李朝旺 段新民 张洪海 王聪渊 郭喜斌

（河钢乐亭钢铁有限公司）

摘  要  通过分析影响高炉长寿的主要因素。认为设计因素是高炉能否实现长寿的根本和基础。提高高炉的设计水平是实现高炉长寿的根本所在。重点从优化炉型、耐材结构、冷却系统设计。以及自动检测与控制体系等方面。就如何实现高炉长寿进行了阐述。建议①随着高炉大型化发展，高径比炉身角和炉腹角都有减小的趋势。死铁层深度，建议达到炉缸直径的20%-25%。②炉缸、炉底耐材配置采用优质碳专家陶瓷杯的组合结构形式。

关键词  高炉  长寿 设计  高径比  死铁层  碳砖  

实现高炉长寿是现代大型高炉不断追求的目标，而在影响高炉长寿众多因素中，设计因素是高炉实现长寿的根本和基础。本文重点从优化炉型、耐材结构、冷却系统设计，以及自动检测与控制体系等方面，就如何实现高炉长寿进行了阐述。

1  国内外高炉长寿状况

近年来，随着我国钢铁工业的发展，新建或大修改造高炉的容积已趋向大型化，但高炉一代炉役平均寿命还不到十年，甚至有开炉2~3年就被迫大修的案例。全国仅宝钢、武钢、首钢等先进企业的高炉一代炉役寿命实现了10~15年以上的长寿目标。而国外高炉的平均寿命水平相对比较高，一代炉役，（无中休）寿命可达15年以上，部分高炉达到20年以上，例如安塞乐米塔尔厂1号 高炉（4415m³）实现了28.5年的寿命，日本川崎公司千叶6号高炉（4400m³）和蒂森克虏伯S/W 2号高炉（5513m³）都取得了20年以上长寿的业绩（见表1）。因此，如何实现我国高炉长寿，尤其是大型高炉的长寿成为迫切需要探讨的问题。

2  高炉内衬破损机理及影响寿命的关键部位

2.1  内衬破损机理

（1）炉身上部：①炉料在下降过程中对内衬的冲击和磨损；②煤气流在上升过程中对内衬的冲刷和磨损；③碱金属，锌蒸气和沉积碳的侵蚀等。

（2）炉身中下部及炉腰：①碱金属，锌蒸气和沉积碳的侵蚀；②初成渣的侵蚀；③热震引起的剥落；④高温煤气流的冲刷等。

（3）炉腹部位；①渣铁水的冲刷；②高温煤气流的冲刷等。

（4）炉缸炉底部位；①铁水对碳砖的渗透侵蚀，造成炭砖热面脆化，物理性能下降；②热应力的破坏；③碱金属的侵蚀；④铁水环流、熔渣对碳砖的机械冲刷和化学侵蚀；⑤ CO2 /O2/H2O的氧化等。

2.2  影响寿命的关键部位

结合生产实践和高炉各部位的侵蚀机理，可以确定影响高炉一代炉役寿命的薄弱环节主要集中在两个区域：一是炉身中下部以及炉腰、炉腹部位，该部位对应炉内料柱的软熔带和滴落带，热负荷较高；二是炉缸部位。改部位是高炉内衬破损最严重的区域之一，一代炉役时间长短也主要取决于该部位内衬的寿命长短，大量事实表明，高炉被迫大中修，绝大部分是因为炉缸内衬侵蚀严重造成的。

3  影响高炉寿命的主要原因

（1）设计因素。高炉设计中如何选用合理的炉型、优质的耐火材料性能优良的设备高效合理的冷却系统等方案。都会对高炉一代炉役寿命造成影响。

（2）施工质量。施工质量尤其是耐材的砌筑质量是近年来发生炉缸烧穿事故的主要原因之一。砌筑过程中对砖缝尺寸的把握和碳素捣打料捣打致密度的检测没能严格执行标准，开炉后会很快造成铁水或碱金属的渗透和侵蚀，严重缩短炉缸寿命，因此高炉施工过程中应严格按标准施工，保证施工质量。

（3）原燃料条件。精料是实现高炉长寿的基本条件，一方面在高冶炼强度高煤比条件下，原燃料质量的波动必然导致炉况波动，从而破坏炉体砖衬。影响高炉寿命，特别是焦炭的粒度和强度，要保证达到相应炉容的要求，确保炉缸下部死焦堆具有良好的透气性和透液性，以减轻铁水环流对炉缸侧壁碳砖的冲刷侵蚀。另一方面入炉料有害杂质含量的高低也直接影响高炉一代炉役寿命，《高炉炼铁工程设计规范》。兑入炉料有害杂质的含量作了明确要求，尤其是K2O+NA2O≤3.0KG/T。ZN≤0.15公斤每吨要得到保障。国内一些新先进企业。例如，宝钢对入炉碱金属的要求是（K2O+NA2O）≤2KG/T，更有利于促进高炉长寿。

