引言

　　在當今乃至未來一個時期，高爐煉鐵仍然是主導工藝流程。高效、低碳、安全、長壽、低成本冶煉是高爐煉鐵技術的主要發展方向，通過延長高爐壽命而提高生產效能和降低煉鐵成本已經得到國內外煉鐵界的普遍認同。在 “碳達峰、碳中和” 目標形勢下，我國高爐煉鐵在一代爐役中，爐缸爐底壽命是決定高爐整體壽命的核心關鍵環節。實踐表明，現代高爐投產 5-10 年就會出現嚴重的爐缸內襯侵蝕，為了有效抑制爐缸內襯快速破損，普遍采取降低冶煉強度、鈦礦護爐、強化爐缸冷卻等技術措施，即便如此，某些高爐仍被迫提前停爐進行大修、更換內襯。

　　隨著不定形耐火材料技術的進步，近年來在爐缸內襯破損區域，采用不定形耐火材料澆注方式，對爐缸內襯進行修復，修補的破損部位和區域不斷擴大，甚至在整個爐缸內襯熱面進行整體式澆注修復。這種新開發的爐缸內襯澆注修復技術，在保留爐缸殘余炭磚內襯的基礎上，在殘存的炭磚熱面重新進行澆注，相當于在炭磚熱面澆注了一個完整的保護性工作襯，與炭磚 - 陶瓷杯內襯相似，也可以稱之為 “澆注杯”。這種爐缸澆注修復技術，與傳統的爐缸整體換襯、重砌炭磚修復技術相比，具有停爐工期短、施工簡便易行、爐型可塑性強、維修成本低等綜合技術優勢。

　　一般意義上，高爐停爐大修、更換爐缸內襯標志著一代爐役的結束。高爐大修工期一般需要 3 個月以上，工程量大、投資高，嚴重影響著大型鋼鐵聯合企業的生產運行和經濟效益。而利用不定形耐火材料澆注修復破損的爐缸內襯屬于新興技術，還存在澆注結構復雜、爐缸傳熱結構變化大、內襯澆注修復后爐缸運行狀況不確定等一系列重大技術風險，因而這項技術僅局限于中小型高爐爐缸內襯的局部澆注修復，對于 2000m³ 以上大型高爐在爐缸殘余炭磚利舊條件下，爐缸澆注修復具有技術挑戰性。

　　1 澆注修復技術的難點

　　高爐爐缸澆注修復技術是一項綜合技術，不僅僅是爐缸內襯的澆注施工，其技術關鍵性環節在于對爐缸殘余內襯的保護性清理和利舊使用，從高爐停風到高爐送風都與常規操作有所區別。主要包括：高爐停爐降料面、噴水降溫涼爐的速度和質量;排放爐缸殘鐵的準確性、徹底性;爐缸殘余爐料和內襯的清理速度與質量;澆注爐型的優化重構、澆注后高爐的烘爐、排水;開爐復風操作和爐況恢復等。

　　由此可見，爐缸澆注修復面臨諸多的技術風險，其技術的難點主要體現在：

　　利舊爐缸澆注修復后的新型爐缸內襯結構的溫度場、應力場、流場需要進行三維仿真模擬，通過多場耦合數值仿真模擬優化，以解決澆注爐缸內襯結構穩定性、材質匹配合理性問題。

　　爐缸內襯侵蝕爐型的數字化高效精準定位技術和停爐準備技術。主要包括：清潔環保降料面停爐技術，高效、安全、精準的爐缸殘鐵排放技術;高效環保的涼爐技術;爐缸側壁不開 “扒渣門” 條件下的保護性爐缸清理技術。

