高新運
（原濟南鋼鐵集團煉鐵廠）
摘要 本文所述的“六段式”高爐內(nèi)型，是在現(xiàn)有高爐有效高度內(nèi)，除“死鐵層”外的“五段式”內(nèi)型基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的；其自下而上各段的名稱為：爐缸（沿用了原名稱）、“爐下腹”（采用了新名稱，即原“五段式”的“爐腹”）、爐腰（沿用原名稱）、“爐上腹”（采用了新名稱；該段在原“五段式”內(nèi)型，原爐身下1/3上部）、“爐胸”（是對原爐身上2/3部分的重新命名）、爐喉（沿用原名稱）；上述命名除更加貼切地對應(yīng)人體結(jié)構(gòu)外，最大的特點在于，在對應(yīng)現(xiàn)有高爐“五段式”內(nèi)型“爐身下1/3的上部”，設(shè)有一個“突然擴展段”即“爐上腹段”，“爐上腹段”的傾角可在60º～ 80º之間；由于“爐上腹段”的傾角明顯小于原爐身角，因此，在總有效高度和爐腰直徑不變情況下，其爐腰“直段”順勢向上加高至“爐上腹”下端，使其明顯有別于現(xiàn)有高爐的內(nèi)型；文中還展望了“六段式”高爐內(nèi)型的有益效果，其中包括有益于高爐順行和有益于減少碳排放。
關(guān)鍵詞 五段式 六段式 高爐內(nèi)型 高爐順行
1、“六段式”高爐內(nèi)型想法的產(chǎn)生
“六段式”高爐想法的產(chǎn)生源于上世紀90年代中后期；筆者在參與高爐技術(shù)改造時，看到350m3高爐爐身中下部所采用的“三層支梁水箱式結(jié)構(gòu)”，其最下面一層“支梁水箱”周圍的磚襯，往往在投產(chǎn)不到一年時間就被侵蝕掉，隨后該部位爐殼就會發(fā)生“燒紅、開裂”以及“鼓包”變形；該問題已經(jīng)成為當時350m3高爐的普遍現(xiàn)象，已經(jīng)到了必須解決的程度；針對該問題，筆者提出，利用1994年4#350m3高爐中修機會，將“爐身下1/3的上部”，即原安裝最下面一層“支梁水箱”的部位，改為一環(huán)（也可稱為一段）“冷卻壁”；由于該段冷卻壁上面安裝“支梁水箱”部位的“厚度”（包括磚襯和支梁水箱的插入深度）明顯“厚于”其下面“冷卻壁的厚度”；為了保持爐型的順滑過渡，將“新增冷卻壁”的“上端”向爐內(nèi)進行了“傾斜”，使該段冷卻壁的內(nèi)傾角成為“80º”；這一改動“相當于改變了高爐內(nèi)型”，即從上向下看，在“爐身下1/3的上部”部位形成了一個“突然擴展段”；通過上述“內(nèi)型優(yōu)化”的4#350m3高爐，自1994年4月中修投產(chǎn)至1997年3月停爐大修，三年時間，其爐內(nèi)“透氣性”、爐況順行程度、產(chǎn)量，以及煤氣利用率等各項技術(shù)經(jīng)濟指標都是當時6座同類型高爐中最好的（見圖1）；由此給人留下了深刻的印象！隨后便產(chǎn)生了將現(xiàn)有高爐的內(nèi)型由“五段式”改為“六段式”的想法。圖1是當時日常工作筆記所記載的關(guān)于新增冷卻壁的情況，包括冷卻壁安裝布置情況和傾角，以及投產(chǎn)后指標優(yōu)于其他高爐的情況。
從圖1所示的筆記中能夠看出：有“新增一段冷卻壁，去掉一層支梁水箱” 及“指標領(lǐng)先比3#、5#、6#爐日產(chǎn)多達130t”的記載；有新增冷卻壁傾角“80º”的示意圖。
