攀鋼一高爐大修采用的長壽化技術分析

摘 要：文章從設計的角度從高爐爐型結構、死鐵層厚度、爐體內襯、爐體冷卻、增加出鐵口等方面闡述了攀鋼一高爐大修采用的長壽化技術，使冶煉釩鈦磁鐵礦高爐一代爐齡無中修壽命達到15 a，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：高爐；釩鈦磁鐵礦；長壽；設計

中圖分類號：TF576 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0114-02

高爐長壽技術一直是煉鐵工作者研究的重點課題，一代爐齡使用壽命越長，就意味著經濟效益的不斷提高。隨著我國煉鐵技術的進步，國內高爐逐漸向大型化發展，出現了沙鋼5 800 m3世界第一大高爐以及首鋼5 500 m3等大容積高爐，高爐的設計能力、裝備水平、施工質量、管理維護層次和使用壽命等方面均有顯著提高。但較之國外優秀高爐的長壽水平（無中修15～20 a），目前國內高爐的一代爐齡一般低于10年，僅少數高爐可實現10～15a的長壽目標。

攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦，爐容1 000～2 000 m3，其一代爐齡壽命維持在8～10 a左右。由于原料的特殊性，爐容的擴大在當前攀鋼冶煉技術及操作水平下已基本達到瓶頸，為了提高效益必須延長高爐壽命。

1 攀鋼一高爐大修歷史

攀鋼一高爐為國內外第一座冶煉高鈦型釩鈦磁鐵礦普通大型高爐。其設計有效爐容1 000 m3，1965年開工建設，1970年7月1日建成投產，采用攀枝花本地釩鈦磁鐵礦冶煉。其第一代爐役采取的主要長壽化措施有：

①普通粘土磚、大塊碳磚相結合的復合結構爐底。

②爐體冷卻第1～3段（爐底、爐缸部位）為光面冷卻壁，第4～5段（爐腹、爐腰部位）為鑲磚冷卻壁，第6段（爐身下部）為光面冷卻壁套支梁式水箱的復合結構，第7～11段（爐身中部）為四層支梁式水箱，第11段頂部到爐喉鋼磚以下沒有設計冷卻結構，為全高鋁磚砌筑。

1978年進行了第一次大修，爐容維持不變，爐底改為全粘土磚結構，爐身下部改為三段鑲磚冷卻壁。

1989年進行了第二次大修，爐容擴至1 200 m3，爐身下部改為三段帶大頭的鑲磚冷卻壁，爐身中部采用鑄鋼冷卻水箱，爐體磚襯為粘土磚及高鋁磚。

2002年進行了第三次大修，爐容擴至1 280 m3，爐體冷卻第1～3段（爐底、爐缸部位）采用三段灰鑄鐵光面冷卻壁，第4～5段（爐腹、爐腰部位）由兩段鑲磚冷卻壁改為兩段純銅冷卻壁，第6段（爐身中下部）采用烏克蘭模塊結構，爐身上部采用兩段光面冷卻壁；爐底為改進型全粘土磚爐底（3層致密粘土磚加6層超致密粘土磚）。

攀鋼一高爐在第四代爐役中，由于新技術的應用，且在生產操作中加強管理、減少入爐原料粉末、提高礦石品位、加大噴煤量等措施，取得了良好的技術經濟指標。2009～2011年利用系數達到了2.6，今年最高月利用系數達到了2.7的攀鋼高爐最好水平。鑒于攀鋼一高爐第四代爐役已近11a，且已達到第三次大修設計使用年限，將于2013年進行第四次大修。

2 攀鋼一高爐大修采用的長壽化技術

2.1 優化的爐型結構

攀鋼一高爐（1 280 m3）內型設計在結合攀鋼二高爐（1200 m3）、三高爐（1 200 m3）、四高爐（1 350 m3）、新三高爐（2 000 m3）爐體內型改進經驗，著重考慮冶煉釩鈦磁鐵礦特性、順應高富氧大噴煤的發展趨勢，兼顧爐體全冷卻壁薄壁爐墻結構的要求，充分利用煤氣化學能，改善料柱透氣性，對爐體內型進行了優化。爐缸直徑d=8.47 m，爐腰直徑D=9.45 m，有效高度Hu=24.6 m，爐腹角β=80°43′25″，爐身角α=83°34′17″，高徑比Hu/D=2.603。對比攀鋼一期高爐高徑比2.70，爐體更趨于矮胖型，以適應大風量和高壓操作，符合高爐發展趨勢。

