潘永龍  李增偉

（沙鋼集團安陽永興特鋼有限公司）

摘要：沙鋼集團安陽永興特鋼兩座580m³高爐原設計有效容積為587m³，采用料車上料、無料鐘爐頂，爐腹～爐身中部采用厚壁爐襯+鑲磚冷卻壁、爐身上部為無冷卻砌磚，冷卻系統采用軟水密閉循環冷卻方式，爐腹角為81.4692°、爐身角為84.8872°、Hu/D為2.76。原高爐冶煉生產中，存在爐身中上部凸臺粘結、無冷區磚襯垮塌和上部結瘤、鋼磚變形上翹等導致生產強化程度不高、煤氣利用差、凸臺冷卻壁容易損壞等。18年底～19年初高爐年修時，從長壽、高效、低耗出發，對兩座580m³高爐進行了內型、冷卻壁、內襯等的優化改造，采用了操作內型、襯壁一體式爐襯、爐身上部增設冷卻器、水冷鋼磚、冷卻壁軟水分區冷卻、優質超微孔炭磚、整體式陶瓷杯等先進技術。高爐投產后，達產迅速、較原高爐更容易實現強化冶煉，生產實踐中經過一系列生產強化措施，高爐生產經濟技術指標不斷得到優化提高，經濟效益明顯。

關鍵詞：高爐；爐型優化改造；冷卻壁；陶瓷杯 

沙鋼集團安陽永興特鋼2×580m³高爐采用無料鐘爐頂，料車上料，配備AV50-13軸流風機，爐缸采用光面冷卻壁、爐腹和爐腰采用厚壁爐襯和無凸臺光面冷卻壁、爐身中下部采用厚壁磚襯+凸臺鑲磚冷卻壁、爐身上部為無冷卻砌磚結構，軟水密閉循環冷卻，爐喉部位為一段式填料無冷式爐喉鋼磚；高爐內型特征為：爐腹角為81.4692°、爐身角為84.8872°，Hu/D為2.76。

在高爐日常生產冶煉中，存在冶煉強度較低、高爐不容易實現強化冶煉、煤氣利用率較差、爐況穩定性不夠等，主要表現有：①爐身上部無冷區磚襯垮塌，高溫煤氣流直接沖刷爐喉鋼磚而整體變形、上翹，變相縮小了爐喉直徑，造成高爐上部容易結瘤，影響了高爐布料和爐身上部煤氣流的合理分布與穩定性；②爐身的冷卻壁凸臺幾乎對磚襯沒有支托能力，生產中會出現磚襯垮塌，容易出現爐墻粘結甚至結瘤，從而破壞了操作內型、難于保持合理的煤氣流分布與穩定；③冷卻壁凸臺處于高溫區、冷卻強度低，凸臺與本體之間的溫差應力加劇了冷卻壁承受的熱應力與疲勞，導致冷卻壁的過快破損等。以上這些問題，導致了高爐日常生產中對原燃料質量要求較高，高爐風機利用率較低，對高爐生產穩定性影響較大，生產技術經濟指標出現瓶頸而無法提升水平（見表3）。

1  高爐優化改造的原則和目標

580m³高爐的優化改造以立足于現有整體裝備水平、風機能力、高爐冷卻系統能力、渣處理能力等條件，貫徹高效、長壽、安全、環保的建設理念，在符合高效、長壽、安全、環保的原則下，充分利用現有設施，盡量降低工程投資、縮短建設工期，以獲得最佳的投資效益。

優化改造在現有原燃料水平、外圍設施等條件下，優先解決高爐高效化生產的要求，消除爐身上部容易粘結、結瘤和內型合理度及現有生產中存在的問題，確保高爐長效化穩定生產。確定改造優化的技術考核目標為：高爐利用系數指標不低于3.8t/（m³.d），燃料比不超過530kg/t。

2  高爐本體優化改造的主要內容

兩座高爐的本次年修中，以高爐本體的優化改造原則和目標為基礎，充分利用現有裝備條件和設施，盡量降低投資和縮小建設工期，對現有高爐爐型和緊密相關的工藝設施進行優化設計、改造。主要包括下述內容：

