炼铁杂志投稿格式参考范文：大型高炉炉缸浇注修复技术研究与应用

　　引言

　　在当今乃至未来一个时期，高炉炼铁仍然是主导工艺流程。高效、低碳、安全、长寿、低成本冶炼是高炉炼铁技术的主要发展方向，通过延长高炉寿命而提高生产效能和降低炼铁成本已经得到国内外炼铁界的普遍认同。在 “碳达峰、碳中和” 目标形势下，我国高炉炼铁在一代炉役中，炉缸炉底寿命是决定高炉整体寿命的核心关键环节。实践表明，现代高炉投产 5-10 年就会出现严重的炉缸内衬侵蚀，为了有效抑制炉缸内衬快速破损，普遍采取降低冶炼强度、钛矿护炉、强化炉缸冷却等技术措施，即便如此，某些高炉仍被迫提前停炉进行大修、更换内衬。

　　随着不定形耐火材料技术的进步，近年来在炉缸内衬破损区域，采用不定形耐火材料浇注方式，对炉缸内衬进行修复，修补的破损部位和区域不断扩大，甚至在整个炉缸内衬热面进行整体式浇注修复。这种新开发的炉缸内衬浇注修复技术，在保留炉缸残余炭砖内衬的基础上，在残存的炭砖热面重新进行浇注，相当于在炭砖热面浇注了一个完整的保护性工作衬，与炭砖 - 陶瓷杯内衬相似，也可以称之为 “浇注杯”。这种炉缸浇注修复技术，与传统的炉缸整体换衬、重砌炭砖修复技术相比，具有停炉工期短、施工简便易行、炉型可塑性强、维修成本低等综合技术优势。

　　一般意义上，高炉停炉大修、更换炉缸内衬标志着一代炉役的结束。高炉大修工期一般需要 3 个月以上，工程量大、投资高，严重影响着大型钢铁联合企业的生产运行和经济效益。而利用不定形耐火材料浇注修复破损的炉缸内衬属于新兴技术，还存在浇注结构复杂、炉缸传热结构变化大、内衬浇注修复后炉缸运行状况不确定等一系列重大技术风险，因而这项技术仅局限于中小型高炉炉缸内衬的局部浇注修复，对于 2000m³ 以上大型高炉在炉缸残余炭砖利旧条件下，炉缸浇注修复具有技术挑战性。

　　1 浇注修复技术的难点

　　高炉炉缸浇注修复技术是一项综合技术，不仅仅是炉缸内衬的浇注施工，其技术关键性环节在于对炉缸残余内衬的保护性清理和利旧使用，从高炉停风到高炉送风都与常规操作有所区别。主要包括：高炉停炉降料面、喷水降温凉炉的速度和质量;排放炉缸残铁的准确性、彻底性;炉缸残余炉料和内衬的清理速度与质量;浇注炉型的优化重构、浇注后高炉的烘炉、排水;开炉复风操作和炉况恢复等。

　　由此可见，炉缸浇注修复面临诸多的技术风险，其技术的难点主要体现在：

　　利旧炉缸浇注修复后的新型炉缸内衬结构的温度场、应力场、流场需要进行三维仿真模拟，通过多场耦合数值仿真模拟优化，以解决浇注炉缸内衬结构稳定性、材质匹配合理性问题。

　　炉缸内衬侵蚀炉型的数字化高效精准定位技术和停炉准备技术。主要包括：清洁环保降料面停炉技术，高效、安全、精准的炉缸残铁排放技术;高效环保的凉炉技术;炉缸侧壁不开 “扒渣门” 条件下的保护性炉缸清理技术。

