完成人

　　張建良
、董漢東
、杜　屏、焦克新、王紅斌、鄒忠平
、徐　萌、肖誌新、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、山西太鋼不鏽鋼股份有限公司、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 

　　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世紀之後，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(gao)爐(lu)作(zuo)為(wei)鋼(gang)鐵(tie)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)中(zhong)最(zui)大(da)的(de)單(dan)體(ti)設(she)備(bei)，其(qi)安(an)全(quan)長(chang)壽(shou)運(yun)行(xing)對(dui)鋼(gang)鐵(tie)企(qi)業(ye)發(fa)展(zhan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。十(shi)九(jiu)大(da)報(bao)告(gao)中(zhong)，習(xi)近(jin)平(ping)總(zong)書(shu)記(ji)強(qiang)調(tiao)樹(shu)立(li)安(an)全(quan)發(fa)展(zhan)理(li)念(nian)
，弘(hong)揚(yang)生(sheng)命(ming)至(zhi)上(shang)、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《關於印發安全生產“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”，neibufashengzhefuzaduobiandewulihuaxuebianhua，gaolulugangdeqinshibukebimian。jinxienian，guoneiduojiagangtieqiyegaoluchuxianlugangcebiwenduyichangshenggaodexianxiang，gaoluyichangqinshizaochengdeanquanshigupinfa，youqishifashengleduoqigaolulugangshaochuanshigu，shidegaoluanquangaoxiaoshengchanbiandeyufakunnan。guowaixianjingaoluyidailuyi（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）壽命低於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
，高爐麵臨的卡脖子問題是
，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。高爐爐役中後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(wei)護(hu)和(he)監(jian)測(ce)為(wei)一(yi)體(ti)的(de)係(xi)統(tong)工(gong)程(cheng)，影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)眾(zhong)多(duo)，且(qie)長(chang)壽(shou)本(ben)質(zhi)並(bing)未(wei)清(qing)晰(xi)。因(yin)此(ci)
，有(you)必(bi)要(yao)從(cong)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)及(ji)技(ji)術(shu)開(kai)發(fa)角(jiao)度(du)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)
，以(yi)期(qi)實(shi)現(xian)高(gao)爐(lu)安(an)全(quan)長(chang)壽(shou)。

圖1 高爐爐缸燒穿現場

　　baozhanggaoluanquanchangshouyelianzhuyaocunzaisidajishunandian，jichuantonghulufangfaxiaoguobulixiang，lugangchangshoujichulilunboruo，lugangchangshouweihucuoshijingyanhuayijilugangbaohucengjiankongshouduanqueshi。jiyuyishangnanti，jin20年來，項目組基於20餘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係，揭示了爐缸耐火材料熱麵石墨碳析出的自保護機製

，通過“石墨碳析出勢”對dui爐lu缸gang石shi墨mo碳tan護hu爐lu進jin行xing定ding量liang化hua診zhen斷duan，並bing從cong調tiao控kong爐lu缸gang活huo躍yue狀zhuang態tai以yi促cu進jin鐵tie水shui滲shen碳tan
，和he優you化hua爐lu缸gang傳chuan熱re體ti係xi以yi降jiang低di耐nai火huo材cai料liao熱re麵mian溫wen度du兩liang個ge方fang麵mian實shi現xian高gao爐lu爐lu缸gang的de自zi修xiu複fu，並bing建jian立li了le高gao爐lu爐lu缸gang保bao護hu層ceng三san維wei可ke視shi化hua監jian控kong預yu警jing平ping台tai
，其qi技ji術shu路lu線xian如ru圖tu2所示。

