1、1,高炉长寿技术,常立忠Tel：13855596536E-mail：QQ：27713154,2,一 高炉长寿技术的内涵,新建一座大型高炉或对一座大型高炉进行改造性大修, 投资多达十几亿元甚至几十亿元, 因此国内外高炉工作者对高炉长寿问题特别重视。 高炉为什么要长寿?初看是一个老生常谈的问题。如果进一步思考，人们似乎对这个问题的认识并不一致。 从长远观点看高炉长寿应当是钢铁工业走向可持续发展的一项重要措施，以减少资源和能源消耗、减轻地球环境负荷为目标。在这一点上容易取得共识，而对达到什么程度的高炉才能算长寿，钢铁界的认识并不一致。,3,高炉长寿是为钢铁工业走向可持续发展服务的。高炉长寿应包含以下
2、目标： （1）高炉一代寿命(不中修)在20年以上； （2）高炉的一代炉龄是在高效率生产的状态下度 过的，一代寿命内平均容积利用系数在2.0t(m3d)以上，一代寿命单位炉容产铁量在15 000 tm3以上；（4500m3高炉产铁6750万t） （3）高炉大修的工期缩短到钢铁联合企业可以承受的范围之内，例如两个月之内，大修后在短期内生产达到正常水平，例如710天，使钢铁厂成为高效率的钢铁企业。,4,高炉长寿技术的核心是高炉一代构建一个合理操作炉型的永久性炉衬，使高炉一代寿命达到上述目标。如能达到上述目标，高炉座数可以最少，能源消耗可能最低，运行效率可能最高。 我国高炉现在的长寿水平与上述目标差距
3、很大。国际上炼铁高炉寿命也未达到上述目标。 为了钢铁工业的可持续发展，高炉长寿技术应当为实现上述目标服务。,5,二 国外高炉炉龄情况,上世纪80 年代末, 国外大型高炉寿命一般达到了8 10 年。一代炉龄内高炉不进行中修, 单位炉容产铁达6000 7000t/ m3 以上。进入90 年代, 国外高炉的寿命进一步提高, 有很多高炉的实际炉龄已达15 年左右。目前国外, 特别是日本新建大型高炉的目标寿命设计为20 年。,6,7,三 国内高炉炉龄情况,8,四 影响高炉寿命的因素,（1）高炉长寿的影响因素 高炉能否长寿主要取决于以下因素的综合效果：一是高炉大修设计或新建时采用的长寿技术，如合理的炉型、
4、优良的设备制造质量、高效的冷却系统、优质的耐火材料。二是良好的施工水平。三是稳定的高炉操作工艺管理和优质的原燃料条件。四是有效的炉体维护技术。这四者缺一不可，但第一项是高炉能否实现长寿的基础和根本，是高炉长寿的“先天因素”。如果这种“先天因素”不好，要想通过改善高炉操作和炉体维护技术等措施来获得长寿，将变得十分困难，而且还要以投入巨大的维护资金和损失产量为代价。,9,因此，提高高炉的设计和建设水平，是实现高炉长寿的根本所在。 （2）影响高炉一代寿命的关键部位 大量事实表明，影响现代高炉一代炉役寿命的薄弱环节主要集中在两个区域：一是炉腹、炉腰至炉身中下部；二是炉缸区域（铁口、渣口又是炉缸的薄弱之
5、处）。 （3）高炉关键部位的破损机理 炉腹、炉腰及炉身中下部 炉腹的破损包括：（1）温度波动造成的热震破坏；（2）高温热应力对炉衬的破坏；（3）熔渣和铁水的侵蚀；（4）上升煤气流及下降炉料的冲刷磨损；（5）碱金属及CO气体的化学侵蚀。,10,炉底炉缸 炉底、炉缸是高炉内衬破损严重的主要区域之一。一代炉役的寿命也主要取决于高炉炉底、炉缸内衬的破损程度。对于炉底、炉缸内衬的破损大致可概括为：（1）铁水对碳砖的渗透侵蚀。铁水渗透到碳砖的气孔中，生成FexC一类的脆性物质，造成碳砖热面脆化，物理性能下降。（2）铁水环流的机械冲刷。出铁时，铁水环流冲刷碳砖热面造成碳砖的磨蚀，加之铁水环流的冲刷，两种破损
