5 100 m3高炉长寿综合技术的研究与应用

李庆洋，于国华，陈 诚，张向国，王 冰

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）

山钢集团日照钢铁厂新建两座5 100 m3高炉，设计年产铁水810万t，1#高炉2017年12月投产，2#高炉2019年4月投产。高炉设计以“高效、低耗、优质、长寿、清洁”为设计理念，采用成熟可靠、节能环保、高效长寿的工艺技术装备，通过绿色化、智能化技术的使用，保证山钢日照高炉项目达到设计目标。

高炉高效长寿设计的关键是高炉内型、内衬结构、冷却体系及自动化检测的有机结合[1-2]。山钢日照钢铁厂5 100 m3高炉设计一代炉役单位炉容产铁量15 000 t/m3，高炉设计中紧密围绕上述几个方面，采用了多项先进可靠的高炉长寿技术。

1 合理的高炉内型

合理的高炉炉型是高炉煤气流合理稳定分布的基础，是实现高炉“稳定、顺行、高产、低耗、长寿”的前提条件。

1.1 高炉内型参数的确定

炉型设计建立在操作经验数据积累的基础上，根据高炉的炉料结构、原燃料条件，参照炉容相近、原料条件和操作条件相似、生产指标先进的高炉炉型，采用经验公式计算综合确定。设计采用薄壁炉衬，把高炉生产最佳时期的指标固定下来，使高炉整个炉役期都在最佳的操作炉型下生产[3]。山钢日照钢铁5 100 m3高炉与国内外同级别高炉内型设计参数的对比见表1。

表1 高炉内型设计参数

1.2 高炉内型的主要设计特点

（1）炉腰部位是软熔带形成区域，孔隙度最低，透气性最差，因此在炉腰区域需要将煤气流速控制相对低一些；从生产实际看，炉腰直径越大，高炉越容易接受风量，透气性越好。因此，炉腰直径大一些更有利，选择为16.8 m。

（2）适当矮胖，煤气通过能力强，有利于改善高炉的透气性，减缓高炉对焦炭质量的依赖。设计有效高度Hu=32.000 m，D=16.8 m，Hu/D=1.905。

（3）较小的炉腹角α=74°37′25″，利于改善煤气流分布，稳定渣皮，延长炉腹寿命。同时改善料柱透气性，降低煤气流速，减少炉料膨胀对内衬和渣皮的摩擦力，同时改善风口冷却壁的工作环境。

（4）炉缸高度5.4 m，保证风口前有足够的回旋区，利于燃料的充分燃烧和改善高炉下部中心焦的透气（液）性，利于改善气体动力学条件。

（5）炉缸直径14.6 m，设40个风口，炉缸内相邻风口之间弦长1 146 mm，从而保证燃烧带的连续。设置4个铁口，铁口之间夹角81°。

（6）合理、较深的死铁层深度。死铁层深度3 600 mm，与炉缸直径比为24.7%，利于减轻铁水环流对炉缸耐材的侵蚀。死铁层深度过大，会造成铁水渗透侵蚀加剧、增加炉缸下部和炉底形成稳定保护层的难度。

2 科学选择高炉耐材结构

2.1 炉底炉缸耐材配置

目前，高炉炉底炉缸主要的耐材结构形式有“传热法”和“隔热法”两种[4]。“传热法”的理念是利用炭砖的高导热性，在铁水和炭砖间形成低导热系数的“自保护”渣铁壳，利用渣铁壳隔离渣铁与炭砖。“隔热法”的理念是通过设置陶瓷杯，以低导热的陶瓷杯直接接触铁水，利用其抗铁水侵蚀性能隔离渣铁与炭砖。两种看来似乎截然不同的设计体系，其技术原理的实质却是一致的：即通过控制1 150℃等温线在炉缸的分布，使炭砖尽量避开800～1 100℃脆变温度区间。“传热法”是将1 150℃等温线控制在“自保护”渣铁壳内；而“隔热法”是将1 150℃等温线控制在陶瓷杯内。

