改进高炉的设计和使用寿命

改进的高炉设计和活动寿命

重建或更换高炉 (BF) 的成本非常高。因此，延长 BF 活动寿命的技术很重要，需要非常积极地进行。

大型 BF 通常每单位体积的活动产出略高。这种差异是因为较大的 BF 通常具有更现代的设计并且自动化程度很高。由于综合钢厂的生存能力取决于铁水 (HM) 的持续供应，因此在大型高炉数量较少的工厂中，热金属 (HM) 的持续供应非常重要。

延长BF运动寿命的技术分为以下三类。

• 运营实践 - BF 流程的控制对广告系列的生命周期有重大影响。 BF 的运行不仅是为了满足生产需要，而且是为了最大限度地延长其使用寿命。因此，有必要随着活动的进展以及对问题领域的响应来修改运营实践，以最大限度地延长活动寿命。
• 补救措施 - 一旦影响 BF 寿命的磨损或损坏变得明显，将使用或开发工程修复技术以最大限度地延长活动寿命。
• 改进的设计 - 随着改进的材料和设备的开发，这些将被纳入未来的重建中，以延长高炉关键区域的使用寿命，这样做具有成本效益。

本文讨论了 BF 的改进设计，以提高运动寿命。正确的炉子设计对于可靠的运行、冶金性能、持续的高生产率、长的使用寿命和 98 % 以上的可用性至关重要。

近几十年来，BF 设计有许多改进，现在已经获得了 20 多年的运动。过去，胸罩、烟囱和喉部装甲是关键的设计领域，但今天在炉腹、腹部、下部和中部烟囱中应用了铜板条、铜板冷却器、石墨和 SiC，并与铸铁板条冷却器在上层加上喉部装甲可实现长时间的战役和高生产率的操作。但现在人们强调坚固的底部和炉膛设计的重要性。

先进的 BF 设计需要高效率和高容量的冷却系统以及先进的仪表和控制。这样的系统包括用于监控过程、操作和衬里性能的仪表和控制系统。

BF的设计和尺寸

BF 的设计是为了应对反应和冶金。通常高炉的炉膛和竖井会受到焦炭的侵蚀，而炉底和炉缸会受到HM的侵蚀。需要安装一个完全优化的独立式、薄壳和结构合理的结构，以承受应力和热疲劳开裂，即使在 BF 运动结束时也是如此。

最新的独立式 BF 外壳设计带有接入塔。最先进的机械设计通常基于全面的应力分布分析。使用抗裂钢可确保尽可能低的维护要求。

BF 设计理念旨在通过确保在整个运动过程中，内部轮廓尽可能接近吹入时的轮廓来实现性能最大化。设计是基于对各种因素的分析进行优化的每个区域的热、化学和机械攻击机制。这些攻击机制的预测取决于所选的原材料组合、装载实践和其他工艺参数。一般来说，炉衬设计的重点是形成一个凝固的渣和炉渣材料层，从而大大降低这些攻击机制的影响。

确定对实现高炉价值最大化目标至关重要的领域，并特别注意加强这些领域。

炉型是根据现有大型高炉的型型和运行效果、炉体耐火材料磨损、运行稳定等特点，总结经验确定的。

轴的高度通常是相反要求之间的折衷。对于燃料效率，希望具有扩展的气体/固体接触，以便使用显热和气体的还原功率可能更接近理论极限。高炉竖井高度在一定值以上也很重要，以保证铁矿石以最大的金属化程度进入凝聚区，使炉缸不致冷而造成冶炼问题。

此外，对于体积较大的高炉，通常通过增加高炉直径来扩大高炉内部体积，而炉高几乎保持不变。从以往运行结果的经验来看，一般认为在一定的内容积下，高小直径的高炉在渗透性和渗透性方面要好于高低直径的高炉。攻丝效率 

BF 喉咙

喉部装甲的失效对储备线和正下方的负荷分布具有显着的不利影响。这会导致不规则的负载下降和过程稳定性受损。因此，喉部装甲设计需要在抗剥落、温度波动、应力开裂、疲劳和磨损/侵蚀方面进行优化。

对于上部竖井（喉部区域），通常采用冷却壁冷却器来保持炉膛轮廓并防止炉料分布紊乱以及喉部装甲（磨损）板下方的砖磨损。用于固定喉部装甲系统的水冷支撑板或冷却箱的安装也已用于固定装甲部件。

