高炉长寿技术的应用及评价

高炉长寿技术的应用及评价北京钢铁设计研究总院1、前言高炉的长寿技术在70年代以后得到了很大发展，如日本在70年代新建和改建的高炉寿命大都在10年以上，最长的是日本川崎千叶6号高炉（内容积4500m3)，于1977年6月投产，到1994年11月以连续运转了17年零4个月，创造了大型高炉长寿的世界记录，其寿命有望达到20年以上。西欧和日本70年代后建的其它高炉寿命也都在10年以上。八十年代以来我国在高炉长寿技术上也有了很大提高，现在也有一批高炉的寿命已有或将要达到8－10年的水平。如宝钢1号高炉、梅山1、2号高炉寿命都已达到或超过8年。“八五”期间我国高炉的设计寿命为8年，“九五”我国高炉寿命的目标为12－15年，因此，应用成熟可靠的高炉长寿技术是一项非常重要的任务。高炉长寿技术是一项综合技术，它与冷却介质，冷却器，耐火材料，合理的设计，施工，高炉的操作与维护及稳定的原燃料条件等密切相关。2、高炉长寿技术的应用高炉长寿技术在我国已得到了广泛的应用和发展，如目前我国新建和改建的高炉大都采用了软水冷却技术、第三代或第四代冷却壁、在关键部位采用优质耐火材料，如在炉缸炉底采用UCAR的小块炭砖和陶瓷杯等，炉身下部、炉腰、炉腹采用碳化硅砖、在操作上以认识到了操作与长寿的关系。2、1冷却设备与冷却系统冷却设备的长寿是高炉长寿的关键，大约在1884年，为延长高炉寿命开始对高炉炉壳采用水冷技术，从那时起直到原苏联人发明了冷却壁，为延长高炉寿命而采用的冷却方式主要是炉壳外部喷水和冷却板。目前高炉所采用的冷却器主要有冷却板、冷却壁部分高炉在炉缸采用炉壳外部喷水冷却。2、1、1冷却板在冷却壁应用之前，高炉风口区及其以上的炉体部位主要依靠冷却板（或冷却箱）冷却。冷却板是呈棋盘式布置插入炉内的，相邻两块间的水平距离通常为冷却板宽的两倍，其层距虽着高度向上由300mm到600mm或更大。冷却板的制造形式也有铸铁冷却板、钢制（焊接）冷却板、铜制冷却板、铜制冷却板有单室单通道、单室双通道和双室六通道。冷却板的冷却特点是每块冷却板单独冷却其覆盖的炉壳表面积。冷却板与炉衬则是相互支持和相互依存的关系。我国宝钢1号高炉所采用的冷却板是非常成功的。在冷却板安装结构、气密性、膨胀补偿、更换方便和维持到炉役末期的能力方面都较好。由于铜冷却板投资高，因此国外用冷却板冷却的高炉，在炉身的中部和上部采用钢制冷却板（箱），以降低投资。80年代后期我国引进了软水和新型冷却壁技术，所上高炉大都是冷却壁冷却型。但是由于我们的操作过于追求产量，发展边缘，使冷却壁凸台过早损坏。这种情况的发生使我们回过头来对冷却板有了新的认识。如本钢4号高炉大修，采用了板璧结合形式，在炉腹炉腰炉身下部用冷却板代替冷却壁的凸台，起支撑砖的作用，避免了由于热应力损坏凸台，导致砖衬剥落的可能，其使用情况很好。所以，目前有一种观点认为，最合理的冷却结构是板璧结合形式。冷却板有固定式和可更换式。固定式一旦损坏难以更换，但可在圆周上满布置，可更换式损坏后可以更换，圆周不能满布置，对砖衬的支撑效果差。我国梅山1、2号高炉所采用的冷却板均为固定式。其高炉寿命已超过8年。2、1、2冷却壁冷却壁应用于高炉风口以上部位原始于苏联，其后世界各地相继引进苏联专利，并逐步改进发展。我国于50年代开始在高炉上采用冷却壁，目前除个别高炉外，冷却壁已广泛地用于高炉各个部位。就世界范围而言，冷却壁冷却的高炉数目已超过半数。采用冷却壁可对高炉进行全炉冷却，并且其热损失比冷却板冷却时小，冷却壁冷却的高炉内型比较平滑，有利于合理的炉料分布和顺行。日本新日铁公司1969年引进苏联冷却壁专利以来，对冷却壁做了多次改进，目前已发展到根据高炉不同部位的需要，分别采用不同结构的冷却壁。该公司从引进原苏联冷却壁（第一代）经历了第二代，第三代发展到目前的第四代冷却壁。第四代冷却壁将冷却壁与炉衬结合为一体，并增加了背部蛇形管和角部管冷却，使每块冷却壁的水管数目达到10根（第一代冷却壁为4根）。