由于某些客觀原因未能及時對上述“高爐內(nèi)型優(yōu)化”的效果進行系統(tǒng)分析總結(jié)，因此僅依靠上述筆記予以證明。但筆者對此印象深刻，總想找機會總結(jié)推廣介紹一下；由于在職期間忙于其他事務(wù)，退休后也因種種原因沒有馬上開展這項工作，直到2017年濟鋼全面停產(chǎn)前，才去檔案室“拍”了一些當年4#350m3高爐的生產(chǎn)統(tǒng)計月報和年報方面的資料，但令人遺憾的是，隨后不久便發(fā)生了計算機硬盤因損壞而無法讀取的問題！因此，不得不再次擱置！ 直到2022年下半年因鋼鐵企業(yè)出現(xiàn)大面積虧損又想起此事，認為有必要先把它提出來，以便于業(yè)內(nèi)討論，以便于業(yè)內(nèi)有該認識傾向的領(lǐng)導(dǎo)作為參考，以便于在適當?shù)臅r候安排實施；雖然此時不是高爐技術(shù)改造和技術(shù)開發(fā)的時機，但總覺得該項目投資不大，并且完全能夠利用高爐大修或者中修機會實施，還認為實施后因有益于高爐順行，而能夠提高高爐技術(shù)經(jīng)濟指標，并有益于減少“虧損”，有益于減少“碳排放”。
提出對“現(xiàn)有高爐內(nèi)型”進行優(yōu)化改造的另一個原因在于：“高爐是一個極高效率的反應(yīng)器”，完全可以利用這個體系非常完善的“反應(yīng)平臺”，為鋼鐵企業(yè)“降低成本提高生存能力”，為碳減排、碳中和繼續(xù)做出貢獻！雖然當前“氫還原豎爐”、“富氫碳循環(huán)高爐”等新型煉鐵工藝已經(jīng)取得突破性進展，但完全取代現(xiàn)有高爐還需時日，況且鑄造業(yè)的高爐，以及冶煉“硅鐵”、“錳鐵”的高爐有可能還會持續(xù)存在下去，而且每年還有因產(chǎn)能升級、產(chǎn)能置換、淘汰落后產(chǎn)能而新建的高爐；因此，筆者認為，高爐的生存時間還會很長，因此，對于擁有“高爐”的企業(yè)，不應(yīng)安于現(xiàn)狀，應(yīng)該竭盡全力積極主動并及時地對高爐實施技術(shù)改造，以便于實現(xiàn)“低碳化”；包括利用現(xiàn)有高爐的大中修機會，對其“內(nèi)型”進行優(yōu)化改造；比如將高爐內(nèi)型由“五段式”改為“六段式”，就能夠有益于“高爐順行”，就能夠減少“爐況失常”次數(shù)，甚至能夠避免爐況失常，甚至能夠減少和避免“爐墻粘結(jié)”；只要爐況順行了，失常減少了，粘結(jié)次數(shù)減少了，其額外提高爐溫處理失常，處理粘結(jié)的“焦炭”就節(jié)省下來了，高爐的生產(chǎn)成本就降低了，“效益下滑”困境就會有所緩解，高爐的排碳量就會有所降低。
雖然指標好的高爐其煉鐵能耗已接近該工藝理論計算的最低值，看似沒有太大的潛力可挖，但從高爐日常操作方面看，在“照顧好”爐子“邊沿氣流”方面還是有一定“潛力”的，因為要想“照顧和維持好爐子的邊沿氣流”，就必須避免或者減少“含鐵物料”與“爐墻”的“緊密接觸”；然而從高爐操作角度，其避免或者減少“含鐵物料”與“爐墻緊密接觸”的唯一方法，就是增加“焦炭”在爐墻邊沿的布料比例，只要“增加了焦炭在爐墻邊沿的布料比例”，其“邊沿區(qū)域”的煤氣利用率就必然會有所降低；依照筆者的印象，濟鋼4#350m3高爐通過新增冷卻壁而對內(nèi)型所進行的優(yōu)化，即在“爐身下1/3的上部”設(shè)置一個“突然擴展段”，將“五段式”高爐內(nèi)型改為了“六段式”，其印象中的煤氣利用率要好于其它高爐，就能夠說明該爐“焦炭在爐墻邊沿的布料比例”有所減少。
