宣钢1260m~3高炉扩容大修改造设计

　　宣钢1 260m3高炉扩容大修改造设计李贵阳龚树山于立新魏志江刘彬薛维炎周强（宣化钢铁公司）（武汉钢铁设计研究总院）350m3，对高炉本体系统设备及冷却系统、自动控制及检测系统进行了全面的改造更新，在炉腹。炉腰及炉身下部高热负荷区域采用铜冷却壁，取消炉身中上部铸铁冷却壁凸台，并采用薄内衬等先进、适用。可靠。成熟的技术。

　　1大修前的状况260m3高炉始建于1989年12月，于1998年5月进行过**次大修。大修后，高炉设有2个铁口，1个渣口，20个风口。1998年7月1日高炉大修投产后不久，炉底陶瓷垫与炭砖的交接面上高炉中心点的温度就迅速升高，1月份该点的温度己经达到1000C以上。渣口下方炭砖温度陆续超过1000c，长期堵风口，加钒钛矿护炉。高炉被迫于2003年9月停炉大修。从本次大修拆炉情况来看，炉底、炉缸侵蚀严重：高炉中心陶瓷垫己全部侵蚀完，边沿还剩下不到300mm厚，炭砖也有不同程度的侵蚀，炭砖砖缝中多处渗铁，渗铁深度一直延续到*底层的炭砖，*为严重的是16号风口下方铁水己经渗透到炉底封板上；渣口附近炉壳开裂；炉腰以上钩头冷却壁有29块损坏；炉喉部分钢砖变形、鼓肚。

　　2存在的主要问题260m3篼炉第二代炉役寿命短的主要原因有三点：①冷却壁凸台的缺陷。在以前的冷却壁设计中，炉腰以上冷却壁都带凸台（钩头），以支撑600~800mm厚的砖层。但在实际生产过程中，凸台是*易损坏的部位，如果凸台损坏，炉墙砖衬和渣皮失去附着能力，垂直管也就失去了保护屏障，冷却壁很快将被烧坏。因此冷却壁凸台损坏是高炉操作者*头疼的事。②软水系统设计不合理。系统脱气、排气效果差，自动控制水平低，进水温度高，冷却效果差，膨胀罐和脱气罐应同时放置在回水管路*高点的平台上，此高炉原设计没有设膨胀罐，只有脱气罐，使软水系统自动排气和自动稳压功能未能得到充分发挥。③炉底炉缸内衬材质、结构问题。炉底炉缸采用自焙炭块一陶瓷砌体的复合内衬结构，该结构由于陶瓷砌体的保护作用，自焙炭块“焙烧”

　　的条件发生变化，热端温度降低，不利于自焙炭块的蚀的能力降发生异常侵蚀时，则难以保证炉底炉缸长寿目标的实现。另外自焙炭块的导热系数低不利于炉底水冷，致使炭砖的温度一直偏高，从而影响了炉底炉缸的寿命。

　　3设计原则和设计特点3.1设计原则此次大修改造设计主要是针对该高炉上一代设计中存在的不足进行修改和完善，实现高炉的优质、高产、低耗和长寿。

　　设计必须充分考虑宣钢的原、燃料条件和操作水平，并结合今后的发展趋势；上，软水系统采用先进、适用、可靠、成熟的技术和设备，实现10年以上不中修的长寿目标；充分利用现有设施，维持原有炉体大框架、炉体各层平台不变，尽量利用原高炉炉壳，仅对变形严重的炉壳作局部更换；改造后高炉容积扩大到1铁口，20个风口，取消渣口；结合宣钢条件选择冷却壁和内衬材质，尽量节省投资，但又要确保长寿；（6）自动化控制系统设计原则是保证高炉长期安全、可靠运行，采用先进技术，但要尽量节省投资。3.2设计特点炉体冷却采用全冷却壁结构，一直延伸到炉喉钢砖下沿；在不同的部位采用不同材质和不同结构形式的冷却壁，在炉腹、炉腰及炉身下部采用了铜冷却壁。

　　4设计的主要内容4.1高炉内型设计合理的炉型是高炉顺行和高炉强化冶炼以及长寿的基本条件。宣钢1260m3高炉此次大修由于工期短、炉顶设备利旧、高炉基础和高炉炉壳尽量不动等多重原因，高炉扩容在高度上受到了限制，要扩容只有靠加炉腰、炉缸直径，加深死铁层，使高炉变得矮胖，这与现代大、中型高炉的发展趋势相吻合。通过在炉腹、炉腰及炉身下部高热负荷区域采用铜冷却壁，取消炉身中上部铸铁冷却壁凸台以及采用薄内衬（武汉院*新的专利技术），在炉壳不变的基础上实现了扩容。改造后的高炉有效容积1350m3，炉缸直径8. 2m，炉腰直径10.1m，炉喉直径7.2m，有效高度26.02m，死铁层深度从1.108m扩大到1.458m.由于受高炉炉壳的限制，炉缸直径只能扩大到8.2m，从而限制了扩容的幅度。如果炉壳能更换、基础可以适当改造加固、工期允许，则炉容可扩到更大且炉型更趋合理。

