高炉炉役末期维护与监控技术

车玉满，郭天永，姚硕，姜喆，刘炳南，费静

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

我国高炉向大型化、现代化发展迅速，高炉装备达到世界先进水平。铜冷却壁（铜冷却板）、软水或除盐水密闭循环系统的普及应用，使高炉炉身寿命得到大幅度提升。优质耐火材料在炉缸的应用，例如引进美联炭（UCAR）、德国西格里（SGL）、日本NDK炭砖以及国内优质炭砖，使导热系数等指标不断提高，高炉整体寿命得到延长。业界认为高炉长寿目标为，一代炉龄不中修20年，单位炉容产量1.5万t/m3［1］。但是，由于国内企业不断提高冶炼强度，许多大型高炉出现铜冷却壁过早破损等问题，铜冷却壁平均寿命仅7～10年；同时也有一些高炉出现炉缸侵蚀过早、过快的情况，甚至发生炉缸烧穿事故。除少数企业外，我国高炉一代炉役寿命普遍低于12年，还有些企业的高炉一代炉役寿命仅能维持在 4～5 年，远没有达到预期目标［2］。

高炉长寿是一项复杂而综合的技术,与高炉设计、选材、施工质量和日常操作制度及维护密切相关，其中优良设计、规范选材标准、严格施工质量是高炉长寿的基础，但在高炉投产以后，日常操作制度与维护则成为唯一可控手段，尤其炉役末期维护，是保证高炉安全、长寿的重要环节。

1 铜冷却壁损坏后维护技术

自2001年武钢1高炉首次在炉腹、炉腰和炉身下部高热负荷区域使用铜冷却壁开始，我国新建或大修的高炉基本都采用铜冷却壁或铜冷却板，其中使用铜冷却壁居多。虽然铜冷却壁具有导热系数高、在热面渣皮容易形成等优点，但国内绝大数高炉在生产7～9年后均出现了铜冷却壁破损问题，与有关资料介绍一代铜冷却壁寿命可达20年、甚至30年的目标相距甚远。鞍钢高炉铜冷却壁寿命见表1。

表1 鞍钢高炉铜冷却壁寿命Table 1 Longevity of Copper Cooling Staves to BF in Ansteel

通常，当铜冷却壁局部破损后，首先可以采用安装金属软管、安装微型冷却器等措施维护生产；当铜冷却壁大面积破损后，必须采用降料线、整体更换冷却壁措施。

（1）安装金属软管

在破损冷却壁冷却水通道穿金属软管，并在金属软管与铜冷却壁之间的间隙灌浇注料，提高破损冷却壁有效传热能力。但如果浇注料导热系数低，则浇注料不能有效烧结、与冷却壁形成一体。因此，要使用导热系数较高的浇注料，最好使用导热系数达到 15 W/（m·K）的浇筑料［3-4］。

（2）安装微型冷却器

金属软管再被侵蚀后，在冷却壁安装微型冷却壁。以2个微型冷却壁最大间距不大于400 mm为标准，选择需要安装微型冷却壁数量。根据有关资料介绍，微型冷却壁使用效果和使用寿命与使用部位热面煤气温度密切相关。在炉内煤气温度1 200℃以上区域，微型冷却壁的使用效果和寿命均不佳［3］，即在炉腹、炉腰和靠近炉腰的炉身下部区域，当铜冷却壁大面积破损后，不适合采用安装微型冷却壁的方法，最好采用冷却壁更换技术。

（3）更换冷却壁

在炉腹、炉腰和靠近炉腰的炉身下部区域冷却壁大量破损时，最好采用休风降料线更换破损冷却壁。更换冷却壁作业的关键是选择炉壳开孔数量，开孔数量依据炉壳强度计算结果来选择。在新冷却壁安装完成后，一定要在冷却壁与炉壳之间压入硬质耐火材料。

2 炉役末期炉缸维护技术

到目前为止，高炉一代炉役寿命依然取决于炉缸寿命，当高炉进入炉役末期后，保护炉缸炭砖不被进一步侵蚀或减缓侵蚀速度的关键是在其热面形成“永久性”保护层，隔离炭砖与液态铁水的直接接触［5-6］，但如何能够形成永久稳定的保护层，且在保护层脱落后能够快速恢复是关键。

2.1 炉缸炭砖热面保护层组成

迄今为止，炉缸内炭砖热面尤其是铁口以下炭砖热面是否能够形成保护层问题还存在争论。根据鞍钢10座高炉破损调查发现，铁口以下炭砖热面可以形成渣壳保护层，且其组成与铁口以上渣壳存在明显差异，一般组成如下：

