高新运

（原济南钢铁集团炼铁厂）

摘  要：研究日钢大型高炉“经济炉型”后发现，日钢3110m³高炉炉型具有“较大的炉身截面积”和“较大的还原空间”，因而能够使用经济炉料并能够降低料柱压差和对原燃料品质的过度依赖；还发现日钢3110m³高炉具有“较大的炉腹锥面面积”以及“较小的炉缸面积”，因而能够减轻料柱对炉缸的垂直压力，因而“解决了大型高炉炉缸活跃的‘瓶颈’问题，实现炉况稳定前提下成本最低”；通过日钢大型高炉经济炉型的研究，提高了对经济炉型的认识，并由此联想到另一种经济炉型——六段式高炉内型，同时还展望了高炉炉型进一步优化演进的趋向。

关键词：高炉 经济炉型 炉身截面积 还原空间 炉腹锥面面积 六段式高炉内型

1  引言

臧向阳[1]在“日钢大型高炉经济炼铁技术的应用效果”一文中，系统地展示了日钢高炉技术团队在大型高炉经济炼铁技术方面所做的突出贡献与成果，并对技术的生存和可持续问题进行了精确定义，即没有经济性的技术是不可能长期生存的，技术必须具有经济性才可能持续发展。

表1  日钢大型高炉与25家同类高炉综合生铁成本对比（元/t）[1]

从表1中可以看出，日钢大型高炉吨铁成本领先国内钢企同类高炉82元，对于大型高炉来讲是非常了不起的成就，而获得这些收益的关键正是得益于“高炉经济炉型的选择”，在当下低迷的钢铁行情下，“日钢模式”对各钢铁生产企业是一种有益参照，通过充分利用高炉大中修机会，及时对高炉炉型进行优化改造，实现降低铁水生产成本的目标。为此，本文从高炉炉型优化及“经济炉型”的选择方面进行研究探索，以促使炼铁工作者更加深入认识和研究“高炉经济炉型”的机理，从而助力“高炉经济炉型”推广应用，为钢铁企业创造经济效益。

2  日钢经济炉型

文献[1]认为高炉经济炉型能够降低料柱压差、减少对原燃料品质的过度依赖、解决高炉炉缸活跃问题。高炉炉型就是高炉设计内型。如表2所示，文献[1]中将国内3000m³级典型高炉炉型及其“同类均值”与日钢3110m³高炉进行了比对。同时，选择高炉炉腹下端面与炉缸上端面交界处作为本次图形对比的基准线，依此向上作为高炉实际工作炉型或称有效工作炉型，然后将要对比的炉型绘制在同一张图上进行对比分析，其中“同类均值炉型”采用“虚线”绘制，日钢3110m³高炉的炉型采用“红色实线”绘制，如图1所示。 

通过图1的对比，能够清楚地看出，日钢3110m³高炉扩大了炉喉直径，也相对扩大了炉腰直径，因而致使其炉身图形与同类均值3503m³高炉炉身图形中的绝大部分基本重合，而该部位的空间正是高炉最为有效的还原空间。此外，日钢3110m³高炉单位炉容所占炉身横断面面积也大于同类均值高炉。这就能够说明，两个高炉拥有相同的有效还原空间，且日钢3110m³高炉单位炉容的还原能力更优，体现了日钢3110m³高炉在适应“经济炉料”和“降低料柱压差”方面具有优势。当然在“降低料柱压差”方面，也不能排除“降低有效高度（高径比）”的作用，然而“降低有效高度（高径比）”的前提条件应该是，要有充足的炉身横断面面积和充足的还原空间，没有上述前提条件而单纯“降低有效高度（高径比）”，则肯定是不经济的；对于日钢3110m3高炉来讲，则完全具备了上述条件，因而该高炉的经济性就能够持久地得以体现。这些应该就是日钢3110m³高炉在经济炉型方面的第一个优势。

第二个优势是：该高炉“加高了炉腹”高度，并相对“减小了炉缸直径”，相对“缩小了炉腹角”，这就明显地扩大了“炉腹锥面面积”。由于高炉炉腹是一个“倒锥形漏斗”，其“锥面”是能够对里面的“散装物料”产生很大“支撑力”的，特别是当“锥面面积”扩大时，其“支撑力”是会随之增大的；对于高炉内部来讲，由于“软熔带”以下基本上全是焦炭，并且业内公认焦炭在高炉内起“料柱骨架”作用，即炉料是依靠焦炭来支撑的；因此，处于炉腹部位的“焦炭”，在遇到炉腹下部收缩的“锥面”时，是能够提供很大“支撑力”的，特别是当日钢3110m³高炉“炉腹锥面面积”加大后，承担起较大的料柱压力，因而减小了料柱对炉缸的垂直压力。日钢3110m³高炉此时还缩小了炉缸直径，使其炉缸承受上部炉料垂直压力的面积减小，为“炉缸活跃”创造了条件。

