首钢高炉高效长寿技术进步

首钢高炉高效长寿技术进步

毛庆武， 张福明， 姚轼， 钱世崇

（北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043）

摘 要：本文论述了首钢高炉采用的多项高效长寿技术及取得的应用效果，对高炉内型、炉缸内衬结构、冷却体系、自动化检测、生产操作管理等技术进行了评述。 关键词：高炉；高效；长寿；技术进步 文献标志码：A

Technical progress of high efficiency and long-campaign life

for Shougang’s BF

MAO Qing-wu， ZHANG Fu-ming， YAO Shi， QIAN Shi-cong

(Beijing Shougang International Engineering Technology CO.,LTD. Beijing 100043)

Abstract: Several high efficient, long-campaign life techniques and their effects have been discussed in this article that have been used in Shougang’s BF, comments have been given to main blast furnace techniques such as proper inner profile, hearth refractory structure, cooling system, instruments and automation, operation and managements.

Key words: BF; high efficiency; long-campaign life; technical progress

1 概述

上世纪90年代初，首钢总公司为充分发挥企业自身的潜力，将首钢建成大型钢铁联合企业，相继对2号高炉、4号高炉、3号高炉及1号高炉进行扩容和现代化新技术改造。随着北京奥运会的召开及首钢搬迁转移、战略性结构调整的需要，首钢2号及4号高炉于2008年停产，首钢1号及3号高炉分别于2010年12月18日及19日停产。首钢1号及3号高炉至停产时，高炉运行状况良好，1号高炉、3号高炉及4号高炉炉龄分别达到16.4年、17.6年及15.6年，一代炉役单位立方米炉容产铁量分别为13328t、13991t及12560t，达到国内外高炉高效长寿的先进行列。

2首钢高炉高效长寿技术设计

[1]

高炉高效长寿设计的关键是高炉内型、内衬结构、冷却体系、自动化检测的有机结合[2]

。生产实践表明，目前高炉炉缸、炉底和炉腹、炉腰、炉身下部是高炉长寿的两个限制性环节，在设计中攻克这两个部位的短寿难题，将为高炉长寿奠定坚实的基础。首钢高炉炉体设计紧密围绕上述几个方面，通过炉型设计优化，选择矮胖炉型；为高炉生产稳定顺行、高效长寿创造有利条件；通过炉缸炉底的侵蚀机理分析研究，炉缸炉底部位采用“优质高导热炭砖--陶瓷杯”及“优质高导热炭砖--陶瓷垫”新型综合炉底内衬结构；炉腹至炉身区域采用软水密闭循环冷却技术、双排管铸铁冷却壁技术、倒扣冷却壁（C型冷却壁）技术，并实现了合理配置；有针对性地设计炉体自动化检测系统，加强砖衬侵蚀与冷却系统的检测、监控。通过这些现代高炉长寿技术的综合应用，以实现高炉高效长寿的要求。 2.1首钢高炉矮胖炉型设计

我国炼铁工作者历来重视高炉炉型设计，通过研究总结高炉破损机理和高炉反应机理[3][4][5]

，优化高炉炉型设计的基本理念已经形成。

在总结当时国内外同类容积高炉内型尺寸的基础上，根据首钢的原燃料条件和操作条

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件，以适应高炉强化生产的要求，设计了矮胖炉型。首钢1号及3号高炉炉容、炉型相同，

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均为2536m，高径比均为1.985，是当时同类级别高炉高径比最小的高炉，引起了国内外炼铁工作者的广泛关注和大讨论，引领了高炉矮胖炉型的发展，也为高炉矮胖炉型的设计奠定了坚实的基础。

实践证实，高炉炉缸炉底“象脚状”异常侵蚀的形成，主要是由于铁水渗透到炭砖中，使炭砖脆化变质，再加之炉缸内铁水环流的冲刷作用而形成的。加深死铁层深度，是抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施。死铁层加深以后，避免了死料柱直接沉降在炉底上，加大了死料柱与炉底之间的铁流通道，提高了炉缸透液性，减轻了铁水环流，延长了炉缸炉底寿命。理论研究和实践表明，死铁层深度一般为炉缸直径的20%左右。

高炉在大喷煤操作条件下，炉缸风口回旋区结构将发生变化。适当加高炉缸高度，不仅有利于煤粉在风口前的燃烧，而且还可以增加炉缸容积，以满足高效化生产条件下的渣铁存储，减少在强化冶炼条件下出现的炉缸“憋风”的可能性。近年我国已建成或在建的大型高炉都有炉缸高度增加的趋势，适宜的高炉炉缸容积应为有效容积的16%～18%。

