完成人
張建良、董漢東、杜 屏、焦克新、王紅斌、鄒忠平、徐 萌、肖志新、雷 鳴、劉征建、聶榮恩、陳令坤、王 凱、賈國利、趙永安
完成單位
北京科技大學、武漢鋼鐵有限公司、江蘇沙鋼集團有限公司、首鋼集團有限公司、山西太鋼不銹鋼股份有限公司、首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司、中冶賽迪工程技術股份有限公司、北京首鋼股份有限公司、天津市新天鋼聯合特鋼有限公司、鞏義市第五耐火材料有限公司
研究的背景與問題
鋼鐵產業是國民經濟的重要支柱產業，為我國鋼鐵行業的快速增長奠定了基礎。進入21世紀之后，隨著經濟和工業技術的高速發展，我國生鐵從2000年的1.30億噸，增加到2021年的8.68億噸，生鐵產量保持高速增長。盡管非高爐技術也在不斷發展和進步，但高爐煉鐵仍占世界煉鐵產量的95%以上，其仍是目前最高效、低耗、環境友好的主導煉鐵設備。
高爐作為鋼鐵工藝流程中最大的單體設備，其安全長壽運行對鋼鐵企業發展至關重要。十九大報告中，習近平總書記強調樹立安全發展理念，弘揚生命至上、安全第一的思想。鋼鐵產業作為國民經濟的重要支柱產業，在2017年2月，國務院辦公廳就發布了《關于印發安全生產“十三五”規劃的通知》，將金屬冶煉列為重點治理領域。近年來，隨著中國煉鐵技術的進步、鋼鐵行業供給側改革的推進以及產業結構的不斷優化，高爐的大型化、高效化成為我國高爐發展的趨勢，高爐的安全生產變得尤為重要。
高爐作為一個密閉高溫高壓的“黑匣子”，內部發生著復雜多變的物理化學變化，高爐爐缸的侵蝕不可避免。近些年，國內多家鋼鐵企業高爐出現爐缸側壁溫度異常升高的現象，高爐異常侵蝕造成的安全事故頻發，尤其是發生了多起高爐爐缸燒穿事故，使得高爐安全高效生產變得愈發困難。國外先進高爐一代爐役（無中修）壽命可達15年以上，其中巴西圖巴朗1號高爐運行壽命達到了28.4年。而我國的高爐長壽水平與主流的高爐長壽目標尚有一定差距，一般一代爐役（無中修）壽命低于10年，僅部分高爐實現10~15年的長壽目標。表1為國內外長壽高爐壽命對比，可以知道國內高爐安全長壽運行技術有待提高。
表1-1 國內外長壽高爐壽命及指標
特別是，在新形勢條件下，高爐面臨的卡脖子問題是，如何在高有害元素含量、高冶煉強度、高休風率、低入爐品位礦條件下實現安全長壽冶煉。高爐爐役中后期爐缸安全維護導致產量降低、燃料比升高，一旦發生燒穿等安全事故將造成巨大損失，燒穿現場如圖1所示。高爐安全長壽是集設計、操作、維護和監測為一體的系統工程，影響因素眾多，且長壽本質并未清晰。因此，有必要從基本原理及技術開發角度深入研究，以期實現高爐安全長壽。
圖1 高爐爐缸燒穿現場
解決問題的思路與技術方案
保障高爐安全長壽冶煉主要存在四大技術難點，即傳統護爐方法效果不理想，爐缸長壽基礎理論薄弱，爐缸長壽維護措施經驗化以及爐缸保護層監控手段缺失。基于以上難題，近20年來，項目組基于20余座高爐破損調查及高爐解剖研究，建立了爐缸保護層理論體系，揭示了爐缸耐火材料熱面石墨碳析出的自保護機制，通過“石墨碳析出勢”對爐缸石墨碳護爐進行定量化診斷，并從調控爐缸活躍狀態以促進鐵水滲碳，和優化爐缸傳熱體系以降低耐火材料熱面溫度兩個方面實現高爐爐缸的自修復，并建立了高爐爐缸保護層三維可視化監控預警平臺，其技術路線如圖2所示。
圖2 項目研究技術路線
主要創新性成果
該項目從基礎理論原始創新、技術調控措施、在線監控平臺建設等方面首次提出了一套高爐安全長壽冶煉自修復技術，在國內多座高爐應用后，成功降低并穩定爐缸側壁溫度在安全溫度以下，同時強化冶煉降低燃料消耗，實現高爐安全低碳冶煉。其成果主要創新性如下：
1.高爐爐缸安全長壽自修復創新理念
