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耐火材料行業知識

高爐發展趨勢

  高爐長壽是現代高爐所追求的目標,高爐長壽就意味著經濟效益的提高。近幾年,我國高爐的設計水平得到了較大的提高,高爐的壽命也得到了較人的提高。但與國外高爐壽命相比,我國只有少數高爐能夠達到國外高爐壽命的水平,本文主要介紹現代長壽高爐設備的設計思想和最新發展趨勢,希望能對我國鋼佚企業的高爐大修或新建高爐項目有所幫助。
  國外先進高爐長壽水平較高,一代爐役(無中修)壽命可達15年以上,部分高爐達20年以上。日本川崎公司千葉6號高爐(4500m?)和水島2號、4號高爐都取得了20年以上的長壽實績。日本矢作制鐵公司的361m?高爐、巖手制鐵公司的150m?高爐一代爐役壽命在上世紀90年代就達到了 20年以上的水平。最近,經過大修的部分高爐已將長壽目標定為30年。相比而言,我國高爐設備的長壽水平則較低,一般一代爐役無中修壽命低于10年,僅少數高爐可實現10至15年的長壽目標,其長壽總體水平與國外先進水平相差較大。
  二|影響高爐長壽的主要因素
  高爐能否長壽主要取決于三個因素的綜合效果:一是高爐大修設計或新建時采用的長壽技術,如合理的爐型、優良的設備制造質量、高效的冷卻系統、優質的耐材和良好的施工水平。二是穩定的高爐操作工藝管理和優質的原燃料條件。三是有效的爐體維護技術。這三者缺一不可,但其中第一項是高爐能否實現長壽的基礎和根本,是高爐長壽的“先天因素”。如果這種“先天因素”不好,要想通過改善高爐操作和爐體維護技術等后天措施來獲得長壽,將變得十分困難,而且還要以投入巨大的維護資金和損失產量為代價。因此,提高高爐的設計和建設水平,是高爐實現長壽的根本。
  三|現代長壽高爐的新思想
  國內外專家認為,現代高爐的長壽設計思想有6個方面:一是注重提高高爐整體壽命優化設計,大修精心施工,確保高爐各部位同步長壽。二是強調高效冷卻設備和優質耐材爐襯的有效匹配,從爐底至爐喉全部采用冷卻器,無冷卻盲區,并針對高爐不同部位的不同特點,選用不同材質的冷卻系統和耐材。在爐腹、爐腰和爐身下部區域使用自我造襯、自我保護的無過熱冷卻設備一銅冷卻壁技術,在此區域淡化耐材爐襯的作用,依靠形成穩定渣皮來保護銅冷卻壁。在開爐前,爐腹、爐腰和爐身下部區域僅噴涂一層普通噴涂料來防止開爐時的爐料磨損;在高爐爐缸側壁區域使用熱壓小塊碳磚、優質微孔碳磚配合冷卻壁或陶瓷杯來延長使用壽命。三是增加爐缸死鐵層設計深度(達爐缸直徑的20%左右),減少爐缸內鐵水環流對爐缸側壁的侵蝕。四是在高利用系數(爐役平均有效容積利用系數大于2.0)、高煤比(爐役平均噴煤量達150kg / t以上)、低維護費用的基礎上,爐役壽命(20年以上)和單位爐容產鐵量(1.0萬一1.5萬t/m?爐役)應作為高爐長壽同時追求的目標。五是采用有效技術監測、維護爐體是實現高爐長壽的重要保證。六是注重高爐穩定順行的工藝操作管理和使用成分穩定的優質原燃料對高爐長壽的作用。
  四|關于高爐長壽的幾種觀點
  1、經濟合理的長壽觀