堆栈、腹部和胸部

烟囱和腹部区域暴露于热负荷和严重磨损。船腹区域由于其承载的下降负载和其附近的滚道气体而受到严重负载。如果这些区域的设计不正确，那么冷却体和内衬在吹入后过早磨损到临界水平，会导致爆裂的风险。在波什区域，这也意味着风口鼻和大型冷却器承担了负担，导致频繁的无准备停车。因此，如今的炉腹和烟囱设计由铜板式冷却器或铜板冷却器和高导电性石墨以及上部区域的保护性硅石墨组成。这种设计有助于将大约 95% 的热负荷转移到冷却水中，从而确保高炉壳的温度低于 50 摄氏度。水冷系统、板条的数量和位置、水流量、仪表和热量监控系统都经过全面优化，以确保较长的炉壳寿命和最低的维护要求。

壁式冷却器的发展导致了今天所谓的第四代壁式。其特点是在板壁拐角处增加了冷却管，在壳侧增加了一个曲折形（蛇形）管，以及用于耐火衬里的延伸保持肋。这使得保护性砖砌变得多余。第三代板条已经表明，板条的拐角和上下端出现开裂和过度磨损。在第四代中，引入了角管以消除这些问题。添加的曲折冷却管可作为备用冷却系统，以防任何其他冷却管发生故障。

第四代冷却壁的进一步发展是炉衬与冷却壁相连，由铸造厂本身的锥形肋固定。考虑到冷却后的板条金属的磨损速度比板条金属前面的砖块的磨损速度少十分之一，因此将砖块厚度减少到200毫米，将板条厚度增加400毫米，这样前砖和板条的使用寿命几乎保持不变。第四代板条采用薄壁单元结构，由板条中的砖砌成。这种单元结构消除了砌砖工作的需要，并最大限度地减少了热面轮廓的变化，有助于稳定高炉运行。板条冷却器的改进，特别是第四代板条，大大提高了板条的耐用性。第四代冷却壁的一般优点是 (i) 延长耐火衬里的使用寿命，(ii) 减少冷却壁拐角处的开裂和过度磨损，以及 (iii) 抵消由于管道故障而导致的冷却能力损失增加了一条曲折的冷却管。

为进一步稳定高炉运行，维持稳定的热面轮廓，降低冷却壁厚度，延长冷却壁寿命，引进了铜冷却壁。

板条的主要优点是冷却高炉壳的整个区域，而冷却板只冷却局部区域。然而，损坏的冷却板可以很容易地更换，而实际上不可能在不吹下炉子的情况下更换冷却板。

然而，冷却 BF 壳的整个区域的优势更为重要，而无法轻松更换冷却元件的缺点必须通过将其设计为具有极长且安全的使用寿命来克服。这导致了一种目标寿命与 BF 寿命相同的板条的开发，而最先进的铸铁板条的目标寿命为 12 至 15 年。铸铁板条的经验表明，首先在拐角处，然后在边缘处出现材料磨损和损失。这是因为，为了满足铸造要求并提供允许的弯曲几何形状，浇注管必须位于距边缘约 80 毫米和距板条角约 110 毫米的位置。这些条件，连同铸铁相对较低的导电性，阻碍了边缘和角落的充分冷却。两个相邻铸铁冷却壁之间相对较宽的未冷却间隙进一步加剧了冷却条件。此外，冷却问题是由用于防止铸造过程中积碳的绝缘管道涂层引起的，这会导致高温侧温度升高，从而导致开裂和磨损增加。为避免铸铁壁的拐角和边缘开裂，在第四代壁上安装了角管，这意味着在高炉外壳上增加了管道、孔以及额外的水和能源需求。

轧制铜板条不存在这些问题。铜板轧制公差很小，可以靠近侧面加工。冷却通道可以精确钻孔，并尽可能靠近边缘和角落，这取决于避免水压下泄漏所需的最小壁厚。最后，板条之间的间隙可以变窄，从而实际上消除了这个关键的非冷却区域。就物理性能而言，铜的热导率是铸铁的十倍，由于铜的机械强度，温度需要保持在 120 摄氏度以下，这意味着从高炉中带走的热量更多与其他冷却壁冷却系统相比，使用铜冷却壁时。为了避免这种影响，已经找到了一种设计解决方案，即在铜冷却壁的热侧安装低电导率、高铝耐火砖。根据操作经验，一个极其稳定的吸积层额外保护了冷却壁，避免了高炉的高热损失。