通過高爐破損調查及高爐解剖研究，構建了由富鈦層、富石墨碳層、富渣層和富鐵層組成的高爐爐缸保護層理論體系。從保護層形成特點和爐缸維護角度出發，首次提出以“石墨碳析出控制”為核心的爐缸自修復創新理念。并形成了加入少量含鈦物料強化石墨碳析出的低鈦護爐或無鈦護爐自修復技術。
圖3 保護層類別及形成條件
揭示了富石墨碳保護層形成機制，建立了富石墨碳保護層生成模型，并解析了保護層形成動力學規律。提出了以“石墨碳析出勢”為判定標準的護爐診斷技術，同時明確了爐缸鐵液達到碳飽和，與耐材熱面溫度低于保護層形成溫度是富石墨碳保護層形成的兩個必要條件，可以通過調控爐缸活性促進鐵液滲碳和優化爐缸傳熱體系促進鐵液析碳兩個必要措施形成保護層，實現爐缸自修復。
圖4 富石墨碳保護層形成機制
2.高爐爐缸鐵液滲碳調控技術
在表征方法方面，項目組首次研發了高溫渣鐵穿焦實驗裝置，模擬高爐爐缸渣鐵協同穿過焦炭層的滴落過程，提出了以渣鐵滯留表征高爐爐缸活性的新方法，并建立了爐缸渣鐵滯留率和滯留量模型，定量計算了多變量非線性高爐操作制度關鍵參數對爐缸活性的影響規律及影響權重。
圖5 渣鐵滯留率影響因素
在操作調控方面，項目組開發了包括原燃料粒度及性能管控、高風速大動能、渣鐵流動控制及渣鐵排放管控的爐缸活躍狀況調控的系列技術，促進鐵液滲碳，提高鐵液碳飽和度，為爐缸自修復奠定基礎。在鐵焦滲碳方面，通過高溫實驗和分子動力學模擬，明晰了鐵液滲碳路徑及鐵液組分對鐵液滲碳的作用機制，明確促進鐵液滲碳的影響因素。即增加焦炭灰分中堿性物質，改善焦炭灰分流動性，增大鐵液-焦炭界面的有效接觸面積等，提高鐵液滲碳速率。適當提高鐵液中Si、Ti含量，降低S、Mn、P含量，提高鐵液碳飽和度。
圖6 鐵液組分對鐵液滲碳作用機制
（3）高爐爐缸鐵液析碳調控技術
項目組提出了以冷卻強度和冷卻效率為指標，評價高爐爐缸冷卻系統冷卻能力的新方法，可有效預防爐缸冷卻系統出現核態沸騰和膜態沸騰，并提出解決供水不均勻問題的優化手段。實現了支管冷卻水流量偏差從原設計的30%以上降至10%以下，有利于減輕爐缸的周向不均勻侵蝕，促進富石墨碳保護層的周向均勻性形成。
圖7 冷卻結構優化及水量分配均勻性研究
研發了兼具炭磚高導熱與陶瓷材料高耐蝕、且利于石墨碳沉積的碳復合耐火材料；同時開發了解決爐缸氣隙難題的石墨墻結構及氣隙治理優化技術，為石墨碳的析出奠定基礎。
圖8 冷卻結構優化及水量分配均勻性研究
項目組同時提出了一種計算高爐爐缸鐵液對流換熱系數的新方法，以及鐵液對流換熱系數與各生產參數的量化關系方程，明晰不同生產參數對爐缸耐材熱面溫度影響規律及權重，為耐材熱面溫度控制指明方向。
圖9 對流換熱系數影響
（4）高爐爐缸保護層三維監控預警平臺
建立了高爐爐缸炭磚連續性侵蝕速率方程，明確溫度和碳含量等因素對炭磚侵蝕影響機制；明晰高爐爐缸炭磚間斷性侵蝕影響機制，揭示爐缸保護層消蝕及生成對炭磚微裂紋形成影響規律。
圖10 炭磚侵蝕機制研究
兼顧高爐爐缸設計及高爐操作技術，構建了協同冷卻系統、鐵液環流、耐材配置三位一體的高爐爐缸保護層三維監控預警平臺，平臺分為高爐爐缸活性監控、耐火材料熱面溫度監控、保護層監控預警三大系統，實現高爐爐缸保護層的可視化在線監控及自修復控制。
圖11高爐爐缸保護層三維監控預警平臺
應用情況與效果
采用石墨碳自修復技術代替傳統的低冶強操作等維護技術，保障高爐安全低碳高效穩定運行，部分高爐壽命達到甚至超過15年以上，與傳統護爐技術對比，采用石墨碳自修復技術護爐可降低鈦礦護爐帶來的產量損失、降低燃料比、降低入爐所需的鈦礦量，并穩定爐缸側壁溫度長期處于安全溫度范圍內，有效的保障了高爐的安全長壽運行，給鋼鐵企業帶來了顯著的經濟效益。目前，已應用于國內10余座高爐，創造效益超過15.2億元。
