5大长寿技术在大高炉炉体设计中的应用
发布日期： 2020-09-10 09:35:19 阅读量（509） 作者：赵艳霞，吴志宏，全强，王春龙现代高炉趋于大型化发展，高炉长寿的重要性更加凸显。实现高炉长寿是一项融合了设计、设备与材料质量、施工和操作与维护等多项技术的系统工程，炉体设计是其中非常重要的环节，对长寿起到至关重要的作用。本文以我公司新近设计、投产的唐山地区某2300m3级高炉为例，对高炉炉体设计上米用的多项综合长寿技术，包括合理的高炉内型及冷却结构、优质的耐材、高效的冷却系统以及全面的炉体检测技术等的设计情况进行详细论述，综合技术的应用为实现高炉快速达产、达效和长寿奠定良好的基础。
1合理确定高炉内型
大型高炉多采用适当矮胖的薄炉衬结构，可以在整代炉役过程中保持形成相对稳定的操作炉型，有利于快速达产和长期稳定运行，在国内外大高炉设计中已广泛应用，并取得了很好的长寿效果。本高炉的炉型设计，在分析比较了大量国内外同级别高炉内型特点和实际生产效果基础上，结合本工程实际情况，确定了高炉的内型，其内型特点主要表现在适宜的高径比(Hu/D)值、合理的炉腹角、适当加深死铁层等方面。
1.1适宜的Hu/D值
适当加大炉腰直径，降低Hu/D值，适当矮胖。矮胖型高炉降低了料柱高度，原燃料在下降过程中内摩擦力以及炉墙与炉料间摩擦力相对减小，高炉料柱阻损降低，透气性改善，有利于强化冶炼;风口增多，利于接受风量，强化冶炼、稳定顺行。本设计高径比Hu/D为2.222，风口数量确定为30个。
1.2合理的炉腹角和炉身角
与“厚壁”高炉相比，“薄壁”高炉炉腰直径有所增大，炉身角与炉腹角均有减小的趋势，合理的炉腹角度，有利于工作炉腹角的自然形成和渣皮的稳定，可以有效保护炉腹冷却设备。本设计总结了同级别高炉炉腹角和炉腹结构，同时考虑到强化冶炼和长寿的要求，将炉腹和炉身角控制在合理范围内，设计炉腹角为77.560°，炉身角为82.395°。
1.3适宜的死铁层深度
加深死铁层深度已被公认为是延长炉缸、炉底寿命的有效措施。较深的死铁层可以增大边缘角部的无焦炭的铁水自由空间，减轻炉缸的环流，从而减少对炉缸耐火材料的冲刷，起到保护炉底、延长高炉炉底寿命的作用。同时死铁层可贮存较多的铁水，保证炉缸具有充足的热量。但死铁层也不宜过深，过深将可能会由于炉底静压力增加及铁口下部通道出铁时铁流量过大等加重侵蚀。本高炉设计死铁层深度为炉缸直径的21.2%。
2炉缸炉底砌筑结构及耐材选择
设计根据炉体各部位工作条件和侵蚀机理的不同，合理配置炉缸、炉底结构及耐火材料。炉腹以上区域的耐材配置已经有比较统一的认识，炉缸、炉底耐材的使用寿命决定了一代炉役的长短，其结构和耐材合理选择对于延长高炉寿命至关重要。
2.1炉缸炉底鄭筑结构
炉缸炉底侵蚀机理主要为铁水环流，渣铁化学侵蚀，铁水、铅、锌及碱金属对炭砖的渗透脆化，热应力破坏等气采用综合炭质炉底和水冷炉底系统，可以提高炉底寿命。炉缸炭砖热面附加一层抗铁水侵蚀能力强、低导热的优质陶瓷杯材料，将1150℃铁水凝固线控制在陶瓷杯以内，防止铁水的侵蚀，可以延长炉缸炉底寿命。
本高炉炉缸炉底结构设计采用水冷管布置在炉底封板以下的水冷炉底，大块炭砖结合陶瓷杯的结构形式，充分发挥炭砖的高导热特性及位于热面的陶瓷杯的“隔热”和抵抗热应力强的优势，炉缸炉底结构见图1。