（1）針對密切影響高爐生產效率的高爐內型，系統研究高爐內型、冷卻壁與內襯的相互依存關系，優化高爐內型的特征參數、采用接近操作內型的設計爐型。

（2）遵循高爐冷卻壁破損機理，結合高爐操作內型，選擇無凸臺冷卻壁與薄壁內襯、爐身上部采用襯壁一體式爐墻結構等。

（3）針對公司所屬地位于京津冀地區及當地環保管控力度大的實際情況，高爐存在經常性燜、停爐等特殊爐況，應選擇有利于爐底爐缸保溫的優質炭磚陶瓷杯爐缸內襯。

（4）對冷卻壁軟水密閉循環系統的爐體管線進行優化，在不增加原有系統能力的前提下，采用高爐周向分區控制冷卻強度，增加高爐周向熱負荷調節技術。

（5）采用高效、長壽的水冷鋼磚，消除鋼磚變形、上翹對布料、煤氣流分布的不利影響。

3  高爐爐型的優化

煤氣流的合理、穩定分布、易于調控等是實現高爐“順行、穩定、高效、低耗、長壽”的前提條件，而高爐內型是獲得合理、穩定煤氣流分布的基礎。合理的爐型需要系統研究冷卻設備、耐火材料、生產操作、原燃料條件等綜合因素。因此，高爐爐型的選擇是本次優化改造的研究重點。根據580m3高爐現狀，結合公司要求高爐優化改造后要達到“高產、低耗、穩定”的要求，以合理擴大高爐容積為技術思路，實施高爐內型的優化選擇：

①高爐內型即為準操作內型，設計內型接近于實際冶煉的高爐操作內型。在高爐有效高度不變的前提下，針對原內型的爐腹角、爐身角偏大，不利于煤氣流合理分布、穩定和不易調控等缺陷，通過適當擴大爐缸、爐腰和爐喉直徑及采用薄壁爐襯，調整爐身高度，將高徑比由原來的2.76優化為2.45。

②在調整高徑比的同時，重新設計爐腹以上冷卻壁設備，在保證本體冷卻強度的情況下，減薄冷卻壁厚度，以實現擴大爐缸、爐腰及爐喉直徑的目的，在此基礎上選擇合理的爐腹角，以獲得合理穩定的煤氣流分布、保護冷卻設備，通過核算優化后的爐腹角選定為75.7841°、爐身角選定為83.8644°。

③鑒于本高爐容積小、鼓風動能足、易于獲得較好中心透氣性等特點，當死鐵層深度與爐缸直徑的理論比值h0/d 保持在19%水平時，爐缸環流仍然得到抑制，高爐壽命具有可靠的技術保證。

④結合布料設備、合理的爐喉直徑、礦石下降過程中的膨脹行為氣流分別、無凸臺冷卻壁、爐喉下增設冷卻壁等，爐型改造優化中設置了82.6252°的上爐身角。

優化改造后的高爐內型主要特征參數見表1。

4  高爐內襯

高爐內襯是高爐實現高效、長壽的關鍵因素之一，本次優化改造中綜合考慮高爐長壽需求、合理內型、生產效率等，根據高爐耐火材料內襯侵蝕機理選擇各部位使用的耐火材料內襯。

4.1  爐底、爐缸內襯

為強化爐底爐缸的結構安全、長壽，爐底共設置5層滿鋪炭磚，總高度不變。其中，第1～3層為保留利舊的半石墨炭磚，合計理論高度為1200mm；第4層設置厚度為400mm的微孔炭磚，第5層為厚度400mm的超微孔炭磚。爐缸側壁合計新設置10層環形炭磚，總高度不變。其中，鐵口區及以下部位的第1～6層采用超微孔炭磚，設計高度為2400mm；第7～10層采用微孔炭磚，設計總高度為1500mm。鐵口區域由原莫來石-剛玉鐵口組合磚優化為組合式超微孔炭磚，鐵口框內填充剛玉質澆注料。

