大型高炉长寿冷却壁维护关键技术研究与验证

廖海欧

1.前言

随着高炉大型化的发展，高炉冷却壁长寿一直是热门课题。冷却壁长寿不仅关系到高炉本体的长寿，还直接影响一代炉龄高炉生产的经济技术指标。同样，冷却壁的长寿不仅是设备制造、材料等方面的技术，也是高炉冶炼设备的综合技术，是炉壳制造及均匀应力、冷却壁制造及再造维护、生产使用及操作稳定、入炉炉料及有害元素总量均衡控制等全系统协同作用的结果。

冷却壁长寿技术一直是难题，难就难在验证难。首先是高炉冷却壁安装在炉内，无法直接观察其工作状况及劣化趋势。其次是一代炉龄15年左右，在大时间跨度内对高炉设备运行进行全过程跟踪、验证、对照、数据分析，同样也是难题。

马钢进行持续对运行10年的A高炉冷却壁运行、破损、维护等状况进行持续跟踪调研，并结合制造、操作、维护等措施的效果确认，以及与同期建设投产的B高炉进行对比分析，验证了围绕国产高炉冷却壁的长寿目标，采取系统控制的有效性。同时结合生产实践大数据统计，验证了当今国产冷却壁制造、维护技术是完全可以满足实现大型高炉15年以上长寿目标要求的，并且实现20年的目标也是极有可能的。

2.马钢两座4000m3高炉运行效果验证

马钢两座（A、B）4000m3高炉，分别于2007年2月8日和2007年5月24日投产，高炉作业率一直保持在99%水平。冷却壁破损一直平稳可控，没有加速恶化，在线再造微创维护工程应用技术基本成熟，尤其是B高炉实现15年以上长寿目标已经没有困难。

按照国内4000m3以上高炉投产顺序，马钢两座大型高炉排序为第六、第七。当时国内特大高炉冷却壁制造技术还处于模仿阶段，设计制造没有统一的标准，冷却壁长寿制造技术开发还处于成长期，有较大的进步空间，国产冷却壁运行维护的设备制造配套技术也处于探索阶段。

十余年来，马钢围绕2座4000m3高炉的稳定生产运行目标，聚焦国产冷却壁长寿，提出了保高炉安全稳定顺行，保2座4000m3高炉主要经济技术指标维持高水平，保高炉作业率99%以上、高炉利用系数2.1以上、燃料比≤520kg/t铁，保15年长寿等设备稳定运行管理目标。率先提出了长寿冷却壁维护管理量化指标，提出了实时监控每座高炉冷却壁3002个供水点，明确了冷却壁可控漏水点≤60个即2%的维护控制目标，导出攻关课题，探索解决路径。

马钢应用红外成像技术监控炉壳温度场的变化，提出要有效控制炉壳温度不超标≤70℃，在确保炉壳适度的冷却强度前提下，最大限度的减少冷却壁的漏水量。同时采取“穿管”、安装冷却柱等系列综合措施恢复“无漏冷却”。在保证当期生产稳定顺行的前提下，既及时控制冷却壁漏水，又保证了高炉炉壳一定的冷却强度，将冷却壁与炉壳统筹管理。据2017年底统计，A高炉发现破损漏水点61个，及时维护修复46个；B高炉发现破损漏水点32个，及时维护修复14个，实现了预期目标。

3.国产马钢A 高炉长寿冷却壁运行情况调研

A 高炉于 2004 年初完成设计，同年 12 月热风炉动工建造，2007年 2 月 8 日高炉点火开炉，9 日顺利出第一炉铁水。开炉 20 天后，高炉利用系数达2.26t/m3·d，实现顺利开炉达产。除2014年初出现了一次使用劣质炉料而引发的炉况较长时间的大幅波动外，高炉总体保持了稳定顺行，到2017年12月6日（计10.67年），单位炉容铁水量为 8450t/m3，达到中小高炉一代炉役大修的产铁水平。由于热风总管破损，2017年12月6日安排大规模年修，借此机会对国产A 高炉冷却壁长寿运行进行调研，验证炉体建设、冷却壁在线再造维护、生产操作及入炉原料有害元素等对国产长寿冷却壁的影响。见图1。

