长 寿 高 炉 设 计 理 念.docx

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长寿高炉设计理念

长寿高炉理念

1、前言

高炉的作用就是生产质量稳定的低成本铁水，设计和建造长寿高炉是达到上述目的的手段之一。

炉壳是用来支撑高炉进行生产的，一旦炉壳损坏，高炉的寿命就将结束。

炉壳损坏的主要原因是炉壳遭受高温侵蚀，抗拉和抗压强度下降。

保护炉壳免受高温侵蚀的技术就是安装冷却器在炉壳前面。

让冷却器阻挡热流对高炉炉壳的侵蚀。

当金属冷却设备长期裸露在高炉内部炙热的煤气流或液态渣铁中，其工作面将遭受冲刷、磨损及侵蚀，使其短寿。

因此我们在冷却器前面砌筑了耐火材料保护冷却器。

2、高炉炉墙及炉缸炉底破损的原因

高炉炉墙和炉缸炉底不破损，高炉就能够维持正常工作，分析清楚导致高炉炉墙和炉缸炉底破损的因素，有利于我们通过高炉设备的设计、制造、操作和维护避免这些因素对高炉炉墙和炉缸炉底的侵蚀，延长高炉寿命。

表1给出了高炉不同部位遭受侵蚀并导致破损的原因。

表1高炉不同部位遭受的侵蚀的原因

高炉部位

侵蚀原因

上部炉身

机械破坏、炉料磨损、煤气粉尘冲刷

下部炉身/炉腰

温度及温度变化、化学侵蚀、氧化、生铁、炉渣、碱金属、锌、铅、机械破坏、磨蚀及煤气粉尘冲刷

炉腹

温度、温度变化、化学侵蚀、氧化、生铁、炉渣、碱金属、锌、铅、机械破坏

炉缸

压应力及热应力、化学侵蚀、生铁、渣、碱金属、铁水的侵蚀

上述对高炉的侵蚀可以分为物理侵蚀和化学侵蚀。

机械破坏、炉料磨损、煤气粉尘及渣铁水的冲刷、温度变化引起的热应力、压应力等属于物理侵蚀，高温烧蚀、氧化及碱金属等侵蚀属于化学侵蚀。

消灭这些侵蚀的办法之一就是隔离侵蚀物与炉墙和炉缸炉底。

高炉冶炼的事实证明，开炉后不久，炉身下部、炉腰及炉腹的耐火材料就被损坏，特别是炉腹部位。

3、长寿高炉理念

（1）隔离侵蚀物与炉墙和炉缸炉底。

（2）隔离的办法就是在无液态渣铁区，冷却器工作面保持一层耐火材料；

（3）在有液态渣铁区冷却器前面应凝结一层渣铁壳；

（4）在炉缸炉底工作面保持凝结一层渣铁壳。

彻底隔离侵蚀物与冷却器及炉缸炉底的接触。

要想在冷却器工作面保持一层耐火材料或凝结一层渣铁壳，在炉缸炉底工作面凝结一层渣铁壳，就必须降低冷却器及炉缸炉工作热面温度。

因此降低冷却器及炉缸炉底工作面温度是关键

决定的，而是由冷却系统和炉缸炉底决定的。

在短短的几年内炉腹的耐火材料将被侵蚀殆尽，而炉腰、炉身及炉喉的耐火材料也将遭受不同程度的磨损、冲刷和侵蚀。

一旦冷却器热面暴露在炙热的炉内煤气流中，冷却器将可能很快被烧毁。

如果在冷却器热面能够形成凝固的渣铁壳或者有一层耐火材料，那么它就能够维持正常生产。

尽管高炉操作难以保持稳定，但冷却器设计的好，渣铁壳一但被熔化掉还会重新凝固在冷却器上，形成新的炉衬。

对于冷却器和炉缸炉底来说，如果它的热面温度不超过其材料损坏的临界温度及渣铁凝固温度，通过操作使其又不导致炉墙结瘤或炉缸炉底结厚，那么冷却器和炉缸炉底就能够保证高炉长久维持正常工作，高炉就能够长寿了。

2、**************

炉壳是为了维持正常的高炉冶炼；冷却器是为了保护炉壳，阻挡热流及侵蚀对炉壳的破坏；冷却介质是为了带走进入冷却器的热量，避免热量在冷却器内部的积累；耐火材料是为了保护冷却器，隔离冷却器与侵蚀物。

表面看起来，耐火材料最重要。

可无论如何改变耐火材料的质量及砌筑方式，耐火材料都将很快被侵蚀掉。

是否冷却器最重要呢？

如果冷却水质不好，不但在冷却水管内部结垢，而且还腐蚀冷却水管内表面，冷却水就不能带走进入冷却器的热量，热量将在冷却器内部积累，最终烧坏冷却器，因此冷却水是比较重要的。

