足或后期生產操作過程中產生的不利于高爐長壽的因素。根據不同案例，高爐的護爐措施不盡相同，需根據具體情況采用不同的護爐方案。
3 結語
高爐長壽可以大幅降低大修投資，提高生產效率，產生可觀的經濟效益，但要做到高爐長壽是 一個復雜的系統工程，環節很多，需要多方努力合作，把控好各個環節，避免各個階段不利因素的產生，總的來說袁工程管控是基礎，生產操作是關鍵，監控維護是保障。
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