使用铜板的现场结果显示出非常好的结果。运行 9 年后，铸铁板条普遍出现严重磨损、裂纹和暴露的冷却管的迹象，而铜板条的外观几乎未使用，棱角锋利。剩余的铜材料在此期间后仍保持其原有的物理性能。使用铜板条的主要技术要点总结如下。

• 对于在腹腔/下竖井区域具有三排铜板条而在其余区域为铸铁板条的铜板条系统，其散热和冷却水循环率与纯铸铁板条系统相当。在某些情况下，铜壁板的散热量甚至低于铸铁壁板，因为它具有稳定的吸积层。
• 与铸铁板条和铜冷却板相比，铜板条不需要凸耳或凸耳。铜壁在 BF 内部呈现出光滑的表面，并且不会干扰电荷层，这通常会对壁区域的气体渗透性产生不利影响。
• 由于在铜板条前会形成稳定的附着层，因此无需安装昂贵的耐火材料，这些材料在一定时间后会被结皮取代。在铜冷却壁系统中，与预期的总寿命相比，昂贵的耐火材料可能获得的额外寿命可以忽略不计。因此，板条可以安装廉价的耐火材料。

总体而言，在其冷却元件相关部件中，铜壁冷却高炉的投资成本比采用经典冷却板系统的高炉高 10% 左右，比采用密集铜冷却板的高炉贵 5.4%。这可以通过在铜板条前使用更便宜的耐火材料以及铜板条更长的使用寿命来弥补。

高炉炉膛

连续平稳的高炉操作以及良好的焦炭质量是长炉膛寿命的先决条件。由于渗透率降低和湍流增加，高 PCI（煤粉喷射）对炉床的使用寿命提出了挑战。大的炉膛容积和油底壳深度降低了液体速度。较低的液体速度导致较低的热负荷。较低的热负荷会导致较低的内衬温度，而较低的内衬温度会导致较长的使用寿命。

高炉炉膛面临苛刻的工艺和操作条件，因此炉膛内衬性能至关重要。 BF 炉膛的性能目前是许多现有工厂的限制因素，BF 炉膛的状况决定了活动寿命。液体流动会通过侵蚀和碳溶解等机制引入相当大的磨损。此外，由于加热过程中的膨胀会导致位移，因此炉床的结构完整性可能会受到影响。

作为延长炉缸寿命的措施，需要提高炉缸冷却能力，提高炉缸用碳块的质量。对于腐蚀最严重的炉膛侧壁部分（每个出铁口下方的部分），也使用了具有高导热性的铸铁壁板或铜壁板。此外，要降低冷却水的温度。对于炉床，通常采用冷却速度可调的两步冷却系统或环形冷却系统等，以防止死人因过冷而变得不活动。对于底部耐火材料，正在使用碳块和内陶瓷衬里的组合。主要通过提高耐火材料的导热性和耐铁水性来延长炭块的使用寿命。高炉炉膛的先进设计包括底部水冷和炉膛外壳夹套冷却，因为这在外壳内提供了更多空间。

改进的炉膛和出铁口设计

出铁口暴露在极其动态的环境中。不仅温度和压力很高，化学侵蚀也很严重，而且出铁口的频繁钻孔和堵塞使情况更加复杂。设计能够促进 BF 运行以使其使用寿命超过 20 年的最终出铁口是 BF 设计人员面临的最艰巨的挑战之一。如今，通过对出铁口周围的外壳进行出色的冷却、冗余内衬设计和足够的监控能力，可以获得最佳结果。

炉缸的油底壳深度（从出钢口到底面的距离）似乎是出钢过程中 HM 流磨损炉缸壁的决定性因素。建议死人要么完全躺在炉底上，要么完全漂浮在 HM 油底壳中。为防止“象脚”磨损，应避免死者部分漂浮。由于底部随着时间的推移而磨损，最初完全靠在底部上的物体可能会部分漂浮。因此，从一开始就将水池深度选择为死者可以漂浮的水平。所需的临界油底壳深度取决于高炉操作的大小和方法。

必须考虑到炉料成分的变化会导致炉膛出钢时炉膛内 HM 流动情况的变化，如果平均炉料层厚度和因此对死人的炉料的压应力被改变。一个例子是所有焦炭操作与高油或煤喷射率操作之间的差异。防止出铁口下方炉缸壁的进一步磨损的另一种可能是使炉缸套逐渐变细并增加该区域的耐火衬里的壁厚。