  高爐長壽不是越長越好,應按爐容大小確定一個經濟合理的壽命。即以一代高爐壽命發揮最大效益為限度。如一座300m?級高爐壽命達15?20年,是否合理?要達到這么長的壽命,必須采用高檔優質的耐材和冷卻設備及最先進的技術,勢必導致基建投資過大;再說15?20年以后,新材料、新設備、新技術將發展到何等水平,難以預料,由此看來300m3級高爐壽命8?10年應屬長壽。而1000m3以上或2000m3以上高爐壽命可搞到幾年以上,甚至更長。但亦應根據實際條件和技術發展趨勢作經濟效益分析,確定其經濟合理的長壽高爐。
  2、高質量的長壽觀
  高爐長壽要強調長壽質量問題,就是說要發揮一代爐役的高效強化冶煉和良好的技術經濟指標,而不是靠慢風作業、護爐措施來拖延壽命。如一個人的壽命,活著要健康無病,身強力壯,精力充沛,而不是躺在病床上靠打針吃藥延長壽命。故提倡高質量的長壽,才是煉鐵工作者研究的目的。
  3、 系統整體長壽觀
  高爐長壽不僅是指高爐本體長壽,而應包括高爐生產的主體和輔助系統整體長壽。若主體的某一部位或系統的某一環節出現問題(嚴重損壞),均會影響其壽命,因此,在設計時就要統籌全局,做到系統內各個部位同步長壽。甚至有的專家提出熱風爐壽命應是高爐本體的兩倍左右。任何片面強調爐缸、爐底或其它局部長壽都是不符合高爐系統整體長壽觀的。這也是在長期的實踐中逐步認識和形成的長壽觀念。
  4、永久性爐襯長壽觀
  有專家研究后提出:只要設計、制造無過熱冷卻器,使高爐渣、鐵凝聚附著,而生成永久性的爐村,包括爐內塊狀帶的爐料保護村,維持高爐長期作業,達到長壽之目的。因此,認為對于高熱流強度的爐身中下部需要形成永久性的安全爐襯,這是設計長壽高爐的關鍵。也就是說冷卻器熱面最高溫度不超過其材料強度允許的范圍,那么冷卻器將不會燒壞,永久性爐村將會形成,則高爐就能長壽。這一觀點的關鍵是要有優良的耐火材料內襯和理想的冷卻設備作為先決條件。因此,做好優良耐火材料內襯的設計和冷卻器的技術方案更為重要。
  五|關于高爐長壽的幾種觀點
  據不完全統計,我國高爐容積大于1000m3的大型高爐有50余座,2000m3以上的大型高爐有25座,這些大型高爐的生產能力約占全國煉鐵生產能力的50%以上。20世紀90年代,一批新建或大修技術改造的高爐釆用了鐵素體球墨鑄鐵冷卻壁、銅冷卻板、軟水密閉循環冷卻、陶瓷杯等現代高爐長壽技術,壽命已達到8?10年以上。其中我國自行設計建設的特大型高爐一寶鋼2號高爐4063m3壽命已達到12年,武鋼5號高爐3200m3、首鋼4號高爐2100m3的壽命也相繼達到12年。這些高爐至今未進行中修,仍在正常工作,預計高爐壽命將達到15年以上。
  我國新建或大修改造的大型高爐,遵循高效、長壽并舉的原則,高爐一代爐役設計壽命15?20年,一代爐役平均利用系數大于2. 0t/m3 ? d。 一代爐役單位有效容積產鐵量達到10000?15000t/m3。
  六|我國高爐長壽技術情況
  1、優化高爐爐型
  我國煉鐵工作者歷來重視高爐爐型設計,通過研究總結高爐破損機理和高爐反應機理,優化高爐爐型設計的基本理念已經形成。
 。1) 加深死鐵層深度實踐證實,高爐爐缸爐底“象腳狀”的異常侵蝕,主要是由于鐵水滲透到炭磚中,使炭磚脆化變質,再加之爐缸內鐵水環流的沖刷作用而形成的。加深死鐵層深度,是抑制爐缸“象腳狀”異常侵蝕的有效措施。死鐵層加深以后,避免了死料柱直接沉降在爐底上,加大了死料柱與爐底之間的鐵流通道,提高廠爐缸透液性,減輕了鐵水環流,延長廠爐缸爐底壽命。理論研究和實踐表明,死鐵層深度一般為爐缸直徑的15%?20%。