第三个优势是：提高了有效容积的利用率。在炉喉高度方面，与同类均值对比，相当于直接将炉喉高度的1/2减掉。同时扩大了炉喉直径，有利于扩大矿批，从而提高煤气利用率；除此之外更重要的是，扩大炉喉直径还能够加大炉身横截面面积，因而能够加大炉身还原空间，提高还原效率，实现使用经济炉料降低生产成本的目的。

第四个优势是：在缩小炉缸直径的同时加深了炉缸。这一举措不仅有效保证了炉缸内渣铁的容量，还有利于促进炉缸活跃，甚至有利于避免或者减少“高炉憋风”现象的发生。业内均知，当高炉出铁时间略有延迟，或者渣铁排放速度慢于渣铁生成速度时，其高炉风压就开始“爬升”，其下料速度就开始减慢，此时若处理不及时不果断，将会导致高炉悬料甚至炉况失常。这种现象一般在炉缸直径较大的大型高炉反映更明显，特别是在炉缸相对不活跃时候反映更甚。 

通过上面的对比分析认为，日钢3110m³高炉从设计上选择了经济炉型，从而为高炉经济炼铁创造了条件，并通过经济炉型降低了料柱压差和对原燃料品质的过度依赖，解决了大型高炉炉缸活跃的瓶颈问题，实现炉况稳定前提下成本最低，因而为大型高炉低成本炼铁树立了标杆和榜样，特别是在经济炉型的选择方面非常值得钢铁企业学习和借鉴。

3  六段式高炉内型

3.1 六段式高炉内型介绍

高新运[2]认为“六段式高炉内型”（见图2）实际上也是一种经济炉型，有利于炉况顺行，并且能够适应“经济炉料”。如果将该炉型与日钢高炉炉型相结合，将会产生更大的经济效益，且将该炉型可以单独使用，并为钢铁企业在“经济炉型”选择方面提供了另一种选项。

六段式高炉内型是在现有高炉有效高度范围内，除“死铁层”外的“五段式”内型基础上优化而来的（见图2）；六段式高炉内型各段名称自下而上为：炉缸、炉下腹、炉腰、炉上腹、炉胸、炉喉。在对应现有高炉“五段式”内型“炉身下1/3的上部”设有一个突然扩展段即炉上腹段，炉上腹段的倾角可在60º～80º之间；由于炉上腹的倾角明显小于原炉身角，因此，在总有效高度和炉腰直径不变情况下，炉腰直段顺势向上加高至炉上腹下端，使其明显有别于现有高炉的内型。此种炉型有利于炉况顺行，并且能够适应经济炉料。

3.2  六段式高炉内型的效果：

（1）炉内最容易粘结部位的倾角减小，不仅能够减少炉墙粘结几率，而且即使粘结也有益于粘结物脱落，从而减少高炉悬料次数，降低高炉悬料后处理难度，加快炉况的恢复速度，提高高炉顺行程度。

（2）新增了突然扩展段，能够有效减缓因炉料膨胀相互挤压而造成的炉内透气性变差。 

（3）新增区段的倾角较小使炉墙周向粘结等重大事故的发生几率降低，焦炭的总体消耗能够减少。

（4）开始软化的含铁物料在受到上部炉料的重力压迫后，能够突然进入一个比较宽松的扩展段，有益于煤气流的通畅。

（5）六段式高炉内型的突然扩展段，能够致使一小部分焦炭率先贴近炉墙，使焦炭在炉墙与含铁物料之间形成一个很薄的隔离层，因而能够大幅度降低炉墙粘结的几率，能够改善高炉顺行程度，能够降低边沿气流维护难度。

（6）新增区段倾角的较小，能够使炉墙不容易粘结，并且能够对其上部散料层的边沿煤气流进行适当逆制；实践证明，济钢4#350m³高炉实施上述内型优化后，炉喉煤气CO2曲线其边沿部位的CO2含量明显要比其它高炉高出2至3个百分点，充分说明其煤气利用率是有所提高的，其煤气利用率的提高是能够降低焦比的，是能够减少碳排放的。

