曹英杰，祁四清，全 強(qiáng)，申克政

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

影響現(xiàn)代高爐壽命的環(huán)節(jié)主要集中在爐底爐缸、爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域。國(guó)內(nèi)某1380 m3高爐存在爐腹?fàn)t腰溫度較高，爐腹及風(fēng)口冷卻壁燒損嚴(yán)重，以及爐底爐缸溫度偏高等問(wèn)題。此次爐體升級(jí)改造過(guò)程中，針對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，采用多項(xiàng)具有針對(duì)性的長(zhǎng)壽技術(shù)，如優(yōu)化爐型；爐腹?fàn)t腰采用新型組合式冷卻設(shè)備；爐底爐缸采用“斜直”結(jié)構(gòu)，適當(dāng)加長(zhǎng)“象腳區(qū)”炭磚長(zhǎng)度并配置優(yōu)質(zhì)國(guó)產(chǎn)大塊炭磚加陶瓷杯結(jié)構(gòu)形式；軟水密閉循環(huán)冷卻；并設(shè)置完善的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)等。

1 升級(jí)改造技術(shù)特點(diǎn)介紹

1.1 優(yōu)化高爐內(nèi)型

合理的高爐內(nèi)型對(duì)于獲得優(yōu)良經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及保證高爐長(zhǎng)壽均具有重要的意義。此次高爐升級(jí)改造充分注意了死鐵層深度、爐缸高度以及爐腹角α 等幾個(gè)關(guān)鍵尺寸，并進(jìn)行優(yōu)化，改造前后對(duì)比如表1 所示。

1.1.1 適宜的死鐵層深度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)模計(jì)算，死鐵層深度以爐缸直徑的～20%為宜[1]。綜合考慮爐底耐材結(jié)構(gòu)因素，此次升級(jí)改造死鐵層深度調(diào)整為1900 mm，是爐缸直徑的21.1%。

表1 升級(jí)改造前后高爐關(guān)鍵內(nèi)型尺寸對(duì)比

1.1.2 合理的爐腹角度。

改造前爐腹處冷卻壁溫度高，冷卻壁燒損嚴(yán)重，其中一個(gè)主要原因是由于爐腹角過(guò)大，冷卻壁熱面不易掛渣，壁體不能得到有效保護(hù)。此次升級(jí)改造爐腹角由改造前的79.046°優(yōu)化為75.964°。

1.1.3 適當(dāng)加高爐缸高度。

此次升級(jí)改造適當(dāng)增加爐缸高度，爐缸高度由原有4 m 增加至4.2 m。

1.2 新型組合式冷卻設(shè)備

改造前爐腹處冷卻壁角度與高爐內(nèi)型角度一致（詳見(jiàn)圖1）。使得壁體下部距風(fēng)口回旋區(qū)距離較近，從風(fēng)口回旋區(qū)生成的高溫氣流極易將爐腹處冷卻壁下部自熱面端部向外燒損，導(dǎo)致冷卻壁溫度高，甚至燒穿水管。

圖1 改造前爐腹處冷卻壁下部銜接

圖2 改造后爐腹處冷卻壁下部銜接示意

爐腹區(qū)域的工況極其惡劣，既有極高溫度并且多變的熱流破壞，又承受著高溫煤氣流及渣鐵造成的機(jī)械沖刷，故該區(qū)域的耐材很容易受到較為嚴(yán)重的侵蝕。因此，在高爐的生產(chǎn)過(guò)程中，爐腹區(qū)域絕大部分時(shí)間是憑借冷卻設(shè)備熱面掛渣維持正常工作的，進(jìn)而如何通過(guò)采取適宜的冷卻強(qiáng)度，并結(jié)合合理的爐腹處冷卻結(jié)構(gòu)，使得熱面渣皮能夠快速形成且穩(wěn)定存在，即成為延長(zhǎng)該區(qū)域工作壽命的關(guān)鍵。

此次升級(jí)改造，針對(duì)改造前爐腹處冷卻壁銜接問(wèn)題，應(yīng)用了中冶京誠(chéng)依托多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)的，在薄壁爐型設(shè)計(jì)中，合理的風(fēng)口區(qū)與爐腹區(qū)冷卻結(jié)構(gòu)銜接技術(shù)（即“α 法則”，詳見(jiàn)圖 2），從而能夠保證爐腹區(qū)冷卻壁迅速且穩(wěn)定掛渣，并形成可靠渣皮支撐，同時(shí)爐腹處冷卻壁下部能夠盡量遠(yuǎn)離風(fēng)口回旋區(qū)，在高爐生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，使得爐腹角自身具備一定的自然可調(diào)范圍，延長(zhǎng)此處冷卻設(shè)備壽命。