图1 高炉炉缸炉底耐材结构
图2 高炉炉缸炉底温度场等温线分布
通过炉缸炉底温度场的数学模型软件计算，计算结果见图2，从图中可以看出1150℃等温线控制在陶瓷杯以内，800℃和600℃等温线也推离炉缸炉底炭砖热面，控制在陶瓷杯内，使炭砖可以在600℃以下的温度区间工作，炉缸炉底热面易于较早形成渣铁凝结层，把炽热的铁水与炉缸炉底内衬隔离开，有效地保护炭砖。
2.2炉缸炉底耐材配置
踩炉缸炉底耐材具体配置为：炉底水冷封板上满^铺1层国产石墨大块炭块，其上满铺2层国产微孔4大块炭块、1层进口SGL超微孔大块炭砖9RDN，炉§底炭砖总厚度2000mm;铁口及以下易出现异常侵~蚀的炉缸区域环砌进口SGL超微孔大块炭砖9RDN;炉底炭砖以上砌筑厚度为800mm大块刚玉质陶瓷垫，炉缸炭砖内侧砌筑大块刚玉质陶瓷杯。
在铁口区采用刚玉质大块组合砖砌筑。风口区域的工作条件恶劣，高强度冶炼条件下，此区域耐材的抗热震性、抵御炉料中碱金属和锌等的破坏作用的性能尤为重要，本设计组合砖采用Si3N4-SiC材质。为了预防碱金属、锌等有害元素以及风口设备漏水对炭砖和炭素捣料的侵蚀，在风口组合砖下部还加设了铜板密封，如图3所示。
图3高炉风口组合砖下密封铜板设置
炉壳与冷却壁之间的耐材选择对高炉寿命有直接影响。由于材料本身及性能不同，使用效果也千差万别，有些高炉在投产后出现窜煤气通道，煤气与碱金属一起破坏炭砖和冷却壁，如果不及时处理会严重影响高炉寿命。本高炉设计通过反复比较和对某些大高炉成功应用的实地考察，在炉壳和冷却壁之间采用了自流浇注料代替常规设计的无水压入泥浆。该自流浇注料的主要指标见表1。
表1自流浇注料主要指标
3适当的炉体冷却结构
本高炉采用全冷却壁结构，炉腹、炉腰及炉身下部关键部位采用铜冷却壁，炉喉钢砖采用一段式水冷结构，实现高炉100%水冷。炉体冷却设备具体方案见表2。
表2炉体冷却设备主要特征表
3.1炉底、炉缸冷却设备
炉底、炉缸部位采用5段光面灰铸铁HT150冷却壁(包括风口区1段冷却壁)。
3.2炉腹、炉腰及炉身下部冷却设备
炉腹、炉腰及炉身下部工作条件恶劣，超高温煤气和渣铁流对炉腹部位剧烈冲刷，经受着高温和多变的热流冲击，以及碱金属及锌等有害元素的破坏。炉腰及炉身下部是决定高炉长寿的关键部位，该部位采用的冷却设备形式极为重要。
本高炉炉腹、炉腰与炉身下部共设置4段带复合孔的铜冷却壁，冷却壁体厚度为115mm壁，燕尾槽内冷镶Si3N4-SiC砖。同时，注意到了炉腹冷却壁与风口冷却壁的过渡的问题，采用了炉腹区域铜冷却壁的安装角度略大于设计炉腹角的方案，具体结构见图4。炉腹区域冷却壁背部采用凸台结构，既保证了风口组合砖的厚度，又使风口冷却壁和铜冷却壁远离回旋区，消除了该部位的安全隐患，已在多做高炉成功应用。
3.3炉身中上部冷却壁
炉身中上部设6段镶砖球墨铸铁冷却壁，材质QT400-20;炉喉钢砖以下设置1段倒扣型光面球墨铸铁冷却壁，不砌耐火材料，冷却壁内表面与高炉
图4铜冷却壁和风口铸铁冷却壁衔接
内型重合，冷却壁材质为QT400-20;炉喉部位设1段水冷式炉喉钢砖，材质为ZG35CrMnSi。