　　基于侵蝕機理的定制化爐缸澆注修復同步爐型優化技術。包括復合型耐火材料異質異構耦合匹配優化;非規則澆注厚度條件下的爐缸侵蝕模型重構優化。

　　澆注修復后高爐爐缸有效安全養護技術、烘爐技術，以及高爐復風達產、高效低碳生產技術。

　　2 澆注修復相關技術

　　2.1 澆注前的停爐技術

　　高爐快速停爐降溫技術。高爐爐缸澆注修復之前需要安全、順穩地降料面停爐，最大限度排空爐缸殘余渣鐵，這是決定澆注修復效率及保障炭磚完整性的基礎和關鍵。在高爐停爐過程中，為了快速冷卻爐料，一般采用噴水降溫方式，通過水的蒸發相變吸熱來降低爐料的溫度。但是噴水量和均勻性不易控制，如果噴水量過多，液態水或水蒸氣將會對炭磚造成化學侵蝕破壞。針對傳統噴水冷卻導致炭磚脆化問題，采用風口霧化噴水冷卻，鐵口通氮氣疏松料柱的涼爐降溫模式，實現了既加快涼爐速度又保障爐缸炭磚安全的目標。開發了高爐快速涼爐技術，開啟霧化水輔助涼爐降溫，最大程度減小爐缸殘余炭磚脆化和氧化破損。在噴水量優化、氮氣量控制、出水溫度等參數選取時，制訂了一系列技術規程和操作標準。與此同時，還開發了一種高爐料柱疏松技術，高爐停爐后向爐內通入低溫氮氣冷卻焦炭和疏松料柱，防止料柱黏結堆積，以便于爐缸殘余物料的清理。

　　殘鐵口精準定位技術。為了最大限度排凈死鐵層內的殘鐵，精準確定爐缸殘鐵口位置十分重要。采用理論測算、紅外測溫、貼片測溫等多種方式，通過傳熱仿真計算與實際測溫結果綜合對比，結合高爐出鐵場下部空間場地布局，高效精確地確定了爐缸殘鐵口的位置，合理布置了殘鐵溝的路徑及角度，使爐缸死鐵層內積存的液態殘鐵可以最大限度排出。通過質能平衡核算確定了爐缸殘鐵量，結合殘鐵口精準定位，保障了爐缸殘鐵剩余比例低于 5%，有效減少了爐缸殘留物料的清理難度和時間。

　　爐缸侵蝕內型數字化成像技術。為了精準測量爐缸內襯侵蝕情況和形貌，開發并應用了爐缸內襯侵蝕三維掃描數字化成像技術。與傳統的人工勘測侵蝕爐型技術相比，測量精度大幅度提高，測量時間和人力配置也顯著減少，為提高測量效率和精度、縮短停爐時間創造了有利條件。

　　應用三維掃描數字化成像技術，可以高效精確測繪出高爐爐缸侵蝕爐型的剖面圖和三維輪廓圖，實現對爐缸侵蝕嚴重區域的精準定位，有效地將數字化成像技術與數值仿真技術耦合，構建出高爐爐型管理數字物理系統，為精準確定爐缸內襯澆注修復材料消耗量和優化結構參數提供可靠依據。

　　2.2 澆注修復的數字模擬

　　爐缸死料柱形態和特性。結合高爐爐缸內襯破損調研，對爐缸死料柱賦存形態、結構及行為特性進行了原位勘測和解析研究。針對爐缸死料柱形貌及賦存形態不明晰的問題，在首鋼股份 2 號高爐檢修過程中，通過爐缸保護性清理后進行了破損調研，對爐缸死料柱進行了三維勘測和系統取樣，發現死料柱整體呈現 “上錐 + 下錐” 的形貌，根部上錐角約為 45°，直徑約為 10.51m，最大外形處與侵蝕后的爐缸殘余炭磚間距約為 1.10m。

　　破損調研測定爐缸死料柱焦炭平均粒度為 31.5mm，死料柱的空隙度約為 37.05%，計算得出死料柱焦炭更新周期為 16-18 天，這與以前國外研究的結果基本一致。通過對爐缸死料柱解剖研究，為爐缸內襯澆注修復數值模擬及澆注爐型的設計優化，實現高爐低碳高效冶煉奠定技術基礎。

