國內中小高爐爐體升級改造設計及研究

王春龍，祁四清，全 強，李平潮，趙艷霞

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

國內某600 m3級高爐于2011 年投產，2016 年10 月停爐大修，運行時間～5 年。該高爐從2016 年開始，爐況不順行，高爐爐底漏煤氣，爐腰冷卻壁破損嚴重，因此，煉鐵廠決定對高爐進行大修改造。本次設計采用多項爐體升級改造技術，如優化爐型、將厚壁爐襯改為薄壁爐襯結構、優化爐體冷卻水系統、改進爐底密封結構以防爐底漏煤氣等。本文針對該高爐生產中出現的問題，結合拆爐破損調研以及投產后運行情況對本次高爐爐體升級改造設計中采用的多項高爐長壽技術進行全面的介紹。

1 優化高爐內型

高爐升級改造前為厚壁高爐，改造后，爐體采用薄壁爐襯結構，參考國內同級別先進高爐內型參數，對爐腹角、爐身角等參數進行優化設計。改造前后高爐內型參數對比見表1。

表1 改造前后高爐內型參數對比

從表1 可見，改造后：

（1）爐腹角減小，可以有效保護爐腹冷卻設備。

（2）爐身角減小，便于邊緣煤氣的發展，并利于爐料下降，減小爐料與爐墻及爐料之間的摩擦，即降低料柱阻損，為高爐順行創造條件。

（3）爐腰直徑增大，適當降低高徑比。

合理的薄壁內型是高爐生產操作過程中操作指標最佳時期所具有的內型尺寸，高爐一代爐役內型基本保持不變，因此，可以為高爐長期高效運行創造條件。

2 改進爐底密封結構

本高爐改造前爐底密封結構如圖1 所示。在水冷管上方設置一層爐底封板，高爐基礎下方爐底環板與高爐爐基之間有～50 mm 的間隙用灌漿料填充。生產過程中此處漏煤氣嚴重，可能是爐底封板與爐殼脫開，煤氣從脫焊處逸出。改造后爐底設置兩層封板，即在高爐基礎下方增設爐底封板，以增強爐殼密封的可靠性，如圖2。

圖1 原設計爐殼結構圖

圖2 改造后爐殼結構圖

3 優化爐體冷卻結構

3.1 爐體冷卻設備

3.1.1 爐喉鋼磚

改造前高爐共設兩層爐喉鋼磚。上層無水冷鋼磚之間采用螺栓連接，厚度為100 mm；下層空腔式水冷鋼磚總厚度455 mm，熱面厚度160 mm，材質均為ZG270-500。拆爐時發現上層鋼磚完好，但是下層鋼磚損壞嚴重，大部分已經開裂，且裂紋均源于螺栓處，個別甚至完全碎裂。

改造后采用兩層無水冷爐喉鋼磚，螺栓為鑄入式，即鋼磚熱面沒有螺栓孔，可以避免熱應力集中產生裂紋。改造前后爐喉鋼磚見圖3。

3.1.2 冷卻壁

3.1.2.1 拆爐情況

改造前，無冷區下部第12、13 段均為凸臺冷卻壁，單層蛇形管結構，冷卻壁凸臺水管破損較多。冷卻壁壁體除燕尾槽中局部鑲磚磨損外，其他部分較為完好，但是，也存在個別冷卻壁燕尾槽磨掉、側面出現裂紋的現象。第12 段冷卻壁熱面及以下的磚襯已經全部侵蝕或脫落。第12、13 段冷卻壁拆除情況見圖4。

爐身中部第9～11 段冷卻壁均不帶凸臺，單層蛇形管結構，燕尾槽內的鑲磚大部分已經侵蝕，每個燕尾槽的肋部均有3～5 個深度～10 mm 的溝槽（見圖5），可能是爐料下降磨損及煤氣流上升沖刷所致。

圖3 改造前后爐喉鋼磚安裝圖

圖4 第12、13 段冷卻壁拆除

圖5 冷卻壁燕尾槽肋部磨損圖

第8 段冷卻壁處于爐腰部位，為雙層蛇形管結構，該段冷卻壁的熱面水管全部燒壞，冷面水管共有7 根燒壞，從拆爐情況看，鐵口上方的冷卻壁損壞嚴重，冷卻壁幾乎間隔完全燒壞，即冷卻壁的燕尾槽侵蝕殆盡，甚至個別冷卻壁大部分已經燒損。爐腰冷卻壁破損狀況見圖6。

爐腹第6、7 段冷卻壁處于軟熔帶位置，熱面粘結厚度～80 mm 的渣皮，如圖7 所示。

圖7 爐腹冷卻壁熱面掛渣圖

3.1.2.2 改造設計

從冷卻壁的破損狀況來看，爐腹處冷卻壁破損較少，爐腰處雖然采用雙層水管冷卻但破損嚴重。爐身上部帶凸臺的第12、13 段冷卻壁凸臺水管大部分破損。爐身上部為塊狀帶區域，冷卻壁熱面無法形成渣皮保護，伸入爐內的凸臺受高溫沖擊、爐料磨損及煤氣流的沖刷而破損。

因此，本次改造冷卻壁采用不帶凸臺的四進四出結構，即每塊冷卻壁內鑄4 根水管，該種形式的冷卻壁無冷卻盲區，并且將冷卻系統切分為若干個細小的冷卻單元，可以避免蛇形管冷卻壁局部損壞導致整體失效的缺點。此外，冷卻壁采用一串到頂的連接方式，使得爐體縱向水量均與截面積最大的爐腰處相同，冷卻強度較大，與原蛇形管結構相比，爐腰區域通過的水量增大，利于冷卻壁熱面渣皮的形成及穩定存在，能夠有效保護冷卻壁。

