宝钢3号高炉长寿技术实践

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宝钢3号高炉长寿技术实践

梁利生1，沈峰满1，魏国1，陈永明2

(1．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004；2．宝钢股份有限公司炼铁厂，上海200941)

摘要：宝钢3号高炉稳定运行了14年，创造了多项宝钢高炉的技术经济指标纪录，其在长寿维护技术方面的经验是：合理的冷却系统设计；确保入炉原燃料质量合格，严格控制碱金属和Zn的入炉量；操作上保持炉况稳定顺行、避免煤气流的急剧变化；保持足够的冷却强度、改善并稳定水质；采取安装微型冷却器、人工造壁、压浆、喷补、更换冷却壁等措施，同时强化炉底炉缸以及铁口的维护，保证铁口深度，确保侧壁温度安全受控，从而有效保证高炉顺行、长寿。

关键词：高炉；长寿技术；操作实践

中图分类号：TF543 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2009)11—0007—05

宝钢3号高炉(4 350 m³)全部由中国自行设计、建设、开炉，设备国产化率达95％以上。设计一代炉龄为12年，年产铁水325万t。该高炉于1994年9月20日投产。

1 3号高炉经济技术指标

3号高炉投产以来，操作人员和技术人员吸取1、2号高炉先进的操作经验，积极探索适合3号高炉特点的操作制度，使得高炉操作技术不断进步，实现了高煤比高利用系数冶炼和低硅冶炼，创造了多项宝钢高炉的技术经济指标纪录(表1)。至2009年3月31日，3号高炉已稳定运行了14年6个月，累计产铁量达到5 166万t，单位炉容产铁量达到1．1876万t，超越了2号高炉创造的最好水平。经过多年的实践与探索，3号高炉已经形成了具有自身特点的高炉长寿维护技术。本文对3号高炉长寿技术进行了分析总结，以期能为中国大高炉的长寿技术发展提供一些有益的经验和帮助。2 冷却系统及内衬的设计

2．1冷却系统概况及特点

3号高炉炉体采用全冷却壁冷却方式。冷却系统按位置和水管性质分为本体系和强化系2个系统(图1)。本体系的冷却范围为炉缸H5段至炉身中部S5段的直管(Z)，圆周方向分4个区，分别对应4台头部罐。强化系冷却范围包括炉缸H1～H4段(Z)、铁口区(TH)、中部各段冷却壁的角部(J)、凸台(Г)和背部蛇形管(S)、炉身上部R1～R3光面冷却壁直管(z)的冷却，对应l台头部罐^[1]。

冷却壁按照各区域的工作条件和工艺要求，采用了不同的结构型式：炉底、炉缸砌筑了导热性良好的碳砖，该部位采用高冷却强度的新式横型冷却壁、铁口冷却壁、风口冷却壁；炉腹、炉腰及炉身中、下部因热负荷高、温度波动大、热震剧烈、碱金属侵蚀严重，工作条件差，采用了新日铁第三代冷却壁，主要特点是增加了角部水管和蛇形管，冷却壁内耐火材料为SiC质；炉身上部砌体容易受炉料的磨损以及装料时温度波动而遭到损坏，因此，炉身上部也采用了冷却壁^[2]。

2．2内衬材质及特点

3号高炉在炉缸及炉底侧壁使用超微孔碳砖，炉墙侧壁采用薄壁小块热压高导热性碳砖，中心部位为一般碳砖。炉腹、炉腰和炉身下部采用了国产的氮化物结合的碳化硅砖，其内砌粘土质保护层。炉身中部砌筑高铝砖，冷却壁与砌砖紧密接触，以保证对内衬的冷却和尽量利用凸台的支承作用。为了提高焦炭料柱透液性，减少炉缸环流，防止炉缸侧壁呈蒜头状侵蚀，3号高炉将死铁层的深度增加到2 985 mm。