　　爐缸內襯澆注修復仿真模擬?；诟郀t爐缸死料柱賦存形態解析，建立了爐缸內襯澆注修復后三維多場耦合的三維仿真模型。提出了以 “無過剩界面應力” 為核心的低熱阻、低應力、低流速、高抗鐵水侵蝕的炭磚 - 澆注料異質異構耐火材料匹配設計理念，構建了結構穩定、傳熱溫度場分布合理的澆注爐缸內襯安全長壽新技術體系。仿真計算研究了澆注爐缸內襯的鐵水流場、溫度場、應力場，并與高爐不同爐役工況條件下的初始設計爐型、侵蝕后爐型以及澆注后的可能出現的侵蝕爐型進行了對比分析，為爐缸內襯澆注修復的優化設計及工程應用提供指導。

　　從仿真結果可以看出，爐缸澆注修復后炭磚溫度場分布合理，由于澆注料的保溫隔熱作用，炭磚區域工作溫度低，符合 “內熱外冷” 的傳熱機制;爐缸內襯澆注修復后炭磚區域應力低，有大幅度降低炭磚脆化破損的傾向，可以匹配膨脹系數較高的澆注料;爐缸內襯最薄弱的區域位于鐵口下方約 1.5m 的兩側區域，澆注料優異的抗鐵水侵蝕性能可以有效緩解爐缸內襯的異常侵蝕。

　　2.3 澆注修復的關鍵技術

　　澆注料選擇。用于爐缸修復的澆注料，需要具備優良的技術性能，特別是在爐缸高溫工作狀態下抗渣鐵侵蝕、抗鐵水滲透、抗鐵水環流沖刷等綜合性能。為了評價各耐火材料在爐缸復雜工況條件下的性能，設計開發了耐火材料抗渣鐵侵蝕現場試驗、耐火材料抗有害元素侵蝕能力試驗裝置，用于對比研究不同類型耐火澆注料，優選出適用于爐缸內襯澆注修復的材料。擇優選取了界面結合力強、應力低、導熱性能中等、抗渣鐵及有害元素侵蝕性能強的澆注料，實現了異質異構耐火材料間的良好結合。

　　澆注結構設計優化?；诟郀t爐缸破損調研，利用相關軟件，對爐缸澆注復合結構進行三維數值仿真模擬，通過對不同設計結構方案對比，得出了爐缸側壁澆注料內襯在鐵口和非鐵口區域的厚度、弦長及角度等關鍵設計參數，進而優化爐缸內襯澆注設計結構。對比了爐缸水平斷面鐵口區和非鐵口區側壁內襯的界面連接設計結構，經過流場仿真模擬分析研究表明，弦弧形連接方案流場分布優于圓弧形連接方案。當鐵口深度降低時，圓弧形連接方案有加劇鐵口下方左右兩側沖刷的趨勢，而弦弧形連接方案的爐缸流場分布更加合理。由此確定了爐缸內襯澆注結構采用弦弧形內型，優化確定了首鋼股份 2 號高爐爐缸側壁鐵口區及非鐵口區合理的澆注層厚度、弦長等參數，爐缸結構參數發生了相應變化。

　　澆注修復工藝技術。為了保障爐缸內襯澆注層與原有炭磚砌體形成穩定的一體化結構，創新開發出一些適用的新工藝，如風口區 “斜角銜接” 噴涂、鐵口區強化澆注、爐缸 - 爐底交界處 “象腳區” 斜模澆注、爐底超厚澆注層應力應變消除等技術，實現了同質異構、異質異構內襯結構界面技術的協同優化和耦合匹配。

　　風口區 “斜角銜接” 噴涂工藝實現了爐缸澆注區與爐體噴涂區的平滑過渡。與此同時，這種界面銜接工藝還充分考慮了爐腹角的合理修正和風口區設備維護及密封問題，對于高爐操作內型修復以及 “等效爐腹角” 的形成，具有重要的作用，克服了傳統爐襯噴補修復過程中，爐腹角不易精準控制的技術難題。鐵口區強化澆注工藝加強了爐缸薄弱部位耐火材料的防護，有利于泥包的形成和穩固，以及鐵口深度的維護。爐缸 - 爐底交界處 “象腳區” 采用支設斜模方式將 “象腳區” 加厚實現平滑過渡，有效解決了結構復雜、熱應力集中、鐵水環流機械沖刷、抗渣鐵侵蝕能力薄弱的問題。爐底加厚澆注層區域采用錯層膨脹縫方式以消除應力應變，有效抑制和釋放了在高爐冶煉過程中產生的熱應力，保障了爐底區域安全長壽。