  武鋼5號高爐“象腳狀”侵蝕示意圖
 。2) 適當加高爐缸高度高爐在大噴煤操作條件下,爐缸風口回旋區結構將發生變化。適當加高爐缸高度,不僅有利于煤粉在風口前的燃燒,而且還可以增加爐缸容積,以滿足高效化生產條件下的渣鐵存儲,減少在強化冶煉條件下出現的爐缸“憋風”的可能性。近年,我國已建成或在建的大型高爐都有爐缸高度增加的趨勢,高爐爐缸容積為有效容積的16%?18%。
  (3) 加深鐵口深度鐵口是高爐渣鐵排放的通道,鐵口區的維護十分重要。研究表明,適當加深鐵口深度,對于抑制鐵口區周圍爐缸內襯的侵蝕具有顯著作用,鐵口深度一般為爐缸半徑的45%左右。這樣可以減輕出鐵時在鐵口區附近形成的鐵水渦流,延長鐵口區爐缸內襯的壽命。
  (4) 降低爐腹角 降低爐腹角有利于爐腹煤氣的順暢排升,從而減小爐腹熱流沖擊,而且還有助于在爐腹區域形成比較穩定的保護性渣皮,保護冷卻器長期工作,F代大型高爐的爐腹角一般在80°以內,本鋼2600m3爐腹角已降低到75. 37°2、爐缸爐底內襯結構
  長壽爐缸爐底的關鍵是必須采用高質量的炭磚并輔之合理的冷卻。通過技術引進和消化吸收,我國大型高爐爐缸爐底內襯設計結構和耐火材料應用已達到國際先進水平。以美國UCAR公司為代表的“導熱法”(熱壓炭磚法)爐缸設計體系已在本鋼、首鋼、寶鋼、包鋼湘鋼等企業的大型高爐上得到成功應用;以法國SAVOIE公司為代表的“耐火材料法”(陶瓷杯法)爐缸設計體系在首鋼、梅山、寶鋼、鞍鋼等企業的大型高爐上也得到了推廣應用。日本大塊炭磚——綜合爐底技術在寶鋼、武鋼等企業的大型高爐上也取得廠長壽實績。“導熱法”和''耐火材料法”這兩種看來似乎截然不同的設計體系,其技術原理的實質卻是一致的。即通過控制1150 °C等溫線在爐缸爐底的分布,使炭磚盡量避開800?1100 °C脆變溫度區間。導熱法采用高導熱、抗鐵水滲透性能優異的熱壓小塊炭磚,通過合理的冷卻,使炭磚熱面能夠形成一層保護性渣皮或鐵殼,并將1150℃等溫線阻滯在其中,使炭磚得到有效的保護,免受鐵水滲透、沖刷等破壞陶瓷杯法則是在大塊炭磚的熱面采用低導熱的陶瓷質材料,形成一個杯狀的陶瓷內襯,即所謂“陶瓷杯”,其目的是將1150℃等溫線控制在陶瓷層中。這兩種技術體系都必須采用具有高導熱性且抗鐵水滲透性能優異的炭磚。將兩種設計體系組合在一起也不失為一種合理的選擇,首鋼1號高爐2536m3采用熱壓炭磚+陶瓷杯組合爐缸內襯技術,至今已安全運行10年,預計高爐爐缸爐底壽命可以達到15年。隨著微孔炭磚、超微孔炭磚的相繼問世,大塊炭磚綜合爐底技術得到進一步發展,但采用此種結構的爐缸爐底須長期進行護爐操作。另一種值得關注的現象是高爐爐底和爐缸壁厚度都呈減薄趨勢,個別大型高爐的爐底厚度已經減薄到2400mm,首鋼首秦公司1號高爐1200m3爐缸采用熱壓炭磚,其爐缸壁厚度僅為800mm。
  3、冷卻壁技術