爐底、爐缸選用整體式陶瓷杯。爐底采用雙向錯臺莫來石質大塊磚構成的整體式單層陶瓷墊，高度為800mm。爐缸側壁選用剛玉質大塊制品砌筑的整體式陶瓷杯壁，厚度為250～460mm；陶瓷杯壁與爐缸環形炭磚之間采用剛玉澆注料與膨脹墊構成的隔熱夾層襯體。風口帶采用剛玉質大塊制品風口組合磚，組合磚與冷卻壁之間、上環磚與風口套之間填充碳化硅質澆注料；下環磚與風口套之間填充緩沖泥漿，為更好地保護爐缸碳質內襯、降低風口以下磚襯的上漲影響，風口組合磚襯中采用隔水板、膨脹墊等細部技術。爐底、爐缸內襯內襯型式的結構示意見圖1。

4.2  風口以上內襯

爐腹根部共設置3層剛玉-碳化硅質大塊過渡磚，以強化爐腹磚襯對下部風口組合磚的保護，過渡磚襯與爐腹冷卻壁之間填充碳化硅質澆注料。爐腹中部～爐身下部區域采用剛玉-碳化硅質濕法噴涂襯，利用人工噴涂方式噴涂在冷卻壁的燕尾槽中和冷卻壁熱面，形成一體式襯壁結構，爐腹部位冷卻壁熱面外的噴涂層厚度為200～150mm，爐腰部位冷卻壁熱面外的噴涂層厚度為150mm，爐身下部冷卻壁熱面外的噴涂層厚度為150～190mm。爐身中部區域采用高鋁質濕法噴涂襯，利用人工噴涂方式噴涂在冷卻壁的燕尾槽中和冷卻壁熱面，形成一體式襯壁結構，冷卻壁熱面外的噴涂層厚度不超過190mm。爐身上部在冷卻壁熱面及本體燕尾槽中采用預澆注抗熱震耐磨澆注料，與冷卻壁形成一體式結構。這種結構與選用耐材具有整體性好、適應爐身上部的熱震破壞、氣流與爐料沖刷磨損環境的性能，具有維持該部位內型規整與平滑、防止爐喉鋼磚過熱上翹等功能。

5  高爐本體冷卻設備

高爐年修中，以滿足高爐高效化生產為前提，按新設計高爐內型重新設計、配備了爐腹、爐腰和爐身的冷卻壁以及鐵口區冷卻壁，重新校定冷卻設備的熱負荷、水溫升。高爐原有冷卻壁共11段，第1～4段冷卻壁屬于爐底、爐缸范圍（含風口冷卻壁）。項目實施中，根據原有冷卻設備的完好程度及使用情況，確定第1～4段冷卻壁利舊，但需更換鐵口區、殘鐵口冷卻壁，第5～11段冷卻壁重新設計，在爐身上部的爐喉鋼磚下增設1段冷卻壁。

5.1  鐵口區冷卻壁

鐵口兩側原有3-A、3-B冷卻壁各1塊，每塊冷卻壁中設有4根水管。高爐冶煉中發現這兩塊冷卻壁的進出水管口距離鐵口過近，生產中維護不便，存在操作安全隱患，且有冷卻強度偏低現象。在新設計中針對原鐵口冷卻壁存在的缺陷，分別將鐵口側的3-A與1塊相鄰冷卻壁、3-B與1塊相鄰冷卻壁合并組成為2塊鐵口冷卻壁，每塊鐵口冷卻壁設8根φ60×6mm冷卻水管，使冷卻水管的進出水管口遠離鐵口，消除了生產維護安全隱患、強化了冷卻強度。

5.2  風口以上冷卻壁

為解決爐身上部無冷卻區磚襯容易垮塌及爐身冷卻壁凸臺形成爐墻粘結或結瘤的條件，在高爐本體原有冷卻設備的基礎上，于原無冷區增加1段冷卻壁，最終形成高爐本體全冷卻壁結構，并取消爐身部冷卻壁凸臺。

風口以上區域共設有8段冷卻壁，即第5～12段冷卻壁，各段冷卻壁均為熱面帶有嵌入耐火材料的燕尾槽。另外，對新增的第12段冷卻壁，采用耐材預澆注冷卻壁的無砌磚結構方式，在冷卻壁熱面及本體燕尾槽中預澆注抗熱震耐磨澆注料，冷卻壁與耐材形成一體式結構。