高炉生产实践表明，两种耐材结构形式都可以达到炉底炉缸长寿的目的。但是，对于“隔热法”的耐材配置形式，陶瓷杯的抗铁水侵蚀性能并不能完全达到理论要求，陶瓷杯的寿命并不能达到设计寿命，最终高炉的长寿仍然要依赖于炭砖的高导热性能形成的“自保护”渣铁壳。

因此，经过考察、研究，山钢日照钢铁厂5 100 m3高炉最终选择“传热法”的耐材结构形式。采用数学模型进行温度场分析，优化耐材配置，采用具有高导热性、抗铁水渗透性能优异的炭砖，优化炉缸传热体系，确保1 150℃等温线远离耐火材料，形成永久性渣铁保护壳，实现炉缸耐材长寿。

（1）炉底耐材配置

炉底采用德国西格里大块炭砖+陶瓷垫的结构。自下而上，炉底第一层采用400 mm厚的西格里高导热石墨砖，炉底第二层采用600 mm厚的西格里微孔炭砖，炉底第三、四层采用600 mm厚的西格里超微孔炭砖。第四层炭砖上砌筑陶瓷垫，陶瓷垫下层为塑性相复合刚玉砖，陶瓷垫上层边缘部位为塑性相复合刚玉砖，中心部位为莫来石砖。整个炉底耐材中炭砖厚度2 200 mm，陶瓷垫厚度1 000 mm。采用“自适应操作型炉缸炉底”的设计理念，通过对炉底陶瓷垫不同区域刚玉砖的材质和结构形式进行精准设计，引导炉底向正常锅底状侵蚀趋势发展。

（2）炉缸耐材配置

炉缸采用全炭砖炉缸结构形式。炉缸侧壁全部环砌德国西格里大块超微孔炭砖。炉缸炭砖内侧铁口区域以下砌筑高铝砖，铁口区域以上砌筑致密黏土保护砖至炉腹下沿。

铁口区域：炭砖区域采用超微孔大块组合炭砖砌筑；铁口框内及铁口通道内采用铝-碳化硅质硅凝胶结合自流浇注料。炉缸炭砖在铁口区域加厚450 mm，采用“平滑型”炉缸铁口区过渡技术，通过合理增加铁口区域炭砖厚度和“平滑型”过渡的措施，减少铁水对铁口区耐材的冲刷侵蚀。

炭砖（最上层除外）与冷却壁之间环缝填充西格里炭素捣打料RST16，炭砖与陶瓷垫之间环缝填充西格里炭素捣打料RST18，最上层炭砖与冷却壁之间采用碳化硅质硅凝胶结合自流浇注料。

炉底及炉缸耐材配置情况如图1所示。

图1 炉底及炉缸耐材配置示意图

2.2 其它区域耐材配置

风口区域采用兼顾导热和耐侵蚀性能的新型刚玉复合砖砌筑，在环风口套区域采用组合砖形式。风口组合砖与风口冷却壁之间缝隙、风口套上半部与风口组合砖之间缝隙，采用高导热的碳化硅质硅凝胶结合自流浇注料，即能兼顾导热性能，又能保证填充密实，防止产生气隙。风口套下半部与风口组合砖之间，采用耐火缓冲泥浆，以吸收炉缸的耐材膨胀。

高炉上部炉体采用薄壁炉衬结构形式，采用镶砖冷却壁。炉腹、炉腰、炉身中下部高热负荷区域主要受渣铁和煤气流侵蚀，在此区域的第7～12段铜冷却壁镶砌氮化硅结合碳化硅砖，镶砖厚度100 mm。炉身中上部主要受炉料磨损和煤气流侵蚀，在此区域的第13～17段球墨铸铁冷却壁镶砌磷酸浸渍黏土砖，镶砖厚度150 mm。

冷却壁之间的横缝和竖缝采用碳化硅捣打料；冷却壁冷面与炉壳之间采用低导热硅凝胶结合自流式浇注料。并且与冷却壁安装配合施工，采用分段安装、分段浇注的方式，最大限度地保证炉体的密封性能，降低炉壳温度。