2、將高爐內(nèi)型改為“六段式”的意義與必然性
2.1“六段式”高爐內(nèi)型的基本內(nèi)容
所述的“六段式”高爐內(nèi)型，是在現(xiàn)有“五段式”高爐內(nèi)型基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的；“六段式”高爐內(nèi)型在對應(yīng)現(xiàn)有“五段式”高爐內(nèi)型“爐身下1/3的上部”部位，設(shè)有一個“突然擴展段”并將其稱為“爐上腹段”，其“爐上腹段”向爐內(nèi)的傾角能夠在60º～ 80º間；由于“爐上腹”的傾角明顯小于原爐身角，因此，在總有效高度和爐腰直徑不變情況下，爐腰“直段”順勢向上加高至“爐上腹段”的下端，使該內(nèi)型明顯有別于現(xiàn)有高爐的“五段式”內(nèi)型（見圖2）。
圖2是“五段式”高爐內(nèi)型與“六段式”高爐內(nèi)型的對比圖；圖中：左邊為“五段式”高爐內(nèi)型，右邊為“六段式”高爐內(nèi)型；除死鐵層外，左邊圖中自下而上為：爐缸、爐腹、爐腰、爐身、爐喉；右邊圖中自下而上為：爐缸（沿用了原名稱）、“爐下腹”（采用了新名稱）、爐腰（沿用了原名稱）、“爐上腹”（采用了新名稱）、“爐胸”（對原爐身上2/3部分進行的重新命名）、爐喉（沿用了原名稱）；圖中標注的“三個”“1/3”和相應(yīng)的“線段”，是用于比較和參照爐身區(qū)段所對應(yīng)的高度位置；圖2中“六段式”高爐內(nèi)型的60º～ 80º所指部位，即“爐上腹傾角的斜度”，其圖是按照70º繪制；通過對“六段式”高爐內(nèi)型各部位的重新命名，特別是 對“爐下腹”、“爐上腹”和“爐胸”的命名能夠看出，其名稱能夠更加貼切地對應(yīng)人體結(jié)構(gòu)。
2.2將高爐內(nèi)型改為“六段式”的必然性
從高爐操作角度分析認為，將高爐內(nèi)型由“五段式”改為“六段式”具有一定的必然性，其原因在于有益于適應(yīng)“爐內(nèi)局部料柱的快速膨脹”，有益于保持高爐“爐況順行”；業(yè)內(nèi)從事高爐操作和高爐管理的均知，保持高爐“爐況順行”是高爐生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最為重要的一環(huán)，因為一旦“爐況失常”，高爐就必須大幅度“增加焦炭釋放邊沿提高爐溫”，而大幅度“增加焦炭釋放邊沿提高爐溫”不僅會大幅度升高生產(chǎn)成本，還會大幅度增加“排碳量”；業(yè)內(nèi)從事高爐操作和高爐管理的均知，保持高爐“爐況順行”避免“爐況失常”最有效的措施，除了不遺余力地抓好和穩(wěn)定住“原、燃料”質(zhì)量外，還要時時刻刻照顧好爐子的“邊沿氣流”；所述的“邊沿”是指爐內(nèi)圓周上“爐墻”與“爐料”的“接觸”部位；所述的“爐料”是指爐內(nèi)的“含鐵物料+焦炭+溶劑”的總稱；所述的“爐料”在高爐內(nèi)的總體形狀被稱為“料柱”；所述的“氣流”是指爐內(nèi)自下而上流動的“煤氣流”；所述的“邊沿氣流”是指在“爐墻”與“料柱”之間流動的“煤氣流”；所述的“照顧和維持好爐子的邊沿氣流”，就是要始終保持“爐墻”與“料柱”之間“煤氣流”的暢通，用以避免爐料中已經(jīng)“軟化”的“含