現代高爐長壽技術的理論思考

目前，高爐煉鐵仍是生產效能最高的煉鐵工藝。在未來資源、能源、環(huán)境可承載的條件下，實現高爐煉鐵的綠色化、智能化轉型升級和可持續(xù)發(fā)展，必須建立新的發(fā)展理念。耗散結構和自組織理論是研究復雜開放系統(tǒng)演變過程機理及其規(guī)律的新理論，對于指導高爐煉鐵協(xié)調發(fā)展與技術創(chuàng)新具有重要意義。本文闡述了系統(tǒng)論、耗散結構和自組織理論的核心觀點，提出了高爐煉鐵物質流通量參數、能量流通量參數、熱流通量參數的概念及其物理意義。指出了未來高爐煉鐵技術的發(fā)展理念、目標及方向，論述了運用自組織理論，通過高爐爐體功能、結構和效率的協(xié)同優(yōu)化，實現高爐全壽命周期的動態(tài)自組織優(yōu)化。提出并探討了構建具有自組織特性的“自感知-自適應-自保護-自維護”爐體結構的方法及其路徑。

關鍵詞  耗散結構  開放系統(tǒng)  自組織  高爐 長壽 結構優(yōu)化

1  引言

現代高爐煉鐵已有近200年的歷史，經歷了多次重大的技術變革與創(chuàng)新，不斷演進發(fā)展，漸趨至臻完善。當前，在全球范圍內，高爐煉鐵工藝流程仍占有主導地位，預計到21世紀中葉，高爐煉鐵工藝流程的主導地位將不會發(fā)生根本性變化，高爐仍然是鐵礦石還原和優(yōu)質生鐵的主流生產裝置。進入21世紀以來，中國作為世界第一產鐵大國，高爐煉鐵技術進步及其成就全球矚目，在高爐大型化、裝備現代化等方面取得重大進展舉世公認；高爐生產技術指標不斷提升，許多大型高爐都已進入國際先進行列[1]。應當看到，在高爐煉鐵技術取得長足進步的同時，高爐壽命依然在不同程度上成為制約高爐穩(wěn)定生產的短板，一些現代化大型高爐投產不久就出現了爐缸燒穿或銅冷卻壁大量損壞等嚴重事故，高爐安全生產受到嚴重威脅[2]。在研究解析高爐異常破損原因、采取有效措施延長高爐壽命的同時，應當建立起新的高爐長壽技術理念、理論和方法，構建自感知-自適應-自維護-自修復的高爐長壽技術理論體系，從根本上解決制約高爐壽命的關鍵技術難題，形成現代高爐長壽關鍵共性技術，并在工程實踐中實施應用，在現有技術的基礎上，進一步延長高爐壽命，實現高爐煉鐵綠色化、智能化多目標協(xié)同發(fā)展。

2  高爐煉鐵技術創(chuàng)新發(fā)展理念

未來鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須充分研究市場需求、產品競爭力和資源-能源-環(huán)境的承載能力，實現低碳綠色化發(fā)展[3]。對于具體的鋼鐵廠而言，要根據全廠的產量規(guī)模、產品結構、總圖布局，以實現物質流、能量流和信息流動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、高效耦合運行為目標，合理確定高爐的座數和高爐容積[4]。在鋼鐵行業(yè)供給側結構性調整、淘汰落后、轉型升級的宏觀經濟形勢下，不宜過分追求鋼鐵廠產能和產量，要轉變以粗放型產能規(guī)模擴張的發(fā)展道路，堅持走集約化、綠色化、智能化、品牌化的可持續(xù)發(fā)展之路。