当冷却水质问题解决之后，接着需要解决的问题就是冷却器，其次是耐火材料及炉壳。

低温的耐火材料比高温的耐火材料更加难以遭受侵蚀、磨损和冲刷。

降低耐火材料的热面工作温度就可以适当延长耐火材料的寿命。

3、长寿高炉应满足的条件

影响冷却器温度场的主要因素及顺序是冷却水质、冷却器材质、结构参数、冷却器布置及制造、耐火材料、炉壳。

影响炉缸炉底温度场的主要因素是炉缸炉底的冷却强度、结构参数及砌筑的耐火材质；

3．1长寿高炉冷却水

冷却水中的水垢及腐蚀物沉积在冷却水管表面，相当于一层绝热层，阻止了冷却水与冷却水管表面的充分接触，降低了冷却水的冷却能力。

为此要求冷却水的阻垢率、缓蚀率大于90%，满足此条件的冷却水称为无结垢及腐蚀的冷却水。

3．2长寿冷却器

当冷却水的问题得到解决之后，冷却器的设计制造就变的十分重要。

从冷却器遭受侵蚀的原因来看，高温及温度的变化是其它因素对高炉冷却器开始侵蚀的前提，当冷却器温度很高或温度不断发生变化时，冷却器就会处在热应力的疲劳循环之中，导致在冷却器热面产生裂缝，CO、碱金属及渣铁水便开始侵入，机械破坏、炉料磨损及煤气粉尘冲刷等对冷却器的破坏开始加速。

