原作者:许美兰 出处:(设计研究院)
【论文摘要】分析国内外高炉采用优质水(软水或纯水)冷却，发挥先进设备和先进技术的优势，取得10年以上长寿高炉的显著效果。结合武钢1、2、3号高炉的实际情况，分析其寿命不长的原因之一是冷却水的水质太差，水量不足，冷却强度不够，酿成冷却设备过早损坏，直接影响高炉长寿。提出延长武钢1、2、3号高炉寿命的技术措施是将高炉冷却水改为软水，采用新型冷却设备和新型耐火材料，可望延长高炉寿命10年以上无中修。
1 概 况
目前国外高炉寿命已达10年以上，以日本为首的高炉更为突出，名古屋1号高炉(容积3890m3)寿命13年10个月，一代炉龄产铁量9600t/m3，大分2号高炉(容积5070m3)寿命11年10个月，产铁量7813t/m3，广烟4号高炉(容积2950m3)寿命达15年以上，产铁量超过9373t/m3，千叶6号高炉(炉容4500m3)寿命达16年1个月以上，产铁量大于10700t/m3。这些高炉的冷却普遍使用了优质水(软水或纯水)。
我国长寿的大型高炉，如宝钢1号高炉4063m3，高炉装备引进日本君津3号高炉技术，自1985年9月15日投产以来，各项技术经济指标跨入世界先进行列，寿命可达10年以上。梅山冶金公司的1号高炉(炉容1083m3)和2号高炉(炉容1250m3)，采用了一些先进技术和设备，而大多是常规设计、设备和材料，在获得高产、优质和低耗的同时，高炉也长寿，1号高炉寿命9年11个月，产铁量6000t/m3。2号高炉1986年12月27日投产，寿命达9年以上，产铁量大于5380t/m3。国内这两家高炉长寿，都使用了纯水冷却。
武钢5号高炉(炉容3200m3)引进卢森堡PW公司软水闭路循环冷却技术，自1991年10月份投产以来，系统运行正常，冷却设备仅发现2块勾头壁下部一根水冷管损坏，寿命可达10年以上。武钢4号高炉(炉容2516m3)技术改造性大修，采用了5号高炉冷却技术，1996年9月28日投产，预计高炉寿命达10年以上无中修。
2 武钢1、2、3号高炉长寿取得的初步成效
武钢1、2、3号高炉容积分别为1386m3、1536m3、1513m3，自1958年建炉以来，在历次大、中修中采用了一些先进技术和先进设备，高炉生产实现高产、优质、低耗。生铁合格率达100%，入炉焦比450kg/tFe，高炉利用系数季平均创1.91t/m3·d以上。同时高炉长寿取得比较好的成绩。
2.1 炉底寿命达10年以上
武钢高炉炉底寿命见表1。其中1号高炉炉底第一代寿命达20年零4个月。水冷全碳砖炉底，由于碳砖导热性好，能使炉底侵蚀长期稳定在一定的平衡界面上，因此长寿。该技术已在全厂推广应用。
2.2 炉身向长寿方向发展
2.2.1 结构
取消炉身上部支梁式水箱，改为2段勾头3段镶砖冷却壁结构，砖衬与冷却壁之间不留膨胀缝，砖衬厚920mm，炉身无冷却壁,外炉壳喷50mm喷涂层，其结构见图1。此种炉身结构稳定性好，炉型合理，炉身寿命较长，武钢1～3号高炉全部改变成这种结构，炉身寿命比以前明显延长，由平均4.5年延长到6年左右。
2.2.2 内衬耐火材料的选用
表1 武钢高炉炉底寿命
炉
别 |
炉底结构 |
炉缸直径
m |
服役日期
年、月、日 |
服役时间
年、月 |
高炉
代数 |
1
号
高
炉 |
炉底厚5.6m，中心高铝砖，周围碳砖 |
8.2 |
1958-09-13～1978-10-16 |
20年4个月 |
一代 |
| 炉底厚2.4m，中心高铝砖0.8m厚，底和周围碳砖，水冷 |
8.2 |
1978-12-06～至令 |
已服役18年
6个月 |
二代 | <
2
号
高
炉 |
炉底厚5.2m，底和周围碳砖，中心高铝砖,风冷 |
8.4 |
1965-02-30～1981-08-08 |
17年 |
二代 | <
| 炉底厚2.4m，炉底和周围碳砖，中心高铝砖厚0.400m，水冷 |
8.9 |
1982-06-15～至今 |
已服役15年 |