第四代冷却壁将“璧”与“衬”合二而一，二者互相保护，互相依存。冷却水管的增加使冷却更加均匀，大大延长冷却壁的寿命。我国“七五”所建的一批高炉基本上采用第二代冷却壁结构，材质采用铁素体基球墨铸铁。“八五”期间建的高炉在关键部位采用第三代冷却壁，其材质仍为铁素体基球墨铸铁。第四代冷却壁的制造难度大，目前我国宝钢已引进日本的第四代冷却壁制造技术，已为宝钢和鞍钢提供了冷却壁，其缺点是价格太高。西德在高炉上进行了铜冷却壁的试验，结果非常令人满意。1978年德国MANGHH与THYSSEN公司合作，开发一项具有重大改进的高炉铜冷却壁。如前所述，冷却板是单独地冷却其覆盖炉壳区域，其优点是可更换，冷却壁是冷却全炉壳，但不宜更换。德国人经过详细的讨论后认为，冷却壁冷却全炉壳的优点站主要地位，其不可更换的缺点是可以通过设计一种特别长寿的冷却壁来克服的，就是说，此种冷却壁的寿命应在30－50年。德国人认为，如此长寿的冷却壁采用铸铁是不行的，日本的第四代冷却壁也难以适合如此长寿的要求，因为冷却壁冷却水管的防渗碳层也是一层隔热层，使冷却壁的温度梯度增大，因而增大冷却壁裂纹的可能。要使冷却壁达到上述要求，有两个问题必须解决，一是冷却壁材质，二是隔热层。德国人的做法是采用250mm厚的轧制铜板，直接在铜板上钻制水孔。试验是在一个2000m3级的高炉上进行的，在一代炉役（10年）中，冷却壁损失最严重部位为3毫米，每年平均损失0.3毫米，由此结果可得出，铜冷却壁的寿命达到30－50年是没有问题的。该公司目前正在进行更经济的铜冷却壁试验，将冷却壁厚由原250减到145，大大减少了成本费用。该公司设计的铜冷却壁与铸铁冷却壁相比，在价格上铸铁冷却壁比铜冷却壁便宜30％，但铜冷却壁的寿命却要比铸铁冷却壁长几倍。另外，钢制冷却壁的研究也是大有可为的，钢冷却壁可避免冷却水管的渗碳问题，其机械性能也优于铸铁冷却壁，价格与铸铁冷却壁相当。铜冷却壁和钢冷却壁的试验研究目前在我国业正在进行，其试验已在高炉上进行，希望不久会有满意的结果。2、1、3风口冷却设备过去我国高炉风口寿命很短，自从80年代后期，消化移植应用宝钢的贯流式风口技术以来，风口寿命已有大大延长，目前在大中高炉上所采用的贯流风口寿命可达一年以上。我国目前的贯流式风口是单进水单出水的结构形式，头部小室，后部为螺旋状通道。西德和日本的高炉目前有的采用双进双出的双腔风口，此种风口的水量较大，但阻损小，故与贯流式风口相比动能消耗大致相同。2、2冷却系统冷却器是靠冷却介质来冷却的，因此，冷却介质的可靠性是非常重要的，在八十年代以前，我国未引进软水技术，高炉的冷却采用工业水，水质差，水管易结垢，造成冷却效果差，冷却壁损坏快。八十年代后，我国引进软水以来，高炉冷却介质有了很大进步，在可靠性和节能节水方面都有了很大进步。国内和国外的理论和实践都充分证明采用软水密闭循环冷却系统是高炉可靠的冷却系统，也是节能节水的。软水冷却系统在国外发展有几十年的历史，西德的高炉大都采用软水作为冷却介质，而日本多采用纯水作为冷却介质。在我国，北京钢铁设计研究总院最早在太钢3号高炉炉腰和下部炉身四段冷却壁采用软水密闭循环冷却系统，继而在国内率先在唐钢、宣钢、邯郸的1260m3高炉和太钢的1350m3高炉上全部炉墙冷却壁采用软水密闭循环冷却系统，目前我国新建和改建的高炉大都采用这一技术。软水密闭循环冷却系统，有下列优点：a、冷却可靠性好。采用软水冷却水管不会结垢，因而它会保持始终如一的冷却效果，此外还可根据需要，维持在较高的欠热度下工作，争加可靠性。b、水量消耗少。软水密闭循环冷却系统中没有任何水的蒸发损失，流失也极少，因此，系统的水量消耗极少，正常补水量仅为系统总量的0.1%。c、动力消耗低。软水密闭循环系统与工业水开路不同，其水泵的工作压力取决于膨胀罐内的充N2压力，而水泵扬程是由系统的管路阻力损失而决定的，冷却水的静压头能够得到充分利用。d、管路腐蚀小，冷却设备检漏方便。