俞 廷，陳一清，胡正文，何 英

(南京南鋼鋼鐵聯合有限公司煉鐵事業部,江蘇南京210035)

摘 要:南鋼1、2號高爐一代爐役壽命分別達到14.2、15.6年,3號高爐至今已生產13年,均取得了較好的長壽效果。設計上,3座高爐均采用嵌入式陶瓷杯結構，陶瓷杯嵌入風口組合磚內，在風口組合磚下方，陶瓷杯無法自由膨脹;3號高爐吸取1、2號高爐經驗，采用聯合軟水密閉循環冷卻系統，改進冷卻壁的固定，從根本上解決因爐殼剪斷水管而導致冷卻壁漏水的問題。日常生產管理中，加強原燃料質量管理，優化操作制度，采取成熟的護爐措施，建立高爐長壽智能化監測及預警體系，維持穩定合理的煤氣流分布和活躍的爐缸狀態，是高爐長壽的重要保障。

關鍵詞:高爐；爐缸結構；冷卻壁固定；護爐措施；長壽預警體系

南鋼有3座2000m²級高爐。1號高爐(2000m³)于2004年6月投產,2018年9月停爐，一代爐役壽命14.2年,單位爐容產鐵量11736t/m³。2號高爐(2500m²)于2006年8月投產,2022年3月停爐，一代爐役壽命15.6年，單位爐容產鐵量13050/m²。3號高爐(2000m²)于2010年12月投產,至今已生產13年，單位爐容產鐵量達到11970t/m³,各項技術經濟指標良好。南鋼高爐一代爐役期間運行平穩，在長壽設計及生產管理方面取得了一定經驗。

1高爐長壽設計

1.1 爐缸爐底結構

良好的設計質量、設備質量和施工質量是高爐長壽的必要條件。爐缸結構合理、耐材配置得當、冷卻壁設計合理，高效的冷卻、可靠的檢測是高爐長壽的基礎^[1-2]。1、2號高爐爐缸采用UCAR熱壓小塊炭磚+嵌人式陶瓷杯結構，爐缸側壁在鐵口附近40°區域采用NMD+NMA炭磚結構，非鐵口區域采用NMA炭磚結構。3號高爐爐缸采用國產炭磚+陶瓷砌體復合爐襯結構。大量實踐證明，爐缸采用獨立式陶瓷杯結構，不論陶瓷杯的材質如何，都難以實現長壽，且壽命一般在7年以下。而與獨立式陶瓷杯結構相比，爐缸采用嵌人式陶瓷杯結構更加安全和長壽^[3]。

南鋼3座高爐均采用嵌人式陶瓷杯結構，風口采用剛玉莫來石組合磚，陶瓷杯嵌人風口組合磚內，在風口組合磚下方，陶瓷杯無法自由膨脹。2號高爐陶瓷杯壁在鐵口中心線以上厚度為345~500mm,在象腳區厚度為1250~1390mm,材質為剛玉莫來石小塊磚，與炭磚之間采用頂砌，中間的三角縫采用剛玉莫來石泥漿填充。陶瓷杯底為2層400mm厚的剛玉莫來石磚(見圖1),采用互鎖結構。

爐底水冷封板上滿鋪1層400mm厚的石墨磚其上滿鋪5層400mm厚的半石墨焙燒炭塊，爐底爐缸靠近冷卻壁環砌UCAR熱壓小塊炭磚NMA。由于熱壓小塊炭磚尺寸小，爐缸側壁由多環炭磚緊靠冷卻壁砌筑而成，炭磚與冷卻壁之間沒有搗打厚縫，這對降低炭磚溫度，緩解熱應力，避免爐缸環裂非常有利。小塊炭磚之間的2mm磚縫采用熱固性炭素膠泥黏結，由于膠泥在使用中碳化，黏結強度和導熱性很高，既能緩沖熱膨脹，又不會影響導熱，緊貼冷卻壁砌筑可防止形成氣隙。

1.2 冷卻系統

高爐冷卻系統直接關系到各種冷卻元件的壽命，進而關系到整個高爐的壽命。南鋼高爐組合使用銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁，其中1號高爐第一代爐腹采用T型鑄鐵冷卻壁，2號高爐爐腹采用冷卻板，共計4層，每層48塊。投產后僅2年左右，冷卻壁就陸續開始漏水，主要表現為鑄鐵冷卻壁熱面開裂[見圖2(a)]、銅冷卻壁熱面破損及管根開裂[見圖2(b)],導致1、2號高爐分別于2012、2018年中修更換冷卻壁。3號高爐吸取1、2號高爐的經驗，目前冷卻壁無破損，進設計優化如下:

(1) 采用聯合軟水密閉循環冷卻系統。冷卻壁由2根環管供水，其中1根環管供冷卻壁直冷管，另1根環管供冷卻壁蛇形管。冷卻壁回水分為4個扇區，每個扇區布置5根回水集管，分別對應于每塊冷卻壁的4根直冷管和1根蛇形管。每根回水集管至冷卻壁回水總管上設有調節閥和流量計。在冷卻壁間直冷管的進出水聯管上，設8層熱電偶和1層流量計，每層8只檢測元件。自動測量水溫及水量，進行爐體熱負荷計算，以便及時進行生產調節。在事故狀態時，冷卻壁可在短期內轉為無壓汽化冷卻。膨脹罐上設有水位檢測裝置和充N2穩壓措施，可實現系統自動穩壓、自動排氣、自動檢漏和自動補水。

(2)改進冷卻壁固定形式。第1~4段冷卻壁水管與爐殼間設置補償器;第5~9段冷卻壁采用復合孔，配固定銷及4個螺栓進行安裝定位;第10~15段冷卻壁設置固定點、滑動點和浮動點(如圖3所示)，水管與爐殼直接焊接固定，從根本上解決因爐殼剪斷水管而導致冷卻壁漏水的問題。并且，冷卻壁水管由中60x6mm,改為70x7mm,增加冷卻壁比表面積;銅冷卻壁間的聯絡管，由剛性連接改進為柔性連接，冷卻壁體與水管的連接增加螺紋，提高強度。

2爐缸侵蝕狀況

(2) 1號高爐第一代停爐后進行爐缸破損調查，風口中心線至鐵口中心線炭磚完好，陶瓷杯厚度仍有230mm;鐵口中心線至爐底殘鐵上表面炭磚結構基本完整，仍有陶瓷杯殘留;死鐵層以下的侵蝕相對較嚴重，呈鍋底狀，最低點位于爐底第3層炭磚上方約30mm處，剩余炭磚厚度1230mm左右。

(3) 2號高爐第一代爐役后期，爐缸側壁▽7.092m，6號鐵口下方第2段冷卻壁131號管水溫差、熱流強度分別達到最高點2.21°C、142.12MJ/(m² ·h)。在爐缸側壁▽7.325m、角度95°處，插入深度分別為400,300mm的2個熱電偶，最高溫度分別達到447°C、413°C，爐缸侵蝕模型測算的炭磚殘余厚度為655mm(見圖4),而停爐后爐缸侵蝕調查實測的殘余厚度約560mm。

南鋼3號高爐投產至今冷卻壁無破損，爐缸側壁溫度在安全范圍內，其中鐵口中心線▽9.494m以上的炭磚淺點溫度(實際插人深度300mm)在120~190°C，象腳區域最高溫度為421°C(▽7.092m)，爐底第3層炭磚最高溫度為878°C，從侵蝕畫面(見圖5)可以看出，爐缸呈類似鍋底狀侵蝕，爐底炭磚最低殘余厚度為1561mm，側壁最低殘余厚度為1120mm，處于安全可控狀態。

3 日常管理經驗

3.1 加強原燃料質量管理

精料是高爐穩定順行的基礎，也是實現高爐長壽的基本條件，原燃料質量波動必然會導致爐況不穩，從而影響高爐壽命4。南鋼高爐原燃料質量管理實行焦炭分類、分倉人爐，利用熱風爐廢氣預熱烘干焦炭，穩定人爐水分，降低焦末量;調整篩網結構，抓好槽下原燃料篩分，嚴格控制篩分速度(礦石<120t/h),降低人爐粉末量;穩定燒結礦配比，將混勻料品種控制在8~10種，堿度合格率控制在92%以上。為確保原燃料強度及冶金性能相對穩定，制訂了原燃料質量控制標準(見表1~3)。

高爐入爐有害元素主要是堿金屬(鉀、鈉)和鋅，其中鉀 鈉會造成爐缸堆積、高爐結瘤，惡化透氣性，損壞爐襯，對高爐生產和長壽產生巨大危害;鋅蒸汽在高爐內部循環富集會使磚襯脆裂或破損，同時導致爐缸爐底炭磚脆化，引起爐缸側壁炭磚環裂,縮短高爐壽命5。因此，南鋼高爐在日常生產中嚴格控制人爐堿金屬量及鋅負荷(見表4)。

3.2 優化操作制度

合理的煤氣流分布也是高爐穩定順行及高產長壽的基礎，特別是高爐大型化之后，確保煤氣流分布穩定合理顯得更為重要^[6]。高爐鼓風動能不足，爐缸不活躍，會造成風壓波動大，爐況不順，易發生管道和崩懸料;還會出現風口頻繁破損，造成高爐休風率高，進一步惡化爐缸狀態，影響初始煤氣流分布。