（1）金属铁和铁氧化物。当炉缸炭砖被逐渐侵蚀，炭砖剩余厚度变薄，炭砖热阻减小，同时炉缸整体总热阻也减小，炭砖热面温度降低到铁水凝固温度以下时，液态铁水凝固形成以金属铁和铁氧化物为主的凝固层［6］。

（2）石墨C凝固层。当炭砖热面温度降低到铁水凝固温度以下时，铁水会逐渐析出石墨C，石墨C不断结晶，并与熔融状态的金属铁和铁氧化物混合，产生以石墨C为主的凝固层［6］。

（3）渣层。理论上铁口以下区域形成渣层比较困难。已知液态熔渣密度约为2.4 g/cm3，液态铁水密度约为7.0 g/cm3，熔渣密度远小于铁水密度，在铁水浮力作用下，铁口以下区域形成渣壳比较困难，且死铁层越深，铁水浮力越大，形成渣壳越困难。但是，在出铁过程铁口虹吸作用、风口煤气流对炉缸搅拌作用下，铁口上部的熔渣也会沉降到铁口以下，同时，铁口以下死料柱中的焦炭灰分也会部分生成熔渣。由于炭砖内表面温度低于熔融渣铁凝固温度，在炭砖内表面具备形成一定厚度渣壳条件［5-6］。

鞍钢10座高炉破损调查发现，有些高炉铁口以下炭砖虽然已经破损严重，但在炭砖前端形成带有多种颜色凝固层，最厚处可达到800 mm以上，取样并做电镜扫描和化学分析，凝固层成分主要是石墨 C、MFe、FeO，并含有一定量 Al2O3和SiO2，个别高炉还含有 TiN［5］。

2.2 促进炉缸炭砖热面生成保护层方法

2.2.1 控制铁水环流速度

铁水环流速度加快不仅可以加速炭砖中石墨C向铁水中转移，还可以增加铁水对炭砖热面剪切力作用。当炭砖中碳素被碱金属化学侵蚀，煤气中CO分解后所生成的碳素沉积在炭砖表面时，均会使炭砖热面变得脆化、疏松脱离炭砖本体。因此，铁水环流流速对炉缸炭砖侵蚀作用很大，而铁水环流速度与高炉操作制度有密切关系，主要是死料柱的大小和死料柱透液性［7］。

（1）选择合理上下部操作制度

高炉的上下部操作制度不仅决定炉内煤气流的分布，同时也决定炉缸工作状态，影响炉缸炭砖侵蚀速度和炭砖热面保护层的稳定性。下部操作制度要保证风口面积与风量匹配，确保足够鼓风动能和回旋区长度，提高炉内料柱的透液性和透气性，降低铁水环流速度。上部操作制度要保持与下部操作制度同步，维持炉况的长期稳定顺行。

宝钢3号高炉一代炉役很少发生崩料、滑料等异常炉况，也没有发生过悬料，一代炉役期高炉保持长期稳定顺行，为一代炉役寿命达到19年、单位炉容产量 15 700 t/m3奠定了基础［8］。

（2）适度控制冶炼强度

我国大部分高炉操作理念是追求高冶炼强度，随着利用系数提高，沿炉缸侧壁滴落的铁量会增加，同时造成炉缸侧壁铁水环流量和环流速度增加，不仅加剧铁水对炭砖热面的渗透侵蚀，也加剧铁水环流速度对炭砖热面剪切力作用。有关资料报道，冶炼强度与高炉寿命存在线性关系，日本通过高炉利用系数对炉缸铁水环流速度进行了模拟研究，模拟对象为炉缸直径13.8 m高炉，当高炉利用系数分别为 1.6 、2.0 和 2.4 t/（m3·d）时，炉缸内铁水环流速度分别为1.60、2.01和2.41 mm/s，结论是铁水环流速度与利用系数呈1:1线性关系［6］。

（3）加强炉前出铁操作制度管理

炉缸铁口出铁过程中，铁水在铁口区域炉缸内环流加大是造成铁口区域以及铁口以下区域侵蚀的重要因素。目前，一些高炉担心炉缸内渣铁储存多会造成憋风，因而每日出铁次数过多，且每次出铁速度过快，并要求见风后再堵铁口，造成出铁过程炉缸铁水环流速度过快、渣铁液面不稳定。由此，出铁次数和出铁速度要求维持炉缸内铁水液面稳定，维持出铁速度与炉内铁水生成速度一致。建议2000 m3以上的高炉每日出铁次数不多于10次，2000 m3级高炉出铁速度控制在5～6 t/min之间，3000 m3级高炉出铁速度控制在 6 ～7 t/min 之间［6］。

维持铁口深度与高炉死铁层深度相匹配。死铁层深度2.0 m的高炉，铁口深度保证炮泥能够覆盖到铁口中心线以下1.5 m炉墙处；死铁层深度2.5 m的高炉，铁口深度保证炮泥能够覆盖到铁口中心线以下2.0 m炉墙处，用泥包保护炭砖热面不被侵蚀。