（7）相对于其它形式的改造，将高炉内型改为六段式比较容易实现，完全能够利用高炉大修或者中修机会完成。

（8）炉腰加高后内部空间增大，有益于在炉腰下部喷吹还原气。

（9）能够对入炉炉料进行优化，以便于在充分保证炉况顺行的前提下，选择利用较低成本的炉料，以便于降低生产成本，提高企业经济效益。

（10）能够对高炉实施进一步强化，进一步提高高炉利用系数，特别是提高高炉强化水平后，能够大幅度降低生产运行成本、维护成本和人工成本。

3.3  济钢 4#350m³ 高炉案例

实践表明，济钢通过将4#350m³高炉内容易发生粘结的部位设置成一个角度比较小的突然扩展段，即炉身下1/3的上部的倾角为80°，炉况顺行程度明显好于其它高炉。

由于上世纪90年代济钢有6座350m³高炉，炉身中下部均为三层支梁水箱式结构，其最下面一层支梁水箱周围的砖衬，往往在投产后不足一年就被侵蚀掉，随后该部位炉壳就发生烧红、开裂难以维护的问题。针对该问题，1994年利用4#350m³高炉中修机会，将炉身下1/3的上部，即原安装最下面一层支梁水箱的部位，改为一环冷却壁；由于该环冷却壁上面安装的支梁水插入深度较深，显示炉墙厚度明显厚于下面的冷却壁；为了上下衔接，将该冷却壁按照向炉内倾斜80º设计；这一改动相当于在炉身下1/3的上部设置了一个突然扩展段；有了这个突然扩展段的4#350m³高炉，1994年4月投产至1997年3月期间，炉内透气性、炉况顺行程度和产量，以及煤气利用率等各项技术经济指标都处于6座同类型高炉之首（见图1）；遗憾的是当时没有及时进行指标对比，没有及时进行分析总结！2017年笔者去档案室拍了一些当年4#350m³高炉的生产统计月报和年报，但令人遗憾的是，因计算机硬盘损坏而无法读取！目前唯一保留下来的是图3所示的工作笔记和深刻印象，以及由此而产生的将高炉内型由五段式改为六段式的想法。

图3左记载了“新增一段冷却壁，去掉一层支梁水箱”；中间显示新增冷却壁的安装示意图及说明；右边显示“指标领先,比3#、5#、6#炉日产多达130t”，这些已经能够说明其指标方面的效果了；在笔者的印象中，该炉炉喉边沿煤气CO2含量比其它高炉高出2至3个百分点；该炉停炉后炉内圆周非常干净且均匀，冷却壁的损坏量少于以往。2022年下半年因市场原因钢铁企业出现大面积亏损，于是想起来推广六段式高炉内型，以便于业内有该认识倾向的领导采用，但由于缺乏相应的技术经济指标支持，很难说服有关企业，好在近日得到“北京科技大学绿色低碳钢铁冶金全国重点实验室”的认同，并确定共同合作申报“2025年度开放课题”，用以研究六段式高炉内型机理，等课题完成并搞清楚机理后，将有利于提高该项目的可信度，将有利于推广实施。

4  结语

（1）通过对日钢3110m³高炉经济炉型的对比分析研究，发现该高炉具有较大的炉身截面积和较大的还原空间，以及较小的高径比，因而能够使用经济炉料，能够降低料柱压差和对原燃料品质的过度依赖；该高炉具有较大的炉腹锥面面积以及较小的炉缸面积，因而能够减轻料柱对炉缸的垂直压力，因而解决了大型高炉炉缸活跃的瓶颈问题，实现炉况稳定前提下成本最低。

（2）高炉炉型包括高炉经济炉型的演进方向和趋势应该是，将高炉内型改为六段式，主要新增段了炉上腹段，包括加高炉腰和进一步加大炉腰直径、减小炉缸直径、缩小炉腹角；从而加大了高炉软熔带下面的空间，增加该区域的热容量，提高该区域的热储备能力，当该区域的热储备能力增大后，可提高高炉应对炉况失常的能力，并降低炉况失常的处理难度。希望业内能够关注六段式高炉炉型的研究开发，为钢铁企业创造经济效益。

5  参考文献

[1]  臧向阳,罗力,常凯.“日钢大型高炉经济炼铁技术的应用效果[J].”《 炼铁, 》2024,42(3).6第三期:P28.

[2]  高新运.将高炉内型改为六段式有益于减少碳排放[C]//中国炼铁网.”《2023 年第十四届炼铁系统高质量发展论坛论文集》. 江西新余: 中国炼铁网,2023:P480.