（4）高炉操作。高炉操作对高炉寿命的影响主要体现在三个方面，一是对高炉煤气流的控制，例如适当控制边缘气流，减少煤气流对炉墙的冲刷，是有利于高炉长寿的，二是合理匹配热制度、造渣制度、装料制度、送风制度和冷却制度，确保高炉盛行，杜绝崩料，悬料等炉况失常。减少洗炉作业对长寿是有利的，三是国内大部分高炉投产后过于追求达产达效速度，造成炉缸热应力不能得到释放，炉缸砖衬及缝隙没有得到二次陪烧固结，最好事先冶炼一段时间（10~20）天的高硅铁后，再提升高炉生产指标。

（5）炉体维护技术。 炉体灌浆技术，炉身喷涂造衬技术。钛矿护炉技术等都是延长高炉寿命的有效措施，高炉生产过程中必须建立一套严格的长寿控制和管理体系，制定一系列有效预防措施，借助先进的监控体系，对高炉的运行状况进行实时监控。

以上五种因素共同决定了高炉寿命的长短，缺一不可，但是设计因素是高炉能否实现长寿的根本和基础，是高炉长寿的先天因素，因为高炉一旦建成之后，炉型及耐材配置等已经无法改变，想要通过后续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，因此，提高高炉的设计水平是实现高炉长寿的根本所在。

4  高炉长寿设计探讨

4.1 优化炉型

随着高炉大型化的发展，炉型设计发展的总趋势是向矮胖型高炉发展，即加深死铁层深度、降低炉腹角、炉身角和高径比。笔者对国内外300多座不同容积高炉的炉型参数进行了统计分析。

（1）高径比。随着高炉大型化的发展，高径比有逐渐减小的趋势，如图一所示。高径比减小后，高炉内料柱高度降低，原燃料在炉内下降过程中的内摩擦力以及炉料与炉墙之间的摩擦力相对减小。高炉料柱阻损降低，透气性改善，有利于改善高炉顺行状况，为实现高炉长寿和提高冶强创造条件。表2为项钟庸推荐的不同容积高炉高径比的取值。与图1中高径比与炉容的变化趋势基本吻合。

（2）炉腹角和炉身角。由图2可以看出，随着高炉炉容的扩大，炉腹角有逐渐减小的趋势，实际高炉开炉后，炉腹部位的耐材很快就会侵蚀掉，主要靠形成稳定的渣皮进行工作，现代大型高炉一般将炉腹角控制在80°以下，并且有进一步减小的趋势，3000立方米以上高炉已经接近75度，减小炉腹角，不仅有利于炉腹部位煤气流的顺利上升，减缓炉腹部位的热流冲击，还有助于在炉腹区域形成比较稳定的保护性渣皮，延长高炉内衬和冷却设备的工作寿命。

《高炉炼铁生产技术手册》中提出炉身角设计范围为81°至85°随着炉容的扩大炉身角取值应适当减小炉身角的大小处于炉料下降和煤气流上升过程中的分布状态有关外还取决于高炉入炉料结构特点例如烧结矿的膨胀量，在入炉料结构中所占比例较大时炉身角可适当大些；球团矿、赤铁矿和褐铁矿的膨胀量较大，在入炉炉料结构中所占比例较大时，炉身角可适当小些。各企业在设计过程中应根据高炉实际入炉炉料结构特点对炉身角大小进行优化设计。例如，欧洲某些采用高比例球团结构的高炉采用两段式炉身角设计，即在炉身上部增加一处折角，同时下部适当加大炉腰直径，即可适应球团矿的低温还原粉化和还原膨胀特性，又有利于控制高炉上部煤气流，改善煤气利用。

(3)死铁层深度。高炉投产后，炉缸、炉底耐材的侵蚀速度直接影响着高炉一代炉役寿命的长短。国内外大量研究和生产实践表明，炉缸、炉底耐材的侵蚀与炉缸死焦堆的工作状况有直接关系。当死焦堆直接坐落在炉底时，出铁过程中铁水只能沿死焦堆与炉缸间的缝隙做环流运动，对炉缸侧壁产生强烈的冲刷，加剧了炉缸侧壁耐材的侵蚀速度，导致炉缸出现象脚状侵蚀，当死焦堆在炉缸内呈悬浮状态时，出铁过程中铁水会在整个炉底表面通过，大大缓解铁水对炉缸侧壁的冲刷，想要使死焦堆呈悬浮状态，就必须提高铁水对死焦堆的浮力，而铁水浮力与炉缸内积存铁水的深度有关，因此有必要适当加深死铁层的厚度。起到即可延长炉缸寿命，又有利于高炉顺行的作用。