4高效的软水密闭循环冷却系统
冷却系统应该在正常热量和峰值热负荷的情况下，带走冷却元件的热量，保证其在安全无腐蚀、不结垢、无污染等优点，已被广泛应用，可为冷却系统的有效性和高炉的长寿提供保障。本高炉设计采用了软水密闭循环冷却系统，从高炉软水泵站出来的供高炉炉体冷却的软水由三部分组成：
(1)用于炉底及风口大套串联冷却，经炉底水冷管冷却后的软水供风口大套冷却，多余的冷却水由旁通管排入回水管中;
(2)用于冷却壁冷却，为便于检漏，将冷却壁的水管分为4个区域，采用竖向自下而上的串接方式分区冷却;
(3)用于风口中套冷却。
最终所有的冷却水均排至位于炉顶大平台下部的软水回水总管，经过脱气和稳压装置后，回至高炉软水泵房二次冷却后再循环使用。
炉体各段冷却壁间联管设计采用了等阻损方案，即对各段冷却壁不同数量水管间的连接方式进行合理配置，使圆周方向每根支管的总阻损基本相同，以达到冷却水均匀分配和均匀冷却的效果。
5采用全面、先进的炉体检测手段
为了加强对高炉生产的的监测和控制，本次设计采用了全面、先进的炉体检测手段，为高炉安全生产、科学操作和炉体维护工作创造条件，为高炉的长寿保驾护航。
高炉本体除了设置常规热电偶用以检测和推断炉底炉缸及冷却壁损坏情况外，还设置了铁口区炉壳测温、炉身静压检测装置、炉顶红外摄像仪、炉顶热成像仪、高炉炉底炉缸侵蚀检测报警系统、高炉冷却水温差热负荷检测和智能预警系统等一系列先进的检测技术。主要包括：
(1)为保证高炉软水密闭循环冷却系统安全运行，判断泄漏、便于检漏等，设置了完善的测温、测压、流量监测、液位监测等检测装置。
(2)设置炉缸炉底侵蚀检测报警系统，该系统由操作系统、数据库、侵蚀模型和应用程序组成，系统将炉底炉缸划分为32个纵剖面，在高炉炉底炉缸耐材内共布置380个温度监测点，通过采集程序实时采集热电偶温度数据，建立数据库，对炉底炉缸进行三维模型计算和诊断，实现对炉底炉缸耐材的等温线分布、侵蚀内型、侵蚀厚度、渣铁壳厚度、渣铁壳变化在线监测，可实现自动诊断和预警。
(3)设置高炉冷却水温差热负荷检测和智能预警系统，系统共设水温差监测点345点，流量监测点50点，实时采集各部位监测点的冷却水温度、流量数据，实时显示炉底水冷管、炉缸冷却壁、炉腰至炉身中下部冷却壁的进水温度、出水温度、水流量，计算水温差、热负荷，自动计算和显示炉腰至炉身中下部冷却壁不同横截面的渣皮厚度，并自动绘制操作炉型、渣皮形状;自动统计炉墙渣皮脱落次数、渣铁脱落频率以及炉墙裸露时间等信息，建立数据库，当出现异常时系统自动发出预警。
6结语
设计米用综合长寿技术可为实现高炉长寿目标奠定良好的基础，而确定合理炉型、优化炉缸炉底结构与耐材选择、采用适当的炉体冷却结构、稳定可靠的冷却系统和全面的自动化检测与诊断技术等方面是炉体设计需要重点考虑的技术环节。本文所述的新建高炉于2019年2月投产，很快便达到了预期的指标，并且各项技术经济指标不断提升，已经达到了同级别高炉先进水平。生产至今的各项检测数据表明炉体内衬和冷却设备运行状态良好，设计应用的各项长寿技术为高炉取得高效、低耗和长寿目标创造了有利条件。
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