2.2.2 冷却水温度影响

冷却水属于不可压缩流体，其物理性能也会随着温度、压力变化而改变。冷却水的理化指标见表2。

表2 冷却水理化指标Table 2 Physicochemical Indexes of Cooling Water

在水的各种物理参数中，温度对密度（ρ）、比热焓（H）、比热容（Cp）、导热系数（λ）、黏度（运动粘度γ）指标都会产生影响。例如，当水温由40℃降低到10℃时，密度增加7.5 kg/m3、比热焓下降125.5 kJ/kg、比热容增加 0.017 kJ/（kg·K）、导热系数下降 0.061 W/（m·K）、运动粘度增加 0.647×10-6㎡/s。

假设某高炉单块冷却壁面积1.856 m2，冷却壁厚度120 mm，每块冷却壁4根冷却水通道，水通道当量直径d=40 mm，单管水流量20 m3/h，水温差0.6℃。当冷却水温度由40℃降低到10℃时，可以多带走2 319 kJ/h热量，相当于0.35 kW/m2，炭砖冷面温度下降26℃。

可见，基于冷却水的物理特性，改变冷却水进水温度对降低炭砖热面温度的作用不大，也就是对炭砖热面形成渣铁保护层的作用不大。

2.2.3 局部增加冷却水量

高炉破损调查发现，存在问题的高炉均是炉缸局部炭砖侵蚀严重，因此，一些高炉在侵蚀严重的区域采用高压工业水或采用管道泵增加局部水量的方法，降低炭砖热面温度、促进炭砖热面形成保护层，控制炭砖侵蚀进程。

在炉役初期，冷却系统的总热阻较大，冷却水与管壁间的对流换热热阻所占的比例甚小，此时增加冷却水量意义不大。

在炉役后期，随着砖衬的减薄，冷却系统的总热阻减小，冷却水与管壁间的对流换热热阻所占的比例逐渐变大，此时增大冷却水量有一定的作用［9］。以鞍钢某高炉为例，不同冷却水量（流速）条件下冷却系统的综合换热能力计算结果见表3。由表3可以看出，冷却水速越大，冷却水与管壁间的对流换热能力越强，则冷却水带走热量增多，炭砖热面温度下降也增多。

表3 不同水速条件下的对流换热系数Table 3 Convective Heat-transfer Coefficients under Different Velocities of Water

可见，增加冷却水量的作用在于使砖衬结构形成相对稳定的温度梯度，使炭砖热面温度达到保护层形成的温度。

2.2.4 使用含钛炉料护炉

使用钒钛炉料护炉的具体方法主要有三种：一是炉顶加入法，二是风口喂线法，三是风口喷吹法。国内大多数高炉采用炉顶加入方法，少部分采用风口喂线法［10］。蒂森克虏伯和迪林根公司采用3个风口不连续护炉喷吹方式［3］。此外，还有些高炉使用含钛炮泥保护铁口区域炭砖方法。

（1）使用含钛炉料护炉效果

鞍钢高炉在停炉大修前1～2年前都采用长期使用钒钛矿护炉措施，基本保持铁水［Ti］含量在0.1%左右。在已经停炉大修的10座高炉破损调查中发现，仅有2座高炉在炉缸侧壁炭砖热面形成大面积含TiC和TiN保护层，1座高炉仅在炉缸侧壁局部形成TiC和TiN保护层，其它高炉无论炉缸侧壁还是炉底的渣铁凝固层中均没有发现TiC和TiN物质。

美钢联、新日铁和宝钢曾发现，使用含钛物料对炉底有护炉效果，而对炉缸侧壁却没有效果；武钢4号高炉第二炉役停炉破损调查发现，加含钛物料对“蒜头状”侵蚀区护炉有效，对其他区域无效［11］。

（2）钛物料护炉效果影响因素

护炉效果差与下列因素有关：①随着死铁层加深，炉缸侵蚀重点已经不在炉底和传统的炉底与侧壁交界位置的铁水缓流和不流动区域，即传统的“象脚”侵蚀区域，而是普遍向上移动到陶瓷垫以上200 mm到铁口下方1.0 m的铁水环流区域，形成“宽脸”形状侵蚀，在铁水环流冲刷作用下，Ti（C，N）不能长期黏附在炭砖表面。② TiC、TiN和Ti（C,N）无法在炭砖表面团聚、长大。③ TiC、TiN和Ti（C,N）不能与炭砖牢固黏结，由于黏结强度与炭砖表面润湿性、完整性有关，同时也与铁水环流速度有关。如果炭砖表面润湿性好、铁水环流速度慢，含钛凝结物与炭砖表面黏附性强；如果炭砖热面出现粉化、疏松、分层等现象，生成的TiC、TiN和Ti（C,N）高熔点物质则难于长期黏附在炭砖表面，容易被铁水环流带走［10］。