　　基于侵蚀机理的定制化炉缸浇注修复同步炉型优化技术。包括复合型耐火材料异质异构耦合匹配优化;非规则浇注厚度条件下的炉缸侵蚀模型重构优化。

　　浇注修复后高炉炉缸有效安全养护技术、烘炉技术，以及高炉复风达产、高效低碳生产技术。

　　2 浇注修复相关技术

　　2.1 浇注前的停炉技术

　　高炉快速停炉降温技术。高炉炉缸浇注修复之前需要安全、顺稳地降料面停炉，最大限度排空炉缸残余渣铁，这是决定浇注修复效率及保障炭砖完整性的基础和关键。在高炉停炉过程中，为了快速冷却炉料，一般采用喷水降温方式，通过水的蒸发相变吸热来降低炉料的温度。但是喷水量和均匀性不易控制，如果喷水量过多，液态水或水蒸气将会对炭砖造成化学侵蚀破坏。针对传统喷水冷却导致炭砖脆化问题，采用风口雾化喷水冷却，铁口通氮气疏松料柱的凉炉降温模式，实现了既加快凉炉速度又保障炉缸炭砖安全的目标。开发了高炉快速凉炉技术，开启雾化水辅助凉炉降温，最大程度减小炉缸残余炭砖脆化和氧化破损。在喷水量优化、氮气量控制、出水温度等参数选取时，制订了一系列技术规程和操作标准。与此同时，还开发了一种高炉料柱疏松技术，高炉停炉后向炉内通入低温氮气冷却焦炭和疏松料柱，防止料柱黏结堆积，以便于炉缸残余物料的清理。

　　残铁口精准定位技术。为了最大限度排净死铁层内的残铁，精准确定炉缸残铁口位置十分重要。采用理论测算、红外测温、贴片测温等多种方式，通过传热仿真计算与实际测温结果综合对比，结合高炉出铁场下部空间场地布局，高效精确地确定了炉缸残铁口的位置，合理布置了残铁沟的路径及角度，使炉缸死铁层内积存的液态残铁可以最大限度排出。通过质能平衡核算确定了炉缸残铁量，结合残铁口精准定位，保障了炉缸残铁剩余比例低于 5%，有效减少了炉缸残留物料的清理难度和时间。

　　炉缸侵蚀内型数字化成像技术。为了精准测量炉缸内衬侵蚀情况和形貌，开发并应用了炉缸内衬侵蚀三维扫描数字化成像技术。与传统的人工勘测侵蚀炉型技术相比，测量精度大幅度提高，测量时间和人力配置也显著减少，为提高测量效率和精度、缩短停炉时间创造了有利条件。

　　应用三维扫描数字化成像技术，可以高效精确测绘出高炉炉缸侵蚀炉型的剖面图和三维轮廓图，实现对炉缸侵蚀严重区域的精准定位，有效地将数字化成像技术与数值仿真技术耦合，构建出高炉炉型管理数字物理系统，为精准确定炉缸内衬浇注修复材料消耗量和优化结构参数提供可靠依据。

　　2.2 浇注修复的数字模拟

　　炉缸死料柱形态和特性。结合高炉炉缸内衬破损调研，对炉缸死料柱赋存形态、结构及行为特性进行了原位勘测和解析研究。针对炉缸死料柱形貌及赋存形态不明晰的问题，在首钢股份 2 号高炉检修过程中，通过炉缸保护性清理后进行了破损调研，对炉缸死料柱进行了三维勘测和系统取样，发现死料柱整体呈现 “上锥 + 下锥” 的形貌，根部上锥角约为 45°，直径约为 10.51m，最大外形处与侵蚀后的炉缸残余炭砖间距约为 1.10m。

　　破损调研测定炉缸死料柱焦炭平均粒度为 31.5mm，死料柱的空隙度约为 37.05%，计算得出死料柱焦炭更新周期为 16-18 天，这与以前国外研究的结果基本一致。通过对炉缸死料柱解剖研究，为炉缸内衬浇注修复数值模拟及浇注炉型的设计优化，实现高炉低碳高效冶炼奠定技术基础。

