摘  要  介绍杭钢高炉炉缸炉底结构和炉体冷却的发展变化情况，分析了几种炉缸结构和内衬材质的特点和应用效果，分析高炉冷却结构和不同材质冷却壁的特点和实际应用情况，介绍高炉后期护炉的特色技术。经多年探讨和发展，杭钢高炉长寿达到了国内先进水平。

关键词  高炉长寿  炉缸炉底结构  炉体冷却  护炉技术

1  前言

杭钢炼铁历经五十余年发展，高炉长寿技术取得了长足进步，高炉一代炉龄单位炉容产铁量从不足2000吨增加到近10000吨，达到国内先进高炉水平。高炉长寿受生产操作技术影响很大，与高炉改造采用的长寿新技术更是密不可分。

2  炉缸炉底的长寿

杭钢早期使用粘土砖、高铝砖炉缸，一代炉役产铁量仅2000t/m³左右。2号高炉1982～1988年代曾达到3744t/m³,一代炉役平均利用系数1.76 t/m³.d，可算是这类炉底的长寿最高记录。用这类炉缸炉底的3号高炉，1988年曾连续3次发生炉缸烧穿，寿命仅三年另二个月，一代炉役产铁量仅2205t/m³。

此后，碳砖炉底炉缸逐渐开始替代粘土砖、高铝砖结构。1988年342m³ 1号高炉采用碳砖综合炉底。1994年10月25日，1号高炉炉缸的铁口北侧烧穿，烧穿部位曾因炉缸冻结放炮炸伤，一代炉役产铁量4826t/m³。1995年中修1号炉炉缸改用自焙碳砖复合陶瓷杯，由于炉底、炉缸的低温区达不到自焙温度（900℃以上），炉役后期炉缸水温差频频报警，一代炉役产铁量退到4398t/m³，但役期平均利用系数仍达2.48 t/m³.d。

2000年420 m³1号炉大修扩容时开始探讨新的结构,当时国内高炉炉缸内衬结构采用炭质材料的主要有三种方式，一是自焙炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬，二是模压小块炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬，三是焙烧炭块-陶瓷砌体复合炉缸内衬。在第一种结构中，由于陶瓷砌体层的存在，自焙炭块热端温度降低，自焙炭块没能达到焙烧的条件，尤其在靠近冷却壁的冷面，导致产生中温区自焙炭块疏松、粉化和收缩，从而影响其性能，炉衬抵抗铁水能力降低，上一代炉龄即是例证。第二种结构以UCAR热压炭砖为代表，由于其高导热性和小尺寸的特点，采用薄壁高炉的慨念，正常生产时炭砖温度可控制在400℃以内，而在炉缸内形成渣铁粘结保护层，避免了渣铁对炭砖的磨损和化学侵蚀，因此其结构是相对稳定的。对于第三种结构，当时认为砖块过大可能会产生热应力断裂。鉴于以上分析，420 m³高炉改造在关键部位-易引起蒜头状侵蚀的炉缸引入了UCAR热压炭砖NMA。炉缸内衬结构见图1：

炉底满铺四层微孔自焙炭块，炉底、炉缸下部紧靠冷却壁环砌UCAR热压炭砖NMA，上部环砌国产微孔模压小块炭块，炉底、炉缸铁口中心线以下的陶瓷砌体采用抗铁水溶蚀性能好的刚玉莫来石砖，铁口中心线以上砌抗碱金属、抗炉渣侵蚀能力好的复合棕刚玉砖，而在铁口区采用热压半石墨炭砖NMD。

几种炭质材料的技术性能指标见表1：

 

420高炉因送风系统、煤气系统破损严重，于2007年停产，一代炉役产铁量达到9793t/m³，役期利用系数3.66 t/m³.d,达到了国内同类型高炉的先进水平，高炉拆除发现炉缸碳砖结构侵蚀很少，基本完好（见图2），说明这类结构的炉缸寿命还可以更长。

经过几年的发展，大碳块复合陶瓷杯技术得到认可，同时出于经济性考虑，2002年3号炉大修使用日本进口NDK大碳块复合陶瓷杯，其炉缸内衬结构见图3，高炉尚在生产，目前单位炉容产量已达到，一代炉龄产量也有望突破10000t/m³。2004年750m³2号高炉使用国产兰州大炭块，2007年1250m³ 1号高炉使用国产焙烧碳砖+陶瓷垫、深死铁层技术（见图4），死铁层深度达到2800mm，理论上可以减缓炉缸环流侵蚀，效果有待验证。

