高新运
（原济南钢铁集团炼铁厂）
摘要 本文所述的“六段式”高炉内型，是在现有高炉有效高度内，除“死铁层”外的“五段式”内型基础上优化而来的；其自下而上各段的名称为：炉缸（沿用了原名称）、“炉下腹”（采用了新名称，即原“五段式”的“炉腹”）、炉腰（沿用原名称）、“炉上腹”（采用了新名称；该段在原“五段式”内型，原炉身下1/3上部）、“炉胸”（是对原炉身上2/3部分的重新命名）、炉喉（沿用原名称）；上述命名除更加贴切地对应人体结构外，最大的特点在于，在对应现有高炉“五段式”内型“炉身下1/3的上部”，设有一个“突然扩展段”即“炉上腹段”，“炉上腹段”的倾角可在60º～ 80º之间；由于“炉上腹段”的倾角明显小于原炉身角，因此，在总有效高度和炉腰直径不变情况下，其炉腰“直段”顺势向上加高至“炉上腹”下端，使其明显有别于现有高炉的内型；文中还展望了“六段式”高炉内型的有益效果，其中包括有益于高炉顺行和有益于减少碳排放。
关键词 五段式 六段式 高炉内型 高炉顺行
1、“六段式”高炉内型想法的产生
“六段式”高炉想法的产生源于上世纪90年代中后期；笔者在参与高炉技术改造时，看到350m3高炉炉身中下部所采用的“三层支梁水箱式结构”，其最下面一层“支梁水箱”周围的砖衬，往往在投产不到一年时间就被侵蚀掉，随后该部位炉壳就会发生“烧红、开裂”以及“鼓包”变形；该问题已经成为当时350m3高炉的普遍现象，已经到了必须解决的程度；针对该问题，笔者提出，利用1994年4#350m3高炉中修机会，将“炉身下1/3的上部”，即原安装最下面一层“支梁水箱”的部位，改为一环（也可称为一段）“冷却壁”；由于该段冷却壁上面安装“支梁水箱”部位的“厚度”（包括砖衬和支梁水箱的插入深度）明显“厚于”其下面“冷却壁的厚度”；为了保持炉型的顺滑过渡，将“新增冷却壁”的“上端”向炉内进行了“倾斜”，使该段冷却壁的内倾角成为“80º”；这一改动“相当于改变了高炉内型”，即从上向下看，在“炉身下1/3的上部”部位形成了一个“突然扩展段”；通过上述“内型优化”的4#350m3高炉，自1994年4月中修投产至1997年3月停炉大修，三年时间，其炉内“透气性”、炉况顺行程度、产量，以及煤气利用率等各项技术经济指标都是当时6座同类型高炉中最好的（见图1）；由此给人留下了深刻的印象！随后便产生了将现有高炉的内型由“五段式”改为“六段式”的想法。图1是当时日常工作笔记所记载的关于新增冷却壁的情况，包括冷却壁安装布置情况和倾角，以及投产后指标优于其他高炉的情况。
从图1所示的笔记中能够看出：有“新增一段冷却壁，去掉一层支梁水箱” 及“指标领先比3#、5#、6#炉日产多达130t”的记载；有新增冷却壁倾角“80º”的示意图。
由于某些客观原因未能及时对上述“高炉内型优化”的效果进行系统分析总结，因此仅依靠上述笔记予以证明。但笔者对此印象深刻，总想找机会总结推广介绍一下；由于在职期间忙于其他事务，退休后也因种种原因没有马上开展这项工作，直到2017年济钢全面停产前，才去档案室“拍”了一些当年4#350m3高炉的生产统计月报和年报方面的资料，但令人遗憾的是，随后不久便发生了计算机硬盘因损坏而无法读取的问题！因此，不得不再次搁置！ 直到2022年下半年因钢铁企业出现大面积亏损又想起此事，认为有必要先把它提出来，以便于业内讨论，以便于业内有该认识倾向的领导作为参考，以便于在适当的时候安排实施；虽然此时不是高炉技术改造和技术开发的时机，但总觉得该项目投资不大，并且完全能够利用高炉大修或者中修机会实施，还认为实施后因有益于高炉顺行，而能够提高高炉技术经济指标，并有益于减少“亏损”，有益于减少“碳排放”。