2.2 增高死鐵層厚度

死鐵層的厚度直接影響出鐵時鐵水在爐缸的流動速度，直接影響鐵水對爐底磚的沖刷程度。攀鋼一高爐原設計死鐵層厚度為825 mm，為爐缸直徑的9.8%，而新建的優秀高爐死鐵層厚度一般為爐缸直徑的20%左右。根據2011年檢測數據，爐底4點最高溫度達到1010℃。根據莫依遜科公式計算：a=d/K1×1/u×lg（t1/t2），代入數據得出爐底剩余厚度233 mm，因為檢測點在第3層磚頂部，3層爐底磚厚度1 200 mm，計算爐底剩余總厚度1 459 mm。爐底總共9層磚總厚度3 625 mm，減去計算結果得出爐底高溫點最大侵蝕深度2 266 mm。由此可知，攀鋼一高爐經過10 a的冶煉，其爐底侵蝕嚴重，爐底溫度高。因此，大修設計死鐵層厚度增加至1 600 mm，為爐缸直徑的19%。增加死鐵層厚度有利于爐缸死料柱上浮，減少鐵水環流對爐缸側壁磚襯的不利影響，死鐵層厚度1 600 mm跟攀鋼二高爐（1 200 m3）保持一致。

2.3 改進型復合結構爐底、爐缸

根據攀鋼采用普通高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的多年攻關經驗，若爐底磚襯、爐缸結構、爐身下部與爐腰結合部過渡段冷卻壁的壽命達到15 a，即可實現一代爐齡15 a的目標。

①采用改進型復合結構爐底。爐底磚襯結構在上代爐役基礎上改進：減少一層超致密粘土磚，增加一層復合莫來石磚，磚襯共9層，總厚度3 609 mm。第l～2層采用半石墨大炭塊，第3～4層采用超致密粘土磚，第5～7層采用復合莫來石磚，第8～9層采用超致密粘土磚。復合型結構爐底是在研究攀鋼高爐爐底侵蝕特點基礎上，經數次大修改進形成的專有長壽技術措施。

②采用全復合莫來石結構爐缸。為了延長爐缸壽命，增強抗渣鐵沖刷能力，提高對高鈦型渣鐵侵蝕抗性，爐缸全部采用復合莫來石磚砌筑。18個風口采用棕剛玉異形組合磚，1個渣口、2個鐵口采用黃剛玉異型組合磚。該種結構在攀鋼高爐應用效果良好，實踐證明完全勝任15年的長壽目標。

2.4 全冷卻壁薄壁爐墻結構

攀鋼一高爐（1 280 m3）本次大修采用全冷卻壁薄壁爐墻結構，從爐底至爐喉共設計12段冷卻壁。在爐底磚下埋設水冷管（間距500 mm）的爐底冷卻形式。第1～3段（爐底、爐缸部位）設計3段光面冷卻壁：第1段高度h1=2 500 mm，第2段高度h2=2 500 mm，第3段高度h3=2570 mm；光面冷卻壁材質為灰鑄鐵（HT150），壁體厚度δ=120 mm，內鑄φ44.5×6無縫鋼管；其中2個鐵口部位采用四小塊異型雙層水冷冷卻壁，渣口、風口帶采用雙層冷卻水管。第4-6段（爐腹、爐腰、爐身下部與爐腰結合部）為高熱負荷區，需要高冷卻強度，設計3段純銅鑲磚冷卻壁。第4段高度h4=2 100 mm，共36塊；第5段高度h5=2 200 mm，共36塊；第6段高度h6=1 600 mm，共36塊；純銅冷卻壁厚δ=125 mm，冷卻壁熱面開槽鑲磚，槽深30 mm，冷鑲Si3N4-SiC磚（或采用現場搗打碳化硅填料）。純銅冷卻壁有兩種制造方法，一種為純銅（99.5%）連鑄板坯經軋制、鉆孔加工、焊接銅密封塞子而成，質量較高，也是最早開發的制造方法；另一種是用鑄造方法，該法可制造橢圓孔道，但制造質量難以保證。通過比較，設計推薦第4、5、6段采用軋制、水通道采用復合孔形設計，單面鉆孔加工的銅冷卻壁。第7～11段（爐身中部）設計5段鑲磚鑄鐵冷卻壁，每段高度h7-11=2 000 mm。鑲磚鑄鐵冷卻壁材質為鐵素體球墨鑄鐵（QT400-18），壁體厚度δ=340 mm，熱面鑲Si3N4-SiC磚。第12段（爐身上部）設計一段帶有“Г”形結構的過渡冷卻壁，高度h12=2 180 mm，材質為鐵素體球墨鑄鐵（QT400-18），壁體厚度δ=290 mm熱面鑲高鋁磚。為了有效防止冷卻元件結垢、減少檢修次數、延長使用壽命，在冷卻壁供水管路上設置管式超聲波水過濾器和超聲波防垢器。

近年來，新建或改造高爐多采用了全冷卻壁薄壁爐墻結構。該結構的特點是高爐操作內型平滑，爐體冷卻均勻，有利于高爐高產、節能、長壽。爐身與爐腰結合部是業內公認的制約高爐長壽的主要環節之一。

