“永久性炉衬”在高炉长寿技术中的应用
高炉长寿项目是一项系统性的工程，需要在设计、选材、建造、生产以及维护等各方面都进行妥善的处理，才能达到良好的效果。要想完成这一过程，需要使用新技术、新设备，并结合一系列的生产管理措施，来使高炉达到高产、优质、低耗以及长寿的目的。在设计时，需要对选择的炉型、耐火砖、喷涂料等方面分别进行优化，以便达到最好的综合效果，使高炉的寿命达到最大。
随着与高炉长寿相关研究的不断深入，所涉及的因素也越来越多，因此高炉的寿命也在不断延伸，这就使高炉的经济效益变得更好。
高炉长寿对于生产来说至关重要，高炉寿命的延长自然会减少生产成本，增加生产效益。根据国内外的研究结果，高炉长寿的决定性因素包括：设计情况、设备质量、耐火材料质量、施工质量、燃料情况，以及生产过程中的操作和维护等。
在国内，随着设计和制造水平的提升，我国高炉寿命有了极大的改善。然而与国外相比，我国高炉寿命在整体上仍有较大的差距。本文针对高炉长寿的不同影响因素进行分别论述，包括对长寿高炉设计理念的研究、高炉操作规范的论述和对高炉长寿相关发展趋势的研究。
影响高炉寿命的因素
2.1 高炉炉型设计
高炉的炉型一般是在同类高炉的基础上进行分析和改进，从而得到发展。随着设计方案的不断演进，高炉的炉型主要向着矮胖型发展。通过高炉设计实践可以得出：加深死铁层的深度，可以减少铁水对内衬的冲蚀作用;而加大炉缸的高度和直径，则有助于高炉大喷煤的操作，对生产效率有较好的提升作用;炉腹角与炉身角、高径比的调整，对炉腹煤气的上升有帮助，能够使料柱的透气性有所改善，从而保证炉料和煤气的平稳运行，并减少煤气流对炉腹和炉身的热冲击，从而减少内衬与冷却器的机械磨损，这样就保证了高炉的平稳运行，从而达到长寿的目的。
2.2 炉衬耐火材料
高炉内的工作情况比较复杂，因此要想保证炉衬的长寿，需要根据炉衬受侵蚀的状况，找出侵蚀的原因，从而有针对性地构建炉衬的结构，选择合适的材料，以保证高炉长寿。
根据“永久炉衬”的设计理念，为了使炉衬的热面能够在强化冷却下建立起较为稳定的凝结渣铁保护层，炉衬材料应选择热导率较高的超微孔炭砖。此时为了防止炭砖受渣铁侵蚀而导致的磨损，需要在炭砖的热面加上厚度为200~300mm的微孔刚玉砖。在炉底则需要在炭砖上面铺设2层莫来石砖，最下层则设计为400mm的石墨砖并布设炉底水冷管。内衬的炭砖以及半石墨炭砖在铁水侵蚀后的情况表征见图1。
图1 炭砖受铁水侵蚀后的情况
2.3 高炉冷却设备及其冷却
影响高炉寿命的主要因素，在于高炉冷却系统的冷却效率，要想提高冷却效率就需要炉墙热面的温度能够在克服铁水侵蚀和机械磨损后冷却，得到稳定的渣壁。软熔带的高热负荷区和炉缸铁口侵蚀区，是冷却的关键部位，对于高炉寿命有着决定性的影响。
高炉冷却设备种类繁多，主要包括冷却板、冷却壁、板壁复合、冷却壁+支梁水箱等形式。而冷却壁逐渐从传统型转化为浇筑型。浇筑型是将耐火材料浇筑进铁基铸件当中，使耐火砖镶进有锥度的肋条之间，从而保证砖材的牢固，防止其脱落。当前冷却水管的设计也改为排布在冷却壁的边角部分，并且采用复合孔型。
相比冷却板的设计形式，冷却壁具有明显的优势。包括：能够对炉壳进行均匀的冷却，并缩减冷却壁的厚度，保证高炉有着较大的内容积。而其缺点则主要体现在修理和更换的困难上。总体来看，立式冷却壁在高炉的运行中有着较好的表现，因而得到了广泛的运用。在冷却方面，除了冷却设备的选取，也要注意冷却的强度是否足够，并注意冷却水量的调节，以便实际运行时保证高炉冷却的较好效果。
高炉长寿技术的应用实例
1.高炉长寿项目概述
本文以攀钢的1350m3高炉长寿项目实践为例，分析高炉长寿技术的应用情况。为延长高炉的使用寿命，保证高炉的透气性，弱化崩料和悬料的影响，减少炉缸堆积，炉型的设计采用了深炉缸矮胖型的设计结构。具体的炉型设计参数和设计特点如下。