三代 | <
3
号
高
炉 |
底厚3.2m,底和周围碳砖，中心高铝砖厚1.6m，水冷 |
8.6 |
1977-05-20～1991-12-22 |
14年7个月 |
二代 | <
| 炉底厚2.4m，底和周围碳砖，中心高铝砖0.400m厚，水冷 |
8.6 |
1993-06-25～至今 |
已服役4年 |
三代 | <
4
号
高
炉 |
炉底厚3.1m，底和周围碳砖，中心高铝砖厚0.800m，水冷 |
10.3 |
1970-09-30～1984-07-11 |
13年9个月 |
一代 | <
| 炉底厚2.4m，底和周围碳砖，中心高铝砖厚0.400m，水冷 |
10.3 |
1984-11-01～1996-05-01 |
11年6个月 |
二代 |
图1 武钢1～3号高炉炉身结构
|
由原来单一的粘土砖或高铝砖，增加为SiC、铝碳砖、磷酸浸渍粘土砖等，满足高炉内衬各部位侵蚀机理不同的需求，以延长高炉内衬寿命。
2.2.3 冷却设备的改进
取消边框灰铸铁冷却壁，改横贯筋条式冷却壁，材质选用球墨铸铁，牌号为QT40-20，其材质的性能见表2。
表2 球墨铸铁冷却壁材质器械性能平均值 |
| 项 目 |
抗拉强度
N/mm2 |
延伸率
δ5% |
冲击韧性
J/cm2 |
硬 度
HB |
| 平均值 |
414 |
21.1 |
15.9 |
143.9 |
| 最高值 |
450 |
25 |
18.5 |
153.7 |
| 最低值 |
389 |
18 |
10.4 |
137 |
球铁的使用消除了Fe3C分解开裂问题，且延展性和强度都能满足高炉使用的要求。球墨铸铁导热性比灰铸铁低得多，所以应提高冷却强度。在炉缸部位，由于热负荷较低，温度变化较小，从节约成本和加强导热考虑，冷却壁的材质选用低铬灰铸铁。
冷却壁的镶砖改为Si3N4结合的SiC砖，水冷管采用了防渗C技术，浇铸温度≤1220℃，水管喷砂除锈至管壁表面呈现金属光泽，再刷0.1～0.2mm厚的防渗C涂料。
2.2.4 改进了炉身供水方式
高炉冷却用普通工业水，炉身冷却设备供水，由原来苏联设计的4根供水立管，以等速等量、平均分配的供水方式，改为分段配置供水包，加强了炉腹、炉腰、炉身下部的冷却，高炉操作者可根据高炉各部位热负荷的不同，灵活调节阀门的开启度，达到计划用水。炉腹冷却壁由1段改为2段，供水头增大1倍，即供水量增大1倍。炉腹(2段)、炉腰和炉身下部(3段)冷却设备，采用单进单出供水，加大冷却水量，提高冷却强度，取得炉身寿命延长1.5年的效果。
2.3 高炉的操作与维护
在高炉顺行方面，采用了一些先进技术，如中心加焦、焦丁混装、原料上双层振动筛、钒钛矿护炉等技术。
但是，高炉寿命并不长，炉身一般在3～5年就需中修一次，一代炉龄之间需要2～3次中修，见表3。给企业带来巨大的人力、物力和经济损失。现以武钢3号高炉(炉容1513m3)为例，计算3次中修带来的经济损失：
表3 武钢高炉炉身寿命 |
| 炉别 |
投产日期
(含大、中修) |
中修停炉日期
(含大修) |
炉身役期
月 |
1
号
高
炉 |
1958-09-13 |
1962-06-14 |
45 |
| 1962-07-09 |
1965-11-16 |
40 |
| 1970-04-10 |
1978-10-16 |
102 |
| 1978-12-16 |
1983-10-05 |
58 |
| 1983-12 |
1987-12-10 |
48 |
| 1988-01-07 |
1991-04-18 |
39 |
| 1991-05-18 |
1993-03-17 |
21 |
| 1995-10-16 |
至今 |
2
号
高
炉 |
1959-07-13 |
1963-10-31 |
51 |
| 1963-12-13 |
1965-06-01 |
18 |
| 1965-08-30 |
1971-05-25 |
69 |