在炉腹、炉腰和炉身冷却壁（第7～18段）的热面，喷涂耐煤气侵蚀的喷涂料。煤气密封罩喷涂200 mm厚的耐煤气侵蚀的喷涂料，其锚固件采用“Y”型不锈钢锚固钉，并用龟甲网进行强化，以固化喷涂料与炉壳的粘结。

3 炉体全冷却结构

高炉冷却的目的是导出内衬的热量，改善砌体的工作条件，延长炉衬的使用寿命，维持合理内型，以及保护冷却设备和炉壳。高炉冷却系统的好坏直接关系到各种冷却设备及炉衬的寿命从而关系整个高炉的寿命[5]。

炉体设计采用全冷却壁结构，炉体100%冷却，关键部位采用铜冷却壁及优质耐材。炉体冷却系统采用联合软水密闭循环冷却系统，与传统的并联软水密闭循环冷却系统相比，能够有效利用系统背压，减少投资，降低运行费用；同时，该系统冷却效果好、安全高效，节能、自动化程度高。所有关键设备均设计较高的冷却水流速，从而保证足够的冷却强度，可以满足高炉在不同炉役时期的冷却要求。

3.1 合理选择炉体冷却设备

按照炉体各区域不同的工作条件和热负荷大小，采用不同结构形式和材质的冷却壁。

（1）炉底冷却结构形式

炉底采用管径为Φ89 mm×8 mm的直埋不锈钢无缝钢管作为冷却设备，平行排列布置在炉底封板以下，钢管间距300 mm，共计56根。

（2）炉体冷却壁形式

从炉底到炉喉钢砖下沿共设18段冷却壁。

第1～6段即风口和风口以下（铁口区域除外）采用耐热铸铁光面冷却壁。为了更好地保护铁口，强化铁口区域的冷却效果，在铁口区域采用铸铜冷却壁，每个铁口4块。

第7～12段炉腹、炉腰和炉身下、中部高热负荷区域，采用6段轧制钻孔全覆盖镶砖铜冷却壁（其中高炉炉身铜冷却壁高度6.7 m）。铜冷却壁可很好地满足高炉强化冶炼的要求，有足够的冷却强度，易在炉腹、炉腰、炉身下、中部形成渣皮以保护冷却壁和炉壳，并易于快速形成操作内型。

第13～17段即炉身中上部，采用全覆盖镶砖球墨铸铁冷却壁。炉身上部第18段采用倒“C”型球墨铸铁光面冷却壁。

炉喉钢砖采用一段式水冷结构，壁体材质为耐磨合金铸钢。

除风口、铁口区冷却壁，其余部位冷却壁全部采用四进四出水管。铸铁冷却壁水管规格Φ80 mm×6 mm，轧制铜冷却壁采用双圆形复合孔通道。炉体冷热面积比（冷却水管比表面积）达到1.15，保证炉体足够的冷却强度。

3.2 采用软水密闭循环冷却系统，强化炉体冷却

采用联合软水密闭循环冷却系统，将冷却壁（含炉喉钢砖）、炉底、风口小套、风口中套、直吹管、热风炉阀门等通过串联和并联的方式组合在一个系统中，系统总循环水量～7 200 m3/h。系统具体流程是：从软水泵站出来的软水在炉前一分为二，其中炉底冷却水～840 m3/h，冷却壁和炉喉钢砖串联管路冷却水～6 360 m3/h，两者回水进入冷却壁回水环管；从常压软水回水环管出来的软水一分为二，一部分经高压增压泵增压，供风口小套使用，另一部分经中压增压泵增压，供风口中套、直吹管、热风炉阀门等使用；两者回水与多余部分一起回到总回水管，经过脱气罐脱气和膨胀罐稳压，回到软水泵房，经过二次冷却，再循环使用。软水密闭循环冷却系统如图2所示。

图2 软水密闭循环冷却系统流程示意图

为保证串联软水密闭循环冷却系统发挥强化冷却的作用，在高热负荷区形成渣铁凝结保护层，延长高炉寿命，并保证系统安全运行，软水密闭循环冷却系统具有如下特点：

（1）选择合适的水速。根据冷却壁的材质及热负荷不同，选择合理的水速。炉缸、炉身中上部的铸铁冷却壁水管水速2.0 m/s；炉腹、炉腰、炉身下部的铜冷却壁，冷却通道水速2.65 m/s，以强化高热负荷区域的冷却。

