对高炉炉体下部冷却结构的探讨

当前，我国生铁年产量已占世界年产量近50％，位居世界第一，高炉炼铁技术方面也走在了国际前列。近20多年来，国内在高炉长寿技术方面取得了丰硕成果，高炉冷却设备的技术进步与多样化也为炉体长寿奠定了基础。然而，最近几年国内钢铁企业高炉炉体出现的短寿问题令人担忧，同时也让钢铁行业清醒地意识到在高炉长寿的大课题中我们仍有一些技术问题需要进一步深入研究并解决。

冷却设备的技术进步，尤其铜冷却壁的推广和耐材的发展以及在炉役期内现代维修技术和维修管理水平的不断提高等因素，促进了高炉的长寿化。基于这些技术的进步，高炉实现15年以上的炉役目标，在炉腰以上部分的炉体已经可以实现，而炉体下部即炉腹和炉缸、炉底部位相对有难度，这在一定程度上制约着整个炉体寿命，成为延长高炉寿命的关键。

据不完全统计，近年来国内新建、大修的10多座高炉投产2年左右就因为炉腹或炉缸出现问题而被迫停炉进行检修，进一步说明了炉腹、炉缸对高炉长寿的重要性以及我国高炉长寿化发展的问题。因此，高炉炉腹、炉缸结构设计和该部位冷却设备的发展须进一步研究改讲。

炉腹采用铜冷却壁须注意扬长避短

高炉在采用铜冷却壁之前，冷却壁结构的壁体材质普遍为铸铁。在国外推出铜冷却壁初期，并没有推及到炉腹段，该段冷却壁材质依然为铁素体基球墨铸铁。国内早期采用铜冷却壁的布置亦是如此。

据国内外生产实践，铸铁冷却壁在高炉炉腹、炉腰和炉身下部能达到8年的炉役寿命。若在炉役后期，对破损烧毁的冷却壁采用一些维护、修补措施，如插入雪茄式冷却器、插入金属软管代替冷却水管或掐断漏水的冷却水管、借炉壳外部喷水冷却等措施也可延长炉龄到8年以上。随炉役的延长，维修量也不断增加，致使高炉被迫中修更换部分炉体冷却壁。

国内高炉炉腹、炉腰和炉身下部用铸铁冷却壁，在正常情况下有8年左右寿命，后期若能及时采取适当的维修措施也可延长寿命到8年以上。而表现较差的如国内某厂2000m³高炉炉腹段的铁素体球墨铸铁冷却壁，投产仅2年壁体冷却水管破损率就达58％，不得不停炉更换成铸铜冷却壁。

如前所述，炉腹热流强度实际检测到的峰值大于250000W／m²。而能抗击这一热流强度值的炉体冷却壁结构只有铜冷却壁，铸铁冷却壁最多也只能承担70000W／m²。因此，15年以上寿命的高炉炉腹应选用铜冷却壁。

随着对铜冷却壁的不断认识和生产实践，铜冷却壁开始用于炉腹，同时炉体结构也趋向薄壁化。然而，铜坯制铜冷却壁进出水口等处的焊接结构与铸铁冷却壁相比极其脆弱。因此，高炉采用铜冷却壁冷却必须注意扬长避短，既要充分利用其高导热性能，又要维护好薄弱环节，免于受炉内环境的侵袭。对炉体寿命来说，维护好薄弱环节比利用其高导热性更为重要，特别在炉腹铜冷却壁与风口带铸铁冷却壁相互衔接的部位，若处理不好将严重影响炉体寿命。如某厂3座高炉投产后平均1．5年就因冷却壁破损严重影响生产，被迫停炉维修补救。分析其破损机理，首先风口带铸铁冷却壁破损；其次上方的铜冷却壁端头水流通道封堵焊接部位暴露于炉内恶劣气氛下，引起壁体渗漏；继而铜冷却壁进出水管直接承受炉内恶劣气氛，使破损进一步加剧。

稳妥的炉腹结构值得借鉴

针对国内一些高炉在炉腹出现的问题，依据近几年国内外新建、大修高炉的工程实践资料，笔者认为以下三种炉腹结构是处理薄壁化炉体在炉腹和风口带冷却壁相互衔接的较好方案，也是实现炉体寿命长于15年的较为稳妥的方案。这3种设备结构各有优缺，钢铁企业应合理选择。