風口以上的冷卻壁材質根據高爐的優化改造要求，爐腹及爐身下部冷卻壁選擇為ZG230-450鑄鋼冷卻壁，爐身中上部冷卻壁選擇為QT400-20球墨鑄鐵冷卻壁。

5.3  爐喉鋼磚

為克服原有爐喉鋼磚在冶煉生產中過熱變形、上翹的實際問題，按照新的爐喉直徑重新設計配置了爐喉鋼磚設備。新的爐喉鋼磚優化為上下兩段結構，上段為立式無水冷鋼磚，下段為內鑄φ60×6mm冷卻管的立式水冷鋼磚，鋼磚本體材質均為鑄鋼ZG270-500，上下段鋼磚均由螺栓固定在爐殼上。

6  高爐冷卻系統

6.1  高爐原有冷卻系統概述

6.1.1  工業水開路循環系統

高壓工業水開路系統循環水量的控制目標為600m³/h，用戶點分別為：風口小套、十字測溫裝置和爐頂設備。

中壓工業水開路系統循環水量控制目標為600m³/h，用戶點分別為：風口中套、爐頂灑水冷卻、爐殼后期噴淋以及風口小套冷卻備用等。

6.1.2  軟水密閉循環冷卻系統

軟水密閉循環冷卻系統的循環總水量為2400m³/h，其中：冷卻壁本體立管冷卻1600m³/h，冷卻壁凸臺冷卻400m³/h，爐底和風口大套冷卻200m³/h，風口中套冷卻200m³/h。膨脹罐設置于高爐爐頂平臺、二次冷卻器設置于循環水泵站，系統設置配有流量、壓力、溫度等檢測與調節裝置。風口平臺爐體下方設有三路向高爐供水。

6.2  冷卻水系統的優化改造

6.2.1  高、中壓工業水開路循環冷卻系統

中壓工業水冷卻系統的用戶點在本次優化改造中沒有變化，均按照利舊實施。

高壓工業水系統中，風口小套、十字測溫裝置、爐頂設備等用戶點均未改變，按利舊實施。

項目優化改造中新增的24塊水冷式爐喉鋼磚，采用每三塊并聯冷卻方式，合計有8個供水點。設計核算所需冷卻水量80m³/h、水溫升小于1.7℃。現有高壓工業水開路循環冷卻用戶中，高爐風口小套實際總用水量不超過400m³/h，十字測溫裝置實際上沒有通水冷卻。經核算，日常生產中的高壓工業清水富余量尚有約100m³/h。鑒于爐喉鋼磚冷卻水量為80m³/h、水溫升＜1.7℃，項目實施中將爐喉鋼磚并入高壓工業水冷卻系統。

6.2.2  軟水密閉循環冷卻系統

（1）管線配置

根據高爐冷卻壁優化改造后的結構與配置，冷卻壁采用串聯冷卻方式。具體為：第1～11段冷卻壁的冷卻管數量、管徑與原有冷卻壁相同，采用與原有冷卻系統相同的上下串聯連管方式，共設有128個給排水接口；新增第12段冷卻壁為28塊、共計有112根水管，此段冷卻壁的冷卻水管與其下的第11段冷卻壁水管仍采用上下串聯方式，第11段冷卻壁多余的16根排水管跳接至對應分區的排水環管。軟水密閉循環冷卻系統的其余給排水總管、環形集水管、膨脹罐等按利舊實施。同時，為加強系統穩定運行、調節與管理方便等，在冷卻壁與給排水總管之間、冷卻壁與環形集管之間增設了具有分區管理功能的供排水環管、供排水管及流量、壓力和溫度檢測裝置。

（2）冷卻參數

根據優化改造的冷卻壁結構、冷卻管線配置等，選擇冷卻壁的軟水冷卻水量為1800m³/h時，每根冷卻水管的冷卻水量為14m³/h，每根冷卻管內的水流速為2.16m/s。此時軟水密閉循環冷卻系統的理論水溫升為7.94℃（見表2）。當系統給水溫度≤42℃時，排水溫度＜50℃，整個軟水密閉循環冷卻系統可安全運行。若仍然保持冷卻壁本體的冷卻水量為1600m³/h時，驗算系統水溫升為8.94℃，系統也能安全運行。由此可見，優化改造后的冷卻壁冷卻系統能滿足高爐強化冶煉要求。

