现代高炉长寿技术的理论思考

目前，高炉炼铁仍是生产效能最高的炼铁工艺。在未来资源、能源、环境可承载的条件下，实现高炉炼铁的绿色化、智能化转型升级和可持续发展，必须建立新的发展理念。耗散结构和自组织理论是研究复杂开放系统演变过程机理及其规律的新理论，对于指导高炉炼铁协调发展与技术创新具有重要意义。本文阐述了系统论、耗散结构和自组织理论的核心观点，提出了高炉炼铁物质流通量参数、能量流通量参数、热流通量参数的概念及其物理意义。指出了未来高炉炼铁技术的发展理念、目标及方向，论述了运用自组织理论，通过高炉炉体功能、结构和效率的协同优化，实现高炉全寿命周期的动态自组织优化。提出并探讨了构建具有自组织特性的“自感知-自适应-自保护-自维护”炉体结构的方法及其路径。

关键词  耗散结构  开放系统  自组织  高炉 长寿 结构优化

 

1  引言

现代高炉炼铁已有近200年的历史，经历了多次重大的技术变革与创新，不断演进发展，渐趋至臻完善。当前，在全球范围内，高炉炼铁工艺流程仍占有主导地位，预计到21世纪中叶，高炉炼铁工艺流程的主导地位将不会发生根本性变化，高炉仍然是铁矿石还原和优质生铁的主流生产装置。进入21世纪以来，中国作为世界第一产铁大国，高炉炼铁技术进步及其成就全球瞩目，在高炉大型化、装备现代化等方面取得重大进展举世公认；高炉生产技术指标不断提升，许多大型高炉都已进入国际先进行列[1]。应当看到，在高炉炼铁技术取得长足进步的同时，高炉寿命依然在不同程度上成为制约高炉稳定生产的短板，一些现代化大型高炉投产不久就出现了炉缸烧穿或铜冷却壁大量损坏等严重事故，高炉安全生产受到严重威胁[2]。在研究解析高炉异常破损原因、采取有效措施延长高炉寿命的同时，应当建立起新的高炉长寿技术理念、理论和方法，构建自感知-自适应-自维护-自修复的高炉长寿技术理论体系，从根本上解决制约高炉寿命的关键技术难题，形成现代高炉长寿关键共性技术，并在工程实践中实施应用，在现有技术的基础上，进一步延长高炉寿命，实现高炉炼铁绿色化、智能化多目标协同发展。

2  高炉炼铁技术创新发展理念

未来钢铁工业的可持续发展，必须充分研究市场需求、产品竞争力和资源-能源-环境的承载能力，实现低碳绿色化发展[3]。对于具体的钢铁厂而言，要根据全厂的产量规模、产品结构、总图布局，以实现物质流、能量流和信息流动态有序、协同连续、高效耦合运行为目标，合理确定高炉的座数和高炉容积[4]。在钢铁行业供给侧结构性调整、淘汰落后、转型升级的宏观经济形势下，不宜过分追求钢铁厂产能和产量，要转变以粗放型产能规模扩张的发展道路，坚持走集约化、绿色化、智能化、品牌化的可持续发展之路。

高炉大型化和装备现代化是中国钢铁工业发展的重要方向和路径，必须坚持钢铁厂流程结构优化前提下的大型化，以实现钢铁制造流程的动态有序、协同连续、集约高效、耗散优化为目标。未来中国钢铁工业的结构调整与优化，将以去产能、减量化发展为前提，淘汰落后、流程优化、结构调整、技术升级势在必行。因此在高炉设计建造过程中，应当以整个钢铁制造流程协同优化的视角，站在钢铁厂生存发展的全局性战略层次上，以构建钢铁制造全流程要素-结构-功能-效率协同优化为关注点，实现烧结、球团、焦化、炼钢、轧钢以及全厂能源系统的协同优化，同时注重流程网络的耗散优化、重构优化和时空关系，使物质流、能量流和信息流实现高效耦合“层流式”运行，提高运行效率和运行质量。总体看来，未来中国钢铁工业的发展，必须坚持以去产能、减量化为基本方针，持续开展钢铁产业结构调整和优化升级，通过淘汰落后、技术改造和装备升级，优化钢铁制造流程及其网络结构，构建钢铁制造流程耗散优化的自组织体系，实现市场-产品-质量与资源-能源-环境的和谐有序发展。