为了延长冷却器的寿命，铸铁冷却器热面工作温度应小于7600C，铜冷却器热面工作温度应小于1300C[1，2]，满足此条件的冷却器称为无过热冷却器。

使铸铁冷却器无过热的办法是：

设计结构合理的冷却器，制造满足质量要求的冷却器，安装冷却器在高炉合适的位置[3]。

表4设计参数对铸铁冷却壁最高温度的影响

冷却壁本体厚度L（mm）

260

240

冷却水管直径d（mm）

70

80

冷却水管间距BL（mm）

254

180

冷却水管位置PL（mm）

160

140

镶砖厚度ZH（mm）

75

55

相对冷却面积（冷却面积/受热面积）

0.865

1.396

炉衬砖、渣皮全部脱落后，冷却壁肋面最高温度（0C）

864.17

761.54

从表4中可以看到，通过改变冷却壁本体厚度、冷却水管直径、冷却水管间距及镶砖面积，可以降低冷却壁热面最高温度，从而也降低冷却壁内部的温差，减小冷却壁内部应力。

在冷却壁的制造过程中要提高铸铁的球磨化程度、注意冷却水管表面的防渗碳涂层、在冷却水管外表面与冷却壁本体要留有适当的间隙。

对于不同（材质及结构参数）的冷却器，由于其挂渣能力不同。

因此，在高炉不同部位要安装不同材质及结构参数的冷却器。

3．3耐火材料

对于炉腰、炉身及炉喉部位，很难形成凝固的渣铁壳。

为了保护冷却器免受物理侵蚀及化学侵蚀，有必要在冷却器工作面保持一层凝固的耐火材料。

为了防止耐火材料遭受侵蚀，对于不同耐火材料的炉衬其工作面温度不同。

高铝砖工作温度小于600℃，石墨、半石墨化碳砖及碳化硅砖工作温度小于870℃，满足以上条件的冷却器称为无过热耐火内衬。

要想使耐火内衬保持在冷却器前面更长时间，就必须使耐火内衬的温度很低，这就意味着必须适当减小耐火内衬的热阻，提高其导热能力。

3．4炉壳

炉壳用来支撑整个高炉的，主要遭受压应力及切应力的破坏。

因此在高炉炉壳设计过程中要保证炉壳是无应力侵蚀的炉壳。

3．5炉缸炉底

长寿高炉炉缸炉底主要靠凝结在炉缸炉底的渣铁壳工作，而不完全靠耐火材料工作。

因此有必要提高炉缸炉底的冷却强度及减小炉缸炉底的热阻。

从传热学的角度看炉缸炉底870℃的等温线应在碳砖外，1150℃等温线在炉缸炉底内部。

此时炉缸炉底便不会遭受到渣铁水的侵蚀，工作在无侵蚀状态下。

为了避免铁水环流，要有足够的死铁层的厚度，以浮起料柱。

3．6操作过程控制参数

（1）冷却水控制：

保持合理的冷却水速度，使其大于形成气膜的水速；

（2）炉缸炉底温度分布控制：

保证合适的炉底铁水凝固层厚度分布，避免铁水环流；（3）边缘气流控制：

煤气流分布控制能够保证高炉炉墙热面工作温度低于其损坏的临界温度；（4）布料控制：

能够通过调节矿石与焦碳层的批重及布料角度，控制煤气流分布。

3．7维护因素

通过更换炉喉钢砖保证其工作炉型平滑，通过喷涂使炉腰及炉身上部的保证高炉工作炉型合理，通过对检测仪器仪表的维护更新保证其提供的数据准确、有效。

4．主要结论

高炉长寿是一个系统工程，它包括高炉设备设计、设备制造、砌筑及操作维护。

为了使高炉寿命达到15年，要保证高炉使用无结垢及腐蚀的冷却水、

冷却水是无结垢无腐蚀的冷却水；

冷却器是无过热冷却器；

耐火材料工作温度小于开始遭受侵蚀的临界温度；

炉壳是无应力腐蚀的炉壳；

炉缸炉底表面能够冻结一层渣铁层，有足够的死铁层的厚度，能托起料柱；那么高炉寿命就能够达到15年。

否则就需要重新进行设计。

系统主要由人机界面、数据库、推理机、模型库等组成。

六、高炉操作过程寿命评价体系及操作过程寿命预测模型

1、影响高炉操作过程寿命的因素；

2、影响高炉操作过程寿命因素的评价指标；

3、长寿高炉检测子系统；

4、操作过程寿命预测模型；

5、高炉操作过程维护指导子系统。

6．1影响高炉操作过程寿命主要因素

冷却器

炉衬

炉缸炉底

冷却水

布料

气流分布。

6．2影响高炉操作过程寿命因素的评价指标

冷却器完好率：

炉缸炉底、炉腹及炉腰完好率百分之百；

炉衬剩余厚度；炉身、炉喉部位的冷却器不裸露；

6．3长寿高炉检测子系统

高炉检测仪表安装示意图

6．4操作过程寿命预测模型

（1）高炉操作过程寿命预测的依据：

可靠性和经济性原则。

（2）高炉本体寿命的组成：

可修部分与不可修部分。

★可修部分包括炉腰、炉身和炉喉；

★不可修部分包括炉腹、炉缸炉底。

（3）高炉本体寿命的判定：

高炉寿命组成中寿命最短部分的寿命。

（4）寿命预测模型。

七、操作过程寿命预测模型

1、可修与不可修部分的寿命归结于炉衬、冷却器的寿命。

（1）炉衬寿命=（炉衬剩余厚度/开炉时炉衬厚度）×15；

（2）冷却器寿命=冷却器破损即其寿命完结；

2、如果满足

（1）不可修部分的冷却器完好率百分之百；

（2）可修部分的炉衬保证冷却器不裸露；

（3）炉底砖衬厚度大于安全工作厚度；

（4）冷却、布料及边缘气流控制维持安全合理的工作炉型。

那么高炉的寿命就能够达到15年。

八、高炉操作过程维护指导子系统。

1、炉墙温度场及厚度预测模型

温度场模型为：

侵蚀厚度计算模型：

式中q—炉底和侧墙炉衬中的热流强度（kw/m2）；

λ1—炉底某种材质的导热系数（kw/m2.℃）；

—同一种材质的温差；

—同种材质两点温度之间的厚度；

1、炉底炉缸温度场及厚度预测模型

温度场模型为：

残余耐材厚度为：

A——热流面积，m2；

K1——耐火材料的导热系数，W/（m.℃）；

Lr，L23——计算厚度和耐火材料原始厚度，m；

T，Tp，Tb——工作面、热电耦及冷却水温度，℃；

3、煤气流分布控制调节神经网络

（1）采用BP神经网络；

（2）神经网络输入：

炉墙厚度、炉墙内表面的温度分布及边缘煤气流温度、边缘煤气流速度及炉缸炉底渣铁附着层厚度及炉底中心温度差。

（3）神经网络输出：

矿焦比及布料流槽角度。

神经网络操作维护指导子系统

1、系统组成：

检测子系统

（8）主系统

高炉寿命综合评价体系及预测模型系统是利用智能工程技术对上述子系统和程序库的集成。

上述每个子系统及程序库部分由一些子子系统和子数值计算模块组成，主系统的框图见图5。

图5高炉寿命综合评价体系及预测模型主系统

冷却器的寿命、炉缸炉底的寿命决定高炉的寿命。

通过“九五”期间的攻关，清楚了影响高炉寿命的因素及这些因素重要性关系。

它们是碱金属的侵蚀、炉料的磨损及热煤气流和铁水的冲刷。

为了将冷却器、炉缸炉底与高温炉气、碱金属、渣铁水及炉料隔离开，就需要在冷却器及炉缸炉底前面有一层耐火材料或一层渣铁凝固层。

这就需要在设计过程中，通过优化冷却器及炉缸炉底的材质及结构参数，保证在冷却器前面始终有一层耐火材料或一层凝固的渣