6、作用是形成炉缸“象脚状”异常侵蚀的主要原因。(3)热应力对碳砖的侵蚀。（4）CO2、H2O等对碳砖的氧化。（5）熔渣对碳砖的冲刷和化学侵蚀。,11,五 一代长寿高炉的设计思想,从国内外近年大修或新建的高炉所采用的长寿装备技术来看，现代高炉的长寿设计思想有以下方面:（1）注重高炉整体寿命的优化设计，精心施工，确保高炉各部位同步长寿。（2）强调高效冷却设备和优质耐材炉衬的有效匹配，从炉底至炉喉全部采用冷却器，无冷却盲区，并针对高炉不同部位的破损特点，选用不同材质的冷却设备和耐火材料。（3）增加死铁层深度(达炉缸直径的20左右)，以减少炉缸内铁水环流对炉缸侧壁的冲刷侵蚀。,12,（4）在追求高炉长寿
7、的同时，也追求高利用系数（有效容积利用系数最高达2.5 t（m3.d）、高喷煤比(喷煤量达200kgt以上)等。（5）采用有效的技术监测、炉体维护技术。（6）注重高炉稳定顺行的工艺操作管理和使用成分稳定的优质原燃料。六 一代高炉长寿装备发展趋势1 采用全炉体冷却技术装备 我国近年来新建或大修后的高炉，都采用全炉体冷却技术装备，从炉底至炉喉全部采用冷却器，无冷却盲区，可实现高炉各部位的同步长寿。例如宝钢4号高炉、武钢6号高炉、鞍钢新1号高炉均采用全炉体冷却技术。,13,（1）炉底、炉缸区域的长寿技术 为加强炉缸侧壁、特别是铁口附近区域的冷却效果，有一些高炉在铁口四周采用铜冷却壁(如武钢6号高炉、
8、鞍钢新1号高炉等)。同时，在炉衬耐材方面，采用以下两种方法来获得炉缸长寿保护层：一是强化冷却理论或热解决论，即采用全碳质材料炉底炉缸结构；二是碳质一陶瓷材料复合炉底炉缸结构。全碳质材料炉底炉缸结构 主张高导热设计的薄壁炉衬结构，强调通过高导热系数的半石墨碳块将热量传递给冷却系统，从而实现热平衡。同时利用良好的导热性，在炉缸内侧壁部位降低工作面(热面)温度，并,14,形成渣皮状附着物，将800等温线推至碳砖以外，保护炉缸内壁，实现炉缸系统的安全高效长寿。 此类炉缸侧壁耐材使用具有高导热系数的热等静压小块碳砖或超微孔碳砖，其透气度比普通碳砖低100倍。这样的低孔隙度能阻止铁水和熔渣的渗透，具有高抗
9、碱性能，可吸收部分热应力。配以高效的水冷系统，能将炉缸的热流迅速传递给冷却系统带出炉外，降低了炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成一层稳定的凝结保护层，抵抗炉缸侧壁的“象脚形”侵蚀，使炉缸长寿。小块碳砖还能缓冲缸壁的径向热膨胀，能调节缸壁厚度上的差热膨胀，使大块,15,碳砖常发生的环形裂纹大大减少。热压碳砖已在世界上300余座高炉的炉缸内衬上成功应用，炉缸的寿命都在10年以上。碳质一陶瓷材料复合炉底炉缸结构 采用绝热原理设计的厚壁结构，强调在采用高导热系数的热压小块碳砖或超微孔碳砖将炉缸热量传递给冷却系统的同时，通过在碳质炉衬内侧砌筑一层具有耐高温、抗渣铁侵蚀、耐冲刷和具有良好热
10、震稳定性的陶瓷材料制成的陶瓷杯，将炉缸内的碳质材料与铁水及其它混合物分隔，从而在相当一段时间内杜绝了铁水对碳质炉缸的侵蚀，实现炉缸部位的安全高效长寿。我国的大部分高炉都采用了这种炉底炉缸结构。,16,高质量的微孔和超微孔碳砖是继热压小块碳砖得到推广应用后，又研制成的高质量的碳砖，其主要特点是体积密度、耐压强度、导热率更高，适合大型、高强度生产高炉的炉缸使用。（2）炉腹、炉腰至炉身下部区域长寿技术 炉腹、炉腰至炉身下部区域是整个高炉工况条件最恶劣的区域之一，炉料磨损冲刷、炉渣化学侵蚀、软融带根部反复上下移动产生的热震等破坏机制同时存在，特别是热震作用使任何耐材在此区域都难以长期维持存在，最终只能