高爐大型化和裝備現代化是中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要方向和路徑，必須堅持鋼鐵廠流程結構優(yōu)化前提下的大型化，以實現鋼鐵制造流程的動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、集約高效、耗散優(yōu)化為目標。未來中國鋼鐵工業(yè)的結構調整與優(yōu)化，將以去產能、減量化發(fā)展為前提，淘汰落后、流程優(yōu)化、結構調整、技術升級勢在必行。因此在高爐設計建造過程中，應當以整個鋼鐵制造流程協(xié)同優(yōu)化的視角，站在鋼鐵廠生存發(fā)展的全局性戰(zhàn)略層次上，以構建鋼鐵制造全流程要素-結構-功能-效率協(xié)同優(yōu)化為關注點，實現燒結、球團、焦化、煉鋼、軋鋼以及全廠能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，同時注重流程網絡的耗散優(yōu)化、重構優(yōu)化和時空關系，使物質流、能量流和信息流實現高效耦合“層流式”運行，提高運行效率和運行質量。總體看來，未來中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，必須堅持以去產能、減量化為基本方針，持續(xù)開展鋼鐵產業(yè)結構調整和優(yōu)化升級，通過淘汰落后、技術改造和裝備升級，優(yōu)化鋼鐵制造流程及其網絡結構，構建鋼鐵制造流程耗散優(yōu)化的自組織體系，實現市場-產品-質量與資源-能源-環(huán)境的和諧有序發(fā)展。

3  高爐爐體的功能優(yōu)化

3.1  高爐煉鐵的物理本質

高爐煉鐵是鐵氧化物（燒結礦、球團礦、塊礦等）以焦炭（及煤粉）作為主要燃料和還原劑，在高爐內經過一系列的物理-化學反應和冶金傳輸過程，生產出液態(tài)生鐵的冶金工藝過程，焦炭是高爐煉鐵工藝不可或缺的料柱骨架。其物理本質是鐵素物質流在碳素能量流的驅動和作用下，按照設定的運行程序，沿著特定的流程網絡動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運行，實現鐵素物質流和碳素能量流在整個流程范圍內流動并轉變/轉換的過程。

高爐冶煉進程是典型的豎爐逆流移動床過程，下降爐料與上升煤氣流在相向運動過程中，經過一系列的物理-化學反應與傳輸過程，完成鐵氧化物的還原和滲碳，最終形成液態(tài)生鐵。由此可見，高爐煉鐵區(qū)別于非高爐煉鐵的重要工藝特征，主要表現在兩個方面：一是采用焦炭作為主要燃料、還原劑、滲碳劑和料柱骨架；二是其產品為液態(tài)生鐵。

3.2  高爐爐體的功能解析

3.2.1  冶金反應器

對于高爐-轉爐長流程鋼鐵廠而言，高爐在整個鋼鐵制造流程中的作用至關重要，是全流程物質流和能源流轉變/轉換的核心關鍵環(huán)節(jié)[5]。因此，高爐冶煉過程要求是連續(xù)-穩(wěn)定運行，穩(wěn)定順行成為高爐操作的核心要素。

高爐冶煉過程的冶金傳輸過程及反應和物質流、能量流的轉變/轉換都是在高爐爐體內完成的，高爐爐體是一個復雜的高溫、高壓、密閉冶金反應器，高爐冶煉則是多元-多相（態(tài)）復雜巨系統(tǒng)，是復雜的、開放的、遠離平衡的不可逆過程，是有大量物質、能量和信息輸入/輸出的耗散結構。高爐爐體的本質功能，是保障高爐冶煉進程連續(xù)穩(wěn)定運行的高效長壽冶金反應器，其生產效率和質量要滿足鋼鐵廠對鐵水供應的需求；其壽命周期要持續(xù)15~20年甚至更長。