　　炉缸内衬浇注修复仿真模拟。基于高炉炉缸死料柱赋存形态解析，建立了炉缸内衬浇注修复后三维多场耦合的三维仿真模型。提出了以 “无过剩界面应力” 为核心的低热阻、低应力、低流速、高抗铁水侵蚀的炭砖 - 浇注料异质异构耐火材料匹配设计理念，构建了结构稳定、传热温度场分布合理的浇注炉缸内衬安全长寿新技术体系。仿真计算研究了浇注炉缸内衬的铁水流场、温度场、应力场，并与高炉不同炉役工况条件下的初始设计炉型、侵蚀后炉型以及浇注后的可能出现的侵蚀炉型进行了对比分析，为炉缸内衬浇注修复的优化设计及工程应用提供指导。

　　从仿真结果可以看出，炉缸浇注修复后炭砖温度场分布合理，由于浇注料的保温隔热作用，炭砖区域工作温度低，符合 “内热外冷” 的传热机制;炉缸内衬浇注修复后炭砖区域应力低，有大幅度降低炭砖脆化破损的倾向，可以匹配膨胀系数较高的浇注料;炉缸内衬最薄弱的区域位于铁口下方约 1.5m 的两侧区域，浇注料优异的抗铁水侵蚀性能可以有效缓解炉缸内衬的异常侵蚀。

　　2.3 浇注修复的关键技术

　　浇注料选择。用于炉缸修复的浇注料，需要具备优良的技术性能，特别是在炉缸高温工作状态下抗渣铁侵蚀、抗铁水渗透、抗铁水环流冲刷等综合性能。为了评价各耐火材料在炉缸复杂工况条件下的性能，设计开发了耐火材料抗渣铁侵蚀现场试验、耐火材料抗有害元素侵蚀能力试验装置，用于对比研究不同类型耐火浇注料，优选出适用于炉缸内衬浇注修复的材料。择优选取了界面结合力强、应力低、导热性能中等、抗渣铁及有害元素侵蚀性能强的浇注料，实现了异质异构耐火材料间的良好结合。

　　浇注结构设计优化。基于高炉炉缸破损调研，利用相关软件，对炉缸浇注复合结构进行三维数值仿真模拟，通过对不同设计结构方案对比，得出了炉缸侧壁浇注料内衬在铁口和非铁口区域的厚度、弦长及角度等关键设计参数，进而优化炉缸内衬浇注设计结构。对比了炉缸水平断面铁口区和非铁口区侧壁内衬的界面连接设计结构，经过流场仿真模拟分析研究表明，弦弧形连接方案流场分布优于圆弧形连接方案。当铁口深度降低时，圆弧形连接方案有加剧铁口下方左右两侧冲刷的趋势，而弦弧形连接方案的炉缸流场分布更加合理。由此确定了炉缸内衬浇注结构采用弦弧形内型，优化确定了首钢股份 2 号高炉炉缸侧壁铁口区及非铁口区合理的浇注层厚度、弦长等参数，炉缸结构参数发生了相应变化。

　　浇注修复工艺技术。为了保障炉缸内衬浇注层与原有炭砖砌体形成稳定的一体化结构，创新开发出一些适用的新工艺，如风口区 “斜角衔接” 喷涂、铁口区强化浇注、炉缸 - 炉底交界处 “象脚区” 斜模浇注、炉底超厚浇注层应力应变消除等技术，实现了同质异构、异质异构内衬结构界面技术的协同优化和耦合匹配。

　　风口区 “斜角衔接” 喷涂工艺实现了炉缸浇注区与炉体喷涂区的平滑过渡。与此同时，这种界面衔接工艺还充分考虑了炉腹角的合理修正和风口区设备维护及密封问题，对于高炉操作内型修复以及 “等效炉腹角” 的形成，具有重要的作用，克服了传统炉衬喷补修复过程中，炉腹角不易精准控制的技术难题。铁口区强化浇注工艺加强了炉缸薄弱部位耐火材料的防护，有利于泥包的形成和稳固，以及铁口深度的维护。炉缸 - 炉底交界处 “象脚区” 采用支设斜模方式将 “象脚区” 加厚实现平滑过渡，有效解决了结构复杂、热应力集中、铁水环流机械冲刷、抗渣铁侵蚀能力薄弱的问题。炉底加厚浇注层区域采用错层膨胀缝方式以消除应力应变，有效抑制和释放了在高炉冶炼过程中产生的热应力，保障了炉底区域安全长寿。