铁口是高炉渣铁排放的通道，铁口区的维护十分重要。研究表明，适当加深铁口深度，对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用，铁口深度一般为炉缸半径的45%左右。这样可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流，延长铁口区炉缸内衬的寿命。

降低炉腹角有利于炉腹煤气的顺畅排升，从而减小炉腹热流冲击，而且还有助于在炉腹区域形成比较稳定的保护性渣皮，保护冷却器长期工作。现代大型高炉的炉腹角一般在

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80°以内，国内E号高炉（2600m）炉腹角已降低到75°57′49″。国内几座2500m级高炉内型尺寸比较见表1。

表1 国内几座2500m级高炉内型尺寸比较

Table 1 Compare among several domestic 2500m3 class blast furnace proper inner profile 项 目 单位 首钢 2536 11560 13000 8200 2200 4200 3400 2900 13500 1800 25800 78°02′36″ 79°55′09″ 30 3 无 1211 1.985 17.38 迁钢 2650 11500 12700 8100 2100 4200 3400 2400 16600 2200 28800 国内 2580 11500 13000 8200 2004 4100 3600 2000 17500 2300 29500 国内 B号高炉 2500 11400 12750 8100 2500 4500 3400 1800 17000 2000 28700 78°46′15″ 82°12′44″ 30 3 无 1194 2.251 17.29 国内 C号高炉 2560 11000 12200 8300 2200 4600 3400 1800 17500 2000 29300 79°59′31″ 83°38′30″ 30 3 无 1152 2.402 16.96 国内 D号高炉 2516 11200 12200 8200 2004 4500 3400 1900 17400 2300 29500 81°38′02″ 83°26′34″ 28 2 无 1257 2.418 17.10 国内 E号高炉 2600 11000 12800 8200 1900 4300 3600 2000 17000 2000 28900 75°57′49″ 82°17′42″ 28 3 无 1234 2.258 15.31 1、3号高炉 1、2号高炉 A号高炉 有效容积 Vu m3 炉缸直径 d mm 炉腰直径 D mm 炉喉直径 d1 mm 死铁层高度 h0 mm 炉缸高度 h1 mm 炉腹高度 h2 mm 炉腰高度 h3 mm 炉身高度 h4 mm 炉喉高度 h5 mm 有效高度 Hu mm 炉腹角 ? 炉身角 ? 风口数 铁口数 渣口数 风口间距 Hu/D V1/ Vu 个 个 个 mm ％ 3

79°59′31″ 78°13′54″ 82°06′42″ 82°11′27″ 30 3 无 1204 2.268 16.29 30 3 无 1204 2.269 15.16 2

2.2炉缸炉底内衬结构设计

[6] [7] [8]

实践证实，高炉炉缸、炉底的寿命是决定高炉一代寿命的关键，受到国内外炼铁工作者的高度重视。

从上世纪60年代起，首钢高炉开始采用炭砖——高铝砖综合炉底技术，使用情况一直较好。随着炼铁技术的发展，到上世纪80年代中期以后，高炉冶炼强度提高，炉缸、炉底

[9]

问题变得突出，通过对10多次高炉停炉实测结果的研究分析，总结得出了首钢高炉炉缸、炉底内衬的侵蚀是典型的“象脚状”异常侵蚀和炉缸环裂。象脚状异常侵蚀最严重的部位发生在炉缸、炉底交界处，对应炉缸第2段冷却壁的位置，实测发现侵蚀最严重的区域距冷却壁不足100mm。残余炭砖和高铝砖表面粘结有凝固的渣、铁及Ti(C、N)等高熔点凝结物。炉缸壁环形炭砖均出现环裂现象，裂缝80～200mm，裂缝中渗有凝固的渣、铁。

结合首钢高炉的原、燃料条件和操作条件，研究分析了首钢高炉炉缸、炉底内衬侵蚀机理，主要如下：①铁水对炭砖的渗透侵蚀；②铁水环流的机械冲刷；③熔融渣铁及ZnO、Na2O、K2O等碱金属对炭砖的熔蚀和化学侵蚀；④热应力对炭砖的破坏；⑤CO2、H2O等氧化性气体对炭砖的氧化破坏。

[10] [11]