　　內襯侵蝕模型的重構。所謂爐缸內襯整體澆注修復技術，其技術實質是高爐運行一定時期后，在原有殘余炭磚內襯的基礎上，采用澆注料及人工造襯的方式進行爐襯修復(整形)，從而建構出一個炭磚 - 澆注料復合的新型爐缸內襯體系。換而言之，是將原有的殘余碳質磚襯作為 “永久層”，澆注料作為 “工作襯”，進行結構優化和功能重構，以期實現爐缸長壽的目標。采用這種工藝修復后的復合型內襯結構，不同于原始設計的全炭磚內襯結構或炭磚 - 陶瓷杯結構，也不完全屬于基于導熱法或隔熱法的爐缸內襯設計體系，而是因地制宜結合爐缸內襯侵蝕狀況，在綜合權衡、分析對比高爐生產過程中采用鈦礦護爐、強化冷卻等自維護、自修復技術的可靠性、安全性和經濟性之后，采取的一種 “他組織” 工程方法對爐缸內襯進行的結構優化和功能重構。它不同于傳統高爐停爐大修、爐缸整體換襯的技術方案，是在原侵蝕爐型基礎上所進行的功能集成和重構優化。

　　為了準確監測澆注后爐缸內襯的運行情況，在爐缸增設測溫熱電偶，同時升級更新爐缸內襯侵蝕模型，將新的邊界條件、初始條件和操作條件替代原有的模型參數。增加了高爐爐缸盲區熱電偶的布置，可以高效精確獲得高爐各區域的溫度信息，實時監測爐缸、爐底各層熱電偶的溫度分布。采用三維非穩態柱坐標包含凝固潛熱的溫度場 “正問題” 計算模型，構建三維爐缸爐底 “反問題” 有限元計算程序，可以得到精確的溫度場分布和全部熱電偶溫度實時數據。增設了離線計算爐襯侵蝕殘余厚度的功能，輸入相應參數可得到對應位置熱流強度、爐襯溫度分布等參數，重建了澆注后爐缸內襯侵蝕模型，為高爐穩定順行生產和爐缸安全長壽奠定了基礎。

　　3 澆注修復的應用

　　3.1 典型案例

　　2018 年 7 月以來，在首鋼股份 3 座大型高爐上實施了爐缸澆注修復技術，并取得了顯著的應用成效。3 座高爐具有不同的有效容積、爐缸直徑、設計日產量、死鐵層深度、爐體結構、爐體冷卻結構、投產時間、爐缸澆注時間、炭磚服役時間、澆注前產鐵量和單位爐容產鐵量等參數。

　　3.2 烘爐排水操作

　　爐缸內襯采用澆注料進行修復，由于不定形材料中含有水分，高爐開爐前必須進行烘爐干燥，以有效排出修補的爐襯中的水分。因此，高爐修復開爐操作，必須高度重視烘爐操作及效果。爐缸內襯修復后，爐底澆注料厚度達到 1.0m 且澆注料水分高，爐缸經澆注修復之后內部含有較多水分，開爐前需要高效的強化烘爐效果。結合生產應用實踐經驗，建立了 4 個烘爐導管仿真模型，對比不同方案熱風流場優劣。

