摘要：近幾年，隨著高爐冶煉的不斷強化，延長高爐爐休壽命已成為煉鐵生產(chǎn)中急待解決的突出問題:根據(jù)高爐爐身、爐腰、爐腹的侵蝕機理，探討高爐壽命問題。指出，高爐爐身、爐腰、爐腹的結(jié)構以及冷卻設備及冷卻方式選擇恰當，高爐才能長壽。爐役后期定期對爐襯進行局部修補，是延長高爐壽命的有效措施。
關鍵詞：高爐、壽命、爐襯、冷卻設備
前 言：新建一座大型高爐或?qū)σ蛔M行改造性大修，耗資巨大，多達上億元。因而高爐使用壽命直接關系到鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟效益，高爐長壽也就順理成章成為現(xiàn)代化高爐追求的目標。隨著世界各國鋼鐵行業(yè)技術的進步，尤其像日本這樣工業(yè)發(fā)達的國家，高爐長壽技術己經(jīng)取得了顯著成果：有資料顯示日木川崎千葉鋼廠的6號高爐，一代爐齡（無中修〉為20年零9個月，創(chuàng)造了世界高爐長壽記錄。國外大型高爐壽命在不中修訂情況下可以達到11-12年之間，我國高爐壽命要低于國外高爐一般水平，一般一代爐役無中修壽命低于10年，僅有少數(shù)高爐可以實現(xiàn)10?15年的長壽目標。
影響高爐長壽的主要因素分別為高爐建設和投產(chǎn)后的維護兩個方面：在高爐建設投產(chǎn)之后，高爐則是依賴高爐冶煉技術的進步和內(nèi)襯維修技術的發(fā)展來延長使用壽命。
一、高爐建設時的設計及高爐質(zhì)量
1、 高爐設計對高爐壽命的影響
一座長壽的高爐，依賴精心設計、建造和仔細操作與維護的結(jié)果.高爐爐齡主要由爐襯壽命，而爐襯壽命取抉于設計和建造質(zhì)量的最優(yōu)化。
在高爐設計中均明確了高爐的設計壽命，按照設計壽命來選擇設備、材料、結(jié)構以及施工工藝。不同高爐的設計壽命是不相同的.例如一般中小高爐的設計壽命僅5-8年，而大高爐的設計壽命則長達16年甚至20年。當然不同設計壽命形成的設計方案導致的實際投資也是相差極大的。
2、 高爐建造材料對高爐壽命的影響
爐襯材質(zhì)，冷卻設備以及冷卻水質(zhì)1980年以前，255級的高爐爐缸、爐底均便用高鋁質(zhì)耐火磚，該磚的熱穩(wěn)定性及強度均高于粘土磚，但其抗堿性能較差。實驗表明，在9201200的還原氣氛及有堿金屈物質(zhì)存在時，高鋁磚和粘粘土磚的物相均發(fā)生變化，生成強度較低的鉀霞石或鉀霞石類化合物，使其體積膨脹，破裂。空腔式風口，由于其冷卻工藝不盡合理，加上堿、鉛等有害元素的影響，使風目的使用周期較短，頻緊的休風嚴重地影響了高爐順行，也就影響了高爐壽命。
新建高爐長壽內(nèi)襯一體化總承包
二、高爐建造各部耐火材料的選擇
在高爐建設投產(chǎn)之后,高爐則是依賴高爐冶煉技術的進步和內(nèi)襯維修技術的發(fā)展延長便用壽命。因而，選用適宜的一直耐火材料對爐役中后期高爐損毀嚴重的部位進行維修以延長高爐使用壽命是耐火材料工作者研究的課題。
爐身上部
該部位內(nèi)襯破損的主要原因是：爐料在下降過程中對內(nèi)襯的沖擊和磨損，煤氣流在上升過程中的沖刷，堿金屬、鋅蒸汽和沉積碳的侵蝕等。
爐身上部應該選擇抗磨性、抗沖刷以及抗堿金屬蒸汽侵蝕的耐火材料。該部位是碳沉積適合的400-700℃的范圍。可選擇高致密度的粘土磚或浸磷酸粘土磚或高鋁磚。
爐身中下部及爐腰
該部位內(nèi)襯破損的主要原因是：堿金屬、鋅蒸汽和沉積的侵燭；初成渣的侵蝕；熱震引起的剝落；高溫煤氣流的沖刷等。
選擇耐火材料，既要考慮抗渣性、防熱震，又要防高溫煤氣流的沖刷。這一部位正好是碳對CO2、02、H2O等的反應溫度區(qū)范圍，所以不宜使用炭磚（包鋼含F(xiàn)爐料冶煉時例外）。在條件允許時，這一部位建議采用半石墨化碳一碳化硅磚，這種磚抗堿侵蝕能力強、穩(wěn)定性高,氣孔率低、導熱性能好。也可選用氮結(jié)合的碳化硅磚或燒成鋁碳磚。
爐腹