圖2 項目研究技術路線

　　該項目從基礎理論原始創新、技術調控措施、在(zai)線(xian)監(jian)控(kong)平(ping)台(tai)建(jian)設(she)等(deng)方(fang)麵(mian)首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)套(tao)高(gao)爐(lu)安(an)全(quan)長(chang)壽(shou)冶(ye)煉(lian)自(zi)修(xiu)複(fu)技(ji)術(shu)，在(zai)國(guo)內(nei)多(duo)座(zuo)高(gao)爐(lu)應(ying)用(yong)後(hou)
，成(cheng)功(gong)降(jiang)低(di)並(bing)穩(wen)定(ding)爐(lu)缸(gang)側(ce)壁(bi)溫(wen)度(du)在(zai)安(an)全(quan)溫(wen)度(du)以(yi)下(xia)
，同(tong)時(shi)強(qiang)化(hua)冶(ye)煉(lian)降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)消(xiao)耗(hao)，實(shi)現(xian)高(gao)爐(lu)安(an)全(quan)低(di)碳(tan)冶(ye)煉(lian)。其(qi)成(cheng)果(guo)主(zhu)要(yao)創(chuang)新(xin)性(xing)如(ru)下(xia)：

　　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係。從保護層形成特點和爐缸維護角度出發，首次提出以“石墨碳析出控製”為核心的爐缸自修複創新理念。並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複技術。

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製
，建立了富石墨碳保護層生成模型
，並解析了保護層形成動力學規律。提出了以“石墨碳析出勢”為(wei)判(pan)定(ding)標(biao)準(zhun)的(de)護(hu)爐(lu)診(zhen)斷(duan)技(ji)術(shu)
，同(tong)時(shi)明(ming)確(que)了(le)爐(lu)缸(gang)鐵(tie)液(ye)達(da)到(dao)碳(tan)飽(bao)和(he)，與(yu)耐(nai)材(cai)熱(re)麵(mian)溫(wen)度(du)低(di)於(yu)保(bao)護(hu)層(ceng)形(xing)成(cheng)溫(wen)度(du)是(shi)富(fu)石(shi)墨(mo)碳(tan)保(bao)護(hu)層(ceng)形(xing)成(cheng)的(de)兩(liang)個(ge)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)調(tiao)控(kong)爐(lu)缸(gang)活(huo)性(xing)促(cu)進(jin)鐵(tie)液(ye)滲(shen)碳(tan)和(he)優(you)化(hua)爐(lu)缸(gang)傳(chuan)熱(re)體(ti)係(xi)促(cu)進(jin)鐵(tie)液(ye)析(xi)碳(tan)兩(liang)個(ge)必(bi)要(yao)措(cuo)施(shi)形(xing)成(cheng)保(bao)護(hu)層(ceng)，實(shi)現(xian)爐(lu)缸(gang)自(zi)修(xiu)複(fu)。

圖4 富石墨碳保護層形成機製

　　zaibiaozhengfangfafangmian

，xiangmuzushouciyanfalegaowenzhatiechuanjiaoshiyanzhuangzhi，monigaolulugangzhatiexietongchuanguojiaotancengdediluoguocheng，tichuleyizhatiezhiliubiaozhenggaoluluganghuoxingdexinfangfa
，bingjianlilelugangzhatiezhiliulvhezhiliuliangmoxing，dingliangjisuanleduobianliangfeixianxinggaolucaozuozhiduguanjiancanshuduiluganghuoxingdeyingxiangguilvjiyingxiangquanzhong。

圖5 渣鐵滯留率影響因素

　　在操作調控方麵，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(zha)鐵(tie)流(liu)動(dong)控(kong)製(zhi)及(ji)渣(zha)鐵(tie)排(pai)放(fang)管(guan)控(kong)的(de)爐(lu)缸(gang)活(huo)躍(yue)狀(zhuang)況(kuang)調(tiao)控(kong)的(de)係(xi)列(lie)技(ji)術(shu)，促(cu)進(jin)鐵(tie)液(ye)滲(shen)碳(tan)，提(ti)高(gao)鐵(tie)液(ye)碳(tan)飽(bao)和(he)度(du)，為(wei)爐(lu)缸(gang)自(zi)修(xiu)複(fu)奠(dian)定(ding)基(ji)礎(chu)。在(zai)鐵(tie)焦(jiao)滲(shen)碳(tan)方(fang)麵(mian)
，通(tong)過(guo)高(gao)溫(wen)實(shi)驗(yan)和(he)分(fen)子(zi)動(dong)力(li)學(xue)模(mo)擬(ni)，明(ming)晰(xi)了(le)鐵(tie)液(ye)滲(shen)碳(tan)路(lu)徑(jing)及(ji)鐵(tie)液(ye)組(zu)分(fen)對(dui)鐵(tie)液(ye)滲(shen)碳(tan)的(de)作(zuo)用(yong)機(ji)製(zhi)，明(ming)確(que)促(cu)進(jin)鐵(tie)液(ye)滲(shen)碳(tan)的(de)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)。即(ji)增(zeng)加(jia)焦(jiao)炭(tan)灰(hui)分(fen)中(zhong)堿(jian)性(xing)物(wu)質(zhi)
，改(gai)善(shan)焦(jiao)炭(tan)灰(hui)分(fen)流(liu)動(dong)性(xing)，增(zeng)大(da)鐵(tie)液(ye)-焦炭界麵的有效接觸麵積等，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製