銅冷卻壁的工作原理是依靠掛渣皮工作，攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦較冶煉普通礦的軟熔帶低(大致在爐腰、爐腹部位)且窄，形成高熱負荷區域。攀鋼一高爐在爐腹、爐腰及爐身下部4～6段冷卻壁采用了純銅冷卻壁，旨在加強高熱負荷區域冷卻效果，提高關鍵部位冷卻壁壽命。

2.5 軟水密閉循環冷卻系統

新建的高爐大多運用了軟水密閉循環冷卻系統（如首鋼5 500 m3高爐），其水量消耗少、動力消耗低，冷卻可靠性高、效率高。軟水密閉循環系統克服了汽化冷卻和工業水自然循環冷卻的固有缺點，把他們的優勢集于一身。回路壓力的增加，提高了水的沸點，同時降低了局部泡核沸騰的可能性，水可以在欠熱度條件下工作，在高爐應用之后獲得了令人滿意的效果。

攀鋼—高爐一直使用工業水開式循環冷卻水系統，水質較差，腐蝕、沉積物的存在影響高爐冷卻壁的使用壽命，并且增加了高爐的檢修次數。冷卻水循環量大，蒸發損耗的水量大，動力消耗高，成本也高。本次攀鋼一高爐大修新增軟水密閉循環冷卻系統，其系統一次性充滿后，只需補水2～5 m3/h，節約能源，降低能耗。況且，軟水不結垢，水中無懸浮物，能保證冷卻設備的冷卻效果，對高爐長壽有積極的作用。整個系統是密閉循環，受外界影響較小，系統運行穩定，冷卻效果穩定，對高爐長壽亦有好處。

2.6 新增一個鐵口及蓄鐵式出鐵主溝的應用

攀鋼一高爐大幅度強化冶煉，利用系數最高可達2.7t/m3·d（平均2.5），單鐵口日通鐵量達到3 200 t/d，渣鐵比580 kg/t。通鐵量的增大導致鐵口清渣鐵工作困難，生產組織壓力大，且單鐵口制約了攀鋼一高爐進一步提高冶煉強度，成為高爐提高生產指標的瓶頸，所以提出了新增一個鐵口及出鐵場的方案。

由于全釩鈦磁鐵礦冶煉，每次出完鐵均需清渣鐵溝工作，若2個鐵口輪流出鐵，可大大減緩清溝工作壓力、降低勞動強度，方便爐前生產組織，延長鐵口使用壽命，也能為一高爐進一步強化冶煉和長壽打下良好基礎。

通鐵量高，使用壽命長是考察高爐鐵溝的主要指標。優質的鐵溝不但使用了高檔次的Al2O3 SiC-C 質澆注料，還應用了蓄鐵式出鐵主溝。攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦，其渣鐵含鈦高，粘度大，流動性差。因此，出鐵主溝設計坡度較大，一般為12%，撇渣器出口溝底標高等于撇渣器進口主鐵溝溝底標高。由于入爐原料結構的逐漸改變，攀鋼高爐的冶煉特點日趨接近普通高爐，這就為本次大修設計將普通出鐵主溝改為蓄鐵式創造了條件，其改造步驟為：

①抬高撇渣器出口端溝底標高，使其高于撇渣器進口處主溝底的標高。

②主鐵溝從出鐵口向撇渣器方向2 m處開始，改變原坡度均勻下降的設計，使溝底坡度減小（從12%降至7.5%），以便在高爐每次出完鐵水后主溝內能夠存留足夠的鐵水。這種蓄鐵式出鐵主溝大大改善耐火材料的急冷急熱環境，耐火材料可以得到更好的燒結，更利于耐火材料的長壽。改造應用蓄鐵式出鐵主溝后，每次新出鐵水從鐵口噴出并拋物線落下時，鐵水不是直接落在溝底耐火材料上，而是落在了殘存的鐵水表面（含渣液），這將給溝底耐火材料以極好的緩沖，對延長耐火材料壽命有極大好處。

3 結 語

攀鋼一高爐（1 280 m3）第四次大修在上代爐役（2002～2013）基礎上對爐體結構進行了進一步優化，采取了增高死鐵層厚度，全冷卻壁薄壁爐墻結構，軟水密閉循環冷卻系統，增加一個鐵口，改造蓄鐵式出鐵主溝等適宜攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦特點的高產、長壽技術措施。按照目前一高爐第四代爐役使用11 a來看，本次大修設計上采用上述長壽化措施加之設備制造、施工、生產操作及管理維護水平的提高，一代爐齡15 a的目標是可以實現的。

參考文獻：

[1] 楊佳龍，李懷遠，李國清.武鋼4號高爐采用的長壽技術[J].煉鐵，2000，(1).