| 1971-06-22 |
1975-08-10 |
50 |
| 1975-09-13 |
1981-08-07 |
71 |
| 1982-06-15 |
1985-03-15 |
33 |
| 1985-04-20 |
1991-11-20 |
80 |
| 1991-12-16 |
至今 |
3
号
高
炉 |
1969-04-09 |
1976-11-22 |
103 |
| 1976-12-20 |
1982-12-08 |
72 |
| 1983-04-01 |
1986-12-09 |
44 |
| 1986-12-26 |
1991-12-22 |
60 |
| 1993-06-25 |
至今 |
4
号
高
炉 |
1970-09-30 |
1974-02-17 |
40 |
| 1974-10-16 |
1977-10-5 |
36 |
| 1977-11-09 |
1981-04-10 |
41 |
| 1981-05-14 |
1984-07-11 |
38 |
| 1984-11-01 |
1988-12-10 |
49 |
| 1989-01-16 |
1993-02-27 |
54 |
| 1993-09-07 |
1996-05-01 |
32 |
| 1996-09-28 |
至今 |
(1)减铁量计算
高炉一年工作日取355天(昼夜)，高炉检修时间为大修50天(昼夜),中、小修30天(昼夜)。若3号高炉利用系数取1.8t/m3·d则90天减铁量为：
1.8t/m3·d×1513×90d=2.45万t
减铁引起减钢，减钢引起减材，连锁反应损失无穷。
(2)中修费投资
高炉一代之间取3次中、小修，每次投资5000万元，则中修投资为5000×3=1.5亿元。由此可见，改进高炉冷却水质，延长高炉寿命的意义深远。
3 武钢高炉寿命短的原因
3.1 高碱负荷对炉衬带来的危害
高炉破损调查发现，武钢高炉碱负荷高达8～10kg/t，炉内存在严重的碱富集，这是影响武钢高炉炉况不顺，生产水平不很高，砖衬破裂较快的原因之一。砖衬的过早破坏导致冷却设备在炉内的过早裸露，在热震、冲刷、侵蚀的环境下，冷却设备很快破损。冷却寿命短是高炉寿命短的根本原因之一。
3.2 冷却用普通工业水
3.2.1 水质差
武钢1、2、3号高炉冷却水系取自长江水源经明渠到平流沉淀池进入5号水站供1、2、3号高炉。
这种普通工业水中含Ca、Mg、Na、Fe等盐，其中Ca盐、Mg盐是结垢的主要成分，以Fe(OH)3形态存在的Fe盐，结垢后引起水管腐蚀；水中O2气使管子产生麻点，起腐蚀作用；CO2气体促使腐蚀加剧，铁的主要化合物Fe2O3等是结垢的主要成份。水中的硅盐等也是结垢的成份之一；水中有丁螺、鱼虾等，还有有机物的腐败物，工业废水等；含有大量的泥土、砂砾，工业废物。水中悬浮物高达1200mg/L，最大达1300mg/L冬天129mg/L，正常436mg/L，总硬度(8.69-6.28)°dH。工业水分析见表4。
冷却设备使用工业水冷却，水管内易造成水垢，1mm厚的水垢可造成100～200℃的温差，这会引起局部过热而烧坏冷却设备。最经济可靠的解决办法是采用软水闭路循环。
表4 武钢普通工业水分析(1987.7.21取样) |
| 名 称 |
最 大 |
最 小 |
一般值 |
| pH |
8.2 |
7.4 |
8.1 |
| (ss),mg/L |
750 |
80 |
200 |
| 总硬,°dH |
8.19 |
6.56 |
7.01 |
| Ca硬,°dH |
6.45 |
5.75 |
6.10 |
| 总碱,mgN/L |
2.3 |
2.05 |
2.20 |
| Cl-, mg/L |
15.0 |
8.87 |
10.0 |
| SO=4,mg/L |
40.5 |
12.1 |
28.28 |
| 全固形物,mg/L |
927 |
207 |
400 |