一是北美Severstal“C”高炉结构。在炉腹下部由密集方式布置的4层铜冷却板和石墨耐材内衬组成，冷却板加石墨砖维持一个从风口循环区顶部到炉腹下部的铜冷却壁底的平缓过渡，并用以防止下降炉料、渣皮的脱落危及风口带。该设备结构的特点决定了炉腹下部炉皮开孔增多，外部配管和供水系统复杂化并给生产中的检测维修带来诸多不便。

二是德国狄林根4高炉结构，高炉风口带采用铸铁冷却壁，炉愎、炉腰、炉身下部和中部安装了4段铜冷却壁，其中炉腹段铜冷却壁有个倒置凸台以与风口带铸铁冷却壁衔接。采用该设备结构，当高炉投产后的炉腹角将因炉腹下部侵蚀而改变较大，炉腹下部尖峰热负荷值也会相对较高。

三是天钢：3200m³高炉结构。2006年5月初投产的天钢3200m³高炉设计基于扬长避短的原则，在炉腹采用L形铜冷却壁。L形铜壁可依炉腹角大小确定推向炉内的深度，以实现与风口带冷却设施的较好衔接。该壁下部结构是壁体的一部分，同样有很强的冷却能力。冷却壁进出水管与壁体连接部位均在壁体后紧靠炉壳处，使这些薄弱部位得到了充分保护。该方案使炉腹铜冷却壁和风口带冷却设施做到了衔接平缓、运行安全，能满足高炉长寿要求并且消除了上述两个方案的一些不足。天钢3200m³高炉投产后运行良好，得到业内人士的认可，继而在国内一些新建和紧急维修的高炉上仿效、采纳。

炉缸、炉底警惕“象脚形”侵蚀

高炉寿命很大程度上由炉缸、炉底的破损进程尤其是“象脚形”(或蘑菇形)侵蚀程度所决定。研究指出，高炉中心存在着一个死料柱，引起液态铁水的环流负荷。当铁水环流速度达到临界时，渣皮(冷凝层)脱落并会减薄内衬断面，耐材磨损主要分布在液态铁水向铁口流动的方向。这种环状流动的结果在炉缸内衬与炉底垫结合处产生“象脚形”侵蚀。要实现高炉长寿，就必须在改进炉缸、炉底结构，应对上述侵蚀因素的影响，有效延缓或避免“象脚形”侵蚀的进程上下工夫。

设法减轻液态铁水对内衬的环流负荷，可以达到延缓“象脚形”侵蚀的目的。延缓“象脚形”侵蚀的措施主要有：

加深死铁层深厦。现代高炉初始死铁层要有一定深度，达到铁口和炉底间储存的热铁水能使高炉在炉役期间把死料柱浮起来，并能使液态铁水在整个炉缸断面上流动，以降低铁水环流速度。加深死铁层深度的方法被普遍认可，一般确定最小深度为0．2×炉缸直径。笔者以为要确实把死料柱浮起来还应适当加深，尤其是大型高炉炉型设计更应注意死铁层合理深度的问题。

强化炉缸冷却更为重要。耐材砌体的生命力基本取决于有效且不间断的冷却。必须建立一个从砌体热面到冷却系统之间有效的热传递途径，维持耐材温度保持在侵蚀发生的温度以下，有效冷却与合适厚度的导热耐材砌体相互配合加速形成渣皮一工作内衬(冷凝层)。若渣皮稳定，热铁水对碳质材料的穿透和溶蚀就不会或不容易发生。

砌体关键部位选用高导微孔、超微孔炭砖。炉缸、炉底耐材砌体主要以炭砖和少量陶瓷材料组成。15年以上的炉龄目标给高炉炭块提出了改进性能应对各种侵蚀因素、影响寿命的要求。新炭块材质的突出特点是用人工合成石墨掺入无烟煤制成的，产品质地比较均匀且导热性能增强。含有大量石墨的耐材不仅导热性能增强，同时也增强了抗碱性能。基于微孔炭砖、超微孔炭砖的优良性能，在炉底炭砖层中应选用微孔炭砖砌筑1～2层；在炉缸与炉底接合处即产生“象脚形”侵蚀范围和铁口区应选用超微孔炭砖砌筑。另外，炭砖结构的热面最好采用莫来石质陶瓷材料作为陶瓷层。这种材料能起到类似碳化钛的防护作用，可有效抵抗热态铁水对耐材表面的磨损。

此外，在炉缸、炉底砌体结构设计正确，耐材质量、施工质量保证的条件下，炉役寿命将由高炉操作运转所决定。如能稳定操作、减少高炉休风和风口破损，处理好生产中发生的冷却系统漏水问题，控制好原料质量，尤其控制好焦炭质量，高炉一代炉役15年以上的寿命目标是能够实现的。