11、靠形成渣皮来保护冷却设备实现长寿最有效。因此，能否快速形成稳定渣皮是此区域选择冷却设备的关键条件。在此部位，我国近年新建和大修的高炉主要采用两种冷却设备，即铜冷却壁和铜冷却板。,17,铜冷却壁。在此区域应用铜冷却壁能满足快速形成稳定渣皮的要求。铜冷却壁导热性好、冷却强度大，在冷却水量足够并稳定的条件下，工作时冷却壁体温度均匀，表面工作温度一般在40以下，并且能在其热面形成非常稳定的渣皮。即使高炉操作过程中发生渣皮脱落，也能在短时间（15min)内形成新渣皮。铜冷却壁一般不必外砌耐火砖，仅需在开炉前喷涂一层抗磨损的耐火喷涂料，其工程造价与采用铜冷却板相当。自20世纪90年代初以来，世界上已有50
12、多座高炉采用了铜冷却壁，尚未发现有一根水管烧坏。铜冷却壁是迄今为止最彻底地贯彻自我造衬、自我保护设计理念的无过热冷却设备。我国近年来新建或大修的高炉绝大多数都采用这种方式。,18,铜冷却板 基于“高导热、抗热震”理论的密集铜冷却板加石墨耐材炉衬结构是另一类在此区域应用比较成功的冷却系统。我国宝钢采用该冷却系统的1号、2号高炉常年在高冶炼强度下运行了10年以上，其炉腰部位的炉壳温度仍控制在3040。铜冷却板特点为：一是使用“高导热、抗热震”性能的石墨耐材内衬；二是使用密集布置的多通道冷却板结构，铜冷却板的问距为250mm和312mm，在不同高度上铜冷却板的长度有所差异。由于铜冷却板属于点式冷却，
13、对耐材的冷却不均匀，形成的渣皮也不均匀、不牢固，冷却效果差的地方，耐材易被迅速侵蚀。,19,随着耐材的侵蚀，铜冷却板的前端大部分裸露在炉内，熔融的渣铁很容易滴落到裸露的冷却板前端，极易造成冷却板熔损性烧坏；同时，使用冷却板后，高炉内不能形成平滑的操作炉型，冷却板将受磨损而损伤，特别在滑料、崩料时，这种损伤更为严重。冷却板的优点是可更换，但设备维护工作量大，增加生产成本。使用密集布置冷却板的高炉炉壳开孔太多且密集，不仅煤气泄漏点多，而且炉役期内炉壳局部温度过高将产生应力集中引发炉皮开裂事故。目前，采用冷却板形式的高炉数量不多。国内采用这种冷却设备的厂家有宝钢及鞍钢新1号高炉。,20,炉身中上部的
14、冷却系统与炉衬耐材 软熔带以上的炉身中部，炉料温度达7001000。随着喷煤量的提高，该区域的热负荷急剧升高，但此区域属干区，没有形成渣皮的条件，是炉衬磨损最严重的区域，是现代高炉长寿的难点之一。目前，这一区域主要采用第四代镶砖冷却壁结构，使砖壁合一，取消凸台，可以保证光滑的炉型。冷却壁主要选用球墨铸铁材质，镶嵌的耐火材料主要为碳化硅砖或氮化硅结合碳化硅砖，炉身上部采用磷酸浸渍粘土砖。炉喉部位 炉喉钢砖严重烧损的主要原因是炉喉区温度的升高，造成钢砖出现龟裂、断裂等现象。为解决这一问题，近年来新建和大修的大型高炉都采用水冷钢砖，有效地解决了炉喉部位破损的难题。,21,普遍采用无料钟炉顶设备 我国