攻丝技术和出铁口设计对高炉活动寿命有很大影响。模型计算和出钢试验在 14 m 炉床直径高炉的 1:10 水模型（直径 1.4 m）中进行，具有模拟死人的填充床。根据该试验，建议不应将 BF 排空到气体可以逸出的程度。观察这个速率可以防止在底部到墙壁的接合区域形成磨损促进涡流。出钢过程的中断应尽可能短。这可以防止来自熔化区的热的和不饱和的熔融金属与耐火衬里接触，在那里它可能会溶解碳砖。出铁口直径应保持较小，因为这有助于降低整体流量水平。

通过计算和建模研究了出铁口长度对炉膛壁流动应力的影响。对于较长的出铁口，水流的攻击点会向出铁口的左侧和右侧偏移。攻击点的强度随着与出铁口距离的增加而降低。因此，高炉的工艺控制目标是使出钢口尽可能长，以便将出钢流从炉膛壁转移到炉膛内部。

其中一个高炉安装了出铁口设计，铜封装不仅使出水口区域气密，还可以防止水进入。

一般来说，出铁口砖的抗碱、抗剥落、抗氧化、抗HM熔化、抗熔渣、抗氧开裂等性能要好。为了稳定出钢口，已开发出耐久性好的Al2O3-C-SiC砖并应用于高炉。开发的材料表现出优异的性能，除了抗氧化性。此外，碳块在HM中的抗熔融性和抗氧化性均低于Al2O3-C-SiC材料。

改进的耐火材料

在 BF 的每个区域选择正确的耐火材料和冷却系统对于延长 BF 活动寿命至关重要。耐火材料设计正在持续开发中，如今这些设计已在其长期的生产力活动方面得到充分证明。最新的设计和材料以综合方式应用，考虑到运动寿命、工艺操作、冷却要求、工厂布局和施工程序。

在上层，磨损主要是机械磨损，多年来，高炉衬里的耐火材料已经从普通的含 39% Al2O3 的耐火粘土砖发展为含 45% 左右的 Al2O3 的干压致密耐火粘土等级.它在该领域的优势是良好的耐磨性和高抗氧化性。由于耐热冲击性差是一个问题，因此在上堆的关键区域，正在使用不同类型的复合衬里，其中包括含有 60% Al2O3 和碳化硅的砖，以提高耐热冲击性。其足够的耐用性，只有通过使用更高等级的砖块才能显着提高成本，不会引起对该区域新开发的任何期望。

上烟囱下方的区域，即胸罩、腹部、下烟囱直至风口水平，还暴露于热磨损和化学磨损。这意味着高温、高和波动的热通量以及碱、锌、炉渣等的化学侵蚀以及磨损造成的磨损。

这些区域的磨损解决方案也可以分为热解决方案和耐火解决方案。

热解决方案是石墨、半石墨和 SiC 砖，由于原材料的硬度，SiC 砖已被该区域接受。与 1980 年的换衬板相比，其中一个高炉的炉腹衬里进行了升级，从石墨/半石墨组合系统升级为全石墨设计，因为全石墨耐火材料设计可以更好地应对高温和温度波动。

从平行的炉腹到中间的烟囱，耐火材料系统是石墨和碳化硅的组合。石墨的主要用途是将碳化硅冷却到相对较低的温度，而碳化硅的主要用途是保护石墨免受磨损。作为腹板、腹板和下垛的耐火解决方案，开发了使用特殊的刚玉赛隆砖。这种砖的导电性很好，虽然它不会随温度变化很大，并且低于碳化硅砖。刚玉赛隆砖等级具有刚玉晶粒和类似于 SiC 砖的非氧化物结合系统。这些砖已经取得了令人满意的运行效果。

BF 炉膛耐火材料通常决定了熔炉的使用寿命。正确的材料选择、规格、检查和安装对于安全无故障的炉膛至关重要。

原则上，过去十年建造的高炉炉膛的耐火内衬可细分为“黑色”和“黑/白”耐火内衬设计。对于黑色炉膛，使用可变质量的小型或大型碳块。黑色/白色设计的底部有陶瓷层，位于碳底层之下或之上，炉膛壁由碳块或添加剂制成，具有不同高度的陶瓷盖面。炉膛内衬结构的另一个定义是“热解决方案”，使用高导电率耐火材料结合强大的冷却，以及“耐火解决方案”，涉及低导电率耐火材料。