鐵物料”與爐墻發(fā)生“緊密接觸”；由于“爐料”中“含鐵物料”在爐內(nèi)有一個從“顆粒”到“軟化”再到“熔化”的過程；當所述的“含鐵物料”開始“軟化”時，其黏度大幅度增加，當黏度較高的已經(jīng)“軟化”的“含鐵物料”與爐墻“緊密接觸”時，極易“發(fā)生黏連”，一旦“發(fā)生黏連”，輕則導(dǎo)致高爐“懸料”，重則導(dǎo)致“爐況失常”，再重則導(dǎo)致“爐墻周向粘結(jié)”，一旦“爐墻周向粘結(jié)”，其處理難度就非常大了，其消耗的焦炭量就非常多了；所謂的高爐“懸料”，應(yīng)該就是已經(jīng)“軟化”的含鐵物料“突然”粘結(jié)在高爐爐身下部并形成一個“凸起物”所致，即該“凸起物”能夠?qū)⑸喜康臓t料“托住”；所謂的“爐況失常”實際上也是爐墻上已經(jīng)有了“粘結(jié)物”后果，其表現(xiàn)是高爐“下料”不正常“忽快忽慢”，爐溫不正常“忽涼忽熱”，并且極易發(fā)生“懸料”的情況；所謂的“嚴重爐況失常”或稱“頑固性爐況失常”實質(zhì)上就是“爐墻”圓周上已經(jīng)發(fā)生了“嚴重粘結(jié)”；而這些往往都是從沒有照顧好“邊沿氣流”開始引起的。
除此之外，業(yè)內(nèi)還將“含鐵物料”在高爐內(nèi)從“軟化”到“熔化”全過程的區(qū)間稱為“軟熔帶”，其“軟熔帶”圓周方向靠近爐墻邊沿區(qū)域部分所在位置，業(yè)內(nèi)稱“初始位置”或“軟熔帶根部”，該位置一般就在現(xiàn)有高爐內(nèi)型“爐身下1/3的上部”；業(yè)內(nèi)公認：“軟熔帶”縱剖面呈倒“V”形，中間高于邊沿，一旦邊沿部位的已經(jīng)開始“軟化”的“含鐵物料”，與爐墻發(fā)生緊密接觸時，就極易與爐墻發(fā)生“黏連”；在該部位，除已經(jīng)“軟化”的“含鐵物料”極易與爐墻發(fā)生“黏連”外，實際上還存在一個到現(xiàn)在還沒有人“正式”提出的“現(xiàn)象”就是，已經(jīng)“軟化”的“含鐵物料”在受到上部爐料的“重力壓迫”后會迫不得已地被“擠入”焦炭塊之間；當一部份“含鐵物料”被“擠入”焦炭塊之間時，該部位“料柱”的“體積”應(yīng)該是“急速橫向膨脹”的，如果這時候無法為其提供一個“舒展”空間，其爐內(nèi)的表現(xiàn)就是“透氣性變差”（即料柱上、下部之間壓差變大）；如果這時候能夠為其創(chuàng)造一個“突然擴展”的空間環(huán)境，就能夠減緩“擠壓”，就能夠明顯改善因此而造成的“料柱透氣性變差”問題，而“六段式高爐內(nèi)型”由于有一個“突然擴展段”正好能夠應(yīng)對這一問題。
不僅如此，當已經(jīng)開始“軟化”的“含鐵物料”在受到上部爐料的“重力壓迫”后，如果能夠讓其突然進入一個“比較寬松的擴展空間”，其“含鐵物料”還會依靠“自身重力較大”（或稱“比重”或體積密度較大）的“優(yōu)勢”被“擠入”焦炭塊之間，同時會把“自身重力較小”（“比重”或體積密度較?。┑慕固?ldquo;向四周排擠（也可稱推移）”；不難想象，被“排擠或推移”到“四周”的焦炭會首先貼近爐墻，其首先貼近爐墻的“焦炭”就能夠在爐墻與“含鐵物料”之間形成一個“隔離層”，有了這個“隔離層”，高爐的“邊沿氣流”就很容易維護，其爐墻粘結(jié)的幾率必然就會有所降低，其高爐順行程度必然就會得到改善；然而獲得這一“隔離層”的前提條件就是必須要為其創(chuàng)造一個能夠“突然擴展的空間”——“突然擴展段”，有了這個“突然擴展段”所創(chuàng)造的“空間”，才能夠給已經(jīng)“軟化”的“含鐵物料”創(chuàng)造一個能夠“自由垂直向下”的機會，有了這個比較“寬松”的機會，才能夠把焦炭“擠向邊沿”，這極有可能就是濟鋼4#350m3高爐在為其創(chuàng)造了一個“突然擴展的空間”后，其爐況順行程度明顯優(yōu)于其它高爐的關(guān)鍵所在。