　　結合澆注料修復后的爐型結構特點，通過熱風流場仿真模擬對比，選擇最佳烘爐導管布置方案進行烘爐操作。爐缸內襯澆注施工過程中，噴水涼爐過程有少量的水進入到爐缸殘余砌體縫隙中，同時澆注料結合劑中也含有約 40% 的水分，在烘爐和開爐初期必須將多余水分排出爐外，以確保澆注層和爐缸殘余炭磚砌體的安全長壽。在爐缸設置了 15 個排水孔，排水孔均鉆孔至冷卻壁熱面、炭磚冷面處。高爐累計烘爐 106h，導管累計排水約 2.5t，生產期間爐缸累計排水 44.7t，最大程度排出了爐缸內襯澆注層中的水分，保障了炭磚和澆注料的安全及爐缸長壽。

　　3.3 高效低碳生產運行

　　高爐送風投產后，結合爐缸側壁厚度和鐵口深度情況，動態調整打泥量，探索炮泥中適宜的 SiC 含量，以實現鐵口深度和出鐵時間的穩定。實時動態監測爐缸儲鐵量，該值大于警戒值時報警提示，采取重疊出鐵，以維持爐缸內儲鐵量的穩定，同時實現了重疊出鐵操作的精準化管理。通過縮小風口直徑，控制適宜風速和鼓風動能，“吹透” 并活躍死焦柱，提高爐缸透氣性、透液性和爐缸活躍度。

　　首鋼股份 1 號、2 號高爐，采用爐缸澆注修復以后，5 年內主要技術經濟指標不斷提升，在高效生產的同時，燃料消耗保持在較低水平，取得了高效低耗的運行實績，不斷刷新高爐一代爐役期間的最優技術指標。1 號、2 號高爐利用系數由 2.3t/(m³・d)提高至 2.7t/(m³・d)，燃料比由 515kg/t 降低至 505kg/t;3 號高爐利用系數由 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，首鋼股份 2 號高爐是國內外容積大于 2500m³ 的高爐中，第一座保留并利舊原有爐缸殘余炭磚結構，進行爐缸澆注修復的高爐，也是目前爐缸澆注修復后運行時間最長的一座高爐。高爐爐缸內襯修復以后，爐缸側壁各層測點溫度變化平穩，均處于安全界限值以下，為高爐高效低碳生產奠定了基礎，也為爐役中后期高爐爐襯修復提供了新的技術思路和解決方案。

　　4 結語

　　(1)在目前煉鐵條件下，延長高爐壽命依然是高爐主要的技術發展方向，需要從設計、制造、建造、運行、維護、退役等全生命周期的視野，高度關注高爐壽命，采取有效技術措施延長高爐壽命。爐缸爐底的使用壽命是決定現代高爐一代爐役壽命的關鍵要素，開發應用爐缸澆注修復技術，也是現代延長高爐壽命的一種探索與創新。特別是對于投產 10 年以上或超期服役的高爐，在保留、利舊部分原有炭磚的條件下，采用爐缸內襯強化修復、整體澆注造襯的工藝在技術上是可行的，且具有顯著的經濟效益。

　　(2)首鋼股份 3 座高爐爐缸內襯整體澆注修復技術，已經在生產實踐中取得了顯著的應用成效。2 號高爐爐缸內襯澆注修復以后，已穩定運行 5 年。1 號高爐停爐檢修、爐缸澆注造襯的工期已經壓縮至 35 天，僅為高爐常規換襯大修工期的三分之一，具有顯著的經濟效益和社會效益。高爐送風投產以后，主要技術經濟指標不斷提升，已實現高效低耗安全運行。

　　(3)爐缸澆注修復技術，已被生產實踐證實是一種技術可行、節省投資、高效便捷的高爐快速維修技術。從高爐設計的本質上講，爐缸爐底內襯要適用于各種復雜工況和長期服役的要求。在高爐爐料結構、燃料結構、操作條件不斷變化的條件下，設計耐久性更長、可靠性更強，具有自修復、自維護功能的爐體結構及內襯體系，仍然是高爐長壽設計的重要目標。爐缸澆注技術在新建高爐上的應用效果，還有待于生產實踐的探索和長期的驗證。

張福明;賈國利;張 勇;趙滿祥;焦克新,首鋼集團有限公司;北京首鋼股份有限公司煉鐵部;首鋼集團有限公司技術研究院;北京科技大學冶金與生態工程學院,202405