該部位內(nèi)襯破損的主要原因是：渣鐵水的沖刷；高溫煤氣流的沖刷等。爐腹主要靠渣皮工作,選擇耐火材料應考慮耐沖刷和容易掛渣皮的耐火磚。這一部位建議采用剛玉莫來石磚、鋁碳磚或高鋁轉(zhuǎn)。這些磚耐火度、荷軟溫度高、休積密度大且致密。
華西科技噴注造襯示意圖
華西濕法噴注造襯技術 專利號201010179044.7
爐缸風口帶
該部位內(nèi)襯破損主要原因是：渣鐵水的侵蝕，堿金屬的侵蝕，高溫煤氣流的沖刷等。該部位采用剛玉莫來石磚或棕剛玉磚，或者采用熱壓碳磚NMA或NMD磚。
鐵口以上爐缸
該部位內(nèi)襯破損的主要原因是：堿金屬的侵蝕；熱應力的破壞；CO2、02、H2O的氧化；渣鐵水的溶蝕和流動沖刷等。這一部位內(nèi)襯破損是多種因素綜合作用的結(jié)果，既有化學的、熱力的，也有機械的作用。在渣鐵水接觸的熱面建議選用華西科技HX-LG型爐缸整體澆注料，在冷面選用致密炭磚或石墨化、半石墨化炭磚，也可選用小塊微孔炭磚。
華西爐缸澆注示意圖
華西爐缸整體澆注技術 專利號：201610353176.4
鐵口以下的爐缸及爐底
這一部位內(nèi)襯破損的主要作用是鐵水的沖刷、滲透侵蝕等。選擇耐火材料時，應重點考慮防止鐵水的溶蝕和滲透侵蝕。建議在鐵口以下的爐缸部位選用華西HX-LD型爐底澆注料，爐底上層應該用鋁碳磚保護；在爐底致密炭磚，接近爐底冷卻層，鋪一層石墨化炭磚。
華西科技爐底澆注現(xiàn)場及爐底炭磚預砌現(xiàn)場
三、冷卻設備的選擇
高爐冷卻設備是高爐爐體結(jié)構的重要組成部分，對爐體壽命可起到如下作用：
（1）保護爐殼在正常生產(chǎn)時，高爐爐殼只能在低于80℃的溫度下長期工作，爐內(nèi)傳出的高溫熱雖由冷卻設備帶走85%以上，只有約15%的熱量通過爐殼散失。
（2）對耐火材料的冷卻和支撐，在高爐內(nèi)耐火材料的表而工作溫度高達1500℃左右，如果沒有冷卻設備，在很短的時間內(nèi)耐火材料就會被侵蝕或磨損。通過冷卻設備的冷卻可提高耐火材料的抗侵蝕和抗磨損能力。冷卻設備還可以對高爐內(nèi)襯起支撐作用增加砌體的穩(wěn)定性。
（3）維持合理的操作爐型，使耐火材料的侵蝕內(nèi)型線接近操作爐型，對高爐內(nèi)煤氣流的合理分布、爐料的順行起到良好的作用。
（4）當耐火材料大部分或全部被侵蝕后，能靠冷卻設備上的渣皮繼續(xù)維持高爐生產(chǎn)。
冷卻介質(zhì)
根據(jù)高爐不同部位的工作條件及冷卻的要求，所用的冷卻介質(zhì)也不同，一般常用的冷卻介質(zhì)有：水、空氣刑汽水混合物，即水冷、風冷和汽化冷卻。對冷卻介質(zhì)的要求是：有較大的熱容量及導熱能力：來源廣、容易獲得、價格低廉；介質(zhì)本身不會引起冷卻設備及高爐的破壞。
高爐冷卻用冷卻介質(zhì)主要是水，很少使用空氣。因為水熱容量大、熱導率大、便于輸送、成本低廉，水一汽冷卻汽化潛熱大、用量少、可以節(jié)水節(jié)電，適用于缺水干旱地區(qū)。空氣熱容小，導熱性不好，熱負荷大時不宜采用，而且排風機消耗動力大，冷卻費用高，以前曾采用風冷爐底，現(xiàn)在也被水冷爐底所代替。
工業(yè)用水的來源是江河湖泊水也稱地表水，也有井水稱地下水，以上又總稱大然水。大然水中都溶解一定量的鈣鹽和鎂鹽。以每lm3水中鈣、鎂離子的摩爾數(shù)表示水的硬度，根據(jù)硬度不同，水可分為軟水（小于3mol/m3）,極硬水（大于9mol/m3）。我國地表水多為2-4mol/m3 ,地下水因地而異，有的很低，有的高達25mol/m3。
髙爐冷卻用水如果硬度過高，則在冷卻設備中容易結(jié)垢，水垢的熱導率極低，lmm厚水垢可產(chǎn)生50-100℃的溫差，從而降低冷卻設備效率，甚至燒壞冷卻設備，水的軟化處理，就是將水中鈣、鎂離子除去，通常來用的方法是以不形成水垢的鈉離子置換，置換過程經(jīng)過一中間介質(zhì)，即離子交換劑來實現(xiàn)。