  20世紀70年代末期,德國GHH公司和蒂森公司合作率先在高爐上應用了銅冷卻壁,取得廠令人滿意的效果。高爐銅冷卻壁具有高導熱、抗熱震、耐高熱流沖擊和長壽命等優越性能,越來越多地應用于國內外大型高爐的關鍵部位,為高爐高效長壽起到了重要的作用。我國對銅冷卻壁的研究始于20世紀90年代中期。廣東汕頭華興治金備件有限公司和首鋼合作,于2000年1月設計研制出2塊銅冷卻壁,并安裝在首鋼2號高爐1726m3上試用,取得了顯著的應用效果。2002年3月首鋼2號高爐技術改造中,應用了該公司提供的120塊銅冷卻壁,這是我國高爐正式使用國產銅冷卻壁,標志著銅冷卻壁技術已經完全實現國產化。據不完全統計,目前我國已有20余座大型高爐采用了國產銅冷卻壁。采用銅冷卻壁的技術原理是依靠銅冷卻壁優異的導熱性、抗熱震性和耐高熱流沖擊性,在其熱面能夠形成比較穩定的保護性渣皮。即使渣皮瞬間脫落,也能在其熱面迅速地形成新的渣皮保護冷卻壁,這種特性是其他常規冷卻器所不能比擬的。實踐證實,銅冷卻壁是一種無過熱冷卻器,使用壽命可以達到20~30年。銅冷卻壁在首鋼、武鋼本鋼、馬鋼、攀鋼、湘鋼等企業的大型高爐上已經得到了應用。目前,我國已經研制出多種不同形式的銅冷卻壁,有軋制銅板鉆孔銅冷卻壁、銅管鑄造銅冷卻壁、Ni-Cu合金管鑄造銅冷卻壁、鑄造坯鍛壓鈷孔銅冷卻壁和連鑄銅冷卻壁等。軋制銅板鉆孔銅冷卻壁由于結構致密、組織缺陷少、冷卻效率高,其應用范圍最為廣泛。銅冷卻壁是高爐長壽的關鍵技術之一,銅冷卻壁的應用使高爐在不中修的條件下,壽命達到15~20年成為可能。銅冷卻壁應使用在高爐熱負荷最大的區域,即爐腹、爐腰和爐身下部,該區域是高爐異常破損嚴重且造成高爐短壽的關鍵部位,在此區域使用銅冷卻壁對于延長高爐壽命具有重要作用。此外,在高爐爐缸(特別是鐵口區)使用銅冷卻壁也將會取得良好的應用效果。在進一步優化銅冷卻壁結構方面,華西科技研發出銅冷卻壁+爐襯熱面澆注技術是我國冷卻壁技術發展的有一新的里程碑。
  4、薄壁內村,磚壁一體化
  高爐爐體破損機理的研究,使人們更加清楚地了解了高爐內村和冷卻器的工作條件現代傳熱學理論的研究和運用,已將人們從傳統的思困感中解脫出來,形成現代高爐長壽設計的基本理念,薄壁內村技術就是在此條件下應運而生。所謂薄壁內村就是對高爐內村和冷卻壁進行優化組合,形成磚壁一體化結構,解決爐腹、爐腰和爐身下部高熱負荷區的短壽問題,使其壽命與高爐爐缸、爐底的壽命同步。我國已有數座大型高爐采用了磚壁一體化的薄壁內村技術。冷卻壁取消了凸臺,消除了冷卻壁破損最薄弱的部位,而且冷卻壁熱而全部采用耐火材料保護,即所謂全覆蓋鑲磚冷卻壁。這種磚壁一體化的冷卻壁是在第四代冷卻壁的基礎上優化演變而來的,其內襯厚度僅為150~250m。大型高爐爐腹、爐腰、爐身下部采用銅冷卻壁,爐身中部采用此種結構,爐身上部設23段C型光面水冷壁,這應是一種配置合理的長壽爐體結構。
  七|高爐自動化檢測與控制
  自動化檢測是高爐長壽不可缺少的技術措施。爐缸爐底溫度在線監測已成為監控爐缸爐底侵蝕狀態的重要手段,也是建立爐缸爐底內村侵蝕數學模型所必要的條件。爐腹、爐腰、爐身下部區域,溫度、壓力的檢測為高爐操作者隨時掌握爐況提供了有效的參考。通過對冷卻水流量、溫度、壓力的檢測?梢杂嬎愕贸鰺崃鲝姸、熱負荷等參數,而且還可以監控冷卻系統的運行狀況。爐喉固定測溫、爐頂攝象、煤氣在線自動分析、爐村測厚等技術的應用使高爐長壽又得到廠進一步的保障。我國寶鋼、武鋼、首鋼、本鋼、湘鋼的大型高爐還引進了人工智能高爐治煉專家系統,為延長高爐壽命創造廠有利條件。
  參考文獻:
  張壽榮  武鋼高爐長壽技術  北京:冶金工業出版社.2009


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