一、研究的背景与问题

高炉炼铁具有很高的生产效率和能源利用效率，是目前世界上最主要的炼铁生产工艺，目前我国有95%以上的铁水由高炉工艺生产。在“双碳”发展战略下，保障大型高炉高效、安全、长寿是推进钢铁企业绿色低碳、安全发展的关键环节。

当前，高炉炉缸炉底在高效化冶炼、炉料波动、炉况变化、有害元素富集及冷却条件不稳定等因素影响下，普遍在生产6~10年后便逐渐出现较严重的炉缸侵蚀或破损，被迫降低冶炼强度或采取加钛护炉、堵塞风口、降低生产负荷、提高炉温等护炉措施，进而导致高炉产量降低、燃料比上升，铁水质量下降，严重影响了高炉技术经济指标。

长期以来，从根本上彻底解决炉缸侵蚀问题通常需要高炉进行停炉大修实施炉缸炉底换衬重砌，大中型高炉重砌炉缸不仅工期长（90天以上）、投资大（3000万以上），而且对配备大中型高炉的钢铁企业而言，将不可避免的导致上下游工序物质流和能量流出现阻滞或断流，烧结、球团、焦化、炼铁、炼钢、轧钢工序产能不匹配，大量工艺设备闲置，全流程生产组织失衡，影响全流程高效运行和企业经营效益。

近年发展起来的炉缸内衬浇注修复技术，高效、可靠、低成本地延长了高炉寿命，但因一系列技术风险一般仅应用于小型高炉的局部浇注，在本项目之前无大中型高炉实施炉缸整体浇注修复先例。大中型高炉的炉缸整体浇注修复亟需从提高修复效率，安全高效残铁，炭砖利旧保护性炉缸清理，浇注炉型精准优化重构，浇注修复后高炉送风恢复等方面做出重大技术进步，才能有效规避技术风险，减小炉缸修复对全流程生产组织平衡的影响，保障浇注修复后高炉长周期、重负荷、安全高效运行。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目针对大中型高炉在炉役中后期普遍存在的炉缸炉底内衬严重侵蚀，制约高炉强化冶炼和指标提升的问题，提出了不切割炉壳开“扒渣门”条件下实施炭砖利旧、整体浇注修复的成套解决方案。该技术以高炉炉缸低碳高效修复为原则，在不破坏炉壳整体结构、最大化利用炉缸未侵蚀炭砖的前提下，利用不定型耐材浇注修复技术，实现对炉缸局部侵蚀部位的修补强化，并以全方位整体浇注的方式解决炭砖砌筑炉缸普遍存在的不耐渣铁渗透侵蚀问题，最终达到支撑大中型高炉高强度重负荷冶炼和高炉长寿的目标，本项目首创提出了一整套大型高炉炉缸内衬结构优化、界面优化和功能优化的“无过热-低应力”整体修复技术体系。最终自主研发出一整套集安全、环保、低碳、高效、长寿优势于一体的大型高炉炉缸低碳高效整体浇注修复工艺技术，并在多座2500m³以上高炉上应用推广。项目技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图

三、主要创新性成果

1、基于高炉炉缸多场耦合三维数字化仿真技术和高炉死料柱原位实测分析，探索了砌筑型炉缸与浇注型炉缸的铁水流场、温度场、应力场之间耦合作用关系及其差异，并与高炉不同炉役工况条件下的原始设计炉型、侵蚀后炉型以及浇注后的可能侵蚀炉型进行了对比分析，解析并揭示了高炉炉缸流场、温度场和应力场多场耦合的协同优化规律及其调控机制，为浇注型炉缸的优化设计及工程应用提供了理论支撑。

首创了大型长寿高炉长期服役后，炉缸内衬结构优化、界面优化和功能优化的“无过热-低应力”炉缸内衬修复技术体系。基于炉缸侵蚀机理和侵蚀特征，结合浇注耐材与炭砖性能差异，对炉缸浇注修复工艺进行了定制化完善，消除了局部热阻和应力集中对炉缸结构强度的威胁。

