王伟  徐萌  陈辉

（首钢集团有限公司技术研究院）

摘  要  首钢M高炉设计一代炉役寿命20年，实际寿命不足10年，单位炉容产铁量不足7000t/m³，对M髙炉强化冶炼与长寿的关系进行了探析。Ｍ高炉炉缸破损调査发现，炉缸侧壁炭砖侵蚀异常严重，最薄处不足100mm，面临烧穿危险。认为长期高压差、高冷却壁水温差、低炉温运行，加钛矿护炉与做炉温不坚决，炉前日常作业管理不到位，是影响髙炉长寿的主要因素。要兼顾好髙炉强化与长寿，必须坚持合理的压差操作空间，控制好人炉原燃料质量性能，平衡好炉内煤气流分布，确保高炉炉缸的活跃性。

关键词  大型高炉 炉缸 炭砖 破损调査 强化冶炼 长寿

首钢Ｍ高炉于2010年6月26日投产，设计一代炉役寿命20年。投产不到2年，炉缸侧壁炭砖温度开始出现升高现象，随后边护炉边生产。随着炉缸侧壁侵蚀的加剧，Ｍ高炉于2019年5月12日被迫停炉大修，实际一代炉役寿命不足10年，单位炉容产铁量不足7000t/m³。借助停炉大修的机会，对M高炉炉缸破损情况进行了调査，并对影响髙炉长寿的主要因素进行了探析。

1  M高炉的设计及生产

1.1  设计特点

高效与长寿是现代高炉炼铁技术发展与进步的集中体现，基于对髙炉高效长寿概念的理解，M高炉在设计之初，就紧紧围绕高效与长寿技术，不断开展髙炉精料、髙风温、高富氧、高喷煤比等先进炼铁技术进行研究，多措并举以期实现高炉高效与长寿的要求。通过炉型设计优化，选择矮胖炉型；炉缸炉底采用“优质高导热炭砖＋陶瓷垫”综合炉缸炉底内衬结构（如图1所示）；炉腹至炉身区域采用软水密闭循环冷却技术；设计完善的炉体自动化检测系统，加强砖衬侵蚀与冷却系统的检测、监控。通过对热电偶温度、冷却水流量、温度、压力的检测，可以计算得到热流强度、热负荷等参数，还可以监控冷却系统的运行状况［２］。

1.2  生产特点

M高炉一代炉役期间也曾达到过长期的相对稳定顺行状态，尤其是2015年9月一2016年3月，M高炉利用系数2.324，燃料比503kg/t，焦比284kg/t，焦炭负荷5.69。总的来说，投产以来，M高炉取得了较好的技术经济指标（见表１）。

如何保持高炉强化冶炼的同时又能兼顾高炉长寿，是炼铁工作者研究的重点。2012-2016年，在M高炉的生产实践中，炼铁工作者也在不断摸索。通过改善炉料结构，提高球团矿应用比例，降低生矿比例，使熟料率由90%提高至94%左右；人炉品位整体略有升高，并保持在较高水平的稳定；通过强化筛分，减少人炉粉末；通过不断提高煤比，降低焦炭消耗；通过提高风温、富氧和顶压压力等，实施强化冶炼，高炉获得了低燃料比、高利用系数的效果。

然而，在获得较好技术经济指标的同时，M高炉的整体状态下滑严重，突出表现为：炉内压量关系明显升高，压差由189kPa提高至204kPa（最高时达到225kPa），炉内操作空间收窄；炉缸工作状态恶化，炉温下行严重，渣铁流动性变差，透气透液性降低，炉缸侧壁温度频繁出现高温点（尤其是2015年9月一2016年3月重负荷条件时）。这些不利因素，一方面限制了重负荷条件下高炉持续的稳定顺行，另一方面也影响并加剧了炉缸区域的侵蚀，直至停炉大修。

2  炉缸破损状况

2.1  炉缸侧壁高温点多

投产不到2年，M高炉炉缸侧壁开始出现高温点。研究发现，M高炉一代炉役期间，炉缸侧壁曾先后出现过11个高温点（如图2所示），高温点位置主要集中于铁口下方炉衬七层、八层测温点及其附近区域。在高温点出现前期，通过采取控制冶炼强度、提高软水流量、并配合加钛矿护炉等措施，炉缸侧壁高温点得到较好地控制。