（2）详细计算各并联支路的水头损失，并采取措施优化管路配置，保证并行冷却回路阻损基本相当，既利于系统正常运行，又使水泵升压值不致偏高，避免能耗浪费。

（3）安全措施完善。主要安全措施：供水水泵均设置两路独立电源，供水水泵组均设置备用泵组，中压软水供水泵组和高压软水供水泵组实现互为保安，冷却壁供水主泵设置备用柴油机泵，并且停电事故时柴油机泵可带动全系统冷却水循环运行。

4 完善的炉体监测系统

完善的炉体监测系统能让操作者全面掌握炉内情况、了解炉体工作状态，进而指导高炉正常生产，延长高炉寿命。高炉设置了完善的自动化检测系统，采用了先进的可视化设备，建立了精准、全面、稳定、实时的在线安全监测预警系统。

（1）高炉炉衬温度监测

在高炉炉基、炉底、炉缸的不同纵向和径向位置设置868个温度检测点，对不同部位的耐材温度进行实时监测，并重点监测炉缸易侵蚀区域。通过检测到的温度数据，建立炉底炉缸侵蚀模型，推算炉衬侵蚀情况。测温传感器采用铠装柔性热电偶，采用集中引出炉壳的方式。

（2）高炉冷却壁温度监测

主要在高炉炉腹及以上的冷却壁沿不同的纵向和径向位置设置温度检测点，进行冷却壁壁体温度的实时监测，作为判断炉况依据之一。共设置448个冷却壁温度检测点，并通过检测到的温度数据，建立冷却壁温度分布模型。

（3）冷却水温差及热负荷监测

设置高炉冷却水温差及热负荷监测系统，在相应的进出水支管上安装温度和流量监测点，实现对炉底、炉缸、炉腰、炉腹、炉身中下部冷却壁、风口小套的水温差在线监测，并推算热负荷、操作炉型、渣皮厚度、渣皮脱落频率。该系统共设置818个温度检测点和200个流量检测点。温度传感器使用专用阻隔器，在不影响高炉正常生产的情况下可随时更换温度传感器。

（4）炉体静压监测

在炉腹、炉身共设置了4层静压力检测，分别布置在第8、11、13及16段冷却壁，每层4点，共计16点。通过各点的压力值的变化，监控高炉纵向不同位置炉内煤气流压力的变化情况，为提前判断炉内局部气流的变化提供依据，减少炉况失常。

（5）冷却水监测系统

联合软水密闭循环冷却系统采用较为完善的检测和控制系统：设置软水系统温度、压力、流量的实时监测；膨胀罐水位的自动检测和控制，实现及时自动补水；膨胀罐压力的自动检测和控制，保持罐内压力恒定，实现软水系统安全、可靠的运行。

5 投产后运行情况

山钢日照钢铁厂5 100 m3高炉投产后，快速达产达效，炉况稳定顺行。2018年2月，1#高炉平均日产量11 000 t/d，平均焦比320 kg/tHM，平均煤比165 kg/tHM，指标达到国内先进水平。

高炉炉缸耐材温度检测正常，象脚区热电偶检测点的平均温度约100℃，最高温度约140℃（检测点位置：插入炭砖深度300 mm）。这说明高炉炉缸传热体系完善，传热通道顺畅，可以有效保证炉缸永久性渣铁保护壳的形成，与设计预期相吻合。

6 结语

合理的高炉设计是实现高炉长寿的前提条件。山钢日照钢铁厂5 100 m3高炉炉体设计，采用了一系列先进技术，实现高炉内型、内衬结构、冷却体系、自动化检测的有机结合，为高炉的稳定操作及长寿提供了条件。在先进设计理念的基础上，山钢日照钢铁厂5 100 m3高炉EPC项目，通过合理的结构设计、优良的选材和设备质量、严格的安装和建造工艺，为高炉实现长寿打下了坚实的基础。