　　从高炉投产后一个多月的实际操作效果来看，高炉一直稳定顺行，容易强化，投产不到10天利用系数即超过2. 0，证明高炉内型设计是合理的。

　　4.2内衬的设计炉缸、炉底。炉底采用陶瓷垫加炭砖的结构，工作层为400mm高的塑性相结合的刚玉复合砖，陶瓷垫下面平砌两层各600mm厚的国产微孔炭砖，国产微孔炭砖下面为一层平砌的400mm厚国产石墨炭砖，炉缸侧壁（包括国产微孔炭砖与冷却壁间）环砌UCAR热压小块炭砖，UCAR热压小块炭砖导热率高、抗铁水渗透侵蚀能力强、能释放热应力、不产生断裂，在陶瓷杯被侵蚀的情况下，UCAR炭砖热面极易形成渣皮，使之免受铁水的冲刷侵蚀。

　　整个UCAR炭砖内侧为国产塑性相结合的刚玉复合砖。炉底砖层总厚度仅2000mm，这一厚度在国内外同级别的高炉中属于*小厚度。

　　为加强炉底水冷，本次改造将炉底封板下移，使炉底水冷管位于炉底封板上，同时加大了炉底水管直径，大了冷却水量。

　　风口区域。以往，人们对风口区域的内衬材料和结构形式的重要性认识不足。而实际上，风口区域是整个高炉工况条件*为恶劣的区域之一。

　　在此区域机械冲刷、化学侵蚀、热震三种破坏机理同时存在，特别是冲刷与侵蚀，对在此区域造成的破坏作用十分巨大，所以，该区域的材料应有很高的抗侵蚀、抗冲刷能力，同时还要有一定的抗热震能力。

　　刚玉质砖具有抗压、抗折强度大，抗侵蚀、抗冲刷能力强，而且容易挂渣，同时还具有一定的抗热震能力，因此，在此区域应用刚玉质砖是比较合适的。宣钢1260m3高炉本次大修设计中，风口区域采用了大块刚玉氮化桂组合砖结构，它既能对下部砖衬进行有效保护，又能对上部砖衬进行有效的支撑，更有利于其结构的稳定和高炉的长寿。

　　炉腹、炉腰及炉身下部。炉腹、炉腰及炉身下部区域的热负荷*大，化学侵蚀严重，热应力破损作用较大，工作条件*差，是影响高炉寿命的*重要部位，因此，这一区域耐火材料选择应兼顾抗碱金属侵蚀性、抗氧化性、抗热震性、耐剥落性、导热性等多项性能指标。国内大型高炉在这一区域多采用碳化硅砖，也有一些高炉采用烧成微孔铝碳砖，*近一些大修或新建的大中型高炉采用了赛隆结合的碳化桂砖，以上三种砖各有优缺点，赛隆结合的碳化硅砖耐压强度、抗折强度、导热性等都优于其他两种砖，但其价格*高。通过综合分析各项指标，结合现阶段国内多座高炉的实际生产情况，我们认为赛隆结合的碳化硅砖用在炉腹、炉腰及炉身下部区域较为合适。由于宣钢1 260m3高炉本次大修在该区域采用了铜冷却壁，使得该区域对耐火材料的要求并不高，因为铜冷却壁具有十分突出的导热性能且冷却均匀、稳定，高炉正常生产时，铜冷却壁热面温度不足100Q在其热面能快速形成一层稳定的渣皮，这使得铜冷却壁热面对耐材的要求并不高，因此在该区域采用了高铝质喷涂料，仅将其作为开炉初期的保护层。

　　炉身中上部。在炉身中部，采用Si3N4结合SiC砖。它具有较好的抗化学侵蚀和抗机械冲刷能力，同时导热性和抗热震性也较好，与冷却壁配合，可大大提高冷却效果，延长高炉寿命。在炉身上部，其破损机理主要是由于布料和炉料下降带来的机械冲刷和随上升气流而在此聚集的碱金属所产生的化学侵蚀。由于炉喉钢砖下部采用了倒扣式冷却壁，*大限度地减轻了布料对内衬带来的破坏作用。优质粘土砖通过真空浸磷酸处理，其抗钾、钠等碱金属侵蚀的能力大大加强，同时其抗热震性和抗冲刷能力也得到一定改善。因此，在炉身上部采用了真空浸磷粘土砖。