但是，2016年8月，M高炉炉腰、炉腹部位出现冷却壁损坏，冷却水管漏水问题。截至2017年11月中修前，冷却壁共损坏6块，中修期间更换冷却壁73块（8段60块、7段13块）；2015年6月一2016年4月，2017年5月至停炉大修期间，炉缸侧壁高温点问题十分突出。其中，七层TE31322和八层TE31376测温点对应的1号铁口下方区域，七层TE31313和八层TE31367测温点对应的３号铁口下方区域，七层TE31317、TE31318和八层TE31372温点对应的4号铁口下方区域，六层TE31262和七层TE31316测温点对应的3、4号铁口下方之间的区域，侵蚀都比较严重；而2号铁口下方相应区域，侵蚀情况不明显。研究发现，大修期间炉缸破损调査结果与检测结果相吻合。

2.2  炉缸炭砖剩余厚度薄

通过一维炉缸侧壁传热物理模型，依据M高炉炉缸侧壁11个高温测点的历史最高温度点数据，计算得到理论最大热流强度和最小炭砖剩余厚度（见表2）。

根据理论计算不难发现，位于4号铁口下方区域的TE31316测温点，位于3号铁口下方区域的TE31367测温点，位于4号铁口下方区域的TE31372测温点，以及位于１号铁口下方区域的TE31376测温点，热流强度大，炭砖剩余厚度薄，侵蚀比较严重；其中，位于３号铁口下方区域的TE31376测温点位置，炭砖剩余厚度仅为270mm，存在烧穿的危险。

2.3 破损调查结果

停炉大修时进行破损调査工作，目的是研究炉缸破损，澄清炉缸炭砖侵蚀实际状况，为高炉长寿Ｔ作提供技术支持。Ｍ高炉炉缸侧壁高温点炭砖剩余厚度理论值与实测值对比见表３，炉缸侧壁实际侵蚀情况见图3。

通过炉缸破损调查可以看出，因炉缸区域温度检测点数量有限（两测温点周向距离2.7m，6、7、8层测温点高度差分别为765mm和1160mm），测温点位置的炭砖厚度并非一定是侵蚀最严重或最薄处，但侵蚀最严重位置均在该测温点附近。

在M高炉人工分层拆除炭砖的过程中，借助三维激光扫描技术，按顺时针方向以10°为间隔对炉缸侧壁侵蚀情况进行不间断测量，三维激光扫描结果如图4所示。1号、3号和4号铁口中心线以下2.0~2.5m环炭侵蚀严重，2号铁口下方炭砖侵蚀较轻，三维激光扫描结果与人工分层逐块拆除炭砖调査结果接近。

综上所述，M高炉炉缸侧壁圆周方向侵蚀不均匀：侵蚀最严重部位在出铁口下方2.0~2.5m（炉衬七层和层标髙之间），而不是在炉底与炉缸侧壁的交角处；距陶瓷垫水平面往上约1.0~1.5m，高度0.5~1.0mm处呈现侵蚀，侵蚀最严重处炭砖剩余厚度不足100mm。对比而言，炭砖剩余厚度理论计算值虽有偏差，但一定程度上反映了炉缸侧壁实际侵蚀状况，本次停炉大修时机把握准确，及时避免了高炉炉缸烧穿的安全事故。

3  影响高炉长寿的因素

M高炉一代炉役寿命较短，过早地进行停炉大修，关键在于没有兼顾并处理好高炉强化与长寿的关系。下面重点对影响Ｍ高炉长寿的因素进行探讨分析。

3.1  高压差运行

相对于国内4000m³级以上大型高炉，Ｍ高炉的压差长期处于较高水平（见表４）。较高的炉内压差给高炉稳定顺行带来了严重挑战。特别是2012-2016年，随着焦炭负荷的提高，焦炭在炉料中的比例减少，骨架作用降低，料柱透气性能变差；同时，煤比不断提高，炉腹煤气量增大；为提高煤粉利用率保证一定的理论燃烧温度，必须提高风温和富氧率。重负荷、大喷煤、高富氧、高利用系数的矛盾集中，炉内压差被迫不断升高。加之原燃料质量波动，长期较高的冶炼强度，导致原本就不佳的炉缸活跃状态持续恶化，在冶炼强度不变的条件下，稳定顺行局面难以持续，给高炉顺稳和长寿带来隐患。

3.2  冷却壁水温差高且波动大

冷却壁水温差变化反映了高炉炉体热负荷变化，并影响渣皮稳定性和炉体冷却壁的寿命。M高炉冷却壁水温差整体偏高且波动较大（见表5），某种程度上反映了软熔带位置波动，煤气流不稳定，渣皮稳定性较差，进而导致了炉腰、炉腹区铜冷却壁的磨损。2017年M高炉中修期间更换的七、八段铜冷却壁，有明显的边沿气流磨损迹象证实了上述分析。