15、目前新建或大修的高炉普遍采用无料钟炉顶设备。采用无料钟炉顶设备能实现高炉上部炉料分布及煤气流分布的灵活调节，通过控制煤气流分布来控制炉身热负荷，使高炉煤气流分布稳定合理，从而实现高炉长寿。3 采用软水密闭循环冷却系统 由于软水密闭循环冷却具有安全可靠、耗水量少、能耗少、系统简化、投资少、占地小等优点，我国近年来新建和大修的大型高炉都采用软水密闭循环冷却方式。目前，软水密闭循环冷却又分为两种形式，即全软水密闭循环冷却(如武钢6号高炉)和高压工业水+软水密闭循环冷却(如宝钢4号、鞍钢新1号高炉等)。,22,4 完善的监控设施 近年来我国新建和大修的高炉都采用比较完善的监控设施，如冷却水温差监测设施
16、、高炉各部位温度监测设施、热流强度监测设施、冷却壁破损监测设施、高炉内衬侵蚀监测设施等。这些完善的监控设施为高炉操作者了解和掌握炉况变化、处理异常炉况、加强高炉操作、控制煤气流合理分布提供了可信的依据，为高炉长寿打下坚实的基础。5 切实可行的炉体维护技术 炉体灌浆、炉衬喷补和加含钛物料护炉是延长高炉寿命的有效措施。尤其是近年开发出来的降料线喷补造衬技术配合冷却壁排管修复技术，,23,可以代替中修，能够有效地延长高炉寿命。而加含钛物料护炉可以使侵蚀严重的炉底、炉缸转危为安，显著地提高高炉寿命。,加TiO2 护炉,高炉中后期, 在炉料中加入一定数量的含TiO2 的炉料, 来提高铁水表面的粘度, 同
17、时, 形成高Ti(N、C) 物质沉积于耐火砖损伤部位, 起到保护炉底的作用。 宝钢1 号高炉( 第一代) , 1988 年开始, 根据炉缸侧壁温度高低, 不定时加入含TiO2 的炉料,TiO2 控制在0. 3% 0. 4%, 高炉入炉TiO2 5kg/ t左右。当炉缸侧壁温度或炉底温度异常升高时,另加钛块矿来增加入炉TiO2 量, 采取这种办法,效果很好。,24,另外, 也可以从风口喷入TiO2 粉, 使炉缸局部损伤部位迅速得到保护。这一方法能够准确地把TiO2 投入到炉底侧壁的损伤部位, 起到TiO2 使用量少且见效快的效果。如: 日本加古川钢铁厂的高炉就是采用从风口喷入TiO2 粉的办法护
18、炉。七 21世纪钢铁工业发展趋向 从当前世界科学、工程、技术发展水平看，钢、铁仍然是人类社会21世纪最主要的使用材料使用范围最广、使用数量最大的结构材料和功能材料。世界钢铁工业将继续发展。,25,刚刚过去的20世纪是世界钢铁工业大发展的世纪，钢铁产量由1900年的2 850万t增长到2000年的8.4亿t，增长超过28倍。二次世界大战后，欧、美、前苏联及东欧各国以及日本的战后重建对钢铁需求的拉动，20世纪50年代至70年代末期，世界钢铁工业出现了第一个高速增长期，钢年产量由不到2亿t增至7亿t以上。20世纪末，由于中国等发展中国家进入工业化基础设施大规模建设阶段对钢铁需求的拉动，出现了第二个高
19、速增长期，钢年产量由不足8亿t增长到2007年的13.4亿t，目前仍处于高速增长期内。如果印度的工业化高峰不能持续，世界钢铁工业将保持在年产13亿t的平台上。印度工业化将把全世界的钢年产量提升到15亿t平台。全球进入工业化之后，世界钢年产量有可能达到20亿t。,26,世界钢产量的增加，将使社会钢、铁积蓄量增加，由铁矿石提供的产钢量的比例下降，世界铁钢比将下降。世界生铁产量的增长速度会低于粗钢产量的增长速度。从长远发展看，世界生铁产量大致等于世界粗钢产量的60。假如世界钢年产量为20亿t，则世界生铁年产量大约为12亿t。世界钢铁工业的规模还有相当大的发展空间。 然而，由于不同地区、国家工业化的程