　　項(xiang)目(mu)組(zu)提(ti)出(chu)了(le)以(yi)冷(leng)卻(que)強(qiang)度(du)和(he)冷(leng)卻(que)效(xiao)率(lv)為(wei)指(zhi)標(biao)，評(ping)價(jia)高(gao)爐(lu)爐(lu)缸(gang)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)冷(leng)卻(que)能(neng)力(li)的(de)新(xin)方(fang)法(fa)
，可(ke)有(you)效(xiao)預(yu)防(fang)爐(lu)缸(gang)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)核(he)態(tai)沸(fei)騰(teng)和(he)膜(mo)態(tai)沸(fei)騰(teng)，並(bing)提(ti)出(chu)解(jie)決(jue)供(gong)水(shui)不(bu)均(jun)勻(yun)問(wen)題(ti)的(de)優(you)化(hua)手(shou)段(duan)。實(shi)現(xian)了(le)支(zhi)管(guan)冷(leng)卻(que)水(shui)流(liu)量(liang)偏(pian)差(cha)從(cong)原(yuan)設(she)計(ji)的(de)30%以上降至10%以下，有利於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
、且利於石墨碳沉積的碳複合耐火材料
；同時開發了解決爐缸氣隙難題的石墨牆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

　　xiangmuzutongshitichuleyizhongjisuangaolulugangtieyeduiliuhuanrexishudexinfangfa
，yijitieyeduiliuhuanrexishuyugeshengchancanshudelianghuaguanxifangcheng，mingxibutongshengchancanshuduilugangnaicairemianwenduyingxiangguilvjiquanzhong，weinaicairemianwendukongzhizhimingfangxiang。

圖9 對流換熱係數影響

　　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製；明晰高爐爐缸炭磚間斷性侵蝕影響機製
，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 炭磚侵蝕機製研究

　　兼顧高爐爐缸設計及高爐操作技術，構建了協同冷卻係統
、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台，平台分為高爐爐缸活性監控、耐火材料熱麵溫度監控、保護層監控預警三大係統，實現高爐爐缸保護層的可視化在線監控及自修複控製。

圖11高爐爐缸保護層三維監控預警平台

　　采用石墨碳自修複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，采用石墨碳自修複技術護爐可降低鈦礦護爐帶來的產量損失、降低燃料比、降(jiang)低(di)入(ru)爐(lu)所(suo)需(xu)的(de)鈦(tai)礦(kuang)量(liang)
，並(bing)穩(wen)定(ding)爐(lu)缸(gang)側(ce)壁(bi)溫(wen)度(du)長(chang)期(qi)處(chu)於(yu)安(an)全(quan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)

，有(you)效(xiao)的(de)保(bao)障(zhang)了(le)高(gao)爐(lu)的(de)安(an)全(quan)長(chang)壽(shou)運(yun)行(xing)
，給(gei)鋼(gang)鐵(tie)企(qi)業(ye)帶(dai)來(lai)了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。目(mu)前(qian)，已(yi)應(ying)用(yong)於(yu)國(guo)內(nei)10餘座高爐
，創造效益超過15.2億元。