一、研究的背景与问题
高炉安全长寿和高效生产决定铁水竞争力，其冷却壁和炉缸的长寿是关键。然而，国内部分高炉不同程度出现炉底板上翘，引起冷却壁破损、炉缸热电偶损坏严重等问题，只能在监控安全下频繁检修，被动维持低效率生产。另外随着优质资源的减少，如何准确控制上部气流、下部调节匹配实现炉缸活跃，是高效冶炼的关键，但受限于智能化、可视化水平未能突破。
马钢两座4000m3级(A#、B#)高炉是继宝钢、太钢之后的国内第6、第7座大型高炉，于2007年投产，三年后也出现了炉底板上翘，炉底周向翘起与炉基间距达到200mm 以上，引起冷却壁破损严重、大多数炉缸热电偶损坏；2017 年以后两高炉相继出现铁口区域不同标高的炭砖温度快速上升；2019年起高炉入炉品位及风温水平下滑。由于两座高炉铁水产量约占马钢铁水总量的一半，因此面临着安全长寿和高效生产的双重挑战，当期的行业相关技术难以满足高炉本质化安全和高效生产的需求。
图1 高炉炉底板上翘现场图
图2 炉底炉缸的炭砖热电偶损坏率,%
二、解决问题的思路与技术方案
1、解决问题思路
本项目针对大型高炉炉役初期炉底板上翘问题，开发控制炉底板持续上翘技术，实现无损控制炉底板上翘。针对冷却壁破损漏水严重现象，提出炉壳温度控制标准和维护路线，开发高炉漏水冷却壁在线再造和维护技术，保证冷却壁供水点完好。针对炉缸热电偶损坏严重及部分温度点异常升高现象，发明高炉炉缸炉底热电偶在线安装装置和方法，重构炉缸测温系统，开发并应用炉缸表征侵蚀诊断系统。针对布料可视化难的问题，应用激光实时监测料面形状技术，开发炉顶布料仿真系统、在线热负荷物料与热平衡监控技术，研制高炉风口倾角在线巡检装置和高炉全料面智能分析系统，为高炉上下部调节操作关键技术参数提供可视化和数字化支撑。开发并应用基于智能化装备的高效冶炼技术，助力两座4000m3高炉实现长寿高效生产目标。
2、关键技术方案
（1）控制炉底板持续上翘技术
项目组开发了一种无损控制高炉炉底板上翘的双重压紧系统装置，防止炉底板在高炉休风时的回落，保持炉缸耐材工作状况的稳定。首先沿炉底板外周在炉基上采用化学植筋的方式预埋锚栓，利用炉底H梁位置设置L型辅助压紧装置，其底板与炉底H型钢梁焊接，通过压板扣住炉底板。然后利用炉底H型钢梁的拉力来平衡炉壳上涨力，保证了炉底H型钢梁与炉底板相对稳定，塞焊连接不被进一步拉开，避免发生煤气泄漏情况。最后对上翘炉底下部浇注填料，防止炉底回落造成炉衬松动。
图3 控制炉底板上翘的无损压紧装置及监测系统
在对上翘炉底下部浇注填料前，完成炉底测温点、应力和位移监测装置的安装调试，同步建立在线监控系统平台，对炉底状态参数进行采集和跟踪分析，以制定科学对策和有效应对措施。
图4 炉壳上涨位移及应力监测装置图
为解析高炉炉底上涨机理，设计了一种耐火材料抗碱侵蚀性试验方法。通过耐材抗碱性试验研究，制定入炉锌、碱负荷标准。实验研究表明，锌对炉底耐材的耐压强度有破坏作用，碱和锌对陶瓷杯的导热系数有增大作用，间接增大耐材的膨胀量。
实施效果：2017年后两座高炉的炉底板基本处于稳定状态，至停炉大修时平均每年炉底板上翘的高度仅为1.9mm。项目成果已成功推广到沙钢、中南钢铁等企业的高炉，效果良好。
图5 马钢两座4000m3高炉2017年后炉底板基本处于稳定状态
（2）高炉漏水冷却壁在线再造和维护技术
项目根据A、B高炉冷却壁供水结构特点，发明冷却水在线分流控制装置和方法，减少破损冷却壁漏水入炉。国内首创带金属钢丝网护套的软管，对于冷却壁水管的破损(包括铜冷却壁)，通过打压找漏→破损水管截断→漏点旁通→破损水管穿线、穿丝、穿管→外接水源→灌浆等措施，进行冷却壁水管的在线修复和再造。对于2～4个通道损坏的冷却壁，研制安装高强耐磨旋流可更换高炉冷却柱，使冷却壁残留壁体和冷却柱相互支撑和保护。
图6 高强耐磨旋流可更换高炉冷却柱
制定炉壳温度控制和维护标准。项目采用红外成像技术，在线监控热流强度、炉壳温度等数据，快速准确了解冷却壁漏水状态。开发全炉水温差及热负荷监控系统，辅助定位漏水详细位置。制定炉壳温度在75℃以下的控水、穿管、嵌入冷却柱等实施标准，保证炉壳强度及刚性不受大的影响，不因炉壳热应力的局部增加而造成冷却壁的破损，实现炉壳与冷却壁交互支撑作用。
实施效果：马钢两座4000m3级高炉各有3002个冷却供水点，完好率分别达99.80%、99.86%。A高炉工作10年后，其穿管和冷却柱保持完好；B高炉一代炉役无中修，冷却壁完好。
