提高高炉寿命的方法与措施

提高高炉寿命的方法与措施

摘要：近几年，随着高炉冶炼的不断强化，延长高炉炉体寿命已成为炼铁生产中急

待解决的突出问题。根据高炉炉身、炉腰、炉腹的侵蚀机理，探讨高炉寿命问题。指出，高炉炉身、炉腰、炉腹的结构以及冷却设备及冷却方式选择恰当，高炉才能长寿；炉役后期定期对炉衬进行局部修补，是延长高炉寿命的有效措施。

关键词：高炉寿命炉衬冷却设备

前言：新建一座大型高炉或对一座进行改造性大修，耗资巨大，多达上亿元。因而

高炉使用寿命直接关系到钢铁工业的经济效益，高炉长寿也就顺理成章成为现代化高炉追求的目标。随着世界各国钢铁工业技术的进步，尤其像日本这样工业发达的国家，高炉长寿技术已经取得了显著成果；有资料显示日本川崎千叶钢厂的6号高炉，一代炉龄（无中修）为20年零9个月，创造了世界高炉长寿记录。国外大型高炉寿命在不中修订情况下可以达到11～12年之间；我国高炉寿命要低于国外高炉一般水平，一般一代炉役无中修寿命低于10年，仅有少数高炉可以实现10～15年的长寿目标。

影响高炉长寿的主要因素分别为高炉建设和投产后的维护两个方面。在高炉建设投产之后，高炉则是依赖高炉冶炼技术的进步和内衬维修技术的发展来延长使用寿命。

一、高炉建设时的设计及高炉质量

1、高炉设计对高炉寿命的影响一座长寿的高炉必定是精心设计、建造和仔细操作与维护的结果。高炉炉龄主要由炉衬寿命决定，而炉衬寿命取决于设计和建造质量的最优化。

在高炉设计中均明确了高炉的设计寿命，按照设计寿命来选择设备、材料、结构以及施工工艺。不同高炉的设计寿命是不相同的。例如一般中小高炉的设计寿命仅5~8年，而大高炉的设计寿命则长达16年甚至20年。当然不同设计寿命形成的设计方案导致的实际投资也是相差极大的。

2、高炉建造材料对高炉寿命的影响

炉衬材质，冷却设备以及冷却水质1980年以前，255级的高炉炉缸、炉底均使用高铝质耐火砖，该砖的热稳定性及强度均高于粘土砖，但其抗碱性能较差。实验表明，在9201200的还原气氛及有碱金属物质存在时，高铝砖和粘土砖的物相均发生变化，生成强度较低的钾霞石或钾霞石类化合物，使其体积膨胀，破裂。空腔式风口，由于其冷却工艺不尽合理，加上碱、铅等有害元素的影响，使风口的使用周期较短，频繁的休风严重地影响了高炉顺行，也就影响了高炉寿命。

高炉建造各部耐火材料的选择

在高炉建设投产之后，高炉则是依赖高炉冶炼技术的进步和内衬维修技术的发展延长使用寿命。因而，选用适宜的优质耐火材料对炉役中后期高炉损毁严重的部位进行维修以延长高炉使用寿命是耐火材料工作者研究的课题。

炉身上部

该部位内衬破损的主要原因是：炉料在下降过程中对内衬的冲击和磨损；煤气流在上升过程中的冲刷；碱金属、锌蒸汽和沉积碳的侵蚀等。

炉身上部应该选择抗磨性、抗冲刷以及抗碱金属蒸汽侵蚀的耐火材料。该部位是碳沉积适合的400~700℃的范围。可选择高致密度的粘土砖或浸磷酸粘土砖或高铝转。

炉身中下部及炉腰该部位内衬破损的主要原因是：碱金属、锌蒸汽和沉积的侵蚀；初成渣的侵蚀；热震引起的剥落；高温煤气流的冲刷等。

选择耐火材料，既要考虑抗渣性、防热震，又要防高温煤气流的冲刷。这一部位正好是碳对CO2、O2、H2O等的反应温度区范围，所以不宜使用碳砖（包钢含F炉料冶炼时例外）。在条件允许时，这一部位建议采用半石墨化碳—碳化硅砖，这种砖抗碱侵蚀能力强、稳定性高，气孔率低、导热性能好。也可选用氮结合的碳化硅砖或烧成铝碳砖。