　　内衬侵蚀模型的重构。所谓炉缸内衬整体浇注修复技术，其技术实质是高炉运行一定时期后，在原有残余炭砖内衬的基础上，采用浇注料及人工造衬的方式进行炉衬修复(整形)，从而建构出一个炭砖 - 浇注料复合的新型炉缸内衬体系。换而言之，是将原有的残余碳质砖衬作为 “永久层”，浇注料作为 “工作衬”，进行结构优化和功能重构，以期实现炉缸长寿的目标。采用这种工艺修复后的复合型内衬结构，不同于原始设计的全炭砖内衬结构或炭砖 - 陶瓷杯结构，也不完全属于基于导热法或隔热法的炉缸内衬设计体系，而是因地制宜结合炉缸内衬侵蚀状况，在综合权衡、分析对比高炉生产过程中采用钛矿护炉、强化冷却等自维护、自修复技术的可靠性、安全性和经济性之后，采取的一种 “他组织” 工程方法对炉缸内衬进行的结构优化和功能重构。它不同于传统高炉停炉大修、炉缸整体换衬的技术方案，是在原侵蚀炉型基础上所进行的功能集成和重构优化。

　　为了准确监测浇注后炉缸内衬的运行情况，在炉缸增设测温热电偶，同时升级更新炉缸内衬侵蚀模型，将新的边界条件、初始条件和操作条件替代原有的模型参数。增加了高炉炉缸盲区热电偶的布置，可以高效精确获得高炉各区域的温度信息，实时监测炉缸、炉底各层热电偶的温度分布。采用三维非稳态柱坐标包含凝固潜热的温度场 “正问题” 计算模型，构建三维炉缸炉底 “反问题” 有限元计算程序，可以得到精确的温度场分布和全部热电偶温度实时数据。增设了离线计算炉衬侵蚀残余厚度的功能，输入相应参数可得到对应位置热流强度、炉衬温度分布等参数，重建了浇注后炉缸内衬侵蚀模型，为高炉稳定顺行生产和炉缸安全长寿奠定了基础。

　　3 浇注修复的应用

　　3.1 典型案例

　　2018 年 7 月以来，在首钢股份 3 座大型高炉上实施了炉缸浇注修复技术，并取得了显著的应用成效。3 座高炉具有不同的有效容积、炉缸直径、设计日产量、死铁层深度、炉体结构、炉体冷却结构、投产时间、炉缸浇注时间、炭砖服役时间、浇注前产铁量和单位炉容产铁量等参数。

　　3.2 烘炉排水操作

　　炉缸内衬采用浇注料进行修复，由于不定形材料中含有水分，高炉开炉前必须进行烘炉干燥，以有效排出修补的炉衬中的水分。因此，高炉修复开炉操作，必须高度重视烘炉操作及效果。炉缸内衬修复后，炉底浇注料厚度达到 1.0m 且浇注料水分高，炉缸经浇注修复之后内部含有较多水分，开炉前需要高效的强化烘炉效果。结合生产应用实践经验，建立了 4 个烘炉导管仿真模型，对比不同方案热风流场优劣。

　　结合浇注料修复后的炉型结构特点，通过热风流场仿真模拟对比，选择最佳烘炉导管布置方案进行烘炉操作。炉缸内衬浇注施工过程中，喷水凉炉过程有少量的水进入到炉缸残余砌体缝隙中，同时浇注料结合剂中也含有约 40% 的水分，在烘炉和开炉初期必须将多余水分排出炉外，以确保浇注层和炉缸残余炭砖砌体的安全长寿。在炉缸设置了 15 个排水孔，排水孔均钻孔至冷却壁热面、炭砖冷面处。高炉累计烘炉 106h，导管累计排水约 2.5t，生产期间炉缸累计排水 44.7t，最大程度排出了炉缸内衬浇注层中的水分，保障了炭砖和浇注料的安全及炉缸长寿。