3.2.2  高爐爐體的流程結構

經過近200年的演進，現代高爐已經形成了爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸、死鐵層“六段式”的爐體結構，爐體每個部位都有著不同的功能和作用。對于高爐冶煉過程而言，連續(xù)穩(wěn)定運行是其重要的工藝特征。正是在這樣一個特定的高溫、高壓、密閉的流程結構中，大通量物質流和能量流的輸入/輸出，并完成物質流、能量流的轉變/轉換。下降爐料從爐喉到爐缸，物質的形態(tài)、成分、溫度、性能等因子發(fā)生了巨大變化；焦炭（煤粉）在風口前燃燒形成高爐煤氣，煤氣流與下降爐料逆行向上運動，經過爐缸、爐腹、爐腰、爐喉至爐頂，能量的形態(tài)、矢量、勢量等因子也發(fā)生了巨大變化。基于耗散結構和冶金流程工程學理論，可以將高爐爐體視為一個物質流和能量流做動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)流動的流程路徑（結構），進而言之，高爐爐體是高爐煉鐵工序中核心關鍵的流程結構。在這個流程結構中，既有鐵礦石、焦炭、煤粉、熱風等物質或能量的輸入，也有鐵水、爐渣、煤氣等物質或能量的輸出。同時，在高爐冶煉過程中，伴隨著物質和能量的輸入/輸出，信息也在不斷地輸入/輸出。從微觀尺度分析，高爐冶煉過程表現為質量傳輸、熱量傳輸、動量傳輸和一系列物理-化學冶金反應工程的集成；從宏觀尺度分析，高爐冶煉過程表現為物質流（特別是鐵素物質流）、能量流（特別是碳素能量流）和信息流在高爐爐體特定的物理空間內做動態(tài)耦合運行。

因此，高爐爐體作為高爐冶煉的核心流程結構，從高爐生產運行角度看，高爐爐體結構直接影響高爐的穩(wěn)定、順行，進而影響高爐生產的高效、優(yōu)質、低耗和長壽。從冶金流程工程學角度看，高爐爐體結構則直接影響整個鋼鐵制造流程的物質流、能量流和信息流動態(tài)耦合運行的效率和效果。由此可以推論，高爐長壽不僅是高爐生產穩(wěn)定順行的重要基礎和前提，在整個鋼鐵制造流程的時空尺度上，高爐長壽也是維持冶金流程長期連續(xù)、協(xié)同穩(wěn)定、動態(tài)運行的基礎和前提。

3.3  高爐爐體的功能集成

組成高爐爐體的各個子系統(tǒng)（單元），其功能和作用也不盡相同。爐殼是保障高爐爐體具有一定強度和剛度且具有承壓密封功能的鋼結構，其功能是固定爐體冷卻器，支撐爐頂設備、煤氣上升管，承受爐體附屬設備的荷載，因此爐殼是維持高爐爐體的基本結構（骨架結構）。冷卻對于現代高爐爐體長壽至關重要，爐體冷卻結構經過不斷演進發(fā)展，目前現代高爐已形成了以冷卻壁為主流的爐體冷卻模式，特別是在爐腹至爐身下部高熱負荷區(qū)域采用銅冷卻壁，使高爐爐腹至爐身區(qū)域從厚壁結構演進為薄壁結構，甚至演化為“無襯結構”，從而減少甚至擺脫了對耐火材料的依賴。依靠銅冷卻壁的高效冷卻作用，以快速形成保護性渣皮作為“動態(tài)自生爐襯”，為高爐長壽奠定了基礎。應當說通過冷卻壁材質和結構的優(yōu)化，銅冷卻壁的研發(fā)和應用，使高爐冷卻壁的功能實現優(yōu)化，爐體高熱負荷區(qū)的冷卻效率得到優(yōu)化，進而實現了爐體結構的優(yōu)化。