（3）使用钒钛矿护炉最佳时机

使用含钛物料护炉是一项成熟技术，但实际护炉效果却存在较大差异，一些高炉取得良好效果，也有些高炉效果不明显或根本无效果，不仅影响炉况顺行，还增加了生产成本。护炉效果不佳的主要原因是，在高炉炉役末期炭砖热面已经出现脆化、粉化，TiC、TiN和 Ti（C,N）不能与炭砖表面有效黏结。因此，护炉最佳时机是高炉投产2～4年后定期使用，保证TiC、TiN和Ti（C,N）在炭砖表面形成永久性保护层。如果炭砖已经出现异常侵蚀，要选择高炉长期休风机会，集中加入钒钛矿，同时配合采取堵破损严重部位局部风口，降低该位置铁水环流速度，增强护炉效果［10］。

3 完善炉体长寿监控系统

高炉大修设计时，都会在炉缸安装一定数量热电偶，采用热电偶法监控炉缸炭砖温度变化，以及在此基础上开发与应用数学模型监控炭砖侵蚀进程。当高炉处于炉役末期，由于热电偶自身质量、维护等原因，原始炉缸炭砖热电偶会有部分损坏，难以准确判断高炉炉缸的侵蚀情况及安全状况。因此，在炉役末期建立全面高效的炉体长寿监控系统是非常必要的。

3.1 增加新热电偶

由于高炉大修设计时安装的原始热电偶均采用埋入法，当原始热电偶损坏后无法更换，因此，需要增加新的热电偶，尤其需要在铁口区域每层炭砖新增加热电偶。

在安装新热电偶时需特别注意钻孔深度，以电偶头能够接触到炭砖为宜，不必钻入太深，防止炭砖出现开裂。电偶安装完后用捣料捣实电偶孔，一是保证电偶与炭砖紧密接触；二是密封电偶孔，防止煤气泄漏，形成煤气通道。

3.2 安装冷却壁单管进出水温度计

由于新增加炭砖电偶只能做到单点单支，无法采用常规方法建立传热数学模型，还需要安装冷却壁单管进水和出水高精度温度计。尤其在铁口区域的每块冷却壁进水管和出水管处，均需安装高精度温度计，在线检测每块冷却壁进、出水温度，根据每块冷却壁中冷却水流量和冷却壁面积，间接计算热流强度，结合热电偶法中热电偶温度，推算炉缸炭砖剩余厚度［12］。

3.3 安装炉壳无线温度计

在炉役末期，当原始热电偶损坏后，由于受出铁主沟以及其它环境因素限制，有些区域安装新的热电偶和安装冷却壁单管进、出水温度计比较困难，为消除检测盲区，需要在炉壳安装无线磁性温度计，实时在线检测炉壳温度，温度数据通过无线发射装置传输到高炉主控室一级计算机系统中，实时远程监控炉壳温度。

3.4 加强炉缸炭砖侵蚀综合判断

利用新增加电偶、炉壳测温、水温差等检测数据，建立包括保护层、炭砖、捣打料、冷却壁、炉壳的完整传热体系，建立炉缸侵蚀监控系统，建立炉壳温度、水温差、热流强度三级预警标准值，以数据表格、趋势曲线等形式监控炭砖侵蚀进程，及时向高炉操作者和管理人员提供炉缸内的侵蚀程度，为采取有效护炉措施提供依据，延长炉役末期寿命。

为提高炉缸炭砖侵蚀综合判断结果准确性，需要完善炉役末期传热模型输入参数。炉缸侵蚀传热模型最重要输入参数有两个：一是炭砖和碳素捣打料的导热系数。由于进入炉役末期，炭砖受到渗铁、碱金属化学等侵蚀作用，二者的理化指标会发生一定变化，需要采用以往停炉大修后破损调查所取检测的同类型炭砖和碳素捣料导热系数，同时由于导热系数不是常数，而是温度函数，需要对导热系数事先做拟合计算或采用拉格朗日插值法进行预处理。二是检测数据。由于检测数据有时会出现缺陷或产生虚假值，在输入模型前需要对孤立点数据和不完备数据做预处理，过滤误差数据。

4 结语

我国大型高炉目前存在的主要问题是一代炉役寿命过低，平均不足12年，而铜冷却壁寿命平均7～10年，已经成为制约安全生产和降低成本的关键因素。高炉长寿是一项复杂的系统工程，除了提高设计和施工标准外，还应该重点提高日常维护技术和操作水平，其中关键环节是提高炉役末期炉缸维护技术和炉体长寿监控技术水平，有效延长炉役末期寿命，保证高炉安全受控。