按照從上部向下看爐內(nèi)的方式看高爐內(nèi)型，所謂為其創(chuàng)造一個“突然擴展的空間”，就是在現(xiàn)有“五段式”高爐內(nèi)型“爐身下1/3的上部”部位設(shè)置一個“突然擴展段”；帶有該“突然擴展段”的高爐內(nèi)型，明顯有別于現(xiàn)有高爐的內(nèi)型，也就是本文所倡導(dǎo)的“六段式”高爐內(nèi)型；本文所述的“六段式”高爐內(nèi)型有益于“高爐順行”的案例，就是濟鋼4#350m3高爐（見圖1），當時該爐的“突然擴展段”即“爐身下1/3的上部”的傾角僅為80º，就已經(jīng)能夠顯示出“爐況順行”程度明顯好于其它高爐的效果；這就不難想象，假如將該部位的“傾角”進一步減小到70º甚至60º，其高爐“順行”程度將會更好，其防止粘結(jié)的能力將會更強；就拿一個人所共知的最簡單例子來說明，比如向墻壁上“糊泥巴”要比向“天花板”上“糊泥巴”容易的多，因為糊到“天花板”上的“泥巴”是很容易“脫落”的；高爐內(nèi)也是這個道理；其爐內(nèi)開始“軟化”的含鐵物料，如果“粘在”80º、70º甚至60º的部位肯定會比“粘在”84º（指原爐身角度）部位更容易脫落，因此，將高爐內(nèi)容易發(fā)生粘結(jié)的部位設(shè)置一個角度比較小的“突然擴展段”是非常有意義的，也是非常必要的，也是非常容易實現(xiàn)的！因為只要利用高爐大修或者中修機會，通過重新設(shè)計安裝爐腰至爐身下部的爐殼，或者在保持爐殼不變的情況下，只通過重新設(shè)計制造爐腰至爐身下部的冷卻壁就能夠?qū)崿F(xiàn)。
2.3、“六段式高爐內(nèi)型”的有益效果：
1）、將高爐內(nèi)型由“五段式”改為“六段式”后，由于爐內(nèi)最容易粘結(jié)部位的“傾角”減小，不僅有益于減少高爐崩、懸料次數(shù)，能夠減少爐墻粘結(jié)幾率，而且即使粘結(jié)了也有益于粘結(jié)物脫落，有益于降低處理難度，因而有益于加快爐況的恢復(fù)速度，有益于提高高爐順行程度。
2）、將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，由于新增了“突然擴展段”，因此，能夠有效減緩因“爐料膨脹相互擠壓”而造成的爐內(nèi)透氣性變差問題，因而能夠改善爐內(nèi)“料柱”透氣性。
3）、將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，由于新增“區(qū)段”的傾角較小部位“爐墻不容易粘結(jié)”，因而“爐墻周向粘結(jié)”等重大事故的發(fā)生幾率會明顯降低，因此，其總體能耗會有所減少。
4）、將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，由于開始“軟化”的“含鐵物料”在受到上部爐料的“重力壓迫”時，能夠突然進入一個“比較寬松的突然擴展段”，因而能夠減少“煤氣通道”被堵塞的幾率。