　　4.3冷却系统的设计（1）冷却元件的设计。冷却壁具有冷却均匀、制造简单、成本低、炉壳开孔少、操作炉型与设计炉型始终保持一致的优点，虽然存在损坏后不易更换的缺点，但随着冷却壁的材质及结构形式和布置形式地不断改进，其不足之处己得到很大程度的弥补。

　　因此，在本次高炉的大修改造设计中，采用了全冷却壁结构形式。高炉不同部位热负荷不同，因此在不同的部位采用了不同材质和不同结构形式的冷却壁：炉缸采用低铬铸铁光面冷却壁，风口带采用球墨铸铁光面冷却壁，炉腹、炉腰及炉身下部热负荷*高，在这一区域采用三段铜冷却壁。炉身中部采用球墨铸铁镶砖带双层水冷管冷却壁，炉身上部采用球墨铸铁镶砖带单层水冷管冷却壁，炉身顶部即炉喉钢砖下部采用球墨铸铁倒扣式光面冷却壁。铜冷却壁与铸铁冷却壁相比具有非常明显的优势：①材质。铜冷却壁选用轧制无氧铜板（TU2），其导热率非常高，在工作温度下比球墨铸铁高约10倍。②可加工。铜冷却壁由轧制铜板钻孔和焊接铜管而成，避免了球墨铸铁冷却壁壁体和水管气隙、渗碳涂层引起的巨大热阻，所以综合导热率要比球墨铸铁冷却壁高约45倍。③冷却均匀性和稳定性好。④厚度小。球墨铸铁冷却壁一般250~350mm，而铜冷却壁只有120~150mm，这样单位冷却面积壁体重量可以减少50%以上，可以大幅度地缩小两种冷却壁的成本差。而且在炉壳不变的情况下，可以加高炉的有效容积。宣钢1260m3高炉本次大修改造就是利用了铜冷却壁的这一优点对其进行了适当扩容。⑤热损失少。从感性上看，铜冷却壁导热性好，可能会导致热损失加。其实不然，由于铜冷却壁热面稳定地结有较厚的渣皮，而渣皮热阻极高，铜冷却壁的热损失反而较铸铁冷却壁明显下降，根据比利时西德玛B高炉的测定，相同部位铜冷却壁的的热损失只有铸铁冷却壁的53.5%.⑥不用昂贵的高级耐火材料。既然炉腹、炉腰及炉身下部长寿依靠的是强冷却下的渣皮，再使用高级耐火材料就毫无意义。只需在铜冷却壁的热面镶一层薄薄的普通耐火砖（如100~200mm厚的粘土砖）或喷涂相同厚度的不定型耐火材料，目的是装炉和开炉初期保护冷却壁。这无疑将节省一大笔耐材费用和筑炉费用。

　　铸铁冷却壁的设计采用了多项技术革新：一是炉身上部采用了一层倒扣式冷却壁，用倒扣式冷却壁来代替部分砖衬，使操作炉型与设计炉型始终保持一致，从而避免了炉料和高温煤气流对冷却壁的直接冲击和冲刷，并对下部砖衬进行有效保护，延长冷却壁的使用寿命；二是取消了炉腰以上冷却壁的凸台，采用双（单）层水冷配以热面燕尾槽满镶砖的薄内衬结构；三是大了冷却壁水冷管的管径，强化了冷却，延长冷却壁的使用寿命；四是对冷却壁的固定方式作了重大改进，取消了传统的4点螺栓固定，利用冷却壁进出水管的套管，采用固定点、滑动点和浮动点相结合的方式，对冷却壁进行科学合理的固定，并在炉壳与进出水冷管间采用波纹补偿器和保护套管进行密封，基本适应了冷却壁及炉壳的膨胀要求，有效地避免了水冷管剪断现象的发生，对冷却壁的寿命起到了很重要的作用。

　　（2）冷却介质的选择及外部管网的设计。冷却介质是影响高炉长寿的一个重要因素。长期的实践证明，在我国大部分地区，普通工业水或工业净化水难以满足高炉长寿要求。高炉要进一步长寿，冷却水质必须有一个大的飞跃。软水（或纯水），由于去掉了水中的Ca+、Mg+及悬浮物，大大改善了冷却效果，是冷却系统*理想的介质。软水密闭循环系统密封性好、泄漏少、水质稳定、管道腐蚀率低、能源消耗少，对水资源不足或水质不好的地区，采用这一系统是非常必要的。因此，软水密闭循环冷却是现代长寿高炉冷却的发展趋势。