长寿炉缸炉底的关键是必须采用高质量的炭砖并辅之合理的冷却。通过技术引进和消化吸收，我国大型高炉炉缸炉底内衬设计结构和耐火材料应用已达到国际先进水平。

以美国UCAR公司为代表的“导热法”（热压炭砖法）炉缸设计体系已在本钢、首钢、宝钢、包钢、湘钢、鞍钢等企业的大型高炉上得到成功应用；以法国SAVOIE公司为代表的“耐火材料法”（陶瓷杯法）炉缸设计体系在首钢、梅山、鞍钢、沙钢、宣钢等企业的大型高炉上也得到了推广应用；进口大块炭砖——综合炉底技术在宝钢、武钢、首钢京唐等企业的大型高炉上也取得了长寿实绩。“导热法”和“耐火材料法”这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1150℃等温线在炉缸炉底的分布，使炭砖尽量避开800～1100℃脆变温度区间。导热法采用高导热、抗铁水渗透性能优异的热压小块炭砖NMA，通过合理的冷却，使炭砖热面能够形成一层保护性渣皮或铁壳，并将1150℃等温线阻滞在其中，使炭砖得到有效地保护，免受铁水渗透、冲刷等破坏。陶瓷杯法则是在大块炭砖的热面采用低导热的陶瓷质材料，形成一个杯状的陶瓷内衬，即所谓“陶瓷杯”，其目的是将1150℃等温线控制在陶瓷层中。这两种技术体系都必须采用具有高导热性且抗铁水渗透性能优异的炭砖。

首钢2＃(1726m3)、3＃(2536m3)、4＃(2100m3)高炉是“炭质炉缸+综合炉底”结构（如图1），首钢1＃高炉(2536m3)是“陶瓷杯复合炉缸、炉底”结构（如图2），炉缸、炉底交界处即“象脚状”异常侵蚀区，均部分引进了美国UCAR公司的小块热压炭块NMA。这两种结构在首钢均得到成功应用，已取得了长寿业绩，首钢北京地区高炉炉龄统计详见表2，特别是首钢1号和3号高炉炉容、炉型相同，在其它因素基本相同的条件下其炉龄基本是并驾齐驱，这也充分说明了当今炉缸炉底结构这两种技术主流模式基本成熟。

首钢高炉炉底陶瓷垫与炭砖的总厚度为2800mm。

风口、铁口区域设计采用刚玉莫来石组合砖，提高其稳定性和整体性。

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图1 “炭质炉缸+综合炉底”结构 图2 “炭质+陶瓷杯复合炉缸炉底”结构 Fig.1 Carbon hearth plus comprehensive bottom structure Fig.2 Carbon plus ceramic cup compound

hearth and bottom structure

表2 首钢北京地区高炉炉龄统计

Table 2 Shougang’s BF campaign life in Beijing district

炉号 首钢1号 首钢2号 首钢3号 首钢4号

高炉容积（m3）

2536 1726 2536 2100

开炉～停炉日期 1994.8～2010.12 1991.5～2002.3 1993.6～2010.12 1992.5～2008.1

炉龄 16年5个月 10年10个月 17年7个月 15年8个月

备注

因北京市环保搬迁停炉

因北京市环保搬迁停炉

因奥运会停炉

2.3高效长寿冷却技术的设计 2.3.1高炉冷却设备设计

上世纪90年代，高炉冷却主要有以下几种方式：①炉腹至炉身下部全部采用铜冷却板；②采用全部冷却壁；③采用冷却壁与冷却板的组合方式。为使高炉寿命达到10~15年，首钢高炉全部采用冷却壁结构，在选择高炉各部位的冷却壁型式时考虑了以下因素：

1)炉缸、炉底区域

此部位的热负荷虽然较高，但比炉腹以上区域的热负荷要小，并且温度波动较小，在整个炉役中冷却壁前的炭砖衬能很好地保存下来，使冷却壁免受渣铁的侵蚀，因此在炉底、炉缸部位（包括风口带）均采用导热系数较高的灰铸铁（HT200）光面冷却壁，共设5段光面冷却壁。

2)高炉中部

这一区域跨越了炉腹、炉腰及炉身下部，是历来冷却壁破损最严重的部位。由于砖衬（渣皮）不能长期稳定地保存下来，冷却壁表面直接暴露在炉内，受到剧烈的热负荷作用和冲击、渣铁侵蚀、强烈的煤气流冲刷和炉料的机械磨损等，所以要求此区域的冷却壁有较高的热机械性能及较强的冷却能力。设计时采用了第三代双排管捣料型冷却壁，壁体材

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