3号高炉还设计了内衬侵蚀、砌体开裂时维护用的灌浆孔、考虑了炉身上部冷却壁损坏后快速更换的预案，从而把高炉内型变化限制在最小限度，为控制炉料分布和煤气分布，为高炉长寿、顺行提供了新的保障措施。2004年降料线对S3段冷却壁进行整体更换时发现，历经10年的使用，所有冷却系统中除S3、S4段因部分冷却壁破损炉型有所改变外，其余各段仍然维持了原设计的炉型。

3 长寿维护实践

3．1保证炉况长期稳定顺行

(1)加强原燃料质量管理、严格控制碱金属和Zn的入炉量

精料是高炉稳定顺行的基础，也是实现高炉长寿的基本条件，原燃料质量波动必然会导致炉况不稳，从而损坏炉体砖衬，影响高炉寿命。对于高煤比操作的特大型高炉，保持焦炭质量高而稳定尤为重要。随着劣质原燃料逐步在3号高炉推广使用，操作上相应采取了如下措施：烧结矿必须具有足够的冷热强度和良好的还原性，焦炭具有较高的冷热强度(反应后强度CSR>66％)、较低的反应性(CRI<26％)和较大的粒度；通过优化炉料结构，采用高品

位烧结矿配加少量球团矿和块矿的炉料结构，尽量不用副原料，以控制较低的渣比；通过加强筛网管理、控制切出量、提高筛分效果，控制入炉矿的含粉率，改善料柱的透气性，为3号高炉炉况稳定和长寿打下了物质基础。

同时，由于碱金属、Zn的侵蚀、渗透，会造成砖衬脆裂破损，影响高炉寿命，因此，原燃料的使用要综合考虑高炉长寿的需要，严格控制高碱金属、Zn原料的使用量，要求吨铁入炉碱金属的质量分数小于2 kg，ω(Zn)<0．15 kg。

(2)优化操作制度、确保炉况稳定顺行、炉体热负荷稳定适宜

高炉炉况的稳定顺行，不仅直接影响高炉的各项技术经济指标，而且直接影响高炉炉体的寿命。3号高炉的生产实践证明，炉体砖衬损坏的主要原因是受热应力波动的影响。当遇到局部的煤气流冲击(如发生管道行程时)，炉墙砖衬温度场发生较大的波动，导致热应力对砖衬的破坏，加剧了水管的破损^[3]。3号高炉开炉初期由于设备故障频繁、使用大量外购焦、操作制度需要逐步摸索等原因，炉况一度顺行欠佳，经常出现崩滑料、管道行程，炉墙粘结物脱落频繁，炉温波动大，加剧了冷却壁水管的破损，对高炉长寿带来了很大的危害。

针对3号高炉投产后气流分布不够稳定、经常有崩滑料、炉温波动大的现象，1997年8月对布料档位进行了较大的调整，主要是矿石布料向中心平移(图2)，并适当扩大矿批，调整合理料线，使边缘、中心的煤气量比率相对稳定，保证了高炉良好的透气性，煤气流分布明显改善，炉墙热负荷趋于稳定，崩滑料和悬料次数明显减少(图3)，煤气利用率由原来的50％左右提高到51％～52％，炉况稳定顺行^[4]。同时，在日常操作中力求减少低料线、休减风等现象，避免煤气流急剧变化，减少渣皮脱落，减少热应力对砖衬的破坏作用，保护冷却壁水管，为延长炉体寿命创造条件。

3．2改进优化冷却系统

尽管3号高炉在冷却系统设计和耐材选取上具备了很多优点，但随着冶炼强度的逐步提高，仍然出现了冷却强度不够、水质难以控制、冷却壁水管较早出现了破损等问题。针对冷却系统存在的问题进行了一系列优化改造，以提高冷却强度，延长高炉寿命。