　　宣钢本次大修改造仅对原软水系统中不合理的地方加以改进：①为加大炉底和冷却壁的冷却能力，在利用原有的水泵等设备的基础上，再加了一台水泵。②对原系统的脱气、排气功能进行了完善，重新设计了脱气罐、膨胀罐，软水系统管路中的气泡必须在回泵之前排掉，因此在软水回路上设置了脱气罐，冷却回水流经脱气罐时水速急剧降低，水流呈层流状态，水中的气泡在罐内被分离，再经过脱气罐与膨胀罐间的连通管及自动阀门由膨胀罐排入大气。两罐成套使用，膨胀罐的作用是保持软水循环系统有一定的压力，并对系统的漏损进行监控。膨胀罐上部接入氮气，以防止外界氧气进入系统内，还可使冷却介质具有一定的欠热度，从而改善冷却效果，提高冷却的可靠性。③对管网布置进行了适当改进，坚持“步步高”走管原则，严禁管道有任何向下迂回现象。

　　4.4炉体系统自动控制与检测计算机和各种检测技术的发展为高炉实现长寿提供了良好的条件。本次设计采用了较为完善的检测和控制系统：膨胀罐水位的自动检测和控制，实现及时自动补水；膨胀罐压力的自动检测和控制，保持罐内压力恒定；软水系统温度、压力、流量的监测和控制，实现软水系统的自动稳压、自动排气和自动补水；冷却壁及内衬温度检测，以掌握炉体不同高度的温度分布以及耐火材料的侵蚀程度；炉身设静压计，以检测高炉的透气性。

　　5投产后的实际运行效果通过参与大修的宣钢各部门的精心组织以及广大施工人员的艰苦施工，宣钢1260m3高炉大修改造从停炉到开炉仅用了50多天，改造后的高炉于2003年11月20日正式送风，非常顺利。投产后高炉己运行一个多月，现场反映本高炉设计炉型非常合理，煤气利用率高，容易实现强化冶炼，利用系数己达2.0以上。水冷系统、冷却元件、软水自动控制和检测系统一直运转正常，到目前为止还没有出现冷却壁水管烧坏的情况，为高炉稳定运行提供了可靠的保证。

　　但是，通过这一个多月的生产实践也暴露出一些问题，例如：①投产初期煤气泄漏严重。其主要原因是焊接质量，特别是冷却壁套管底部与炉壳的焊接以及冷却壁水管与波纹补偿器之间的焊接质量。

　　由于焊接要求条件十分苛刻，而施工时间又太短，焊缝太多，因此焊接质量很难全部保证。②炉底陶瓷垫与炭砖的交接面上高炉中心点的温度在开炉后就迅速升高，开炉10天后就超过了800至12月22日该点的温度己经达到1 180C.出现此种现象的原因是：①受炉底总厚度的限制，陶瓷垫偏薄。

　　由于该高炉是宣钢*大的高炉，为节省大修时间，决定炉壳（包括铁口标高）不动，基础不动，因此，炉底总厚度只能做到2000mm，综合考虑后，将炭砖高度设计为1 600mm，陶瓷垫只能设计为400mm，因为炉底、炉缸的长寿*终是要靠炭砖来实现的。

　　设计上曾经提出过将基础打掉400~600mm，以期将炉底总厚度设计到2400~2 600mm，但工期上做不到。②炉底炭砖的质量非常重要。针对炉底总厚度及陶瓷垫都偏薄的实际情况，设计认为炭砖的质量是保证高炉寿命的关键因素，为此设计院建议购买国外（包括NDK、SGL）优质炭砖，但都因供货不能满足工期要求而没能实现。公司*后决定炉底炭砖全部为国内供货。③炉底炭素捣打料的质量也至关重要。同样是针对炉底总厚度及陶瓷垫都偏薄的实际情况，为改善炉底炭砖的导热性，炉底炭素捣打料所要求的理化性能指标实际上是石墨质捣打料的指标。④施工质量同样重要，砖缝泥浆应饱满，炭素捣打料应捣打密实。

　　针对上述问题，宣钢己采取了一系列应对措施，如适当控制冶强，添加适量的护炉料，加大炉底水冷，并适当压制边缘煤气流，通过采取这些措施，炉底温度己基本稳定，并己逐步过渡到稳定生产期。

　　6结语生产实践证明，本次宣钢1 260m3高炉扩容至1350m3大修改造，己取得了较满意的效果：炉况稳定顺行，容易强化，冷却系统稳定、可靠，检测手段迅速、准确，自动控制安全、方便。在炉腹、炉腰、炉身下部采用铜冷却壁非常正确。通过对宣钢1350m3高炉这些部位铜冷却壁温度的观察，铜冷却壁的温度非常稳定，都稳定在40~45C，无疑为整个高炉长寿打下了基础。

　　86863356―8314（430080）湖北省武汉市武汉钢铁设计研究总院炼铁室