高向洲 张思辰 侯志龙 张志斌 豆远波 韩磊
（内蒙古包钢钢联股份有限公司炼铁厂）
摘 要: 高炉炉缸、炉身冷却系统是制约高炉寿命的关键部位，也是决定高炉寿命的关键因素。本文就包钢3号高炉炉缸侧壁温度升高及炉身冷却壁破损原因进行了分析。结果表明，炉缸冷却壁与炉皮之间的捣打料填充存在缝隙窜煤气导致了侧壁温度升高，此外，在风口带设计、冷却壁材质、原燃料有害元素高、边缘气流冲刷、冬季施工等因素综合影响下高炉冷却壁破损。后期通过采取铁口框架浇注、使用含钛炮泥、强化铁口深度维护、冷却壁加装水冷柱、控制合适的边缘气流等防治措施，炉缸铁口区侧壁温度均下行，冷却壁横缝温度下降，高炉维持正常生产。
关键词: 高炉长寿；冷却壁；有害元素；热量强度；侧壁温度
包钢 3 号高炉建成于 1970 年 10 月 1 日，高炉有效容积 1800m³，1994 年进行了改造性扩容大修，高炉有效容积从 1800m3扩容到 2200m3，2021年11月23日停炉大修，2022年5月7日开炉。炉体设有14段冷却壁+2层钢砖，炉底为水冷管。1—5段为铸铁光面冷却壁，炉身6—14段为球墨铸铁镶砖冷却壁，2个铁口设置在第3段冷却壁，风口设在第5段冷却壁，综合炉缸炉底结构，炉底采用4层碳砖+1层陶瓷垫，炉缸侧壁环砌大块炭砖。采用软水密闭冷却，6-14段每块冷却壁4根管，4进4出，一根到顶，共计180根管。 一密水量5580t/h，炉底水量290t/h，冷却壁水量5290t/h，单管流量29.4t/h，全炉水温差2.50-4.50℃，热流强度12.5kw/m2-23.5kw/m2，进水温度32-33℃，流速2.5m/s。
1 包钢3号高炉设计情况
1.1 炉缸结构情况
3号高炉采用综合炉缸炉底结构。炉底四层炭砖加一层陶瓷垫，炉缸侧墙采用超微孔炭砖和微孔炭砖。炉底第1层满铺高导热炭砖，2、3层满铺微孔质炭砖。第4层外环及12层环炭采用国产武彭超微孔炭砖，第13-17层采用微孔炭砖。炉缸炉底结构见图1。
1.2 冷却系统参数
炉缸1—5段为铸铁光面冷却壁，炉身6—14段为球墨铸铁镶砖冷却壁，且均为单层冷却。铁口位于第3段冷却壁，风口位于第5段冷却壁。6-14段每块冷却壁4根管，4进4出，一根到顶，共计180根管。一密炉身水量5850t/h，单管流量32.5t/h，全炉水温差2.50-4.50℃，热流强度12.5kw/m2-23.5kw/m2，进水温度31.7℃，流速2.5m/s。
1.3 软水密闭循环系统
3 号高炉采用联合软水密闭循环系统，将冷却壁、炉底、风口小套、中套、热风阀、倒流休风阀通过串联和并联的方式组合在一个系统中，如图1所示。系统前期总循环水量 4250m3/h，后期总循环水量 5104m3/h，水质变化如表1所示。从软水泵站出来的软水在炉前一分为二，其中冷却炉底 470m3/h，冷却壁直冷管水前期量 3780m3/h，两者回水进入冷却壁回水总管，从冷却壁回水总管出来的一部分软水经中压增压泵增压，供风口二套、倒流休风阀及热风阀、混风阀使用；回水与多余部分一起回到总回水管，经过脱气罐脱气和膨胀罐稳压，最后回到软水泵房，经过二次冷却，再循环使用。
2 包钢3号高炉生产运行与长寿现状
2.1 主要操作参数情况
2.3 高炉长寿现状
2022 年 10 月初，6-7 段冷却壁西南、东北方向壁体温度点 80→550℃波动，7 段冷却壁开始出现坏管现象。2022年 12 月开始发现 5-6 段炉皮环缝局部发红，冷却壁冷却水