提出对“现有高炉内型”进行优化改造的另一个原因在于：“高炉是一个极高效率的反应器”，完全可以利用这个体系非常完善的“反应平台”，为钢铁企业“降低成本提高生存能力”，为碳减排、碳中和继续做出贡献！虽然当前“氢还原竖炉”、“富氢碳循环高炉”等新型炼铁工艺已经取得突破性进展，但完全取代现有高炉还需时日，况且铸造业的高炉，以及冶炼“硅铁”、“锰铁”的高炉有可能还会持续存在下去，而且每年还有因产能升级、产能置换、淘汰落后产能而新建的高炉；因此，笔者认为，高炉的生存时间还会很长，因此，对于拥有“高炉”的企业，不应安于现状，应该竭尽全力积极主动并及时地对高炉实施技术改造，以便于实现“低碳化”；包括利用现有高炉的大中修机会，对其“内型”进行优化改造；比如将高炉内型由“五段式”改为“六段式”，就能够有益于“高炉顺行”，就能够减少“炉况失常”次数，甚至能够避免炉况失常，甚至能够减少和避免“炉墙粘结”；只要炉况顺行了，失常减少了，粘结次数减少了，其额外提高炉温处理失常，处理粘结的“焦炭”就节省下来了，高炉的生产成本就降低了，“效益下滑”困境就会有所缓解，高炉的排碳量就会有所降低。
虽然指标好的高炉其炼铁能耗已接近该工艺理论计算的最低值，看似没有太大的潜力可挖，但从高炉日常操作方面看，在“照顾好”炉子“边沿气流”方面还是有一定“潜力”的，因为要想“照顾和维持好炉子的边沿气流”，就必须避免或者减少“含铁物料”与“炉墙”的“紧密接触”；然而从高炉操作角度，其避免或者减少“含铁物料”与“炉墙紧密接触”的唯一方法，就是增加“焦炭”在炉墙边沿的布料比例，只要“增加了焦炭在炉墙边沿的布料比例”，其“边沿区域”的煤气利用率就必然会有所降低；依照笔者的印象，济钢4#350m3高炉通过新增冷却壁而对内型所进行的优化，即在“炉身下1/3的上部”设置一个“突然扩展段”，将“五段式”高炉内型改为了“六段式”，其印象中的煤气利用率要好于其它高炉，就能够说明该炉“焦炭在炉墙边沿的布料比例”有所减少。
2、将高炉内型改为“六段式”的意义与必然性
2.1“六段式”高炉内型的基本内容
所述的“六段式”高炉内型，是在现有“五段式”高炉内型基础上优化而来的；“六段式”高炉内型在对应现有“五段式”高炉内型“炉身下1/3的上部”部位，设有一个“突然扩展段”并将其称为“炉上腹段”，其“炉上腹段”向炉内的倾角能够在60º～ 80º间；由于“炉上腹”的倾角明显小于原炉身角，因此，在总有效高度和炉腰直径不变情况下，炉腰“直段”顺势向上加高至“炉上腹段”的下端，使该内型明显有别于现有高炉的“五段式”内型（见图2）。