具體方案為：取消爐身上部無冷區，整個爐體冷卻設備全覆蓋，其中，爐底、爐缸區域采用光面冷卻壁，冷卻壁材質為HT150；爐腹、爐腰、爐身下部為鑲磚鑄鋼冷卻壁，材質為ZG230-450；爐身中、上部為鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質為QT400-20。在爐喉鋼磚下部原無冷區設置1 段光面倒扣冷卻壁，材質為QT400-20，其內表面沿高爐內型布置，不砌耐火材料，在保證光滑內型的同時，承受生產中低料線時爐料的沖擊，也便于維持高爐布料的初始料面分布。

3.2 爐體冷卻水系統

改造前，高爐冷卻壁采用圓周橫向連接，高熱負荷區域冷卻壁水管采用單聯，低熱負荷區采用雙聯或者三聯，冷卻水經過1～3 塊冷卻壁后排入排水斗。常壓凈循環水冷卻系統水量～2500 t/h，出鐵場地坪處的壓力～0.5MPa。

改造后，冷卻壁采用一串到頂的冷卻方式，可以充分利用工業水的潛熱，且各區域冷卻壁通過水量均與截面積最大的爐腰處相同。為了保證高爐高強度冶煉的冷卻需求，常壓凈循環水冷卻系統水量增加至～3000 t/h，出鐵場地坪處的壓力提高至～0.65 MPa。此外，為了便于冷卻壁損壞后切換，在處于高熱負荷區域的爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁連管之間設置三通閥門，如圖8 所示。

圖8 冷卻壁之間連管三通閥門安裝圖

4 爐體耐材結構

4.1 拆爐情況

原高爐爐底、爐缸結構為：爐底滿鋪4 層345 mm 厚半石墨炭磚+1 層345 mm 厚微孔炭磚，爐缸全部砌筑微孔炭磚；滿鋪炭磚上方砌筑兩層陶瓷墊，厚度為690 mm；炭磚內側砌筑嵌入式小塊陶瓷杯，風口組合磚為剛玉質結構。拆爐后發現靠近鐵口的爐缸第3 層微孔炭磚剩余厚度最薄處為～200 mm（原厚度978 mm），如圖9 所示。陶瓷墊基本侵蝕完畢，最上層滿鋪炭磚基本保存完好。

圖9 鐵口附近炭磚侵蝕狀況

4.2 改造設計

根據高爐各部位不同的工作條件和侵蝕機理，合理的選用耐火材料。

4.2.1 爐底、爐缸砌筑

爐底、爐缸耐材結構設計方案為爐底水冷封板上滿鋪2 層國產半石墨炭塊，其上滿鋪2 層國產大塊微孔炭磚，爐底共砌4 層大塊炭磚，厚度1600 mm。陶瓷墊為兩層莫來石磚，總厚度為692 mm。

爐缸環砌大塊超微孔炭磚，死鐵層和鐵口區域的炭磚局部加厚，風口組合磚下部環砌三層大塊微孔炭磚。爐缸炭磚內側砌陶瓷杯，陶瓷杯采用剛玉莫來石磚。風鐵口組合磚采用大塊結構。風口處采用密封新技術，即在風口大、中套上預留灌漿孔，風口設備與組合磚之間縫隙差異化設計，并且為預防堿金屬、鋅等有害元素以及風口設備漏水對炭磚和炭素搗料的侵蝕，在風口組合磚下部加設銅板。

4.2.2 爐腹及其以上區域內襯

為了提高耐材砌筑的結構穩定性，改造后采用冷鑲磚工藝。其中，爐腹至爐腰區域工作條件惡劣，熱負荷高，氣固液三相共存，應該選用具有耐高溫、抗氧化、抗渣鐵侵蝕能力強，又能抵抗鋅、堿侵蝕、體積穩定性好的耐材，故此區域冷卻壁的熱面鑲嵌氮化硅結合碳化硅磚；爐身中下部冷卻壁的熱面鑲嵌燒成微孔鋁炭磚；考慮到爐身上部主要承受爐料的磨損及煤氣流的沖刷，冷卻壁熱面鑲嵌磷酸鹽浸漬粘土磚。

5 完善爐體檢測

改造前，爐體檢測點設置較少，尤其是爐缸溫度檢測不夠全面。

改造后，適當增加爐缸、爐底在爐襯和冷卻壁上的熱電偶，用于檢測爐缸、爐底部位溫度分布、推斷爐缸、爐底的侵蝕狀況及冷卻壁損壞狀況。根據爐缸的侵蝕特點，在爐缸象腳區密集布置熱電偶，并在爐殼上設置溫度檢測。爐腹以上冷卻壁設置熱電偶，用于檢測爐襯侵蝕狀況和冷卻壁損壞狀況。除此之外，還在爐頂設置紅外攝像儀、爐喉設置十字測溫、爐體安裝水溫差檢測模型等，以豐富爐體的檢測手段，盡可能的實現高爐的“可視化”，便于高爐生產操作。

6 結語

本次高爐爐體升級改造，結合拆爐破損調研，采用多項高爐長壽技術，自2017 年5 月份大修投產以來，高爐順行、穩定，生產指標較好，高爐日產量～2300 t，燃料比在525 kg/t 以下，冷卻壁及炭磚溫度處于正常范圍。實踐證明高爐長壽技術的應用，有助于推動國內鋼鐵企業科技進步和轉型升級，實現鋼鐵企業節能降耗，并形成了中冶京誠成熟、可靠、完整的高爐升級改造技術。