髙爐冷卻結(jié)構形式
由于高爐各部位熱負荷不同，采用的冷卻形式也不同，現(xiàn)代高爐冷卻方式有外部冷卻和內(nèi)部冷卻兩種，內(nèi)部冷卻結(jié)構又分為冷卻壁、冷卻板、板壁結(jié)合冷卻結(jié)構及爐底冷卻。
外部噴水冷卻
在爐身和爐腰部位裝設有環(huán)形冷卻水管，水管直徑Φ5-Φ150mm，距爐殼約100mm,水管上朝爐殼的斜上方鉆有若干Φ5-Φ8mm小孔，小孔間距100mm,冷卻水經(jīng)小孔噴射到爐殼上進行冷卻。為了防止噴濺，在爐殼上裝有防濺板，防濺板與爐殼間留有8-10mm縫隙，冷卻水沿爐殼流下至集水槽出返回水池。外部噴水冷卻裝置結(jié)構簡單，檢修方便，造價低廉。噴水冷卻裝置適用于小型髙爐，對于大型髙爐，只有在爐齡晚期冷卻設備燒壞的情況下使用，作為一種輔助性的冷卻于段，防止爐殼變形和燒穿。
冷卻壁
冷卻壁設置于爐殼與爐襯之問，有光而冷卻壁和鑲磚冷卻壁兩種。
A光而拎卻壁
在鑄鐵板內(nèi)鑄有無縫鋼管。鑄入的無縫鋼管為Φ34mm×5mm或44.5mm×6mm,中心距為100-200mm的蛇形管,管外壁距冷卻壁外表面為30mm左右,所以光面冷卻壁厚80-120mm,水管進出部分需設保護套焊在爐殼上，以防開爐后冷卻璧上漲,將水管切斷。
光面冷卻壁用于風口以下爐缸和爐底部位。風口區(qū)冷卻壁的塊數(shù)為風口數(shù)目的兩倍。渣口周圍上下段各兩塊，由四塊冷卻壁組成。光而冷卻壁尺寸大小要考慮到制造與安裝方便，冷卻壁寬度一般為700-1500mm,圓周冷卻壁塊數(shù)最好取偶數(shù)；冷卻壁高度視爐殼折點而定，一般小于3000mm,應方便吊運和容易送入爐殼內(nèi)。冷卻壁用方頭螺栓固定在爐殼上，每塊4個螺栓。同段冷卻壁間垂直縫為20mm,上下兩段間水平縫為30mm,上下兩段冷卻璧間垂直縫應相互錯開，間隙用鐵質(zhì)銹接料銹接嚴密。光而冷卻璧與爐殼留20mm縫隙，并用稀泥漿灌滿與磚襯間留縫100-150mm,填以碳素料。
B鑲磚冷卻壁
所謂鑲磚冷卻壁就是在冷卻壁的內(nèi)表面?zhèn)龋ǜ郀t爐體內(nèi)側(cè)）的鑄肋板內(nèi)鑄入或砌入耐火材料,耐火材料的材質(zhì)一般為黏上質(zhì)、高鋁質(zhì)、炭質(zhì)或碳化硅質(zhì)。一般是在制作砂型時就將耐火磚砌入鑄型中，然后鑄入鐵水。也有的是先澆鑄成帶肋槽的冷卻璧，然后將耐火磚砌入肋槽內(nèi)或者將不定型耐火材料填充在肋槽內(nèi)。
鑲磚冷卻壁與光面冷卻壁相比，更耐磨、耐沖刷、易粘結(jié)爐渣生成渣皮保護層，代替爐襯工作。從外形看，一般有3種結(jié)構塑式：普通型、上部帶凸臺型和中間帶凸臺塑。
（1）利于渣皮的形成與重建。較低的冷卻壁熱面溫度是冷卻壁表而渣皮形成和脫落后快速重建必要條件。由于銅冷卻壁本身具有良好的導熱性，加上復合纖維耐磨澆注料具有較強的耐磨和抗侵蝕性能，因而能形成一個相對較冷的表面，從而為渣皮的形成和重建創(chuàng)道條件。
（2）投資成本低，施工速度快。單位重量的銅冷卻壁壁鑄鐵冷卻壁的價格要高，但單位重量的銅冷卻壁冷卻的爐墻面積要比鑄鐵冷卻壁大1倍，這樣計算，銅冷卻壁的價格就相對便宜了些，銅冷卻壁前不必使用昂貴的或很厚的耐火材料；使用銅冷卻壁可將高爐壽命延長至15～20年，因此可締短高爐休風時間，從而達到增產(chǎn)的效果。
結(jié)語
延長高爐壽命，是我國煉工業(yè)發(fā)展的必然趨熱。為達高爐長壽，開發(fā)高爐選用合理的爐缸結(jié)構、冷卻系統(tǒng)、冷卻設備及耐火材料等。近幾年國內(nèi)外都在進行這方面的研究工作，取得了很大效果。我們應結(jié)合國內(nèi)實情，利用高爐檢修，恰當選用先進技術和先進設備，有計劃有步驟跨入世界先進行列。
參考文獻：周傳典 《高爐煉鐵生產(chǎn)技術手冊》 冶金工業(yè)出版社 2003
張殿有 《高爐操作技術》 冶金工業(yè)出版社 2006