为保证高炉中部死料柱的悬浮，死铁层的设计深度由800mm加深至1500mm，以便打开料柱下部的通道。在高炉的出铁过程中，料柱的悬浮使铁水可以从下部流向铁口，就避免了铁水环流对炉缸下部的蒜头状侵蚀，也就延长了炉缸的寿命。设计炉缸高度3500mm，同时适当扩大了风口的回旋区，使得高炉强化的同时，保证了炉缸内充足的热量，并可消除炉缸内的堆积，加快了达产。减小炉腹角至79°16′32″，以便煤气流的均匀分布，减少对炉腹渣皮的冲蚀，保证炉腹冷却壁渣皮的顺利生成，这样就能够让炉腹的寿命得到增长。
2.高炉冷却设备及其冷却设计
攀钢高炉自下而上设置14段冷却壁，覆盖从炉底到炉身上部的各个位置。冷却设备选用全冷却壁，风口及下部设4段，使用耐热铸铁搭建;炉腹第5段至炉身上部第11段使用全覆盖镶砖冷却壁，其中5~7段选择铸钢全覆盖镶砖冷却壁，8~11段选择球墨铸铁全覆盖式镶砖冷却壁，炉身段冷却壁结构为板壁结合的形式;上部12~14段使用倒C型冷却壁，结合使用软水密封循环冷却，能够防止结垢，保证冷却强度和冷却的效果，并减少水的使用。冷却系统选择软水密闭循环与工业水开路冷却2种冷却系统相结合。在全冷却壁的基础上，结合不同的冷却系统和方案，以保证高炉炉壁的冷却效果，提升炉墙的挂渣能力，从而保证高炉的长寿。
3.高炉炉衬结构及耐火材料
3.1 高炉炉缸结构及材质
在充分对比、论证采用国产热压小炭块与刚玉莫来石共同组成陶瓷杯结构和钒钛高炉复合炉衬结构后，仍然采用改进型的钒钛高炉复合炉衬结构。炉底采用复合莫来石砖、超致密粘土砖及半石墨碳砖相结合的复合炉底。复合炉底结构由9层耐火砖组成，厚度约3600mm，从下往上依次为：2层半石墨碳砖(2×400mm)、2层超致密粘土砖(2×400mm)、3层复合莫来石砖(2×400mm)、2层超致密粘土砖(3×400mm);炉缸全部采用复合莫来石砖;保护砖采用粘土砖并砌至炉腹，完成长寿高炉的炉底炉缸设计。在这一结构下，铁水直接接触陶瓷砖，其侵蚀要弱于炭砖所受的侵蚀，同时炭砖可以继续发挥其导热性，利用1150℃的铁水凝固温度线，将铁水控制在复合莫来石砖包围圈的内部。因此，炭砖不需要接触铁水，所受侵蚀较小，因而可以长久平稳运行，有效增加了高炉的使用寿命，并从一定程度上提高铁水温度。风、渣、铁口均使用刚玉泥浆和捣打料，并采用微孔刚玉组合砖来砌筑。
3.2 炉腰及炉身内衬结构和材质
高炉生产中，往往凭借渣皮维持高炉运行。根据高炉的实际生产经验得知，炉衬的厚薄对高炉长寿的影响不大，而主要依靠高炉渣皮的“生成-维持-脱落-迅速再生成”的动态平衡，来增加高炉寿命。因此设计中使用薄炉衬。高炉炉腹、炉腰以及炉身中下部分的内衬，选用的是Si3N4/SiC砖，能够减少炉渣的侵蚀，并具有很好的导热能力和抗热震能力。炉身中上部则使用微孔铝炭砖，以保证内衬材料的抗碱金属性和耐磨性，并提供强大的导热能力。
炉身最上部使用的是磷酸盐浸渍粘土砖，同样具有抗碱金属侵蚀和耐磨的特性，在内衬与冷却壁之间压入无水压入泥浆，冷却壁槽内则喷涂FN-140耐火涂料。
攀钢1350m³高炉于2004年5月投产，其采用的高炉长寿技术较为合理，因而生产效果较好，达到攀钢高炉的历史较高水平。其利用系数为2.5t/m3d，使用4座顶燃式旋流喷射热风炉，风温达1230℃，高炉中煤气能够充分燃烧，从而提升了燃烧的温度，运行效果较好。
结 语
高炉长寿是一项系统性工程，其影响因素众多，涉及高炉设计、施工质量、耐材选择、冷却方案以及运行时的维护和管理等。因此，要想实现高炉长寿，需要首先设计好顺行，保证煤气流的合理分布，防止边缘煤气流的侵蚀;其次，炉体和冷却的设计、制造和维护管理也有着较大的影响;最后，在运行时的炉衬修补和设备更换等也是影响高炉寿命的重要因素。要想使高炉长期高效地运行，需要对高炉的实际情况进行综合考量，以多方面的手段为高炉延长寿命。
攀枝花攀钢集团设计研究院