3  高炉炉体的功能优化

3.1  高炉炼铁的物理本质

高炉炼铁是铁氧化物（烧结矿、球团矿、块矿等）以焦炭（及煤粉）作为主要燃料和还原剂，在高炉内经过一系列的物理-化学反应和冶金传输过程，生产出液态生铁的冶金工艺过程，焦炭是高炉炼铁工艺不可或缺的料柱骨架。其物理本质是铁素物质流在碳素能量流的驱动和作用下，按照设定的运行程序，沿着特定的流程网络动态-有序、协同-连续运行，实现铁素物质流和碳素能量流在整个流程范围内流动并转变/转换的过程。

高炉冶炼进程是典型的竖炉逆流移动床过程，下降炉料与上升煤气流在相向运动过程中，经过一系列的物理-化学反应与传输过程，完成铁氧化物的还原和渗碳，最终形成液态生铁。由此可见，高炉炼铁区别于非高炉炼铁的重要工艺特征，主要表现在两个方面：一是采用焦炭作为主要燃料、还原剂、渗碳剂和料柱骨架；二是其产品为液态生铁。

3.2  高炉炉体的功能解析

3.2.1  冶金反应器

对于高炉-转炉长流程钢铁厂而言，高炉在整个钢铁制造流程中的作用至关重要，是全流程物质流和能源流转变/转换的核心关键环节[5]。因此，高炉冶炼过程要求是连续-稳定运行，稳定顺行成为高炉操作的核心要素。

高炉冶炼过程的冶金传输过程及反应和物质流、能量流的转变/转换都是在高炉炉体内完成的，高炉炉体是一个复杂的高温、高压、密闭冶金反应器，高炉冶炼则是多元-多相（态）复杂巨系统，是复杂的、开放的、远离平衡的不可逆过程，是有大量物质、能量和信息输入/输出的耗散结构。高炉炉体的本质功能，是保障高炉冶炼进程连续稳定运行的高效长寿冶金反应器，其生产效率和质量要满足钢铁厂对铁水供应的需求；其寿命周期要持续15~20年甚至更长。

3.2.2  高炉炉体的流程结构

经过近200年的演进，现代高炉已经形成了炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、死铁层“六段式”的炉体结构，炉体每个部位都有着不同的功能和作用。对于高炉冶炼过程而言，连续稳定运行是其重要的工艺特征。正是在这样一个特定的高温、高压、密闭的流程结构中，大通量物质流和能量流的输入/输出，并完成物质流、能量流的转变/转换。下降炉料从炉喉到炉缸，物质的形态、成分、温度、性能等因子发生了巨大变化；焦炭（煤粉）在风口前燃烧形成高炉煤气，煤气流与下降炉料逆行向上运动，经过炉缸、炉腹、炉腰、炉喉至炉顶，能量的形态、矢量、势量等因子也发生了巨大变化。基于耗散结构和冶金流程工程学理论，可以将高炉炉体视为一个物质流和能量流做动态-有序、协同-连续流动的流程路径（结构），进而言之，高炉炉体是高炉炼铁工序中核心关键的流程结构。在这个流程结构中，既有铁矿石、焦炭、煤粉、热风等物质或能量的输入，也有铁水、炉渣、煤气等物质或能量的输出。同时，在高炉冶炼过程中，伴随着物质和能量的输入/输出，信息也在不断地输入/输出。从微观尺度分析，高炉冶炼过程表现为质量传输、热量传输、动量传输和一系列物理-化学冶金反应工程的集成；从宏观尺度分析，高炉冶炼过程表现为物质流（特别是铁素物质流）、能量流（特别是碳素能量流）和信息流在高炉炉体特定的物理空间内做动态耦合运行。

因此，高炉炉体作为高炉冶炼的核心流程结构，从高炉生产运行角度看，高炉炉体结构直接影响高炉的稳定、顺行，进而影响高炉生产的高效、优质、低耗和长寿。从冶金流程工程学角度看，高炉炉体结构则直接影响整个钢铁制造流程的物质流、能量流和信息流动态耦合运行的效率和效果。由此可以推论，高炉长寿不仅是高炉生产稳定顺行的重要基础和前提，在整个钢铁制造流程的时空尺度上，高炉长寿也是维持冶金流程长期连续、协同稳定、动态运行的基础和前提。