衬里变体“热解决方案”必须在热机械和热化学特性方面进行改进。砖的性能受原材料选择和制砖工艺的影响，在很大程度上是相反的，必须对其在操作应用中的影响进行评估。

改进的现代等级的基于碳的炉衬砖旨在改善一种被认为很重要的性能，如果可能的话，不会恶化其他性能。这是通过选择原材料、制造工艺和原料混合物中的金属和/或陶瓷添加剂来实现的。因此，不同的砖生产商以不同的方式工作，通常与高炉工厂和研究机构密切合作。以下带来了新的发展。

• 在粘合基体中引入非常精细分布的 Al2O3
• 用胶体 SiO2 溶液浸渍
• 在键合基体中添加硅或含硅改性剂，在合适的燃烧条件下形成 SiC 和/或 Si-O-N 键
• 焦油浸渍后燃烧

石墨砖中通常不使用添加剂。金属氧化物添加剂在高燃烧温度下会减少。半石墨砖通过这些添加剂变得微孔。有的半石墨砖只添加了Si和SiC添加剂，也有的在复合时掺入了Al2O3粉。

微孔非晶碳砖也是由传统的以无烟煤为基础的非晶碳砖，通过在砖混料中添加硅或改性硅制成的。其他生产商在复合过程中也添加了 Al2O3，以提高抗欠饱和 HM 溶解的能力。缺点是Al2O3会与渗透的碱反应导致体积增加和砖剥落，这是可以容忍的。

制造商和用户认为抗 HM 溶解和抗 HM 渗透更为重要。随着细孔和超微孔砖类型的发展趋势，原材料在配混中的制备和纯度方面已进行了优化。如有必要，复合中还可加入更大比例的石墨。

指出的潜在优势是（i）更高的导热性，（ii）在穿墙方向上的砌块长度减少，（iii）水泥的使用释放热应力，（iv）提高导热性炉膛，因为砖与板条紧密接触，（v）在制造过程中通过同时加热和压力形成的低孔隙率，最大限度地减少水和铁的渗透，以及（vi）高耐碱性。

作为炉膛的耐火材料，其中的砖具有在高温下具有高耐磨性的特点。在从外部应用冷却系统之前，试图将磨损率降至最低。这种碳砖是以无烟煤为原料的。

对于无烟煤砖，提到了高强度和在 HM 中的低溶解度作为优点。与石墨相比，导热系数低、α模量高、热膨胀系数高、耐碱性能低被称为缺点。

还建议使用“陶瓷杯”，并安装在几个高炉中，作为炉膛的耐火解决方案。从等温线计算可以看出，导致碳质耐火材料中脆性层形成的800℃等温线位于陶瓷材料内部。结合足够的炉底油底壳深度，陶瓷杯是防止碳块磨损的进一步支撑措施，尤其是“大象脚”。

全面可靠的仪器

由于 BF 炉膛被视为影响活动长度的关键因素，因此监测炉膛的磨损进度非常重要。热电偶的温度测量用于监测炉膛磨损的进展情况，热电偶安装在炉膛壁的不同高度的网格中。 NiCr-Ni 热电偶通常在 600 摄氏度以上的温度范围内中毒，然后会指示温度水平过低。因此，热电偶只能放置在预计温度不会超过 400 摄氏度的地方。这些问题可以通过使用带有合适保护管的可更换热电偶来避免。

需要注意的是，热电偶仅指示局部磨损，并且只有使用极高密度的热电偶才能进行全面监测。一般而言，因此可以仅检测平均磨损过程。监测磨损进程的另一种方法是使用热视觉相机或热通量探头。

作为一项研究计划，在一个高炉的炉膛砖砌体中安装了一系列 12 个热通量探头，用于直接测量热通量密度。指出热通量探头与热电偶相比具有以下优点。

• 热通量探头可以安装在高炉夹套附近的耐火衬里较冷区域。因此，与热电偶相比，耐用性更高。
• 碳砖耐火内衬没有损坏。
• 无需多个热电偶，只需在测量位置使用一个传感器即可确定热通量密度。
• 热通量探头对耐火砖的损坏反应更灵敏。

关于热通量探头的最佳局部分布的计算表明，两个探头之间 3 m 的距离似乎足以实现可靠和完整的磨损控制。为了使用热电偶达到同样的确定性，它们必须放置在碳砖中间，彼此之间的距离约为 1 m。磨损曲线通常是根据给定的热流密度数据计算得出的。

不同类型的炉衬和热通量探头的位置如图1所示。

图1不同类型的炉衬和热通量探头的位置