3  炉体长寿

3.1  冷却结构

1988年前，255m³高炉通用设计均无炉腹冷却壁，采用“炉腹托圈＋一层扁水箱＋二层镶砖冷却壁＋二层支梁水箱”的冷却结构，支梁式水箱的安装高度多为炉体高度的二分之一。由于镶砖冷却壁很快烧坏，后期主要靠外部喷水冷却。喷水冷却时，炉皮常常长青苔，需要经常清理。由于冷却水中杂质多，喷水孔经常堵塞，造成冷却器烧坏或炉皮烧红。2号炉88年停炉时因炉身频繁烧红变形，整体高度萎缩达453mm，炉腹长度一米以上的裂缝多达18条，有些裂缝的宽达200mm。1988年大修时冷却结构未及改变，开炉24个月第二层镶砖冷却壁即出现烧损，至开炉32个月，第二层镶砖已全部烧毁。当时3号炉曾尝试用铜—铁结合的冷却柱填补烧坏的冷却壁（法兰为铁质，便于焊接）。

1988年1号炉安装了两层炉腹冷却壁（其中上层为勾头水箱，代替扁水箱），炉身取消了支梁水箱，采用勾头冷却壁。到1992年时，勾头烧损已达50%，效果很不理想。1995年中修采用“冷却板＋冷却壁”的“板壁结合式”冷却结构，在冷却壁的十字缝处插入焊接式空腔冷却板，恢复了支梁水箱，炉腹第二层高热负荷部位则采用双层水管冷却壁。冷却板虽然对冷却壁有一定的保护作用，但自身损坏很快，更换也并不容易，故2007年1号高炉炉身采用全冷却壁结构，取消了冷却板。炉喉钢砖下方用了一层反扣式光面冷却壁，不再使用支梁式水箱。

3.2  冷却壁材质

国内外高炉大都采用铸铁冷却壁或铜冷却壁，常温下几种材质的热导率，球铁为27. 8 WPm·℃，铸钢为51. 6 WPm·℃，铜为337 WPm·℃。铜冷却壁导热、抗热震性能和耐高热热冲击性能都较佳，但其价格昂贵，限制了大规模的应用，因此相当长时间都是以铸铁冷却壁为主。铸铁冷却壁分为普通铸铁冷却壁和球墨铸铁冷却壁，普通铸铁冷却壁的抗热震性能和导热系数低，高炉生产到一定年限，历经温度反复波动，壁体晶相组织发生很大变化，从热面向冷面出现开裂十分普遍，而球墨铸铁球化后的铸铁导热和抗热震性要比普通铸铁好。1995年1号高炉冷却壁采用了高延伸率球墨铸铁，由于采用冷却水管与冷却壁壁体整体浇注的方式，铸铁冷却壁基体与冷却水管材质相差很大，受基体材质和铸造工艺的限制，基体与冷却水管之间存在0. 1 mm～0. 3 mm 的气隙和防渗碳层，导致热阻增大，影响导热能力。一段时间后，由于炉内热负荷周期性的变化，冷却壁的铸铁热疲劳和机械强度降低，烧损情况较为严重，对炉役中后期的生产操作和管理的影响较大，但比普通铸铁高炉的寿命有所延长。

基于球墨铸铁冷却壁的固有缺陷，2号炉2004年大修时开始探讨应用铸钢和铸铜冷却壁。从应用分析来看，铸钢冷却壁基体含碳量低，没有铸铁冷却壁因石墨氧化而生成的无数孔洞或裂缝。铸钢和铸铁的线膨胀系数在600 ℃以下很相近, 当温度大于600 ℃时,铸铁产生不可逆的生长现象, 基体组织发生相变, 线膨胀系数和内应力急剧增长, 当内应力超过铸铁本身的承受力时, 冷却壁的破损便由此而发生。铸钢无相变生长现象, 特别是低碳钢具有较好的屈服强度, 延伸率随着温度的升高而增加, 它可使局部的高应力重新分布, 使应力集中得以释放, 同时微合金化可进一步增强钢的抗热疲劳性、抗氧化性，因此， 大大减缓了各种应力的破坏作用。与球墨铸铁相比,铸钢具有伸长率高、抗拉强度大、熔点高、抗热冲击性强及整体导热性能好等优点。铸钢冷却壁基体与冷却水管材质相同或相近，特别近年来部分厂家掌握了铸钢铸造的关键技术，使冷却水管的外壁与基体熔合为一体，而内壁不熔化、不变形，从而从根本上消除了铸铁冷却壁与冷却壁水管之间由于气隙和涂层产生的热阻。用金相显微镜观察熔合交界区域无气隙和夹层,其组织为冶金结合组织,冷却壁的导热能力进一步提高。