图2是“五段式”高炉内型与“六段式”高炉内型的对比图；图中：左边为“五段式”高炉内型，右边为“六段式”高炉内型；除死铁层外，左边图中自下而上为：炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉；右边图中自下而上为：炉缸（沿用了原名称）、“炉下腹”（采用了新名称）、炉腰（沿用了原名称）、“炉上腹”（采用了新名称）、“炉胸”（对原炉身上2/3部分进行的重新命名）、炉喉（沿用了原名称）；图中标注的“三个”“1/3”和相应的“线段”，是用于比较和参照炉身区段所对应的高度位置；图2中“六段式”高炉内型的60º～ 80º所指部位，即“炉上腹倾角的斜度”，其图是按照70º绘制；通过对“六段式”高炉内型各部位的重新命名，特别是 对“炉下腹”、“炉上腹”和“炉胸”的命名能够看出，其名称能够更加贴切地对应人体结构。
2.2将高炉内型改为“六段式”的必然性
从高炉操作角度分析认为，将高炉内型由“五段式”改为“六段式”具有一定的必然性，其原因在于有益于适应“炉内局部料柱的快速膨胀”，有益于保持高炉“炉况顺行”；业内从事高炉操作和高炉管理的均知，保持高炉“炉况顺行”是高炉生产环节中最为重要的一环，因为一旦“炉况失常”，高炉就必须大幅度“增加焦炭释放边沿提高炉温”，而大幅度“增加焦炭释放边沿提高炉温”不仅会大幅度升高生产成本，还会大幅度增加“排碳量”；业内从事高炉操作和高炉管理的均知，保持高炉“炉况顺行”避免“炉况失常”最有效的措施，除了不遗余力地抓好和稳定住“原、燃料”质量外，还要时时刻刻照顾好炉子的“边沿气流”；所述的“边沿”是指炉内圆周上“炉墙”与“炉料”的“接触”部位；所述的“炉料”是指炉内的“含铁物料+焦炭+溶剂”的总称；所述的“炉料”在高炉内的总体形状被称为“料柱”；所述的“气流”是指炉内自下而上流动的“煤气流”；所述的“边沿气流”是指在“炉墙”与“料柱”之间流动的“煤气流”；所述的“照顾和维持好炉子的边沿气流”，就是要始终保持“炉墙”与“料柱”之间“煤气流”的畅通，用以避免炉料中已经“软化”的“含铁物料”与炉墙发生“紧密接触”；由于“炉料”中“含铁物料”在炉内有一个从“颗粒”到“软化”再到“熔化”的过程；当所述的“含铁物料”开始“软化”时，其黏度大幅度增加，当黏度较高的已经“软化”的“含铁物料”与炉墙“紧密接触”时，极易“发生黏连”，一旦“发生黏连”，轻则导致高炉“悬料”，重则导致“炉况失常”，再重则导致“炉墙周向粘结”，一旦“炉墙周向粘结”，其处理难度就非常大了，其消耗的焦炭量就非常多了；所谓的高炉“悬料”，应该就是已经“软化”的含铁物料“突然”粘结在高炉炉身下部并形成一个“凸起物”所致，即该“凸起物”能够将上部的炉料“托住”；所谓的“炉况失常”实际上也是炉墙上已经有了“粘结物”后果，其表现是高炉“下料”不正常“忽快忽慢”，炉温不正常“忽凉忽热”，并且极易发生“悬料”的情况；所谓的“严重炉况失常”或称“顽固性炉况失常”实质上就是“炉墙”圆周上已经发生了“严重粘结”；而这些往往都是从没有照顾好“边沿气流”开始引起的。
除此之外，业内还将“含铁物料”在高炉内从“软化”到“熔化”全过程的区间称为“软熔带”，其“软熔带”圆周方向靠近炉墙边沿区域部分所在位置，业内称“初始位置”或“软熔带根部”，该位置一般就在现有高炉内型“炉身下1/3的上部”；业内公认：“软熔带”纵剖面呈倒“V”形，中间高于边沿，一旦边沿部位的已经开始“软化”的“含铁物料”，与炉墙发生紧密接触时，就极易与炉墙发生“黏连”；在该部位，除已经“软化”的“含铁物料”极易与炉墙发