新高爐設計取消冷卻壁凸臺之后，原有冷卻壁凸臺的冷卻水改供冷卻壁本體，冷卻壁本體的供水量可由1600m³/h增加為2000m³/h，每根冷卻水管的冷卻水量從現有的12.5m³/h，增加為15.6m³/h，管內水流速從現有的1.92m/s 提升至2.4m/s，驗算循環泵揚程可匹配支管流速提高后的系統阻損。需要時，可通過調節循環水泵、管路閥門等進一步強化冷卻壁的冷卻強度。

7  優化改造后的生產實踐

根據政府秋冬季環保管控期時間，3號、4號高爐分別于2018年11月15日和2019年1月10日停爐實施優化改造，實際工期分別為51、54天（在此期間熱風爐同步技改大修），均在計劃時間內完成優化改造。優化改造后的3號、4號高爐分別于2019年1月11日、3月27日相繼點火開爐，開爐后均在24小時內達到了正常生產水平，實現了快速達產達效。

技改后的高爐經過近2年多生產以來，高爐利用系數平均達到4.1t/（m³·d）以上，燃料比降到520kg/t左右，高爐技術經濟指標在2年多生產中不斷刷新歷史最好指標（詳見表3）。2021年2月3號、4號高爐平均利用系數達到了4.66t/（m³·d）、燃料比降至520.52kg/t，其中4號高爐利用系數達到4.80t/（m³·d），燃料比降至517.65kg/t，實際生產實踐中均超額實現高爐優化改造所設定的目標。

說明：①2018年為技改前指標，②2019年及以后為技改后指標，③2021年為1-2月生產指標，④表3均2座580m³高爐平均指標。

8  結語

沙鋼集團安陽永興特鋼2座580m³高爐技改后經過近2年多生產以來，優化改造所設定的目標在實際生產實踐中均超額實現，主要體現：

（1）優化改造中，系統研究高爐內型-冷卻設備-爐襯而選擇的操作內型薄爐襯型式、適當減薄冷卻壁、兩段式水冷鋼磚、優質炭磚陶瓷杯內襯、冷卻系統優化等取得成功。

（2）高爐設計爐型在開爐生產后即保持了高爐實際生產操作爐型，高爐受風能力更強，更容易進行強化冶煉，基本實現了高風壓、高頂壓和大風量操作，爐況穩定性明顯增加，實現了高爐穩定順行，在高爐富氧率降低的同時，利用系數持續提升、燃料比不斷下降，達到了預期的優化設計目標。

（3）高爐在實際生產以來，基本消除了爐身中上部容易粘結、結瘤等惡劣爐況，近2年來高爐長期保持爐況穩定順行，從未出現爐況失常。由此說明了高爐爐身上部無冷區全冷卻壁和取消冷卻壁凸臺的優化方案是可行的。

（4）因高爐冶煉強度不斷提高，為確保高爐本體安全，優化改造中將冷卻壁冷卻水循環水量提升至1800m³以上，冷卻水系統均保持了穩定運行。

（5）因高爐爐底爐缸采用優質炭磚、雙向錯臺莫來石質大塊磚構成的整體式單層陶瓷墊、爐缸側壁選用剛玉質大塊制品砌筑的整體式陶瓷杯壁，高爐爐底爐缸溫度始終保持在合理水平，開爐生產2年以來沒有因高爐持續高強化冶煉而出現溫度異常的現象。

（6）高爐優化改造中在爐底、爐缸炭磚的熱面選用剛玉質大塊制品構成的整體式陶瓷杯內襯，在環保管控停燜爐后高爐爐底爐缸整體保溫效果好，高爐開爐恢復爐況時渣鐵物理熱好，基本消除了較長期燜爐后恢復生產時的渣鐵欠熱現象，更容易實現快速恢復高爐生產，并迅速達產達效。

參考文獻

[1]  潘永龍,李增偉.安陽永興特鋼580m³高爐優化改造與效果[C]// 2021年第十三屆全國煉鐵系統高峰論壇論文集. 廣西防城港:煉鐵交流,2021.