根据以上分析，在2号高炉炉腹炉腰和炉身下部应用安装了四层铸钢冷却壁，并在铁口上方的炉腹部位试用四块铸铜冷却壁。从目前情况看，效果比较明显。高炉生产已经4年多，渣皮脱落时铸铁冷却壁热面温度经常到600℃～800℃，最高到过1138℃，且渣皮脱落后，形成渣皮时间较长，有时形成渣皮时间在24小时以上。铸钢冷却壁的热面温度基本稳定在70℃到150℃，与软水的温差基本保持在10℃到40℃之间。出现渣皮脱落时，瞬间温差在300℃左右，在2个小时内回落到正常温差水平，说明铸钢冷却壁热面温度基本稳定，形成渣皮时间较短，在2个小时内就能形成稳定渣皮，且渣皮比较稳定。铸铜冷却壁热面温度基本在45℃到60℃，最高到82℃，与软水的温差基本稳定在5℃到25℃之间，渣皮形成非常稳定，渣皮脱落几率大大小于铸铁冷却壁和铸钢冷却壁。

因此在1号高炉大修工程中，铸钢冷却壁的应用范围进一步扩大到在热负荷高的炉缸蒜头状侵蚀区、铁口区和炉腹、炉腰、炉身中下部。根据马钢第一炼铁总厂1号炉（350m³）铸钢冷却壁五年应用总结，实际年平均消耗1.2 mm，按年平均消耗2 mm计算，理论使用寿命为35年，考虑到各种不利因素影响，铸钢冷却壁使用寿命在20年以上是有可能的。

3.3  冷却水质的改善

建厂以来，杭钢高炉一直使用杭钢河水冷却，冷却后又排入杭钢河。随着城市污染的加剧，杭钢河水杂质多、水管堵塞造成冷却器烧毁等问题越来越严重，一个班清五、六次滤水器是家常便饭。1993年末,动力双曲线冷却塔建成投用，高炉冷却水实现工业水循环使用，混浊度也有所下降。1994年2号炉试用全自动滤水器成功并逐渐在全厂推广，但是水质又混又黑的问题并未彻底解决。2002年3号高炉开始使用软水冷却，彻底解决了水质问题，2004年2号高炉、2007年1号高炉也开始使用软水冷却。

4  高炉护炉技术

杭钢高炉“护炉”的概念最早见于1990年。学习首钢“开炉初期就着手护炉”的经验，1989年1月开炉的2号高炉于1990年6～7月着手钒钛球护炉试验。每吨球团中配入5％的钒钛精粉，高炉配30％左右的钒钛球，控制铁水中的[Ti]=0.1～0.15%,渣中的TiO₂=1～2.0%左右。试验不久，出现了铁水粘沟、粘铁水包，继而出现了顽固的炉缸堆积，只得中止试验。

1992年，仍采用“高铝砖+磷酸盐泥浆”的2号高炉炉缸频频报警，采取双联改单联、局部通高压水（0.6Mp）、换长风口等措施。1993年，2号炉险情加剧，水温差多处升高、炉身托圈多处开裂，炉底温度高达685℃。采取护炉措施，主要是控制冶炼强度，减产约15%。

中修后的2号高炉于1993年11月开炉。1997年1月发现炉缸一层16号冷却壁处炉皮出现长达3米的垂直裂缝，直达炉底。其后又出现炉缸水温差升高等因素，于3月起采取护炉措施，为实现生产、安全两不误，本次护炉措施进行了改进，制定热流强度和水温差的控制标准，实施“中硅、中硫、中钛，适时排碱”的护炉方针。改大幅度提高生铁一级品率为严格控制三级品率，既防止由于一级品率过高造成炉缸石墨碳过分堆积，又防止三级品率过高对炉缸过分侵蚀，形成以碳化硅、氮化硅沉积为主，石墨碳沉积为辅的炉底炉缸保护层，由于生铁含硫控制适中，高炉易于长期稳定，避免生铁含硫长期过低造成炉况失常。生铁含硅水平略高，有利于氧化钛还原形成钛化物，也有利于炉渣碱度下调，避免碱金属富集造成碱害，结合适时排碱技术，高炉在高炉温条件下保持了长期稳定。

本次护炉185天 ，平均减产28t/天，焦比升高16kg/t。比1993年护炉少减产42t/天，节约焦比73 kg/t，护炉技术改进的效果相当明显。目前高炉护炉除沿用2号炉经验外，还采用了炉缸高温差部位灌碳素无水泥浆等技术。

5  结语

（1）炉缸内衬经几次改进，一代炉役炉缸部位寿命从不到2000t/m³提高到近10000 t/m³；

（2）炉体逐步改进冷却结构、冷却壁材质、冷却水质，一代寿命可以达到10年以上；

（3）不断改进护炉技术，实现护炉少减产，提高了一代炉役产铁量。