| 溶解固形物,mg/L |
227 |
127 |
201 |
| 水温,℃ |
32 |
8 |
20 |
3.2.2 水量不足
5号水站对高炉的供水能力：6台(20SA-10-1)水泵，名牌供水量4700t/h，由于水
泵与马达不配套，实际出水量4100～4200t/h。而3座高炉生产实际供水量：1、2号高炉各为3200t/h，3号高炉为2500t/h，合计8900t/h。若冷却水速以2.0m/s，冷却壁内水冷管直径取60×6，则一座高炉的理论用水量为7000t/h左右，可见，由于冷却水量不足，引起内衬和冷却设备过早损坏。
3.3 开路冷却所配用的冷却设备的弊端
工业水冷却的冷却设备，因受结构的限制，水冷管为4根Ø44.5×6的蛇形管，该水管截面积偏小，冷却强度不足。为提高球墨铸铁冷却壁的寿命，应扩大水冷管直径为Ø60×6(或Ø70×6)，冷却壁应采用5号高炉冷却壁结构，即4进4出。
3.4 质量问题
设备、材料、施工质量不同程度存在问题，生产任务重，大、中修赶工期、抢进度，忽视质量把关，酿成高炉短寿的先天隐患。
4 提高1、2、3号高炉寿命的技术措施
4.1 改进水质，采用软水闭路循环
软水中Ca、Mg等阳离子含量降低，或基本上除掉。武钢软水分析见表5。采用软水闭路循环系统，冷却设备不易结垢，可以大大改善冷却效果。武钢5号高炉采用软水闭路循环系统对高炉冷却设备、炉底、风口以及热风阀、倒流休风阀等进行冷却。实践总结出该系统具有以下优点：
①不产生蒸汽和汽塞，工作稳定可靠;
②不结垢，不堵塞管路，冷却效果好，冷却设备寿命长;
③节能，节水。
要解决1、2、3号高炉长寿，应移植武钢5号高炉软水冷却技术。
表5 武钢软水分析(1989.9.30取样分析) |
| 名称 |
数值 |
名称 |
数值 |
| pH |
8.5 |
全固形物，mg/L |
171 |
| 灼烧碱量，mg/L |
55 |
悬浮物，mg/L |
2.5 |
| 全硬度，°dH |
0.03 |
全碱度，mg N/L |
2.1 |
| 氢氧碱度,mg N/L |
0 |
耗O2量，mg/L |
0.96 |
| 铁离子，mg/L |
0.024 |
铜离子，mg/L |
O |
| 钙离子，mg/L |
0.03 |
Cl-,mg/L |
10～15 |
| SO4，mg/L |
20～30 |
PO≡mg/L |
0.26 |
| SiO3=，mg/L |
10 |
Na,mg/L |
65 |
| 电导率，μV/cm |
270～300 |
水温，℃ |
15～32 |
图2 炉身冷却壁
图3 新日铁第四代冷却壁
图4 法国新型C形冷却壁
图5 炉身的冷却系统
图6 日本铜冷却板
4.2 采用与冷却系统匹配的冷却设备
4.2.1 冷却壁
①移植5号高炉炉身镶砖冷却壁，其结构见图2。该冷却壁采用球墨铸铁铸成， 其平均抗拉强度为395N/mm2，平均延伸率为22%，耐热震性好。该冷却壁从设计到加工制造以及施工管理，都已取得成功经验，移植工作方便可靠。
②开发新型冷却壁。新型冷却壁即加强角部冷却，减少水管距离，又着重解决了冷却壁对砖衬的支撑问题，所以能延长冷却壁的使用寿命。第一种：把内衬砖同冷却壁一起铸成整体，以铸件本体的筋板保护砖衬，增强了耐火砖的支撑能力，延长内衬烧损时间。新日铁第四代冷却壁属于这种型式，见图3。第二种是“C”型冷却壁，该冷却壁带有双勾头，可有效地支撑砖衬；冷却壁的水管一般为76，冷却壁是预砌砖，基本是砖壁合一型式，增加砖衬稳定性，节省检修时间等。法国福斯厂有两座高炉采用这种冷却壁，其结构见图4。第三种是：双层冷却壁，则由铜冷却板和常用的冷却壁组成，其特点是，当第一层损坏，第二层仍有效地保护炉皮。日本水岛4号(第二代)采用双层冷却壁系统，实践证明能有效地延长高炉寿命。
4.2.2 采用冷却壁与冷却板相结合的复合式结构