图1 A高炉十年运行生产经济技术指标 kg/t,t/m3.d

马钢2007年初投产的2座特大型高炉，模仿宝钢高炉建造。炉壳由马钢冶建制造（舞阳BB503钢板），铜冷却壁由山东鲁宝制造，球铁冷却壁由武汉冶建制造，灰铁冷却壁由漯河冶机制造，高炉耐材内衬，以及1层高导热炭砖、2、3、4层半石墨炭砖、5～14层陶瓷杯、15～19层半石墨炭砖，都达到是当期2500m3高炉的最好国产制造水平。

3.1高炉炉壳及长寿冷却壁的炉型完整验证

高炉凉炉到一定水平后，打开炉顶检修孔进行检查拍照，发现高炉内型基本规整，没有冷却壁壁体整块缺失及严重变形和熔蚀，也没有局部粘结、结瘤。8～15段绝大部分耐材及冷却壁镶砖全部侵蚀完。高炉炉壳完整，未出现炉皮开裂，脱焊以及局部煤气泄漏等状况。高炉冷却壁的热面主要以煤气磨损为主，冷却壁材质变化较大的交界处13 段（铜冷却壁向球墨铸铁冷却壁过渡）与17 段（球墨铸铁向灰口铸铁过渡，镶砖向倒扣过渡）的侵蚀程度较其他段相对严重。

3.2球铁长寿冷却壁的侵蚀验证

16段冷却壁鑲砖筋条壁较完整，但出现了较多裂纹，且鑲砖筋条被磨损了15～35mm（剩余30～50mm）。表明了含尘煤气流的冲刷磨损破坏作用明显。

15段冷却壁鑲砖筋条中上部磨损了20～30mm剩下45～55mm，下部磨损较多只剩10～30mm。另外整个冷却壁壁体裂纹多，尤其是与14段连接部位，龟裂严重，但无小块脱落现象。

14段球铁鑲砖冷却壁总体外观较规整，但壁体纵裂、龟裂、磨损、局部壁体脱落、小块壁体缺失等较严重，近50%冷水管裸露。

13段球铁鑲砖冷却壁总体外观也较规整，但磨损变形最为严重的25根水管漏水，占整个高炉61个漏水点的41%。测量发现，该段60块冷却壁长度普遍增加了2～10mm，宽度增加了1～5mm。下部为铜冷却壁，是冷却强度的过渡段。

3.3长寿铜冷却壁基本完好的验证

12段铜鑲砖冷却壁总体外观良好，冷却壁燕尾槽内部的镶砖已经脱落。冷却壁没有发生开裂、熔蚀以及烧损等现象，镶砖筋条出现部分磨损。

11段铜鑲砖冷却壁好于12段，但冷却壁燕尾槽内部的镶砖已经脱落。10段以下冷却壁几乎没有磨损。

4.长寿冷却壁使用效果验证分析

4.1冷却壁的破损原因

主要在高炉冶炼过程中，含尘气流冲刷及炉料的磨损导致。

4.2冷却壁材料耐磨性能要求不同

由于强化冶炼耐材炉衬对冷却壁的保护很快消失，加上炉身、炉腰、炉腹等各个不同区域的温度、炉料工况的差异，使得冷却壁材料耐磨性能要求不同。

4.3冷却壁材料的耐磨性与环境

冷却壁材料的耐磨性与炉内冶炼的工作环境，以及不同区域的热流强度不一致。适度的冷却强度与材料的耐磨性能有效协同，才能够满足长寿的要求。

4.4调研验证

调研验证了保持较为完整的10～12段铜冷却壁，其热面有少量的磨损，侵蚀最多的是12段，上部缺失17mm左右，下部缺失26mm左右。这对20年的长寿炉龄不构成威胁。