管损坏及炉皮发红情况统计见下表。
针对以上情况，炼铁厂采用对炉皮进行挖补修复，封堵漏点方式处理。在 2023 年 8 月，高炉5-11段冷却壁都出现烧坏现象。
3 铁口侧壁温度高的原因分析和治理
南北铁口下方炭砖温度（标高8420mm，铁口标高9030mm，电偶插入深度为100mm），从高炉投产后一直呈上升趋势，2023年5月7日北铁口炭砖温度最高达到582℃，南铁口561℃，水温差0.48℃，热流强度27kw/m2。依据炉缸侵蚀模型数据，侵蚀最薄处983mm。铁口区炭砖设计厚度为1200mm，侵蚀厚度为217mm，故炭砖侵蚀不是主因。由于3号高炉大修处于冬季施工，炉缸冷却壁与炉皮之间的捣打料填充存在缝隙窜煤气是导致侧壁温度升高的主因[2]。
3.1 铁口框架浇筑
2022年12月5日32小时休风，对南铁口浇筑。浇筑后铁口漏煤气减少，浇筑前南铁口炭砖温度500℃，浇筑后炭砖温度450℃，下降了50℃。铁口区温度变化见图11。浇筑后铁口泥套煤气火变小，煤气火变化见下图。
3.2 使用含钛炮泥
南北铁口阶段使用含钛炮泥，最早使用瑞尔含钛炮泥，后改为新港含钛炮泥，使用情况见下表。
3.3 调整铁口上方风口长度
2022年5月23日两个铁口炭砖温度（标高8420mm）上到400℃。2023年1月23日1#风口（南铁口）15#（北铁口）由L600改为L650。2023年10月16日又增加28#、14#为长风口共计4个。
3.4 铁口维护情况
3#高炉配备2个铁口，日常操控铁口深度3.0-3.2米，主沟通铁量14-15万吨，通铁量达到预定值后进行主沟解体，重新浇筑。
3.5 冷却水量调整
高炉软水系统设计水量4250m3/h（冷却壁3780m³/h，炉底470m³/h），鉴于炉身及炉缸铁口区域炭砖温度高，三段冷却壁局部热负荷高，于10月份将冷却水流量提高到5580m³/h（冷却壁5290m³/h，炉底290m³/h）。
4 炉身冷却壁损坏的原因分析和治理
4.1 冷却壁损坏原因分析
4.1.1 高炉风口区及第5段的设计
导致第5段风口区上部至第6段炉腹区破损的原因为：第5段风口区异形冷却壁的上沿设计偏高，从风口中心线至炉腹区第6段下沿的标高约1.7m，该段上沿深入炉腹区约1/3～1/2的空间，导致风口上沿冷却不足。生产中，风口回旋区会对第5段上部形成损害，砖衬缺失，炉腹区下部不能形成良好的挂渣能力。
4.1.2 风口中套的设计
该设计的风口中套在炉缸砖衬内，且设计疑似偏短，不能对砖衬形成良好的冷却。根据经验，风口区中套的设计长度深入炉内，前端与炉缸的砖衬齐平。
4.1.3 高炉的操作因素
生产中，边缘气流的发展，对包括炉腹区、炉腰、炉身下部形成高温灼蚀，超过了球墨铸铁冷却壁的承受能力，导致壁体损害、龟裂、变薄，甚至水管裸露。
生产中，3号高炉软水进出水温差未超过3℃，导致冷却壁进出水温差不高的原因：一是冷却壁铸造因素，冷却壁铸造时水管表层需要添加渗碳层，导致水管与壁体之间产生间隙；二是铸造质量影响，冷却壁的铸造会导致水管与壁体之间的间隙不均，影响传热；三是冷却壁的材质选择，铸铁冷却壁的导热系数通常在35-40W/m·K之间。在以上作用的影响下，当炉内的高温气流对冷却壁壁体形成冲击时，热量不能全部传导至软水中，导致热流不能带走，进而对冷却壁的壁体形成损害。
4.1.4入炉有害元素影响