生“黏连”外，实际上还存在一个到现在还没有人“正式”提出的“现象”就是，已经“软化”的“含铁物料”在受到上部炉料的“重力压迫”后会迫不得已地被“挤入”焦炭块之间；当一部份“含铁物料”被“挤入”焦炭块之间时，该部位“料柱”的“体积”应该是“急速横向膨胀”的，如果这时候无法为其提供一个“舒展”空间，其炉内的表现就是“透气性变差”（即料柱上、下部之间压差变大）；如果这时候能够为其创造一个“突然扩展”的空间环境，就能够减缓“挤压”，就能够明显改善因此而造成的“料柱透气性变差”问题，而“六段式高炉内型”由于有一个“突然扩展段”正好能够应对这一问题。
不仅如此，当已经开始“软化”的“含铁物料”在受到上部炉料的“重力压迫”后，如果能够让其突然进入一个“比较宽松的扩展空间”，其“含铁物料”还会依靠“自身重力较大”（或称“比重”或体积密度较大）的“优势”被“挤入”焦炭块之间，同时会把“自身重力较小”（“比重”或体积密度较小）的焦炭“向四周排挤（也可称推移）”；不难想象，被“排挤或推移”到“四周”的焦炭会首先贴近炉墙，其首先贴近炉墙的“焦炭”就能够在炉墙与“含铁物料”之间形成一个“隔离层”，有了这个“隔离层”，高炉的“边沿气流”就很容易维护，其炉墙粘结的几率必然就会有所降低，其高炉顺行程度必然就会得到改善；然而获得这一“隔离层”的前提条件就是必须要为其创造一个能够“突然扩展的空间”——“突然扩展段”，有了这个“突然扩展段”所创造的“空间”，才能够给已经“软化”的“含铁物料”创造一个能够“自由垂直向下”的机会，有了这个比较“宽松”的机会，才能够把焦炭“挤向边沿”，这极有可能就是济钢4#350m3高炉在为其创造了一个“突然扩展的空间”后，其炉况顺行程度明显优于其它高炉的关键所在。
按照从上部向下看炉内的方式看高炉内型，所谓为其创造一个“突然扩展的空间”，就是在现有“五段式”高炉内型“炉身下1/3的上部”部位设置一个“突然扩展段”；带有该“突然扩展段”的高炉内型，明显有别于现有高炉的内型，也就是本文所倡导的“六段式”高炉内型；本文所述的“六段式”高炉内型有益于“高炉顺行”的案例，就是济钢4#350m3高炉（见图1），当时该炉的“突然扩展段”即“炉身下1/3的上部”的倾角仅为80º，就已经能够显示出“炉况顺行”程度明显好于其它高炉的效果；这就不难想象，假如将该部位的“倾角”进一步减小到70º甚至60º，其高炉“顺行”程度将会更好，其防止粘结的能力将会更强；就拿一个人所共知的最简单例子来说明，比如向墙壁上“糊泥巴”要比向“天花板”上“糊泥巴”容易的多，因为糊到“天花板”上的“泥巴”是很容易“脱落”的；高炉内也是这个道理；其炉内开始“软化”的含铁物料，如果“粘在”80º、70º甚至60º的部位肯定会比“粘在”84º（指原炉身角度）部位更容易脱落，因此，将高炉内容易发生粘结的部位设置一个角度比较小的“突然扩展段”是非常有意义的，也是非常必要的，也是非常容易实现的！因为只要利用高炉大修或者中修机会，通过重新设计安装炉腰至炉身下部的炉壳，或者在保持炉壳不变的情况下，只通过重新设计制造炉腰至炉身下部的冷却壁就能够实现。
2.3、“六段式高炉内型”的有益效果：