调研验证了有害元素对铸铁冷却壁的破损有一定影响。从壁面、壁间及背面进行取样分析，发现碱金属沿高炉高度方向的分布上下都较高，中间软熔带的位置较低，最高在炉腹区达到8%以上。炉体炉身锌含量较高，9段的锌只有2%，而14段达到40%以上。炉腹、炉身锌元素达15%左右。

调研验证发现，有害元素在高炉周向分布不均匀，其中在1号铁口与4号铁口分布相对较多，两个方向炉体侵蚀也相对严重，与四个铁口出铁的均匀性有内在的联系。

年修效果跟踪验证，A高炉年修投产后一年（2019年初），炉缸1号铁口区域碳砖温度预警，降负荷维持生产，且更换的三代（13、14、15）180块球铁冷却壁出现15个漏水点，2020年又出现21个漏水点。对比没有检修更换的B高炉，在炉役后期保持高水平稳定生产状况下，2年仅新增加了25个漏水点。

5.长寿冷却壁协同保障验证

5.1高炉炉壳及炉体应力稳定是冷却壁长寿的基础

针对高炉炉壳裂纹导致煤气泄漏的安全隐患，我们在马钢大型高炉建设时，重点强调了炉壳应力消除的设计制造质量要求，并认真落实，特别引进应力消除设备，对炉壳的每条组装焊缝及时进行了应力消除。2座高炉运行近15年来，至今没有炉壳本体煤气泄漏状况，炉体四周的煤气浓度安全达标。

为了发挥炉壳与冷却壁的协同作用，马钢提出保持炉壳在合适的温度下安全运行，实现高炉炉壳整体的热应力均匀，不因局部应力波动而加速冷却壁破损速度，以有效遏制高炉中后期漏水冷却壁数量快速增加的趋势，在保证生产稳定的同时，实现冷却设备的稳定运行。其措施是使用红外监控检测炉壳表面温度，同时开发系列冷却壁在线再造维护设备及维修装备，以及严格控制炉壳温度不超70℃的工程应用技术路径及技术措施，并总结出炉壳表面不同温度阶段，进而采用精准的恢复冷却维护措施。这是国产冷却壁满足长寿高炉生产的最直接、最科学、最经济的路径。见表1。

5.2有效控制破损冷却壁壁体侵蚀是冷却壁长寿的关键

围绕冷却壁在线再造有效控制炉壳温度的维护技术措施，开发了高炉冷却壁两次穿管（￠45、￠25）恢复“无漏冷却”，保持炉壳温度不超标及延缓破损冷却壁壁体侵蚀的专利技术，效果得到了验证。

同时，开发了高炉冷却壁 “微创”镶嵌高强冷却柱再造 ，恢复“无漏冷却”的同时实现了冷却柱与残留冷却壁体相互保护，协同延缓破损冷却壁壁体侵蚀，及始终保持炉壳冷却强度，实现温度不超标的专利技术，效果验证良好。

围绕冷却壁在线再造技术，开发了能够满足现场高效实施的金属软管、高强耐磨旋流冷却柱。尤其是新型复合材料的冷却柱发明专利技术，在线使用2年实现了无损，验证效果大大超出预期，值得同行推广应用。

5.3控制入炉有害元素的总量均衡是冷却壁长寿的保障

高炉炼铁生产按照节能减排新要求，正向“经济料入炉”及“固危废循环入炉”转变。为适应这一转变，2015年12月马钢2座4000m3高炉先后建立了炉底应力监控模型，使固废、危废科学“入炉”后可以迅速找到高炉稳定顺行操作的平衡点，大大减少了炉况的波动，协同保护炉体的各种侵蚀破损，也为高炉冷却壁长寿提供了有益的保护。见图2。

图2 炉底应力实时检测数据变化验证

通过应力曲线数据分析，进一步提高固危废循环入炉的认识。如锌、碱有害元素对高炉炉缸砖衬破坏作用是炼铁界的共识，但一直没有量化标准。通过首先停用OG泥进行验证，期间炉况及炉底板应力均相对稳定；通过量化的应力数据找到了锌、碱元素与炉况的对应关系，及时准确优化了有害元素入炉控制标准，5年来高炉的稳定性日趋良好。2019至2020年连续生产13年的后期B高炉在长期保持高水平经济运行指标的生产状况下，仅新增加了55个漏水点，且每年入炉循环消化炼钢污泥72000吨。