3.3  高炉炉体的功能集成

组成高炉炉体的各个子系统（单元），其功能和作用也不尽相同。炉壳是保障高炉炉体具有一定强度和刚度且具有承压密封功能的钢结构，其功能是固定炉体冷却器，支撑炉顶设备、煤气上升管，承受炉体附属设备的荷载，因此炉壳是维持高炉炉体的基本结构（骨架结构）。冷却对于现代高炉炉体长寿至关重要，炉体冷却结构经过不断演进发展，目前现代高炉已形成了以冷却壁为主流的炉体冷却模式，特别是在炉腹至炉身下部高热负荷区域采用铜冷却壁，使高炉炉腹至炉身区域从厚壁结构演进为薄壁结构，甚至演化为“无衬结构”，从而减少甚至摆脱了对耐火材料的依赖。依靠铜冷却壁的高效冷却作用，以快速形成保护性渣皮作为“动态自生炉衬”，为高炉长寿奠定了基础。应当说通过冷却壁材质和结构的优化，铜冷却壁的研发和应用，使高炉冷却壁的功能实现优化，炉体高热负荷区的冷却效率得到优化，进而实现了炉体结构的优化。

毋庸置疑，铜冷却壁的应用实现了高炉冷却壁结构-效率-功能的协同优化。冷却器的主要功能是为耐火材料内衬提供有效的冷却，降低耐火材料内衬的热应力和热面温度，促进在耐火材料内衬热面形成自生的、动态的保护性渣皮（渣铁壳），进而延长耐火材料内衬的使用寿命。对于炉腹至炉身中下部区域，当冷却壁内侧的炉衬侵蚀消失以后或取消铜冷却壁内侧炉衬结构时，依靠冷却壁的有效传热，能够在冷却壁热面直接形成动态性渣皮，即所谓“动态自生炉衬”。与此同时，冷却器还有保护炉壳、降低炉壳温度，从而延长炉壳使用寿命的作用。高炉内衬是由耐火材料构成的高炉冶金反应器的砖衬砌体（局部也可以是不定型耐火材料），一般是由若干种异质-异构、功能不同的耐火材料所组成。随着铜冷却壁的广泛应用，炉腹至炉身区域普遍采用薄壁内衬结构，炉衬厚度一般100~150mm，而且与冷却壁镶砖融为一体，成为砖壁一体化薄壁结构。还有不少高炉开炉之前，仅在高炉炉腹至炉身区域的冷却壁热面喷涂一层厚度约100mm的不定型耐火材料保护层，取消了砖衬砌体和冷却壁的镶砖结构。直至目前，高炉炉缸炉底耐火材料内衬仍是不可或缺且无法替代的结构，而且对炉缸炉底耐火材料内衬的材质、质量和结构要求更加严格，具有导热性、抗铁水渗透性和抗铁水熔蚀性优异的炭砖则是必不可少的功能材料。

高炉炉缸是高炉冶炼过程的起始和终结，也是高炉冶炼进程中冶金传输和物理-化学反应最为集中的区域，是典型的多元-多相态复杂系统。炉缸炉底还是高温液态渣铁积聚的区域，炉缸炉底内衬工作条件恶劣，承受着高温热应力、铁水渗透、化学侵蚀、机械冲刷磨损等各类破坏作用。而高炉炉缸炉底的使用寿命决定着高炉一代炉役寿命，是延长高炉寿命的核心关键环节。因此，延长高炉寿命的技术难点和重点就是要有效延长高炉炉缸炉底的使用寿命。

4  耗散结构与炉体结构优化

4.1  耗散结构优化

高炉炉体冷却耗散结构优化的设计方法和思维进路应当是：①采用纯水（或软水）密闭循环冷却技术；②参照高炉炉体热流强度进行传热学计算得出炉体总的最大热流通量，再计算出冷却水量、冷却水温差，进而设定出进水温度与出水温度；③根据冷却水的换热量，确定出冷却水热交换器的能力、型式和规格；④计算脱气罐、膨胀罐、稳压罐等罐组的容量及结构参数；⑤设计冷却系统工艺流程，初步确定供回水管网参数，计算管网系统的阻力损失；⑥根据计算管网系统阻力计算结果，确定循环泵组的优化配置（扬程、台数、工作制度及布置方式）；⑦设计系统各关键节点的流量、压力、温度监测控制系统，数据的自动采集与处理，构建信息流网络，使系统具备智能化调控的功能；⑧评估冷却系统的顶层设计，重点关注冷却系统的安全性和可靠性，确定备用电源供电、配置事故差油泵、供回水管道安全供水可靠性分析评价等[7]。

4.2  炉体结构优化

高炉炉体结构优化的核心关键，是要构建具有自组织特性的“自感知-自适应-自维护-自修复”的炉体长寿结构。高炉的结构特性和连续运行的工艺特征，使高炉炉体结构必须长期适应高炉冶炼过程的各种影响和破坏，具备抵抗恶性事故的可靠性、安全性和耐久性。遵循自组织理论，高炉炉体的功能拓展与功能集成是现代高炉区别于传统高炉的重要之处，现代高炉的多功能化和功能集成体现在应当具备优质铁水生产、高效能源转换和消纳废弃物并实现资源化的功能。因此，功能优化是现代高炉炼铁发展理念的重要创新。毋庸置疑，高炉炉体是实现高炉炼铁“高效、优质、低耗、长寿、安全”多目标优化的载体。