在重负荷、高利用系数生产后期的2016年8月，M高炉出现炉体八段铜冷却壁冷却水管漏水问题。分析认为，M高炉在重负荷、高喷煤比的生产情况下，边沿气流有所发展，形成了边沿、中心的两条煤气通路，这虽然一定程度上有利于缓解髙喷煤比后炉腹煤气量增加与透气性的矛盾，但边沿气流没有得到及时有效地控制（对上部装料制度调剂，适当引导中心气流；下部提高风速、吹透中心），边沿过分发展，煤气流不断冲刷冷却壁，导致渣皮频繁脱落，影响操作炉型和炉体冷却壁的寿命。潼皮频繁脱落，还导致炉温不稳定，恶化炉缸工作状态，对高炉长寿不利。

3.3  长期低炉溫且炉缸活跃性差

相对于国内4000m³级以上大型高炉，M高炉的炉温长期处于较低水平（见表6），生产数据还显示，当日［Ｓｉ］不足0.10%的情况时有发生。根据生产报表也可以看出，随着焦炭负荷加重，炉温水平和炉芯温度持续走低。此两者都说明炉缸的热状态在恶化，炉缸活跃性变差，铁水环流增强，加剧侵蚀炉缸侧壁炭砖，影响髙炉的长寿。

3.4  加钦矿护炉与做炉温不坚决

炉缸侧壁出现高温点初期，Ｍ高炉采取了退负荷控制冶炼强度、提高软水流量、加钛矿护炉等措施，并取得到了较好的护炉效果。炉缸侧壁高温点回归合理温度区间后，适时将含钛炉料减掉，但随着高炉的强化冶炼，高温点偶尔会有一定升高。整体来讲，初期的炉缸侧壁髙温点较少，温度水平尚且合理。

自2014年起，Ｍ高炉用低钛球进行常态化护炉，铁水中[Ti]含量保持较高水平，此时炉缸侧壁高温点温度普遍较低。但在2015年高炉追求重负荷、高利用系数的生产中，炉缸侧壁高温点频繁出现，此时高炉冶炼强度高，炉温低，炉缸活跃性较差，含钛炉料还原受到限制，加钛矿护炉的效果受到制约，致使高温点温度居高不下，被迫采取退负荷、减煤比、减富氧等措施控制冶炼强度。尤其是2017年5月后，Ｍ高炉停用低钛球转而应用普通球和髙钛球，取消了常态化护炉措施，炉缸侧壁温度出现反复升髙现象，护炉措施不及时、不坚决导致炉缸侧壁炭砖时刻面临着严重侵蚀危险。2017年取消常态化护炉的这段时期，炉况异常波动，髙温点反复出现，炭砖侵蚀严重，技术经济指标与长寿工作严重恶化，髙炉损失巨大。

3.5  炉前日常作业管理不到位

炉前日常作业管理对炉况稳定十分重要，但在实际生产组织过程中，Ｍ高炉存在憋风、铁口深度过浅等问题，炉前作业的稳定性有待提高。通过Ｍ化分析各铁口出铁情况及铁口维护状态，研究了M高炉各铁口出铁均匀性的变化情况（如图5所示）。

由图5可以看出，2015-2017年Ｍ高炉中修停炉期间，铁口深度变浅，出铁时间变短，出铁次数增多，打泥量呈现减少的趋势。这些参数都直接诱发了炉缸侧壁温度频繁升高，该结果与炉缸侧壁高温点历史演变数据相吻合。

4  结语

首钢Ｍ高炉一代炉役长期髙压差、炉墙水温差高、低炉温运行、加钛矿护炉与做炉温不坚决、炉前日常作业管理不到位，是影响高炉长寿的主要因素。高炉强化且保持长期髙效稳定运行的基础是炉缸活跃、热量充沛，建议Ｍ髙炉大修新开炉后铁水[Si]控制在0.30%~0.45%、铁水温度尽量不低于1500℃。为此，需注重以下工作：

（1）确保高炉压差在可操作范围内，保持适度冶炼强度且不过分追求重负荷冶炼，减少高炉正常波动引起炉况的过度反应，给予操作者干预高炉波动及主动调整的空间；

（2）平衡好入炉烧结矿还原性与还原粉化率、球团矿成分与还原膨胀等性能指标，兼顾焦炭的反应性和热强度等指标；

（3）合理匹配上部装料及下部送风，适宜的中心加焦量、良好的中心焦炭质量及控制加人方式及其位置，平衡好高炉煤气流分布，确保稳定有力的中心气流通道和适度的边沿气流通道。

总之，要兼顾好高炉强化与长寿，必须坚持合理的压差操作空间，控制好入炉原燃料质量性能，平衡好炉内煤气流分布，确保高炉炉缸的活跃性，改善炉缸透气透液性，减缓铁水环流。