在應(yīng)用α 法則的同時(shí)，在爐腹和爐腰等高爐熱負(fù)荷較高的部位，也配套了中冶京誠(chéng)研發(fā)專(zhuān)利—新型組合式冷卻設(shè)備，即在鑄鐵冷卻壁熱面配套鑲嵌式銅冷卻條，它在繼承板壁結(jié)合及薄壁爐襯冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，充分發(fā)揮了銅質(zhì)冷卻設(shè)備冷卻效果好的特點(diǎn)，在高爐生產(chǎn)過(guò)程中，銅冷卻條周?chē)軌蛐纬衫喂痰脑?，這部分渣皮相當(dāng)于“錨固釘”，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，由于銅冷卻條間距可根據(jù)設(shè)計(jì)選擇，因此它不會(huì)過(guò)度冷卻，渣皮波動(dòng)小，適應(yīng)操作變化性強(qiáng)[2][3]。

此次升級(jí)改造，在爐腹?fàn)t腰區(qū)域采用新型組合式冷卻設(shè)備，第6～7 段冷卻壁熱面共設(shè)5 層銅冷卻條（見(jiàn)圖3），銅冷卻條熱面與冷卻壁鑲磚間隙填充碳化硅搗打料。改造后，爐腹區(qū)冷卻壁體熱面遠(yuǎn)離爐內(nèi)高溫的風(fēng)口回旋區(qū)域，同時(shí)銅冷卻條自身冷卻強(qiáng)度較大，加之設(shè)計(jì)時(shí)銅條本體凸出冷卻壁熱面50～100 mm，能夠十分顯著地增加冷卻壁熱面形成渣皮的穩(wěn)定性，進(jìn)而更為有效地保護(hù)冷卻壁。

圖3 爐腹?fàn)t腰銅冷卻條布置

1.3 優(yōu)化爐底爐缸結(jié)構(gòu)

爐底爐缸采用“斜直結(jié)構(gòu)”，主要由斜爐缸部分和直爐缸部分共同組成。當(dāng)“象腳”侵蝕形成后，爐缸炭磚還有足夠的安全厚度。而在斜爐缸的基礎(chǔ)上增加直爐缸部分，能夠在高爐改造項(xiàng)目中爐底爐缸空間有限的前提下，充分發(fā)揮斜爐缸的優(yōu)勢(shì)，并最大程度增加爐缸關(guān)鍵區(qū)域耐材厚度。

同時(shí)，在爐底爐缸異常侵蝕區(qū)域采用國(guó)產(chǎn)大塊超微孔炭磚，并在爐缸炭磚熱面設(shè)置抗渣性能較好的塑性相結(jié)合的復(fù)合棕剛玉陶瓷杯。

風(fēng)口組合磚及爐腹?fàn)t腰爐身下部冷卻壁熱面鑲磚采用氮化硅結(jié)合碳化硅材質(zhì)，氮化硅結(jié)合碳化硅磚比剛玉復(fù)合磚的抗堿侵蝕性能有了明顯的提高，具有很高的常溫和高溫強(qiáng)度。其氣孔率、透氣度、導(dǎo)熱性、抗渣、抗堿、抗鐵水熔蝕及抗熱震性指標(biāo)都非常優(yōu)良。

在風(fēng)口組合磚與下部炭磚之間設(shè)計(jì)銅密封板，防止水、堿金屬及鋅蒸汽侵蝕。

1.4 爐體冷卻系統(tǒng)

此次爐體升級(jí)改造，冷卻水系統(tǒng)水量分配基本與改造前一致，同時(shí)為進(jìn)一步加強(qiáng)爐體冷卻，冷卻壁水管管徑由改造前的Φ70×6 增加為Φ76×6，水速約2 m/s，單根水管的水量為23.2 t/h，冷卻比表面積約1.09。此外，由于爐腹、爐腰增設(shè)銅冷卻條，此部分采用中壓凈環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻銅管管徑為Φ60×10，管內(nèi)水速約2.2 m/s，采取5 層銅冷卻條串聯(lián)的形式，供水水頭總共40 個(gè)，銅條間連接水管設(shè)置三通球閥，方便查水和漏水處理（見(jiàn)圖4）。