当高炉内有害元素偏高时，会导致炉内耐材损害。包钢使用的原料中含氟偏高，不利于渣皮的形成和稳定，此外，钾、钠元素也需要适当控制[3]。
4.1.5 冷却壁的安装因素
冷却壁的安装因素，包括螺栓紧固等原因，也会对冷却壁造成影响。
4.1.6 冷却壁设备质量问题
3 号高炉 2022 年 5 月 7 日投产，2022 年 10 月初 6-7 段冷却壁开始出现坏管现象，仅生产了 5 个月时间冷却壁就出现烧坏情况，冷却壁设备质量问题需重视。在 2023 年 8月对烧损的冷却壁水管进行化验，如下图7所示。
4.2 水冷柱损坏情况及安装效果
2022年10月11日七段第35#水管烧坏（9#冷却壁），2022年11月16日七段117#水管损坏（30#冷却壁），之后陆续发生冷却壁水管烧坏。截止2024年5月15日共132根水管损坏，涉及80块冷却壁。坏管分布在七段至十一段冷却壁之间，八段、九段居多，占60%。其中四根水管全部损坏的冷却壁有6块（八段有4块，九段1块，十一段1块）。三根水冷管损坏的冷却壁7块（八段2块，九段4块，十段1块）。两根水冷管损坏的冷却壁17块，单根水管损坏的冷却壁数为50块。
2023年4月26日、8月10日、10月16日、2024年3月22日休风安装了φ100，长度280mm22支、50支、56支、70支，φ100共 198支，涉及38块冷却壁，φ65 80支，涉及冷却壁12块（七段、九段、十段）。截止2024年5月15日，水冷累计损坏9支，八段120#管上部水冷柱损坏，七段117#管水冷柱坏，八段第13#根水管安装的水冷柱损坏掐掉外，其余水冷柱周围φ300温度控制在50℃以内。六、七段安装水冷柱达到预期效果，横缝温度下降，冷却壁坏管速度减弱。截止到5月15日，七段坏管总数为9根，六段坏管数为7根。
4.3 边缘气流的控制
研究高炉布料制度，达到高炉炉况长期稳定顺行。在制度调整上以保证中心气流，控制适宜的边缘气流，稳定焦炭与矿石主环带，微调边缘中心角度与环数，搭建合理的矿焦平台，主环带带宽基本保持8.5°-9°左右，微调边缘与中心焦量，边缘焦炭减0.5圈解决壁体稳定性问题。
5 治理效果
通上述措施对炉身冷却壁损坏、炉缸铁口区域侧壁温度高的治理，2023年至今炼铁厂3号高炉平均日产生铁4919t，利用系数2.23 t/（m³·d）；综合冶炼强度1.173 t/（m³·d），焦比378.3kg/t，煤比176.5kg/t，燃料比554.9kg/t。
6 结论
（1）高炉通过采取铁口框架浇注、使用含钛炮泥、强化铁口深度维护、调整铁口上方风口长度、冷却水量调整等措施，炉缸铁口区侧壁温度得到控制处于正常范围。
（2）冷却壁安装水冷柱达到预期的局部冷却效果，横缝温度下降，冷却壁坏管速度减弱，高炉恢复正常生产。
（3）治理期间3号高炉平均日产生铁4919 t，利用系数2.23 t/m3.d，综合冶炼强度1.173 t/m3.d，焦比378.3kg/t，煤比176.5kg/t，燃料比554.9kg/t。
参考文献
［1］张福明，程树森.现代高炉长寿技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.
［2］周传典.高炉炼铁生产技术手册[M］.北京：冶金工业出版社，2012.113-115.
［3］林东鲁.白云鄂博特殊矿采选冶工艺攻关与技术进步[M］.北京：冶金工业出版社，2007.388-391.