1）、将高炉内型由“五段式”改为“六段式”后，由于炉内最容易粘结部位的“倾角”减小，不仅有益于减少高炉崩、悬料次数，能够减少炉墙粘结几率，而且即使粘结了也有益于粘结物脱落，有益于降低处理难度，因而有益于加快炉况的恢复速度，有益于提高高炉顺行程度。
2）、将高炉内型改为“六段式”后，由于新增了“突然扩展段”，因此，能够有效减缓因“炉料膨胀相互挤压”而造成的炉内透气性变差问题，因而能够改善炉内“料柱”透气性。
3）、将高炉内型改为“六段式”后，由于新增“区段”的倾角较小部位“炉墙不容易粘结”，因而“炉墙周向粘结”等重大事故的发生几率会明显降低，因此，其总体能耗会有所减少。
4）、将高炉内型改为“六段式”后，由于开始“软化”的“含铁物料”在受到上部炉料的“重力压迫”时，能够突然进入一个“比较宽松的突然扩展段”，因而能够减少“煤气通道”被堵塞的几率。
5）、当炉料在炉内下降过程中，其“比重”或称“体积密度”较大，即“自身重量较大”的“含铁物料”，在受到上部炉料的压迫后，往往会迫不得已地被“挤入”焦炭块与焦炭块之间，并把“比重”较轻或称体积密度较小“自身重量较轻”的焦炭“向四周排挤”（也可称“向四周推移”），当这一情况发生的同时再遇上一个比较宽松的环境，即“六段式高炉内型”的“突然扩展段”时，就能够致使一小部分“焦炭”率先贴近炉墙，因此，能够使一小部分“焦炭”在炉墙与“含铁物料”之间形成很薄的“隔离层”，依靠这个“隔离层”，将会大幅度降低炉墙粘结的几率，从而改善高炉顺行程度，并降低“边沿气流”的维护难度；
6）、将高炉内型改为“六段式”后，由于新增“区段”倾角较小，不仅能够使“炉墙不容易粘结”，而且其上部的“散料层”还能够对“边沿煤气流进行适当逆制”；实践证明，济钢4#350m3高炉实施上述“内型优化”时，其边沿部位炉喉煤气CO2曲线的CO2含量明显要比其它高炉高出2至3个百分点，充分说明其煤气利用率是有所提高的，其煤气利用率的提高是能够降低焦比和降低生产成本的；
7）、由于上述优势的体现，将高炉内型改为“六段式”后，还能够对入炉炉料进行进一步优化，以便于在充分保证炉况顺行的前提下，选择利用较低成本的炉料，以便于降低生产成本，提高企业经济效益；
8）、将高炉内型改为“六段式”后，由于炉腰内部“空间增大”，还将有益于在“炉腰下部”喷吹还原气，特别是对于具有氢气资源或焦炉煤气资源的厂家来讲，能够在“炉腰下部”喷吹不经过“预热”的氢气或者焦炉煤气。
3、结语
济钢4#350m3高炉采用“六段式”高炉内型后，开炉几天后高炉操作者就感受到“顺行程度好容易操作”，而且产量明显优于其它高炉；停炉后进入炉内观察发现，冷却壁表面非常干净，圆周上非常均匀，冷却壁损坏率明显少于以往；其冷却壁损坏率少就能够代表高炉炉体寿命有所延长；上述情景不仅给笔者留下深刻的印象，而且使笔者认识到，炉内圆周均匀干净才是炉况顺行炉体长寿的关键，而该炉炉内圆周均匀干净则是“六段式”高炉内型所起的作用；由于此事使笔者印象深刻久久不忘，才有意撰写此文，以便于告诉业内同行：将高炉内型改为“六段式”，对于高炉来讲“只有好处没有坏处”！希望能够引起高炉工作者和有关领导的重视，以便于利用高炉大中修机会安排实施；另外还想说明，利用高炉大中修机会将高炉内型改为“六段式”，如果不动炉壳只改冷却壁，其花费与常规大中修多不了多少，由此看出，实施该改造是一项投资少见效快的项目，非常值得推广。