创新了以“无过剩界面应力”为核心的低热阻、低应力、低流速、高抗铁的炭砖-浇注料异种、异形耐材匹配理念。构建了结构稳定、传热温度场合理的浇注型炉缸安全长寿新技术体系。针对浇注修复后不同类型耐材结合界面增多，界面形状趋于复杂不规则的特点，利用浇注耐材性能多样化和浇注炉缸内型更加灵活的优势，实现了浇注耐材的个性化选择和浇注炉缸内型的针对性优化、强化，有效避免了界面应力集中，抑制了铁水环流导致的炉缸侵蚀。

图2浇注型炉缸三场耦合协同优化

图3  浇注型炉缸三维仿真模拟研究

2、开发并应用了高炉炉缸侵蚀炉型高效精准定位技术：研发了高炉炉缸内衬侵蚀数字化三维扫描动态成像及精准定位技术；探索并应用了高炉快速降料面技术、组合式高效凉炉专利技术、残铁口精准定位技术、残铁沟优化布局等操作关键技术，为提高炉缸残砖利旧率以及炉缸整体浇注修复质量和效率提供了保障。

本项目开发并应用了高炉快速降料面技术，通过精准控制风温、风量和雾化冷却水量等降料面参数，采取炉身氮气保护等措施实现了煤气全回收条件的零爆震快速降料面停炉；采用“氮气+脉冲式打水”组合式可量化凉炉技术即加速了炉缸冷却又避免了过度打水对炭砖的破坏；通过“侵蚀测算+红外测温+无线贴片”方式综合准确判定残铁口标高，确保炉缸残余渣铁最大限度排出炉外，减轻炉缸清理工作量；“两直段+缓冲池+转向岛”残铁沟布局设计在增强安全性的同时残铁流动顺畅，后期易清理；全方位立体式炉内施工安全防护专利技术所涉及的安全防护网搭设时间可控制在2小时以内；应用三维激光扫描手段，高效精确定位高炉炉体内型及炉缸侵蚀炉型的剖面图和三维轮廓图，实现对炉内侵蚀严重区域的精准定位，实现数字化成像技术与数值仿真技术耦合。

采取上述系列技术后实现了炉缸渣铁残留量＜5%、凉炉时间＜80小时、炉缸清理工期＜8天的技术目标。

图4  安全高效停炉、凉炉及侵蚀炉型定位技术应用

3、建立了完整的炉缸内衬修复、功能再造的量化评价技术体系和方法。据此体系优化选择了功能匹配、性能合理的炉缸浇注耐火材料及其结构，发明并应用了高炉炉缸浇注用异型模具及浇注方法，开发出炉缸内衬浇注后侵蚀监测模型。

本项目发明专利“一种高炉炉缸浇注用异型模具及浇注方法”解决了炉缸构造复杂部位（铁口）的浇注施工难题，并提高了浇注施工效率。本项目应用了基于侵蚀调研的炉缸炉型、材质个性化重构，象脚区斜模浇注，炉缸浇注区与炉身喷涂区倒角过渡，浇注体埋设热电偶重建侵蚀模型，铁口区直玄浇注，炉底应力消除等多项原创技术。

在对高炉炉缸实施高效浇注修复的同时，解决了浇注体应力释放，异常侵蚀区结构强化，复杂结构炉缸侵蚀模型重构等问题。铁口区浇注重构后日常维护打泥量下降达30%以上。

在炉缸炭砖利旧整体浇注修复中实现了同质异构、异质异构内衬结构界面技术的协同优化和耦合匹配。定制化的耐材选择、炉型优化和浇注方法的综合应用实现了炭砖利旧条件下大型高炉炉缸整体浇注修复的高质、高效、长寿，为浇注修复后高炉重负荷强化冶炼奠定了坚实基础。