20、度不同，经济状况存在差别，21世纪钢铁工业将呈现不同的发展态势。工业发达国家在工程技术方面仍将处于领先地位，技术创新能力强，在产品和工艺技术上，仍将引领钢铁工业发展潮流。,27,由于经济结构的变化，钢铁需求量减少以及环境负荷的压力，使这些国家在世界钢产量中的份额将下降。发展中国家和进入工业化阶段的国家将成为21世纪钢铁工业增长的主流。经济增长和大规模基础设施建设是这些国家钢铁工业规模扩大的动力。地球资源和能源的有限性和地球环境负荷的约束，使钢铁工业在发展过程中艰难地走向绿色化。 由于资源条件、社会需求和经济发展阶段的不同，21世纪钢铁工业将发展为不同的类型：以供应大规模通用普通钢材为主的地区性
21、钢厂和以供应高技术附加值为主的跨地区大型钢铁联合企业是不同类型钢厂的主要代表。前一种类型钢厂的优势是其产品的经济性。钢铁成为人类社会使,28,用的主要材料的重要原因是其价格低廉，大量以较低的价格供应普通钢材是地区性钢厂的优势。高技术附加值产品往往制造工艺复杂，技术装备投入高，管理要求严格，形成规模经济条件苛刻，需要集中在技术开发能力强的跨地区大型钢铁联合企业中生产。在上述两大类钢厂之外，还有生产专用钢材品种的钢厂和既大量生产普通钢材又生产部分专用钢材的地区性钢厂。地域条件、社会需求和经济发展的多样性，将决定21世纪钢铁工业发展模式的多样性。然而，节约资源和能源，减轻地球的环境负荷，则是各种模式
22、钢厂必须履行的基本准则。实现钢铁工业可持续发展将是21世纪的奋斗目标。,29,八 我国高炉炼铁的前景,长期以来，由于我国社会钢铁积蓄量少，我国钢铁工业的铁钢比大致维持在1.0左右。在我国钢年产量超过1亿t以前，世界钢铁工业的铁钢比大致为0.65左右。世界钢铁工业进入第二个高速增长期后，由于我国在世界总产量份额增加，2000年世界铁钢比达0.685，2003年达0.727，2007年达0.756，同年我国铁钢比为0.959。预计2015年后我国铁钢比将开始下降。我国不仅转炉炼钢使用铁水，连一向国际上用废钢的电炉炼钢在我国也用铁水代替废钢，从而造成我国钢铁工业的铁钢比高。,30,我国生铁产量的规模
23、如此之大，减少高炉座数，实现高炉大型化，延长高炉一代炉龄比对其他产钢国更为重要。我国炼铁高炉一向炉容小，座数多。在近10年中，地方县乡小钢厂无序发展，重点统计单位产量的比例愈来愈低。究竟我国有多少座高炉，至今没有可靠的统计数字，许多人认为在1 000座以上。重点统计单位的生铁产量占全国总产量的3/4，这些企业的高炉座数早已超过400座。连重点统计单位的单座高炉的产量水平也比较低，见表3。,31,32,日本生铁年产量目前大致为7 000万t，用2829座高炉生产，平均单座高炉年产在200万t以上。即使中国的高炉单座平均达到年产200万t，以2006-2008年的产量水平，也要有200座高炉生产。
24、如此多的高炉，对地球环境仍是沉重的负担。我国高炉的大型化和高炉长寿技术应用和推广已是我国钢铁工业走向新型化工业道路的必然选择。经过多年的实践，大型高炉的长寿技术，在我国从理论到实践上已经形成。我国已能够依靠自己的技术力量，使大型高炉实现一代(不中修)炉龄达到20年以上。现在的问题在于认真应用和推广。对于幅员辽阔、人口众多、经济环境差别大的我国，高炉全部实现大型化是困难的。,33,这就要求钢铁工业实现结构重组，使钢厂的数量减少，同时把大型高炉的长寿技术在中型高炉上推广应用。对于非高炉炼铁要予以重视，以便用非高炉炼铁工业取代中型高炉以减轻钢铁工业的环境负荷。总之，对高炉长寿技术，必须从钢铁工业可持续发展的高度予以重视。,