炉腹

该部位内衬破损的主要原因是：渣铁水的冲刷；高温煤气流的冲刷等。炉腹主要靠渣皮工作，选择耐火材料应考虑耐冲刷和容易挂渣皮的耐火砖。这一部位建议采用刚玉莫来石砖、铝碳砖或高铝转。这些砖耐火度、荷软温度高、体积密度大且致密。

炉缸风口带

该部位内衬破损主要原因是：渣铁水的侵蚀；碱金属的侵蚀；高温煤气流的冲刷等。该部位采用刚玉莫来石砖或棕刚玉砖，或者采用热压碳砖NMA或NMD砖。

铁口以上炉缸

该部位内衬破损的主要原因是：碱金属的侵蚀；热应力的破坏；CO2、O2、H2O的氧化；渣铁水的溶蚀和流动冲刷等。这一部位内衬破损是多种因素综合作用的结果，既有化学的、热力的，也有机械的作用。在渣铁水接触的热面建议选用陶瓷耐火材料即刚玉莫来石砖或棕刚玉砖，在冷面选用致密碳砖或石墨化、半石墨化碳砖。也可选用小块微孔碳砖。

铁口以下的炉缸及炉底

这一部位内衬破损的主要作用是铁水的冲刷、渗透侵蚀等。选择耐火材料时，应重点考虑防止铁水的溶蚀和渗透侵蚀。建议在铁口以下的炉缸部位选用刚玉莫来石砖或棕刚玉砖；炉底上层应该用铝碳砖保护；在炉底致密碳砖，接近炉底冷却层，铺一层石墨化碳砖。

二、生产过程中的操作管理技术

高炉长寿是降低成本，提高生产率的关键。高炉的炉体、炉缸和炉底破损，影响了高炉使用寿命和冶炼强化程度。尤其是炉役后期，炉墙变薄、漏水、漏气现象增多，应采用必要的检测手段，即使预报高炉各部位的冷却水温差和热流强度的变化情况并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。高炉冷却水进出水温的变化，能够间接反映出高炉炉内的物料和冶炼状况，也是计算高炉炉壁热负荷能力的重要参数。通过在线实时监测水温差的变化，可检测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉炉缸是个的发生。通过对温度曲线、热流强度趋势的分析，为高炉冶炼顺行提供知道，最终提高炼铁高炉利用系数，降低能耗，提高产量，提高高炉使用寿命。

三、高炉炉料精料，高炉操作

3.1、高炉炉料精料

高炉炼铁的操作方针是以精料为基础。精料技术水平对高炉炼铁生产的影响率在70%左右，设备的影响率在10%左右，高炉操作技术的影响率在10%左右，综合管理水平影响率约5%，外界因素影响率月5%。虽然对设备的影响率只有10%左右，但是对高炉的寿命影响还是很大的。

高炉精料技术包括：“高、熟、净、小、均、稳、少、好”八字方针。“高”是入炉矿石含铁品味要高；烧结，球团，交谈的转鼓强度要高；烧结矿的碱度要高（一般在1.8~2.0）。入炉矿品味要高时精料技术的核心。入炉矿品味每提高1%，高炉燃料比会下降1.5%，高炉产量提高2.5%，吨铁渣量减少30kg，允许高炉增加喷吹煤粉15kg。“熟”

是高炉入炉原料中熟料比要高。熟料是指烧结矿、球团矿。随着高炉炼铁生产技术的不断进步，现在已经不十分强点熟料比要很高。有些企业已有20%左右的高品味天然块矿入炉。“净”

是指入炉原燃料中<5mm粒度要低于总量的5%。“小”

是指入炉料的粒度应偏小。高炉炼铁的生产实践表明，最佳强度的粒度是：烧结25~40mm，焦炭为20~40mm，易还原的赤铁矿和褐铁矿粒度在8~20mm。对于中小型高炉原燃料的粒度还允许再小一点。“均”

是指高炉入炉料的粒度要均匀。不通粒度的炉料分级入炉，可以减少炉料的填充性和提高炉料的透气性，会游结焦提高产量的效果。“稳”