图5  高炉炉缸定制化精准浇注修复技术应用

4、研发出适宜于浇注修复高炉的炉缸安全高效排水技术，发明了高炉热风管系及热风炉保温装置及方法，创新了高炉高效低碳冶炼关键技术，有效缩短了烘炉时间，提高了生产效能，实现了炉缸修复后高炉高效低碳、安全稳定运行。

开发出炉缸浇注内衬安全高效排水技术，炉缸浇注体安全高效排水技术，彻底杜绝了开炉初期铁口喷溅问题，保障了浇注体安全、稳定、耐侵蚀。

发明了热风管系和热风炉保温装置及方法，研发并应用烘炉导管精准布置技术及高效烘炉工艺，实现了高炉长期休风和炉缸整体浇注修复条件下的快速送风恢复，高炉大修开炉送风2.5小时以内热风温度即可达到 800℃以上。快速高效的烘炉导管设计及烘炉工艺技术，保证了炉底浇注层的烘烤效果，烘炉时间缩短至 72 小时以内，有效缩短烘炉时间提高生产效能。

图6  浇注型高炉快速送风恢复及低碳高效冶炼技术

创建了一套高炉炉喉煤气分布量化评价体系，基于高炉炉喉煤气分布的量化，实现了高炉煤气分布精准调控。创新了以高炉炉缸渣铁滞留表征炉缸活跃的新方法，并自行设计了一套模拟炉缸渣铁协同穿过焦床层的检测高炉炉缸活跃性的系统、方法及装置。上述技术支撑形成了适用于浇注型高炉的炉况操作匹配技术，深入挖掘和发挥了浇注型高炉的优势，大中型高炉在浇注后取得了利用系数明显提升和燃料比显著降低的效果。

四、应用情况与效果

大型高炉炉缸低碳高效整体浇注修复技术应用后，达到了解决炉缸安全隐患、延长炉缸寿命的目标，避免了炉缸烧出、高成本护炉或提前结束炉役重砌炉缸等异常状况，高炉炉役中后期技术经济指标也得到保障和提升，避免了大型高炉大修对全流程生产组织平衡的巨大影响。

大型高炉炉缸低碳高效整体浇注修复技术，在不开“扒渣门”不破坏炉壳整体结构的前提下，实现了2500m³以上大型高炉炭砖利旧条件下的快速整体浇注修复，优化了炉缸炉型，强化了炉缸结构在消除炉缸安全隐患的同时，促进了高炉重负荷高强度冶炼，首钢股份1号、2号（2650m³）、3号（4000m³）高炉成功实现炭砖利旧条件下的炉缸整体浇注修复，利用系数可达2.71t/(m3•d)，燃料比降至495kg/t，取得了显著的应用实绩，3座高炉每年累计经济效益达2.05亿元。

图7  高炉砌筑修复与炭砖利旧整体浇注修复对比

采取高炉炉缸炭砖利旧整体浇注修复工艺技术，使高炉炉缸大量未侵蚀残余炭砖得以再利用，首钢股份高炉炭砖利旧率达85%以上。另外，浇注修复后炉缸安全性能的改善使得高炉无须护炉操作，高炉燃料比大幅度降低。根据GB21370-2008碳素产品能源消耗限额标准和首钢股份高炉浇注前后燃料比实际变化测算，以上两方面可使首钢股份3座高炉3年累计减排CO2 78.8万吨。

项目发表期刊论文20篇，其中SCI/EI检索10篇；申请专利14项，其中发明专利9项。经中国钢铁工业协会组织专家进行成果评价，该成果整体达到国际先进水平，其中残铁口精准定位、炉缸浇注内衬安全高效排水技术达到国际领先水平，具有行业示范性。

大型高炉炉缸低碳高效整体浇注修复技术目前已在北京首钢股份有限公司3座高炉（2650m³×2+4000m³）以及首钢集团下属的通化钢铁、伊利钢铁所属的高炉推广应用，生产实践表明该技术成熟、可靠、易实施且效果显著。在目前炭砖砌筑炉缸使用寿命普遍不足10年的情况下，该技术高效、可靠、低成本的特点使其极具推广应用价值。