图7 冷却壁穿管(左)和安装的冷却柱(右)完好
（3）基于重构炉缸测温系统的炭砖侵蚀诊断技术
研发一种高炉炉缸炉底测温热电偶的安装方法和装置，重构测温系统。采用钻孔机从炉皮表面钻孔，将热电偶装入安装孔中，用浆液填充间隙。在装有热电偶的固定部件的涂层端涂抹浆液涂层，并采用注射管在安装孔末端的碳砖上预先注入浆液充分填充，有效地消除气隙，使热电偶孔灌浆前后的测温值相对误差≤5％。
图8 高炉炉缸炉底测温热电偶的安装方法和装置
基于多维传热理论的参数冗余的炉缸侵蚀诊断多元隐式非线性方程组，开发高炉炉缸侵蚀三维表征模型。通过调整顶点重新构造待定侵蚀线，连续监视炉缸炉底1150℃线、炭砖残厚、侵蚀速率、温度分布等参数，判断炉缸状态是侵蚀还是结厚，为操作者提供多层次、多角度的诊断和预警。
图9 高炉炉缸炉底侵蚀监控可视化系统
实施效果：通过该技术对高炉炉缸侵蚀状态进行跟踪监测，延长一代炉役2-3年以上，至高炉安全停炉大修，实测炉缸碳砖残厚与模型预测的平均偏差不超过50mm，凸显该技术的准确性。
（4）基于智能化监测的高效冶炼技术
马钢在4000m3高炉上第一个成功研发激光在线检测料面装置，能准确展示高炉内特定方向的料面形状参数。开发炉顶布料的仿真系统，与激光测料面系统同步进行验证，大幅提升了操作者调整布料的准确度，为高炉高效生产提供有力支撑。
图10 激光在线检测高炉料面装置和料面仿真系统
项目自主开发全料面智能分析系统，通过标准化高炉料面形状参数，采用点云建模和特征点匹配技术，实现料面形状参数快速可视化和数值化，为高炉快速复风和布料制度调整提供依据。
图11 高炉全料面测量及智能分析系统
自主开发国内首套高炉风口倾角在线检测装置和控制系统，通过判断风口套上翘、下沉或偏转的状态，指导风口套维护，对于倾角超过3°的风口套提出下个计划检修中予以更换。
图12 高炉风口倾角在线检测装置及控制系统
开发在线实时高炉区域的物料及热平衡模型，判断高炉运行趋势。区域热平衡法能更明显反映出焦比及影响焦比的各种因素与高炉高温区能耗的联系，为高炉优化冶炼提供技术支撑。开发高炉风口回旋区状态诊断模型，支持在线监控送风过程的相关参数如风口标准风速、风口实际风速、鼓风动能、理论燃烧温度和回旋区长度等的趋势。
图13 高炉风口回旋区状态诊断模型
开发高炉体检系统。找出对高炉炉况影响较大的关键参数，分配权重测算高炉顺行指数，使之和高炉运行状态更加贴近。形成班自检、日体检、周分析、月总结、失分项消缺的运行模式，不断完善体检预警机制，有力支撑了高炉稳定顺行和节能降耗。
图14 高炉顺行指数分析及监控
实施效果：项目开发的系列智能监测技术为高炉上下部调节提供操作依据，指导高炉快速复风达产和风口套检修维护，促进了炉况稳定顺行和高效生产。2017至2019年，B高炉连续三年获“全国重点大型耗能钢铁生产设备节能降耗对标竞赛”优胜炉称号。
三、主要创新性成果
1.发明了控制高炉炉底板上翘的压紧和炉底板保护装备技术，达到无损控制炉底板上翘和回落在2mm以内的目标，实现了高炉安全生产，作业率保持99%。
2.开发了高炉漏水冷却壁在线再造和维护技术，实现供水点完好率达99.8%、高炉一代炉役15年以上（无中修）。
3.开发了基于重构炉缸测温系统的炭砖侵蚀诊断技术，实现延长高炉一代炉役2-3年以上，至安全停炉大修，炉缸碳砖残厚实测与预测的平均偏差不超过50mm。
4.开发了基于智能化监测的高效冶炼技术，实现了高炉炉役后期的高效生产，产量8800t/d的高水平。
四、应用情况与效果
本项目技术综合应用有力支撑了马钢4000m3高炉的高效、长寿、低耗生产，特别是炉役中后期克服了入炉品位及风温水平下滑的不利条件，高炉经济技术指标逐步提升，平均利用系数达到2.126t/(m3?d)，远高于国内同类型高炉炉役后期1.988t/(m3?d)的利用系数，达到国内领先水平。
图15 高炉经济技术指标
项目成果的实施使炉役初期炉底板上翘的两座特大型高炉实现安全长寿和高效冶炼的目标：A高炉一代炉役14年7个月，单位炉容产铁量11184t/m3；B高炉在无中修的条件下，一代炉役15年4个月，单位炉容产铁量11963t/m3，达到了国内同类型高炉长寿的先进水平。项目创造了超5亿元的经济效益，形成核心专利24项，软件著作权2项，论文10篇。项目成果继续在应用和推广，具有巨大的潜在效益。
信息来源：马鞍山钢铁有限公司
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