欧美及日本专家建议，将死铁层深度提高到炉缸直径的25%以上。日本高炉死铁层深度最大，最高达到炉缸直径的30%。表3是国内典型长寿高炉死铁层深度与炉缸直径的比值结合欧美日本及国内典型长寿高炉实践，笔者建议从有利于高炉长寿的角度考虑，将高炉死铁层深度控制在炉缸直径的22%~25%为宜。

4.2  优化耐材结构

（1）炉缸炉底设计理念。主要有以下几点。

——炉缸炉底结构设计时应遵循从上到下、从内到外导热系数逐步加大的设计理念，便于铁水保温和砌体热量的排出。

——设计过程中应充分考虑碳砖出现碳素沉积、氧化、侵蚀时的等温线。使等温线远离炭砖。①当热面温度高于450摄氏度时，会出现碳素沉积；②当热面温度高于650度时，会出现碳氧化；③当热面温度高于1150度时，会出现最严重的砖衬侵蚀，这种侵蚀是由高温铁水的渗透、冲刷、压力等原因造成的。

——选择与炉缸碳砖相匹配的碳素捣打料，并提高捣打料的导热系数，防止炉内出现热阻层。

——炉缸炉底采用碳砖加陶瓷杯复合结构时，碳砖与陶瓷杯之间需设计合理的膨胀缝，一方面保证陶瓷杯的自由膨胀，另一方面降低碳砖与陶瓷杯之间的冷热面温差，降低炉墙热应力。

（2）常见的炉缸炉底耐材配置形式，炉底耐材配置，目前大多数高炉都采用了优质碳砖上部砌筑陶瓷垫的结构形式，这种形式经实践证明是非常成功的。目前几乎没有因炉底耐材出现问题而被迫大修的高炉，表4是我国不同容积高炉常见的炉底耐材配置形式。其中，大型高炉炉底通常设计为五层炭砖结构，最上一层以国产或进口优质超微孔炭砖为主。

炉缸侧壁耐材的配置形式主要包括：热压小块炭砖、大块碳砖和碳砖加陶瓷杯壁复合结构三种形式。

热压小块炭砖配置是在炉缸冷却壁内表面砌筑质量优良的热压小块炭砖，在高炉正常生产时，靠碳砖表面形成稳定的渣铁凝固层来抵御炉缸内渣铁的冲刷、热应力破坏、碱金属侵蚀等破坏作用。虽然国内也有部分高炉炉缸使用小块炭砖后取得了较长寿的业绩例如宝钢三号和首钢一号、三号高炉采用了进口UCAR碳砖的砌筑形式，一代炉役寿命都超过15年，但是使用小块炭砖砌筑时砖缝较多，整体结构稳定性差，生产中一旦一块砖脱落或产生缺口，其他的炭砖也会跟着脱落。这种结构对耐材施工、原燃料条件、高炉长寿管理等要求比较严格。因此，随着近年来炭砖技术的改进和发展、高炉冶炼条件越来越苛刻，热压小块炭砖这种结构形式已越来越少见。

大块炭砖配置是在炉缸侧壁砌筑优质的微孔炭砖或超微孔炭砖与冷却壁之间填充炭素捣打料，目前世界上最长寿的高炉采用的就是这种耐材配置形式，这种耐材结构形式对碳砖的质量要求非常高，要求达到微孔或超微孔级，靠碳砖本身优良的抗压强度抗侵蚀性和导热性能来抵抗碳酸所承受的各种破坏作用，高炉开炉后，借助合理的冷却传热体系，很快会在碳砖表面形成一层稳定的渣铁凝固层，靠这层渣铁凝固层来延长耐材的使用寿命。

炭砖加陶瓷杯壁复合结构是在炉缸侧壁碳砖热面砌筑一层刚玉质陶瓷内衬，炭砖与冷却壁之间填充炭素捣打料，陶瓷杯与碳砖之间填充刚玉质陶瓷浇注料。这是目前国内大型高炉炉缸侧壁耐材配置最为常见的一种结构形式，它是依靠陶瓷内衬具有优良的抗渣铁和化学侵蚀性能，将1150摄氏度铁水凝固线及800~1100摄氏度炭砖脆变温度区间尽可能压往炉内，以防止大块炭砖的环裂，以此来延长炉缸耐材的使用寿命。通常在铁口下易出现异常侵蚀的炉缸区域采用进口超微孔大块炭砖来替代国产炭砖，进口炭砖主要以SGL炭砖和NDK炭砖为主。采用此种耐材配置形式时，由于陶瓷杯和炭砖的膨胀系数差别较大，陶瓷杯与炭砖之间膨胀缝的处理很关键，处理不好久会成为铁水渗透，碱金属侵蚀的通道。