为适应高炉功能优化，炉体结构优化应当以全寿命周期的时间尺度，从高炉的设计、建造、运行、维护各个阶段都必须给予足够的重视。高炉炉体静态结构的优化重点是高炉设计和建造，尤其是高炉炉体结构设计，关乎到高炉的全寿命周期。高炉炉体结构设计的本质就是构建高效协同的高炉炉体自组织体系，应当建立耗散结构自组织体系优化的理念，遵循冶金学、传热学和材料科学的基础理论，采用概念设计-顶层设计-动态精准设计-仿真优化设计的系统设计方法，经过综合-权衡-选择-评估-决策的过程，以高炉全寿命周期和高炉炉体整体结构为关注点，注重顶层设计，通过空间结构设计优化实现炉体综合功能的协同优化。

炉体结构设计优化的思路和方法是：①以物质流和能量流通量参数为基础，设计合理的高炉内型，为高炉稳定顺行和高效长寿奠定基础；②高炉炉体结构的选择与确定；③高效冷却器参数与结构设计；④炉缸炉底的冷却和耐火材料结构设计优化；⑤采用传热学和材料力学数值仿真计算方法评估验证冷却器与炉缸炉底内衬的温度场、应力场等；⑥高炉炉壳传热学和弹塑性力学数值仿真计算、材质选择、结构设计。

4.3  高炉运行与维护的自组织

高炉建造过程中，必须以工程设计为依据，科学组织、统筹管理，兼顾质量、进度、成本等要素，精细施工、精益管理，不宜片面追求工期进度或降低成本，应以质量为核心实现多目标协同优化。无数的案例证实，高炉施工建造过程的质量问题和安全隐患，是造成高炉短寿、出现恶性事故的直接原因，损失惨重、教训深刻，必须加强工程建造管理，提高施工水平，保证高炉一代炉役期间生产安全稳定。

高炉长寿的实质就是保持高炉一代炉役期间的合理操作炉型[8]。高炉投产以后，根据高炉炉型的演变进程可以划分为操作炉型形成期、操作炉型稳定期和操作炉型维护期三个阶段。高炉生产中，要通过精料、炉料分布控制、煤气流分布控制、炉体冷却与热负荷管理、渣铁流动控制等措施，保持高炉全寿命周期的合理操作炉型。高炉生产操作的调控，实质上就是对高炉冶炼过程的“他组织”，是物质、能量和信息的输入过程。高炉冷却系统的调控、含钛物料的加入等措施则主要是为了维护高炉炉体长寿，在高炉运行的状态下，通过高炉系统的自组织特性和自组织体系，促进形成动态的、自生的“保护性渣皮”，即所谓“自生炉衬”，通过自生炉衬的动态生成-涨落，实现高炉炉体具有自组织功能的自维护和自修复，从而延长高炉寿命[9]。

未来高炉智能化的一个重要特征是要建立起自感知-自适应-自维护-自修复的炉体结构，在自动化、数字化、信息化的基础上，构建高炉炉体温度、压力、流量、应力/应变的精准监测和大数据分析处理，形成基于高炉冶炼-炉体长寿耦合的信息流管控体系，精准操作、精准护炉，实现与铁素物质流、碳素能量流和集成信息流高效耦合运行的协同管理。

5  结语

（1）高炉炼铁要实现绿色化、智能化发展，必须建立新的技术发展理念，以适应经济社会发展的要求。在资源、能源和环境可承载的前提下，加大供给侧结构性调整，淘汰落后产能和工艺装备，推动技术进步和转型升级。

（2）运用耗散结构自组织理论，构建高炉炼铁动态有序、协同连续和耗散优化的流程体系，创新具有“自感知-自适应-自维护-自修复”功能的长寿炉体结构，积极采用高炉长寿创新理念、理论和方法，以高炉一代炉役全寿命周期为视角，注重高炉的概念设计、顶层设计和动态精准设计，促进物质流、能量流和信息流流程结构优化、实现高效耦合运行。

（3）高炉运行过程中，通过大数据、信息流的智能化管理，提高精准化智能操作水平，动态在线监测和调控炉体运行状态，增强高炉炉体的自组织性和自组织功能，保障高炉冶炼稳定顺行，进而实现高炉炼铁高效、优质、长寿、安全多目标协同优化。