在我国目前的情况下，热交换器的价格比冷却塔高，因而，软水冷却的投资比开路投资高些。在冷却环路上，西德GHH和日本新日铁的做法有所不同，西德GHH的做法是全炉冷却壁为一个环路，从下串到上，不能根据各部位的热负荷不同来调整水量，冷却水工作压力较高，管路比较简单。新日铁的做法是将系统分为本体系和强化系，本体系和强化系又分为四个区，强化系又分为三个段，分别可以根据，各个部位热负荷的变化来调节各部分的水量，所有冷却系统尽量降低水压，如有冷却壁损坏，让炉气进入水系统，可方便检漏。我国由于是引进西德技术，所以冷却系统与西德相似，但是宝钢3高炉和武钢3200m3高炉在冷却系统上与西德已有不同，已将冷却系统进行分区和分段。2、3炉衬耐火材料耐火材料质量的好坏是高炉寿命的重要因素，八十年代以前，国内高炉耐火材料的研究很少，一般都是采用高铝砖，粘土砖和普通炭砖砌筑，高炉寿命较短，一代炉役需进行2－3次中修。国外从七十年代开始就对高炉耐火材料进行了大量的研究试验，成功地开发了多种新型高炉耐火材料，使高炉寿命大大延长，出现了十年至十五年的长寿高炉，最典型最成功的是用于炉身炉腹炉腰的Si3N4结合的SiC砖，用于炉缸炉底的微气孔炭砖，如日本的G-11，BC-5，BC-7S，法国的AM-102，AM-101，美国的NMA，NMD，NMS热压小块炭砖，这些都是很好的高炉用耐火材料，特别是美国的热压小块炭砖在我国已有10多座高炉使用。近几年法国SAVOIE公司又开发了陶瓷杯技术，在炉缸炉底炭砖炉衬内砌一层导热性低的陶瓷质耐火材料，阻止热量向外传递，保护炭砖，从而达到延长炉缸、炉底寿命的目的，目前国内已有几座高炉使用。高炉炉身下部、炉腹及炉腰内衬的寿命目前已成为影响高炉长寿的重要环节，在这一部位采用的Si3N4结合的SiC砖效果很好，近几年国外又开发了SIALON结合的碳化硅砖和SIALON-Si3N4结合的碳化硅砖，使用量在逐年增加。八十年代后，我国高炉耐火材料的研究和新产品的开发逐渐得到了重视，现已取得了很大的成绩，开发了一些新型高炉用耐火材料。如,Si3N4结合的SiC砖用于炉身炉腹炉腰效果很好。另外，大块半石墨质、石墨质微孔炭砖的开发，目前已成功，现已进入批量试制和在高炉上试用阶段。性能指标基本达到国外水平的SIALON制品目前也已由洛阳耐火材料研究院研制出。可用来代替Si3N4结合的SiC砖用在炉身下部、炉腹、炉腰。近年来我国还开发了许多国外没有的中国独创的耐火材料，如自培炭砖、半石墨化自培炭砖及微孔铝炭砖、不烧铝炭砖等。根据高炉不同部位，选择性能不同的优质耐火材料，使高炉寿命延长，目前，由于耐火材料影响高炉寿命的部位主要有炉底、炉缸及炉身下部、炉腰、炉腹部位。根据前面所述，这些部位的耐火材料选择范围可概括如下：第一，炉底、炉缸部位：炉底、炉缸的耐火材料有日本的大块微孔炭砖，如G-11、BC-5、BC-7s，法国的AM-102、AM-101，美国的热压小块炭砖NMA，国内可供选择的优质耐火材料有新开发的微孔炭砖，对中小高炉国内已有用自培炭砖的经验。另外，法国的陶瓷杯是可与上面所述的炭砖结合的，砌筑在炭砖内侧的陶瓷砌体，它可防止铁水侵入炭砖表面，从而达到保护炭砖的目的，其特点是低导热率。第二，炉身、炉腰、炉腹：这一部分可供选择的耐火材料有，Si3N4结合的SiC砖，SIALON-Si3N4结合的碳化硅砖，美国的热压小块炭砖NMD、NMS，铝炭砖，目前我国使用最多的是Si3N4结合的SiC砖，SIALON-Si3N4结合的SiC砖国内还处于开发试用阶段。2、4高炉炉衬修补技术高炉的修补技术在国外已有了非常成功的经验，是高炉长寿的关键技术之一。国外高炉寿命都在10年以上，长的达17年以上，这与他们不断对高炉炉衬进行修补是分不开的。国外的长寿高炉已普遍采用了修补技术，其主要优点是不需停炉拆修，只需短期休风即可完成。如韩国蒲项3号高炉，内容积3795m3，在1986年9月用4天时间进行了修补，使原来约7年的寿命延长到约10年。对高炉修补后带来的直接效果