（3）炉身下部及炉腰、炉腹部位耐材选择。炉身下部及炉腰、炉腹部位是整个高炉内部工况条件最为恶劣的区域之一，也是炉内冷却设备破损最为严重的区域，在此区域内机械冲刷化学侵蚀、热震等破坏机理同时存在，宜采用强化型铸铁镶砖冷却壁铜冷却壁、铸钢冷却壁或密集型铜冷却板，也可采用冷却板与冷却壁并相结合的形式。所选耐材应具有抗渣铁侵蚀性强、耐冲刷、耐高温、耐磨、抗氧化等性能，通常包括：高铝装、刚玉砖、铝碳砖、SIC砖、Si3N4-SiC砖、SIalon结合SIC砖、Sialon结合刚玉砖等。 

（4）炉身上部耐材选择。炉身中上部主要承受炉料冲击，煤气流冲刷磨损，碱金属侵蚀及碳沉积作用，该部位宜采用镶砖或镶砖倒扣型冷却壁，镶砖多选择高致密度的黏土砖、进磷酸粘土砖或高铝砖。

4.3  优化冷却系统

高炉长寿生产实践表明，再好的耐材也难以经受住高炉内恶劣的物理、化学侵蚀，必须借助良好的冷却系统，尽快在高炉耐材内表面形成稳定的渣铁凝固层来抵抗各种侵蚀。高炉冷却方式主要有高压开路水水冷却、软水密闭循环冷却、汽化冷却和外部喷淋冷却四种，目前高炉设计中普遍采用的是软水密闭循环冷却和高压开路水冷却相结合的冷却方式。

合理的冷却系统设计，一方面是冷却壁的冷却强度要具有可调节能力，并大于炉体热负荷，否则一旦高炉局部温度出现异常，将无法进行有效的护理措施。另一方面是不能按照正常设计的炉衬厚度来计算炉缸区域热负荷，应当按照高炉炉衬剩余到一定厚度（一般按400MM考虑）时作为设计炉缸热负荷的依据，因为高炉投产后随着陶瓷杯的侵蚀，炉缸热负荷要远远高于炉缸砖衬完好时的热负荷。不同的冷却壁材质和炉缸砖衬材质，其性能不同，合适的热流强度和冷却强度也有所不同，需要依据具体条件进行优化设计。宝钢3号高炉一代炉役寿命接近19年，其长寿理念是将高炉炉缸热负荷控制在8000~10000 MJ/H。

4.4  自动检测与控制体系

高炉自动检测与控制体系是实现高炉长寿不可缺少的技术措施。

（1）炉缸炉底温度在线检测已成为监控高炉炉缸炉底侵蚀状态的重要手段，也是建立炉缸炉底侵蚀模型的必要条件。利用在炉缸炉底铺设的若干支在线检测热电偶，随时检测炉缸炉底冷却设备和炭砖温度，对铁口下方1.5~2M范围内最易发生侵蚀的关键部位可以考虑密集布置检查电偶，避免出现检查盲区，最后借助于数学模拟计算和计算机软件系统将温度数据转换成炉墙耐火材料的厚度。

（2）基于炉腹、炉腰和炉身中下部冷却壁的热负荷数据，对高炉炉墙进行三维传热建模。量化其挂渣能力，裸露标准，建立不同高炉的操作炉型及挂渣厚度模型，自动分析渣皮生成~脱落周期，为高炉操作人员随时掌控炉况提供参考依据。

（3）水温差及热流强度在线检测技术，通过对高炉冷却系统运行状况的监测，包括水量、水压、温度、水温差等，可以得出高炉不同区域的热流强度和热负荷等参数。

（4）炼铁大数据、炼铁智能化、高炉专家系统等新技术的应用，使高炉长寿得到了进一步的保障。

5  结语

（1）设计因素是高炉能否实现长寿的根本和基础，是高炉长寿的“先天因素”，提高高炉的设计水平是实现高炉长寿的根本所在。

（2）随着高炉大型化发展，高炉高径比、炉身角和炉腹角都有减小的趋势，炉缸死铁层深度建议达到炉缸直径的22%~25%。

（3）影响高炉一代炉役寿命的关键部位主要集中在炉缸区域，建议炉缸、炉底耐材配置形式采用优质炭砖加陶瓷杯的组合结构形式。

（4）冷却系统是实现高炉长寿的有力保证，生产中通制定与高炉冷却结构相匹配的冷却制度，来确保高炉热负荷处在正常控制范围之内。

（5）高炉长寿是一项长期的系统工程，有必要利用先进的数字化监控体系对高炉运行状况进行实时监控。

6  参考文献

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