日本高炉发展最新成果分析
1 高炉寿命延长技术
1.1 炉身冷却壁长寿化
自从苏联引进炉壁（原始材料为铸铁）以来，为了延长高炉炉壁使用寿命（目标为超过20年），日本制铁一直致力于材料及结构改进。在君津3号高炉（3次）、室兰2号高炉（2次），通过将每块铸铁炉壁的通常配管结构距离缩短到制造极限（小于100mm），加上增强系统的上、下角配管，背面蛇形管的数量也从1根改为2根，通过强化冷却来延长炉壁使用寿命。2003年5月，日本制铁在君津4号高炉引入首个铜冷却壁,旨在提高炉身中、低部高热负荷部的耐用性，在薄壁化与长期运行期间保持稳定的轮廓，从而实现稳定运行。随后在2004年，大分厂2号高炉（3次）在铜炉壁设置了突出肋板（每级一个），在炉内工作面形成了一个薄的原料停滞层，以抑制磨损。
为了进一步延长铜冷却壁的寿命，在预期肋板形成的停滞层效应的情况下，在增设肋板的方向上采取了抗磨措施。通过离线测试，确认了抗磨措施的效果，并找到了最佳的多级肋板间距和突出厚度。另外，为了长期保持突出肋板效果，还设计了一种对突出肋板尖端实施硬化处理的措施，经考察达到实际应用水平。图1所示为用于延长高炉炉身铜冷却壁寿命的各种措施的变迁。
作为延长铜冷却壁寿命的具体设备措施，有必要阐明炉身部遭受损伤的机理，采取改善措施。为此，对破损的铜冷却壁进行了详细的分析，结果表明，在工作面装料流动方向上出现了磨损痕迹，通过电子微量分析仪（EPMA）进行成分分析，发现了刺入磨损痕迹中的烧结矿。再次认识到，为了防止磨损，对突出肋板尖端实施硬化处理非常必要。
针对形成停滞层的突出肋板结构对炉料下降状况的影响，通过1/10离线磨损测试和离散元法（DEM）分析来估计，探明了最佳安装间距和突出厚度。在1/10离线磨损测试中，使肋板尖端的炉料下降速度最小的肋板间距约为40 mm，并且肋板厚度的影响不明显，因此能够形成稳定的停滞层。比较了肋板的厚度为5mm和10mm的情况，结果显示，炉料的下降速度没有差异，因此认为肋板厚度为5mm就足够了，如图2所示。
而且，为了持续发挥原料停滞层形成功能，保持突出肋板本身不磨损非常重要。通过加厚以增加硬度来保护预计会损坏的突出肋板尖端。通过离线磨损试验和实际的熔炉试验来确认硬化加厚表面的耐磨性和耐久性。
在离线磨损试验中，进行了在室温下对烧结矿和焦炭施加相当于炉内压力的加压载荷，并实施反复在铜板上滑动的试验。在实际熔炉试验的3个月中，在炉身磨损最快的部位，插入实施了硬化加厚处理的试样。从实际熔炉中收集的试样里发现，未冷却品已被磨损，但实施过冷却的试样未显示任何磨损。因此认为通过冷却加厚硬化能够保持比原材料更坚硬的状态。图3所示为离线磨损测试结果。
1.2 延长炉底耐火材料寿命的技术
近年来，决定高炉寿命的主要部位是炉底耐火材料（侧壁砖、底盘砖）。这些耐火材料的寿命主要由于熔损、劣化和脆化而减少，并且耐火材料的磨损是影响高炉寿命的主要因素。为此，已经进行了各种改进，措施可概括为2项：①炉底耐火材料结构（砖砌）改进；②炭块材质的改进。另外，近年来，随着炉内计算模拟技术的发展，从操作方面延长了炉底耐火材料的使用寿命。
使用底部结构模型对高炉运行条件进行了敏感度分析，结果发现，炉芯焦炭水平对炉底砖的侵蚀具有很大影响。比较当炉芯焦浸没和漂浮时对炉底砖腐蚀影响，当炉芯焦上浮时，在底部侧壁上会出现无焦区域，铁水流集中，热负荷上升。该热负荷上升的位置与砖块侵蚀推进引起的慢滚动现象部分重合。
同样，在分析模型上计算炉芯焦炭层的沉降水平，确认了炉底实际温度和炉内实际温度之间的关联性，并且观察到良好的关联性。基于此认知，建立了一种在正常运行设计和日常运行管理中通过控制炉芯焦炭水平（送风量、氧气量、焦比等）来控制炉底热负荷的技术。
通过灵活应用这种控制方法，和歌山5号高炉成功地抑制了炉底侧壁部和炉底部最大侵蚀方位的破坏扩展，直至2019年才停炉，创造了迄今为止的最长运行纪录（31年）。之后，针对底部砖的结构设计，通过各种分析模型相互链接，并根据获得的分析结果，将底部耐火材料的侵蚀减至最小。
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2高炉运行稳定化技术
2.1 通过在风口上方引入冷却棒来稳定炉腹轮廓
炉腹的轮廓基于砖面设计。另一方面，当炉腹砖消失时，炉腹轮廓的角度和高度将根据砖是健全还是消失的状况而发生很大变化。在君津4号高炉（3次）的运行分析实例中，已经证实有从点火开始约一年之内，炉内透气指数降低和还原材比恶化显著的事例。随后的镗孔调查证实了炉腹砖消失。图4显示了炉腹轮廓的变化图像。为了验证效果，采用三维半切模型，比较炉腹角度和炉内炉料下降的关系。
①炉腹角过大（立形）时：疑似停滞层没有形成，即熔融带的根部位置不稳定。