(1)提高水量水压及冷却强度

3号高炉投产初期，本体系和强化系各采用2台水泵运行，1台水泵备用，冷却水流量分别为2 200m³／h、1 400 m³／h，水速为1．5 m／s，冷却强度不足，水温差偏高。尤其在炉况出现波动，炉墙粘结物大面积脱落的情况下，强化系的水温差往往超出设计标准，导致投产不久后冷却壁凸台水管出现大量破损。1996年7月对水系统进行技术改造，本体系和强化系各增加1台水泵，采用3台水泵运行，1台水泵备用(表2)，本体系水量增加到3 500 m³／h，强化系水量增加到1 800 m³／h，水速由1．5 m／s提高到2．5 m／s，冷却强度提高，在正常生产条件下，本体系水温差下降1．5℃，强化系水温差下降0．8℃，冷却壁水管破损趋势逐步减缓。(2)增设脱气罐、提高脱气功能

3号高炉冷却系统原设计中，没有脱气罐，仅靠头部罐进行脱气，脱气效果不好，加上系统漏水，大量补水使水质难于控制，造成水管氧化腐蚀、生成锈垢，影响传热，最终导致冷却壁破损。1997年3月在本体系和强化系分别增设了两台脱气罐，强化系的脱气效果良好，但本体系的脱气罐位于头部罐数米以下，脱气能力较弱。为此，2001年又增设了4个高于头部罐的卧式脱气罐，本体系水质显著改善，水中含氧量明显下降。

(3)优化水处理技术、改善水质

1999年以前，3号高炉采用亚硝酸盐防腐剂和非氧化性杀菌剂药剂，效果不理想。经分析研究，使用亚硝酸盐和钼酸盐的混合型防腐剂，提高防腐效果，同时增加除氧剂，除去水中溶解的氧，此外，在正常使用非氧化性杀菌剂的基础上，定期投加含溴氧化性杀菌剂，有效去除了水中的微生物。

增设脱气罐和优化水处理后，3号高炉冷却壁纯水水质得到了显著的改善，pH值和钼酸根离子稳定，本体系的总铁下降明显，2002年以来纯水中总铁一直控制在安全线以下，没有因总铁超标而大量置换纯水，从而保护了冷却壁水管，同时也使水系统成本明显下降。

3．3加强炉体维护

三号高炉开炉初期由于水量水速低，冷却强度不足，S3～S5段冷却壁制造工艺存在缺陷，铸铁本体容易开裂使水管暴露在高温环境中(2004年S3段整体更换后解剖分析证明了这一点)，加之大喷煤操作，使得炉身中部成为最薄弱环节。对此，一方面通过调整操作参数，确保炉况稳定顺行以及热负荷稳定适宜，减少热应力对炉体砖衬损坏；另一方面采取安装微型冷却器、人工造壁、硬质压入、冷却壁更换等技术加强炉体维护。

(1)安装微型冷却器

3号高炉于1997年开始在冷却壁上钻孔安装微型冷却器，先后在B2、B3、S1、S2、S3段安装了855根微型冷却器。安装微型冷却器，有效增大了冷却壁的冷却强度。研究表明，影响冷却壁温度的首要因素是渣壳厚度，安装微型冷却器后，由于形成稳定的渣皮保护层，在冷却壁本体上粘结渣皮厚度约为15 mm左右，相同条件下的球铁冷却壁最高温度可降低1／3，使冷却壁热负荷降低约25％(见图4)，有利于保护冷却壁，减少水管破损，从而延长了高炉的寿命^[5]。3号高炉对微型冷却器实行周期管理，利用定修更换破损及虽未破损但使用时间较长的微型冷却器，至今已经更换了1019根破损或者已超期的微型冷却器(图5)。安装微型冷却期为稳定炉身冷却强度起到了保障作用。

(2)整体更换冷却壁

由于3号高炉S3段部分冷却壁水管破损严重，导致冷却强度严重不足，炉皮温度高，限制了产能，因此2004年3月整体更换了S3段冷却壁，并在短时间内恢复了正常生产。S3段冷却壁在线快速整体更换的成功为炉役后期炉况顺行、炉体长寿创造了有利的条件。