表1 炉壳应力智慧控制路径验证

6.国产长寿冷却壁制造技术进步方向

目前我国钢铁产能已是全球第一，特大型高炉也最多。大型高炉都安装有千余块冷却壁，冷却壁的破损无法避免。冷却壁破损通常只有两种情况：一种是偶发破损，另一种是必然破损。从长寿冷却壁的视角分析，必须区别对待、精准施策。

偶发原因：千余块冷却壁在制造、运输、安装、使用、维护中，由于不确定因素造成个别冷却壁破损漏水属正常情况，不必上升到“长寿”的高度来处理，只需通过在线再造维护修复，同样能够长寿。本文5.2已有充分验证，该装备制造的维护技术也日趋成熟，值得推广应用。

必然原因：炉身下部1112131415层冷却壁，承受了固体炉料冶炼成液态产品时剧烈的物理化学反应的冲击；温度的波动、炉料的磨损、气流的冲刷、有害元素的侵蚀等等，都是在高冶强生产条件下必须承受的洗礼。通过A高炉国产冷却壁长寿运行调研验证，11、12段采用的铜鑲砖冷却壁完全能满足长寿需要，15段以上鑲砖球铁冷却壁也基本可以满足长寿需要。

为了实现关键的13、14段炉身冶炼炉料固液变化波动区域中少部分冷却壁长寿，可以结合我国制造技术的进步，进行量身定制，克服短板效应，实现高炉冷却壁系统长寿20年的目标。使用复合材料、多管制造技术以及该区域冷却强度的精准控制技术，增加系统的、针对性的少量投入，可以彻底解决国产冷却壁长寿技术难题。

7.长寿冷却壁智慧生产展望

实现高炉冷却壁长寿目标是高炉炼铁设备人共同的理想追求。然而高炉冶炼生产是复杂的物理化学反应，是一个庞大的系统。高炉长寿从设备角度看主要是冷却壁、炉缸耐材两大部分，但更是炉壳及炉体、炉缸维护、冶炼操作协同作用的结果。马钢2座孪生高炉13年来的生产实践，已经验证了国产冷却壁的长寿效果，同时也明确了长寿高炉及冷却壁破损维护的研究方向。

开发炉缸智慧出铁模型对大型、特大型高炉尤为重要。A炉调研验证了冷却壁可以年修更换，却意外发现了损害的炉缸。1号铁口的碳砖温度超标，也验证了其铁口上方冷却壁侵蚀趋势同步严重的内在联系。当今已经进入大数据时代，大型高炉生产操作技术日趋成熟，入炉原料的稳定，操作制度的稳定，结合五年炉底应力模型及炉体各种参数，智慧出铁模型可以指导生产操作做好4个铁口均匀出铁，保持炉缸耐材的侵蚀均匀，同时也可以协同铁口上方冷却壁冲刷磨损趋势的均匀，为特大型高炉系统长寿提供了新的方向。

我国已经是全球制造业最完整的国家，有条件量身定制研发出满足高炉炼铁生产需要的长寿冷却壁。如针对冶炼炉料固液变化波动区域的、关键的少部分冷却壁进行研发破除短板，满足复杂工艺及维护要求的新材料、复合材料，新导热结构、新冷却方式等，进行集成创新，以实现高炉冷却壁长寿二十年的目标。

大型炉窑的应力变化是设备长寿不可忽略的因素之一，应力场数据配合温度场数据，共同分析炉缸的工作及侵蚀状况，为高炉长寿及大中修提供更准确的依据。同时也为大型高炉活跃炉缸提升产能，准确掌握各铁口的工作状况，采集应力数据结合出铁量等数据，创新开发《智能炉缸均匀侵蚀模型》，为高炉装备提供新的智能长寿控制技术。