②炉腹角太小（卧形）：形成过度的炉壁停滞层，即下料变得不稳定。
③存在着一个最佳的炉腹角，并且炉腹的高度和角度之间存在着最适当的关系。
炉腹砖的损坏加剧与操作不当有关，也有炉腹部的实际工作面轮廓的原因（尤其是炉腹角和炉腹高度）。为了稳定维持理想的炉腹轮廓，已采取措施将冷却棒插入到炉腹壁下面，如图5所示。其结果证实，针对操作不当的改善效果，结合冷却能力优异的铜冷却壁的引入，能够使炉腹的结构稳定、操作稳定。
在君津4号高炉（3次）、大分2号高炉（3次）安装了炉腹冷却棒，替代脱落的炉腹砖，形成了稳定的附着物，疑似停滞层，实现了稳定运行。
通过大分1号高炉（3次）解体调查证实，实际上直到炉腹冷却棒尖端都生成了附着物。为了证实熔融带根部的稳定性以及风口破裂故障频率的降低效果，在全公司范围，陆续在其他高炉上实施。
在将来的高炉大修中，使炉腹砖和炉腹壁的工作面角度趋于接近，减小变化，并使冷却壁操作面更接近理想轮廓（炉腹角度、炉腹高度）。
2.2 引入高精度、高速检测端
通常，采用探针式轮廓仪测量布料半径形状，并在炉口周围配置多个深料尺，根据测量装料表面位置来测量形状，制定操作制度。传统探针式轮廓仪由于探针在炉中插入时间长，且装料时间有限，因此只能一个炉次测量一次，但作为新型的高速检测端，引入了无探针且对角设置的成对轮廓仪。
无探针轮廓仪是一种从炉体铁皮侧沿原料表面扫描的毫米波测距仪，通过反射波可视化炉内布料表面形状而不会干扰炉内溜槽设备。如图6所示，两个轮廓仪彼此相对安装，并且可以通过从两个方向照射毫米波来进行测量，不会出现盲点。目前，对轮廓仪机体已经进行了进一步的改进：①将测量时间缩短到1/3；②提高了微型化的方向性；③提高了炉内炉料表面特性的准确性（2倍）等。在实际机器功能确认时，与测深点的测量结果进行比较，并确认轮廓仪的毫米波的测量值和测深点测量值几乎相同，并在全公司推广。
2.3 热风炉耐火材料的稳定化
热风炉是将送往高炉的空气加热的设备，由燃烧室和蓄热室构成。燃烧时，燃料气体通过安装在燃烧室中的燃烧喷嘴点燃，所产生的高温气体通过填充在蓄热室中的方格砖存蓄热量。
热风炉内铺设的耐火材料承受着高温及反复的热变化，因此，在使用环境中，热风炉内部的耐火材料有时会损坏，有必要在损坏很小的情况下进行维修或重新装填，但由于高温砖发光，获得清晰的图像在技术上很难实现。
作为实际热风炉耐火材料的内部观察技术，进行了提高照相装置的解析度以及光线改进。在室兰2号高炉热风总管的内部观察中，使用高光束通量光，成功拍摄了能够确认到砖缝的清晰图像。
3 提高热风炉效率
3.1 引进炉顶燃烧（金属燃烧器）式热风炉
作为高效炉顶燃烧式热风炉，小仓2号高炉的新3号热风炉于2014年12月开始运行。与传统类型相比，它具有优异的混合燃烧特性，并且未燃烧的CO和NOx产生量大幅度减少。炉顶燃烧式热风炉的主要概念如下：
①采用金属燃烧器装置，通过从每个燃烧器管道吹出气体来形成理想的内部流，并均匀加热整个方格砖。金属燃烧器中的燃料气体和燃烧空气的混合性能良好，并且可以达到几乎不产生未燃烧CO的状态。
②由于煤气和空气几乎可以在每个燃烧器导管的出口附近完全燃烧，因此炉顶可以保持较高的温度，无需常规的燃烧室，并且结构紧凑。由于表面积小（与现有表面积相比，约为90％），因此可以减少自炉体表面辐射而产生的热损失。
③极好的可维护性，由于在金属燃烧器的前面装有水冷截止阀，因此可以在不停炉的情况下进行维修。目前，2号机组正在名古屋3号高炉上建设。
3.2 高温送风技术
高炉操作的主要目标是进行降低燃料比（减少CO2排放）和提高出铁比的操作。其方法之一是热风炉的送风高温化。为了实现高温送风，可以考虑：①增设热风炉；②提高炉顶温度；③通过提高燃烧废气的温度来增加蓄热量。每项中都有很大的技术难题。就周边土地和成本效益而言，热风炉的增设从根本上来说是不切实际的。并且，提高炉顶温度会导致热风炉铁皮表层的应力腐蚀开裂，很难实施。同样，燃烧废气的温度上升导致现有的格子砖托架由于高温而强度降低，因此需要用耐热性强的材料进行更换。针对这些问题，如果将金属支撑柱的材料从FCD400更改为新开发的耐热铸铁“ FCD400H”，则可以通过添加和加固该支撑柱，将其保持在高温蠕变强度内，废气温度可以提高100℃。
替换格子砖托架时，需要更换支撑托架的格子砖，为了避免装卸砖，降低砖在格子砖托架上的负荷，首先考虑增设采用FCD400H制造的支柱。此外，将现有支柱托架外围用FCD400H制构件围绕辅助，确保必要的强度。其结果显示，可以低成本、短周期改善现有热风炉的送风温度。
本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》38期B02。