日本千叶6号高炉，将铜冷却板分三段插入冷却壁中间支撑砖衬，该冷却系统自高炉投产以来已生产12年，还在继续生产，见图5。梅山1号高炉于1985年9月停炉大修，在炉身下部采用炭捣打冷却壁和钢板冲压焊接空腔扁水箱结合的复合式结构。炉身中部采用钢板冲压焊接空腔方水箱，各部位的砖衬仍为粘土砖。扁水箱伸入炉内，既有砖托的作用，又有保护冷却壁的效能，生产5年多，炉身下部炉皮完整无损，未出现过炉皮过热和发红现象。
4.2.3 采用密集式铜冷却板
君津3号高炉使用密集式铜冷却板炉身结构，高炉寿命达10年零8个月。铜冷却板是四通路，见图6。该高炉又使用了六通路冷却板，炉身下部冷却板间距由468mm改为312mm。1986年4月投产，预计高炉寿命可达15年。宝钢1、2号高炉均采用了铜冷却板，其中1号高炉已连续生产了5年多。
4.3 选好炉身下部(包括炉腰)的耐火材料
4.3.1 Si3N4结合的SiC砖
日本新日铁在高炉上的试验表明，SiC砖用于炉身下部，蚀损速度最慢，粘土砖的蚀损速度是Si3N4-SiC砖的6倍，刚玉砖蚀损速度是Si3N4-SiC砖的4倍，见表6。鞍钢6号高炉1985年12月在炉身下部使用了SiC砖，1987年1月检测，使用15个月，平均月蚀损率为3mm，使用5年效果良好，冷却壁只损坏3块。但应正确认识和使用SiC砖，宜把它作为导热材料，紧贴冷却壁贴1～1.5块砖厚，外面复盖常规粘土砖。
表6 炉身下部试验砖蚀损率测定结果 |
| 耐火砖品种 |
砖原始厚
度，mm |
平均月蚀损
率，mm/月 |
砖的化学
成分，% |
| 粘土砖 |
633 |
18.6 |
Al2O3 49 |
| 高铝砖 |
633 |
17.5 |
Al2O3 55 |
| 刚玉砖 |
633 |
12.1 |
Al2O3 99 |
| 石墨-碳化硅砖 |
633 |
9.1 |
SiC 20 |
| SiO2结合碳化硅砖 |
633 |
9.6 |
SiC 90 |
| Si3N4结合碳化硅砖 |
633 |
2.8 |
SiC 73 |
4.3.2 赛隆结合的碳化硅砖
目前法国和英国高炉在炉身下部和炉腰基本上采用赛隆结合的碳化硅砖，法国沙佛埃耐火材料公司开发的赛隆结合的刚玉砖，综合了碳化硅砖抗碱性好和刚玉砖抗氧化性好及导热性低的优点，既可抗化学侵蚀，又可降低炉衬热损失，是一种很有前途的耐火材料。
4.3.3 半石墨碳——碳化硅砖
半石墨碳—碳化硅砖理化性能见表7。鞍钢11号高炉(炉容2580m3),使用了该材料,于1992年8月投产，生产半年多，经炉衬测温及测厚显示，半石墨臧——碳化硅砖完好没有侵蚀。1993年鞍钢10号高炉(炉容2580m3)大修，高炉炉腹、炉腰、炉身下部以及铁口砌体采用半石墨——碳化硅砖，高炉设计寿命为8～10年无中修。
表7 半石墨碳——碳化硅砖的理化性能 |
| 砖型 |
体积
密度
g/cm3 |
显气
孔率
% |
耐压
强度
MPa |
常温抗
折强度
MPa |
重烧线变
化率，%
(1500℃×2h) |
SiC
% |
固定
碳
% |
| G－1 |
1.85 |
12.4 |
41.4 |
13.4 |
+0.07 |
31.80 |
56.32 |
| G－2 |
1.83 |
12.7 |
44.2 |
11.8 |
+0.02 |
33.21 |
54.48 |
5 结束语
延长高炉寿命，是我国炼铁工业发展的必然趋热。为达高炉长寿，开发高炉用冷却系统、冷却设备及耐火材料。近几年国内外都在进行这方面的研究工作，取得了很大效果。我们应结合国内实情，利用高炉检修，首先将水质改进，采用软水(或纯水)，恰当选用先进技术和先进设备，有计划有步骤跨入世界先进行列。
许美兰，女，工程师
参考文献
1 许冠忠.高炉长寿技术.炼钢，1990，(6)
2 宋木森.武钢开展提高高炉寿命研究的进展.炼铁，1990，(6)
3 郝运忠等.半石墨碳——碳化硅砖的研制及在大型高炉成渣带的应用.
4 连家衡.国内外长寿高炉.炼铁技术通讯，1996，(4) |