操作上按照“打開中心，適當控制邊沿”的思路，上下部調劑相結合，發展兩道氣流，提高爐況穩定性，增加入爐風量，下部適當縮小風口面積，提高鼓風動能，活躍中心，將邊沿氣流控制在合適范圍，并將銅冷卻壁溫度控制在45~55°C，以保證渣皮穩定，進而保證爐缸側壁溫度穩定受控。

3.3 爐役后期的護爐措施

2號高爐第一代爐役后期，爐缸出現嚴重侵蝕，爐缸側壁溫度及熱負荷陡升，主要原因是爐缸中心堆積、上部中心氣流不足、邊沿控制過重，邊沿氣流上行通道受阻，加劇了對爐缸側壁渣鐵凝固層的侵蝕，同時造成風口上方爐皮發紅。此外，6號鐵口方向風口漏水情況較多，煤氣竄漏現象嚴重，也加劇了爐缸侵蝕。為此，采取了一系列護爐措施。

(1)控制冶煉強度。爐缸側壁溫度達到預警值后，控制人爐風量不大于4200m²/min、富氧量不大于5500m²/h，降低冶煉強度，將預警點冷卻壁水溫差控制在1.5°C以下，后逐步增大風量活躍爐缸中心。提高鐵水[Si]到0.5%~0.6%,將爐渣堿度R2控制在1.18~1.23。

(2) 調整裝料制度。布料矩陣由

氣流，下部適當縮小風口面積，堵6號鐵口正上方19和20號風口，風口面積由0.3149m²縮小至0.2932m²,以提高鼓風動能、活躍爐缸中心、減少爐缸側壁侵蝕。

(3) 提高冷卻強度。一方面，降低爐身軟水的進水溫度，先由40°C降至37°C，再降至34°C，加大整個爐缸的冷卻強度;另一方面，將6號鐵口正下方爐缸第2段4塊冷卻壁內的8根水管進行單獨改水,將冷卻水流量由13.5t/h提高至30L/h,有效提高了冷卻強度，水溫差明顯下降。

(4)采用釩鈦炮泥護爐。針對性的使用釩鈦炮泥進行護爐，階段性空噴鐵口，打入釩鈦炮泥，控制炮泥TiO₂>20%。

通過采取護爐措施,2020年下半年,2號高爐6號鐵口下方(▽7.325m)爐缸側壁溫度完全回落并穩定在正常溫度(如圖6所示)，爐缸侵蝕得到有效控制，主要技術經濟指標也得到提升(見表5)。

3.4 建立長壽預警體系

高爐長壽是一項系統工程，重點是維持穩定的爐況，除了合理的操作制度和長壽管理制度，建立高爐長壽預警體系尤為重要。為綜合判斷爐缸侵蝕變化趨勢，南鋼高爐制訂《高爐長壽管理辦法》，加強監控手段。

(1)建立爐缸侵蝕模型。利用有限元法和二維導熱原理建立模型，更加直觀地了解耐材侵蝕情況，并對爐缸熱電偶進行維護，增加盲區熱電偶，設置自動預警,500~700mm為報警值，小于500mm為危險值。

(2)建立爐缸水溫差監測系統。各高爐新增爐缸冷卻壁水管進出水熱電偶，細化到每塊冷卻壁，新增爐缸水溫差監測系統，根據南鋼高爐護爐實踐經驗，設置聲光報警值(見表6)。

(4) 安裝爐殼測溫系統。高爐生產過程中，測量爐殼表面的溫度，也是一項必要的工作，目前已安。裝兩種測溫方式。一種是在爐殼安裝測溫系統，測溫原件吸附于爐殼，通過無線發射系統發送至中控室電腦，實時反饋爐殼溫度;另一種是針對重點侵蝕部位，安裝在線熱成像儀，進行實時監控，自動預警。

(4)構建鐵區一體化智能管控平臺。南鋼高爐通過一體化管控平臺及智能應用，及時掌握生產及設備動態，為精細化生產管理提供科學保障和輔助決策。在高爐長壽方面，構建爐缸管控一體化平臺，實現殘厚、溫升精準管控，量化評價爐缸活躍性和均勻性?？焖俜治銮治g演變過程，定位異常侵蝕影響因素，為尋找爐缸安全性和活躍性之間的平衡點提供支撐。同時，實時監控異常情況，具備快速推送功能。

4  結語

(1)高爐長壽是一項系統工程，成熟的長壽設計是高爐長期穩定、順行、高產、低耗及長壽的堅實基礎。

(2)建立合理的高爐操作制度，加強對原燃料質量管理及有害元素控制，維持穩定合理的煤氣流分布和活躍的爐缸狀態，是高爐長壽的重要保障。

(3)加強高爐長壽日常生產管理，建立高爐長壽智能化監測及預警體系，采取成熟的護爐措施，防微杜漸，最終實現高爐的高效長壽。

5 參考文獻

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