1.5 完善的爐體檢測(cè)系統(tǒng)

爐體系統(tǒng)自動(dòng)控制與檢測(cè)計(jì)算機(jī)和各種檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為高爐實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽提供了良好的條件，此次設(shè)計(jì)爐體除設(shè)置常規(guī)的溫度、壓力、流量檢測(cè)點(diǎn)外，還設(shè)置有下述主要檢測(cè)項(xiàng)目：

圖4 銅冷卻條串聯(lián)形式

1.5.1 爐頂熱成像儀

設(shè)置爐頂熱成像儀，主要用于觀察爐頂料面處的煤氣發(fā)展情況以及溜槽布料時(shí)的工作情況，同時(shí)其也具備運(yùn)用圖象處理技術(shù)將爐頂料面溫度可視化的功能。

1.5.2 爐底、爐缸內(nèi)襯燒蝕狀況自動(dòng)化診斷與報(bào)警系統(tǒng)

利用預(yù)先埋設(shè)在高爐爐底、爐缸內(nèi)襯耐材內(nèi)部的專(zhuān)用測(cè)溫傳感器來(lái)檢測(cè)高爐此部位的溫度分布，進(jìn)而對(duì)高爐安全生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。此次升級(jí)改造，分8個(gè)方向，每個(gè)方向均較常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)一步增加測(cè)溫點(diǎn)數(shù)，其中爐底3 層67 個(gè)測(cè)點(diǎn)，爐缸9 層180 個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。

圖5 高爐爐底、爐缸內(nèi)襯燒蝕狀況自動(dòng)化診斷與報(bào)警系統(tǒng)

1.5.3 冷卻壁水溫差檢測(cè)與熱流強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)

此系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)且連續(xù)地監(jiān)測(cè)各冷卻壁支管內(nèi)的瞬時(shí)水流量、進(jìn)出水支管的水溫差，并依據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出冷卻壁的熱流強(qiáng)度值。此次高爐升級(jí)改造，冷卻壁水溫差檢測(cè)與熱流強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)共設(shè)40個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，300 個(gè)冷卻壁進(jìn)出水溫度檢測(cè)點(diǎn)。

2 應(yīng)用效果

爐體升級(jí)改造完成后順利投產(chǎn)，高爐投產(chǎn)至今，爐體順行、穩(wěn)定，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，日均產(chǎn)鐵量能夠達(dá)到5224 t，燃料比533 kg/t，焦比（含焦?。?79 kg/t，煤比 154 kg/t，風(fēng)溫 1250 ℃，富氧率 4.8%。目前高爐本體溫度正常，爐腹?fàn)t腰處壁體溫度均維持在70 ℃左右，銅冷卻條進(jìn)出水管水溫差基本在2℃以下。

依據(jù)高爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，高爐爐底爐缸及各段冷卻壁溫度均分布在安全范圍內(nèi)，其中爐基中心點(diǎn)平均溫度46 ℃，爐底平均溫度（炭磚下表面中心點(diǎn)）82 ℃，炭磚平均溫度（爐底第三層及最上層炭磚間）維持在479 ℃，爐缸側(cè)壁大塊炭磚溫度均維持70 ℃～200 ℃范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）爐腹區(qū)冷卻壁上部熱面端點(diǎn)與風(fēng)口中套上沿端點(diǎn)連線(xiàn)，與此處冷卻壁熱面要保證合適的角度α，從而延長(zhǎng)冷卻設(shè)備壽命。

（2）新型組合式冷卻設(shè)備不僅具備了銅冷卻壁冷卻強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有利于掛渣及渣皮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠有效地對(duì)爐腹高溫區(qū)冷卻設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

（3）采用爐底、爐缸“斜直結(jié)構(gòu)”，適當(dāng)加長(zhǎng)“象腳區(qū)”炭磚長(zhǎng)度并配置優(yōu)質(zhì)國(guó)產(chǎn)大塊炭磚加陶瓷杯結(jié)構(gòu)形式，在保證一定冶煉強(qiáng)度的前提下，能夠極大程度延長(zhǎng)高爐壽命。

（4）應(yīng)用爐底爐缸侵蝕模型及水溫差模型等完善的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地監(jiān)控高爐運(yùn)行情況，并能夠有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。