是指入炉原燃料的化学成分和物理性能要稳定，波动范围要小。目前，我国高炉炼铁入炉原料的性能不稳定是影响高炉正常生产的主要因素。保证原料场的合理储存量（保证配料矿比例不大变动）和简历中和混匀料场是提高炉料成分稳定的有效手段。“少”

是指铁矿石，焦炭中含有有害杂质要少。特别是对S、P的含量要严格控制，同事还应关注控制好En、Pb、Cu、As、K、Na、F、Ti（TiO2）等元素的含量。近年来，我国炼铁炉料中含有害杂质有明显的上升趋势，造成一批高炉风口区砖上翘，炉身上不结瘤，严重影响了高炉正常生产和高炉的长寿。“好”

是指铁矿石的冶金性能要好。冶金性能是指铁矿石的还原度应大于60%；铁矿石的还原粉化率应当低；矿石的荷重软化点要高，软熔温度的区间要窄；矿石的滴熔性要温度高，区间窄。

表一现代高炉精料的部分要求水平

指标

高

稳

小

净（<5mm）/%

品味（渣量）/kg2t-1

熟料比/% 烧结矿碱度

含铁量变化/%

Sio2 变化

碱度变化

天然矿/mm 球团矿/mm 烧结矿/mm 焦炭/mm

入炉矿石入炉焦炭

宝钢

日本前苏联德国美国法国

250 250~350 250~400 300~400

90

97.1 100 84.3 92.0 91.5

1.75 >1.5 >1.25 1.4~

2.0

<0.2 <0.2 <0.2

<0.3 <0.3

<0.04 <0.03 <0.03 <0.03

8~25 8~25 8~25 8~25

6~15 6~15 6~15 6~15

6~50 6~50 10~30 6~50 6~38 6~40

25~70 25~70 25~60 25~70 <5 <5 <5 <5 <7

<3 <2.5

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对于全部使用冷却板设备冷却的高炉，冷却板设置在风口部位以上一直到炉身中上部，炉身中上部到炉喉钢砖和风口以下采用喷水冷却或光面冷却壁冷却。

全部使用冷却壁设备冷却的高炉，一般在风口以上一直到炉喉钢砖采用镶砖冷却壁，风口以下采用光面冷却壁，在实际使用中，大多数高炉根据冶炼的需要，在不同部位采用各种不同的冷却设备。这种冷却结构型式对整个炉体冷却来说，称为板壁结合冷却结构，近十多年来，随着炼铁技术的发展和耐火材料质量的提高，高炉寿命的薄弱环节有炉底部位的损坏转移到炉身下部的损坏。因此，为了环节炉身下部耐火材料的损坏和炉壳的保护，在国内外一些高炉的炉身部位采用了冷却板和冷却壁交错布置的结构形式，起到了加强耐火材料的冷却和支托作用，又使炉壳得到了全面的保护。新型冷却壁——铜冷却壁

由于球墨铸铁在高炉操作的条件下磨损严重，同时在热负荷和温度的急剧波动条件下，其裂纹敏感性也很高，甚至在第四代铸铁冷却壁上不能完全克服这些不足之处，这就限制了冷却壁寿命的进一步提高。铸铁冷却壁的冷却水管是铸入球墨铸铁本体内的，由于材质及膨胀系数不同，冷却水管与铸铁本体之间存在0.1~0.3mm的气隙，这一气隙会称为冷却壁传热的主要限制环节。另外，冷却壁中铸入冷却水管而使铸造本体产生裂纹，并且在铸造过程中为避免石墨渗入冷却水管中必须采用金属或陶瓷涂料层加以保护，保护层起了隔热夹层作用，引起温度梯度增大，造成热面温度升高而产生裂纹。

铸铁冷却壁主要存在着两个问题，一是冷却壁的材质问题，二是水冷管的铸入问题，为了解决这两个问题，人们开始研究轧制铜冷却壁。此种铜冷却壁是在轧制好的壁体上加工冷却水通道和在热面上设置耐火砖。铜冷却壁的特点有：

（1）铜冷却壁具有热导率高，热损失低的特点。

（2）利于渣皮的形成与重建。较低的冷却壁热面温度是冷却壁表面渣皮形成和脱落后快速重建必要条件。由于铜冷却壁具有良好的导热性，因而能形成一个相对较冷的表面，从而为摘皮的形成和重建创造条件。