　　3.3 高效低碳生产运行

　　高炉送风投产后，结合炉缸侧壁厚度和铁口深度情况，动态调整打泥量，探索炮泥中适宜的 SiC 含量，以实现铁口深度和出铁时间的稳定。实时动态监测炉缸储铁量，该值大于警戒值时报警提示，采取重叠出铁，以维持炉缸内储铁量的稳定，同时实现了重叠出铁操作的精准化管理。通过缩小风口直径，控制适宜风速和鼓风动能，“吹透” 并活跃死焦柱，提高炉缸透气性、透液性和炉缸活跃度。

　　首钢股份 1 号、2 号高炉，采用炉缸浇注修复以后，5 年内主要技术经济指标不断提升，在高效生产的同时，燃料消耗保持在较低水平，取得了高效低耗的运行实绩，不断刷新高炉一代炉役期间的最优技术指标。1 号、2 号高炉利用系数由 2.3t/(m³・d)提高至 2.7t/(m³・d)，燃料比由 515kg/t 降低至 505kg/t;3 号高炉利用系数由 2.2t/(m³・d)提高至 2.5t/(m³・d)以上，燃料比由 510kg/t 降低至 495kg/t。

　　截至目前，首钢股份 2 号高炉是国内外容积大于 2500m³ 的高炉中，第一座保留并利旧原有炉缸残余炭砖结构，进行炉缸浇注修复的高炉，也是目前炉缸浇注修复后运行时间最长的一座高炉。高炉炉缸内衬修复以后，炉缸侧壁各层测点温度变化平稳，均处于安全界限值以下，为高炉高效低碳生产奠定了基础，也为炉役中后期高炉炉衬修复提供了新的技术思路和解决方案。

　　4 结语

　　(1)在目前炼铁条件下，延长高炉寿命依然是高炉主要的技术发展方向，需要从设计、制造、建造、运行、维护、退役等全生命周期的视野，高度关注高炉寿命，采取有效技术措施延长高炉寿命。炉缸炉底的使用寿命是决定现代高炉一代炉役寿命的关键要素，开发应用炉缸浇注修复技术，也是现代延长高炉寿命的一种探索与创新。特别是对于投产 10 年以上或超期服役的高炉，在保留、利旧部分原有炭砖的条件下，采用炉缸内衬强化修复、整体浇注造衬的工艺在技术上是可行的，且具有显著的经济效益。

　　(2)首钢股份 3 座高炉炉缸内衬整体浇注修复技术，已经在生产实践中取得了显著的应用成效。2 号高炉炉缸内衬浇注修复以后，已稳定运行 5 年。1 号高炉停炉检修、炉缸浇注造衬的工期已经压缩至 35 天，仅为高炉常规换衬大修工期的三分之一，具有显著的经济效益和社会效益。高炉送风投产以后，主要技术经济指标不断提升，已实现高效低耗安全运行。

　　(3)炉缸浇注修复技术，已被生产实践证实是一种技术可行、节省投资、高效便捷的高炉快速维修技术。从高炉设计的本质上讲，炉缸炉底内衬要适用于各种复杂工况和长期服役的要求。在高炉炉料结构、燃料结构、操作条件不断变化的条件下，设计耐久性更长、可靠性更强，具有自修复、自维护功能的炉体结构及内衬体系，仍然是高炉长寿设计的重要目标。炉缸浇注技术在新建高炉上的应用效果，还有待于生产实践的探索和长期的验证。

张福明;贾国利;张 勇;赵满祥;焦克新,首钢集团有限公司;北京首钢股份有限公司炼铁部;首钢集团有限公司技术研究院;北京科技大学冶金与生态工程学院,202405