5）、當爐料在爐內(nèi)下降過程中，其“比重”或稱“體積密度”較大，即“自身重量較大”的“含鐵物料”，在受到上部爐料的壓迫后，往往會迫不得已地被“擠入”焦炭塊與焦炭塊之間，并把“比重”較輕或稱體積密度較小“自身重量較輕”的焦炭“向四周排擠”（也可稱“向四周推移”），當這一情況發(fā)生的同時再遇上一個比較寬松的環(huán)境，即“六段式高爐內(nèi)型”的“突然擴展段”時，就能夠致使一小部分“焦炭”率先貼近爐墻，因此，能夠使一小部分“焦炭”在爐墻與“含鐵物料”之間形成很薄的“隔離層”，依靠這個“隔離層”，將會大幅度降低爐墻粘結(jié)的幾率，從而改善高爐順行程度，并降低“邊沿氣流”的維護難度；
6）、將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，由于新增“區(qū)段”傾角較小，不僅能夠使“爐墻不容易粘結(jié)”，而且其上部的“散料層”還能夠?qū)?ldquo;邊沿煤氣流進行適當逆制”；實踐證明，濟鋼4#350m3高爐實施上述“內(nèi)型優(yōu)化”時，其邊沿部位爐喉煤氣CO2曲線的CO2含量明顯要比其它高爐高出2至3個百分點，充分說明其煤氣利用率是有所提高的，其煤氣利用率的提高是能夠降低焦比和降低生產(chǎn)成本的；
7）、由于上述優(yōu)勢的體現(xiàn)，將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，還能夠?qū)θ霠t爐料進行進一步優(yōu)化，以便于在充分保證爐況順行的前提下，選擇利用較低成本的爐料，以便于降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益；
8）、將高爐內(nèi)型改為“六段式”后，由于爐腰內(nèi)部“空間增大”，還將有益于在“爐腰下部”噴吹還原氣，特別是對于具有氫氣資源或焦爐煤氣資源的廠家來講，能夠在“爐腰下部”噴吹不經(jīng)過“預(yù)熱”的氫氣或者焦爐煤氣。
3、結(jié)語
濟鋼4#350m3高爐采用“六段式”高爐內(nèi)型后，開爐幾天后高爐操作者就感受到“順行程度好容易操作”，而且產(chǎn)量明顯優(yōu)于其它高爐；停爐后進入爐內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，冷卻壁表面非常干凈，圓周上非常均勻，冷卻壁損壞率明顯少于以往；其冷卻壁損壞率少就能夠代表高爐爐體壽命有所延長；上述情景不僅給筆者留下深刻的印象，而且使筆者認識到，爐內(nèi)圓周均勻干凈才是爐況順行爐體長壽的關(guān)鍵，而該爐爐內(nèi)圓周均勻干凈則是“六段式”高爐內(nèi)型所起的作用；由于此事使筆者印象深刻久久不忘，才有意撰寫此文，以便于告訴業(yè)內(nèi)同行：將高爐內(nèi)型改為“六段式”，對于高爐來講“只有好處沒有壞處”！希望能夠引起高爐工作者和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的重視，以便于利用高爐大中修機會安排實施；另外還想說明，利用高爐大中修機會將高爐內(nèi)型改為“六段式”，如果不動爐殼只改冷卻壁，其花費與常規(guī)大中修多不了多少，由此看出，實施該改造是一項投資少見效快的項目，非常值得推廣。