(3) 铜冷却壁的投资成本。单位重量的铜冷却壁壁铸铁冷却壁的价格要高，但单位重量的铜冷却壁冷却的炉墙面积要比铸铁冷却壁大1倍，这样计算，铜冷却壁的价格就相对便宜了些；铜冷却壁前不必使用昂贵的或很厚的耐火材料；使用铜冷却壁可将高炉寿命延长至15~20年，因此可缩短高炉休风时间，从而达到增产的效果。水冷炉底

大型高炉炉缸直径较大，周围径向冷却壁的冷却，已不足以将炉底中心部位的热量散发出去，如不进行冷却则炉底向下侵蚀严重。因此，大型高炉炉底中心部位要冷却，现在多采用水冷的方法。

这是常见的一种水冷炉底结构形式。水冷管中心线以下埋置在炉基耐火混凝土基墩上表面中，中心线以上为碳素捣固层，水冷管为φ40mm310mm，炉底中心部位水冷管间距200~300mm，边缘水冷间距为350~500mm，水冷管两端伸出炉壳外50~100mm。炉壳开孔加垫板加固，开孔处应避开炉壳折点150mm以上。

水冷炉底结构应保证切断给水后，可排出管内积水，工作室排水口要高于水冷管水平面，保证管内充满水。

目前大型高压高炉，多采用炉底封板，水冷管可设置在封板以下，这样在炉壳上开孔将降低炉壳强度和密封性，但冷却效果好；水冷管也可设置在封板以下，这样对炉壳没有损伤，但冷却效果差。宝钢1号高炉采用后一种。

冷却壁的材质

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50年代至60年代冷却壁的材质是灰口铸铁，即HT15-33，蛇形管的材质为20g冷拔无缝钢管。灰口铸铁由于延伸性差，不能适用气工作环境，影响了使用寿命。70年代，为了提高

灰口铸铁的使用性能，加入了Cr、Mo等合金元素，虽然铸铁性能有所改善，但效果仍不理想。到了80年代，以性能良好的低铬铸铁或球墨铸铁逐步代替了灰口铸铁，到了90年代铜冷却壁又应用在高炉上。

冷却设备结构选择

冷却设备结构的合理性表现在冷却壁的几何尺寸、冷却面积、镶砖的材质厚度、水管直径及其布置等。在一定的热流强度下，应选择适合该热流强度的冷却面积、冷却强度、镶砖厚度，使冷却壁热面温度低于铸铁相变温度400℃，以保护冷却壁从而保护炉壳提高寿命。

冷却壁长度一般取1.2~2.5m；风口区冷却壁块数为风口数目的2倍；两个渣口一般在4块冷却壁（上下段各两块）；为便于计算每段块数尽量取偶数；宽度一般取0.7~1.5m，尽量考虑炉壳开孔处能运进炉内。

冷却壁厚度是根据铸铁入水管的外径、水管排数、铸铁保护层以及镶砖的厚度而定。光面冷却壁厚度一般在80~120mm；镶砖冷却壁一般在260~350mm；第四代冷却壁取600~800mm，其镶砖厚度大于345mm。

合理冷却结构的选择

冷却结构的合理与否对高炉长寿影响巨大。合理的冷却结构应该满足以下条件：冷却效果要好而均匀，冷却面死角要小；要具有承受热流强度的功能，根据测试冷却设备最大热流承受能力为200000~400000kj2（m22h）-1若超过400000kj2（m22h）-1 冷却设备就烧坏；炉腰和炉身具有一定的托砖功能；容易形成渣皮。冷却结构的合理性也应表现在冷却壁的热面温度能控制在<400℃，因为冷却壁温度超过400℃就发生相变从而加速冷却的破损。

国外高炉都根据各自的情况采用了适合本高炉的冷却型式。欧美以铜冷却壁为主而日本以第三代第四代冷却壁为主并出现了冷却壁与炉壳之间加铜质薄冷却水箱等结构。日本川崎设计了双重冷却壁系统，这一结构是在冷却壁与炉壳之间增加铜质薄冷却夹套，在两段冷却壁之间插入一层冷却板改善冷却壁边角处的工作条件。这一冷却结构在水岛4号高炉（4323m3）上所采用。近年来日本大多数高炉采用板壁活水箱结合的复合式冷却结构和第三代冷却壁，有少数高炉采用了第四代冷却壁。