目前S4段冷却壁也出现部分水管破损和铸铁本体脱落现象，部分区域炉皮温度偏高，参照处置S3段冷却壁的经验，拟定于2009年5月对S4冷却壁进行整体更换。

(3)人工造壁

S3段冷却壁更换以后，S4段冷却壁成为薄弱环节，部分铸铁本体出现了脱落，仅靠炉皮维持，该部位温度容易升高。针对这一问题，对该部位进行炉皮开孔安装锚固件，并压入硬质料进行人工造壁，经调查确认吸附在炉壳上的硬质料厚度约150mm，达到了预期的效果。人工造壁形成后，利用定修再安装长度较短的微型冷却器，提高该部位的冷却强度，较好地解决了炉皮发红的问题。

(4)消除炉体泄漏点、加强炉皮温度监控

炉体部位煤气泄漏，存在安全隐患，对炉体砖衬有损害。3号高炉坚持每逢定修对炉体泄漏部位进行焊补，消除泄漏点。同时，坚持对炉皮表面进行红外线测温，加强炉皮温度变化趋势的管理。对温度较高的重点部位重点监测，通过报警系统及时提醒操作人员采取措施控制炉皮温度。3号高炉投产至今，只发生过2次炉皮发红现象。

3．4加强炉缸炉底维护

3号高炉自投产以来炉缸状态总体良好，侧壁温度安全受控。但随着炉役时间的延长，炉缸部分受侵蚀，炉缸侧壁温度总体呈上升趋势，因此加强炉缸维护非常重要。

3号高炉投产初期，炉缸给水量为680 m³／h，水速为1．5 m／s，冷却水流量和水压低，冷却强度相对不足，炉缸水温差偏高。1996年7月强化系增加一台水泵运行，水量水压增加，炉缸的冷却强度得到明显提高，炉缸水温差下降0．3℃。

炉缸气隙是影响炉缸有效传热、导致铁口区域容易出现侵蚀的关键因素。3号高炉通过定修期间有计划地更换铁口保护砖和铁口压浆，消除铁口区域煤气泄漏，避免气隙的扩大，提高了炉缸的有效传热^[6]。

维护好铁口状况，保证打泥量，保证铁口深度，是确保炉缸长寿的关键技术。为了适当延长出铁时间，减少出铁次数，减少环流对炉缸侧壁的冲刷，3号高炉随着炉龄的增加，铁口深度相应提高到(3．8±0．2)m、每次出铁时间控制在140 min左右，日均出铁次数控制在12次左右。此外，为了保证打泥量、稳定铁口深度，加强了铁口泥套维护，减少铁口冒泥；加强泥炮管理，发现泥炮活塞环与炮筒间隙变大时，则及时更换，避免返泥。

为防止冷却设备破损向炉内漏水，3号高炉加强了对炉顶煤气成分中H₂含量、冷却壁纯水补水曲线、风口中套、小套给排水差流量的监控，一旦发现水管破损，马上进行处置。

4 现状与展望

3号高炉目前炉况稳定顺行，继续保持了稳产高产的良好势头，利用系数在2．45 t／(m³ · d)左右。冷却壁水管破损趋势减缓，S3段冷却壁2004年更换后没有出现过破损。S4段冷却壁部分区域炉皮温度偏高，计划2009年5月整体更换该段冷却壁，炉身其余部分状态良好。炉缸侧壁温度局部出现过两次较大幅度的上升，但通过采取强化炉前作业、控制漏水点、适当减产等措施，侧壁温度很快得到控制。值得一提的是，由于受到硅钢生产的限制，3号高炉至今还没有尝试过堵风口、加钛矿护炉等其他高炉常用的长寿措施，所以即使炉役后期侧壁温度进一步上升，仍然有控制的手段。