高炉炉体冷却方式

目前国内外对高炉的冷却方式曾经有过工业水冷却、汽化冷却、软水（或纯水）闭路循环冷却，温水冷却、炉皮喷水冷却、炉底通风冷却、炉底通水冷却等。

高炉冷却水质总的要求是：悬浮物要少、硬度要低，其水质应控制在一定范围内。高炉工业水冷却水质要求见下表

高炉冷却用水质

由于高炉冶炼的进一步强化，炉内热流强度的波动也频繁，热震现象也较严重，所以，为了加强冷却，对水压的要求也越高。风口冷却水压要求 1.0~1.5MPa，其他部位冷却水压力应比炉内压力至少要高0.05MPa。这是为了避免水管破裂后高炉煤气窜到水管里发生重大事故。高炉冷却水压力参考值见下表：

指标小型高炉大、中型高炉

进水温度/℃

<40 <35 悬浮物/mg2L-1

<200 <200 暂时硬度 <10 <10

10

冷却水最低压力

国内许多高炉实践表明，炉体冷却水压力要比炉内压力高0.1MPa为宜，也就是<30m3

高炉的给水主管压力为0.4～0.MPa；>300m3高炉为0.6～0.8MPa；>1000m3高炉为0.8～1.0MPa为宜。风口冷却水建议采用单独供水方式其压力为1.0～1.6MPa为宜。

冷却器配管管径与冷却水流速

为了防止悬浮物在冷却器水管里出现沉淀，当滤网孔径为4～6mm时，最低流速不低于0.8m 2s-1。

高炉风口的冷却水流速应>7.2 m2s-1，而2000 m3以上的高炉应>9.0 m2s-1才能使风口长寿，这就要求供给风口的冷却水压力要高、水量要多。有条件的高炉应考虑风口不仅单独供水而且加压供水。

冷却设备进出水温差

高炉冷却设备进出水温差应控制在一定范围之内，以保证其冷却强度，从而保护冷却设备。用工业水冷却时冷却设备进出水温差参考值见下表：

冷却设备进出水温差参考值（℃）

炉容/ m3 100 300 600 >1000 上部喷水冷却 10~14 10~14 10~14 下部 10~14 10~14 10~14 8~12 炉腰 10~14 8~12 8~12 7~12 炉腹 10~14 10~14 8~12 7~10 风口附近 4~6 4~6 3~5 3~5 炉缸 <4 <4 <4 <4 风渣口大套 3~5 3~5 3~5 5~6 风渣口二套

3~5

3~5

3~5

7~8

软水闭路循环冷却

在国内已有许多钢厂采用软水闭路循环冷却，如太钢3号高炉、宣钢8号高炉、唐钢1号高炉、鞍钢10号高炉和11号高炉、宝钢1号、2号、3号高炉、武钢3号高炉以及部分300~700 m3级高炉均采用了软水或纯水闭路循环冷却型式。

软水闭路循环冷却的优点：

1）安全可靠。因为采用可经过处理的软水且强制循环，可以承受热流密度的大波动，无结垢、无腐蚀、寿命长、冷却设备破损率小；

2）耗水量少、能耗少、无蒸发。耗水量只有循环水量的0.1%~1.0%； 3）给排水系统就爱你话、投资少、占地小。软水闭路循环的冷却方式

目前国内外所使用的软水冷却型式按其膨胀水箱设置的位置不同可分为上置式和下置式两种。

上置式软水闭路循环冷却型式是把膨胀水箱布置在高于最上层被冷却的冷却器位置。

炉容/m3 ≤100 300

620

≥1000

主管及风口/MPa 0.18~0.25 0.25~0.30 0.30~0.34 0.34~0.40 炉体中部/MPa 0.12~0.20

0.15~0.20 0.20~0.25 0.25~0.30

炉体上部/MPa

0.08~0.098 0.10~0.14 0.14~0.16 0.16~0.20

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下置式软水闭路循环冷却型式是把膨胀水箱位置布置在大约最下层被冷却的冷却器位置。

四、高炉寿命后期的寿命延长技术和修补技

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。

宝钢新技术应用实绩

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。