毋庸置疑，銅冷卻壁的應用實現了高爐冷卻壁結構-效率-功能的協(xié)同優(yōu)化。冷卻器的主要功能是為耐火材料內襯提供有效的冷卻，降低耐火材料內襯的熱應力和熱面溫度，促進在耐火材料內襯熱面形成自生的、動態(tài)的保護性渣皮（渣鐵殼），進而延長耐火材料內襯的使用壽命。對于爐腹至爐身中下部區(qū)域，當冷卻壁內側的爐襯侵蝕消失以后或取消銅冷卻壁內側爐襯結構時，依靠冷卻壁的有效傳熱，能夠在冷卻壁熱面直接形成動態(tài)性渣皮，即所謂“動態(tài)自生爐襯”。與此同時，冷卻器還有保護爐殼、降低爐殼溫度，從而延長爐殼使用壽命的作用。高爐內襯是由耐火材料構成的高爐冶金反應器的磚襯砌體（局部也可以是不定型耐火材料），一般是由若干種異質-異構、功能不同的耐火材料所組成。隨著銅冷卻壁的廣泛應用，爐腹至爐身區(qū)域普遍采用薄壁內襯結構，爐襯厚度一般100~150mm，而且與冷卻壁鑲磚融為一體，成為磚壁一體化薄壁結構。還有不少高爐開爐之前，僅在高爐爐腹至爐身區(qū)域的冷卻壁熱面噴涂一層厚度約100mm的不定型耐火材料保護層，取消了磚襯砌體和冷卻壁的鑲磚結構。直至目前，高爐爐缸爐底耐火材料內襯仍是不可或缺且無法替代的結構，而且對爐缸爐底耐火材料內襯的材質、質量和結構要求更加嚴格，具有導熱性、抗鐵水滲透性和抗鐵水熔蝕性優(yōu)異的炭磚則是必不可少的功能材料。

高爐爐缸是高爐冶煉過程的起始和終結，也是高爐冶煉進程中冶金傳輸和物理-化學反應最為集中的區(qū)域，是典型的多元-多相態(tài)復雜系統(tǒng)。爐缸爐底還是高溫液態(tài)渣鐵積聚的區(qū)域，爐缸爐底內襯工作條件惡劣，承受著高溫熱應力、鐵水滲透、化學侵蝕、機械沖刷磨損等各類破壞作用。而高爐爐缸爐底的使用壽命決定著高爐一代爐役壽命，是延長高爐壽命的核心關鍵環(huán)節(jié)。因此，延長高爐壽命的技術難點和重點就是要有效延長高爐爐缸爐底的使用壽命。

4  耗散結構與爐體結構優(yōu)化

4.1  耗散結構優(yōu)化

高爐爐體冷卻耗散結構優(yōu)化的設計方法和思維進路應當是：①采用純水（或軟水）密閉循環(huán)冷卻技術；②參照高爐爐體熱流強度進行傳熱學計算得出爐體總的最大熱流通量，再計算出冷卻水量、冷卻水溫差，進而設定出進水溫度與出水溫度；③根據冷卻水的換熱量，確定出冷卻水熱交換器的能力、型式和規(guī)格；④計算脫氣罐、膨脹罐、穩(wěn)壓罐等罐組的容量及結構參數；⑤設計冷卻系統(tǒng)工藝流程，初步確定供回水管網參數，計算管網系統(tǒng)的阻力損失；⑥根據計算管網系統(tǒng)阻力計算結果，確定循環(huán)泵組的優(yōu)化配置（揚程、臺數、工作制度及布置方式）；⑦設計系統(tǒng)各關鍵節(jié)點的流量、壓力、溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)，數據的自動采集與處理，構建信息流網絡，使系統(tǒng)具備智能化調控的功能；⑧評估冷卻系統(tǒng)的頂層設計，重點關注冷卻系統(tǒng)的安全性和可靠性，確定備用電源供電、配置事故差油泵、供回水管道安全供水可靠性分析評價等[7]。

4.2  爐體結構優(yōu)化

高爐爐體結構優(yōu)化的核心關鍵，是要構建具有自組織特性的“自感知-自適應-自維護-自修復”的爐體長壽結構。高爐的結構特性和連續(xù)運行的工藝特征，使高爐爐體結構必須長期適應高爐冶煉過程的各種影響和破壞，具備抵抗惡性事故的可靠性、安全性和耐久性。遵循自組織理論，高爐爐體的功能拓展與功能集成是現代高爐區(qū)別于傳統(tǒng)高爐的重要之處，現代高爐的多功能化和功能集成體現在應當具備優(yōu)質鐵水生產、高效能源轉換和消納廢棄物并實現資源化的功能。因此，功能優(yōu)化是現代高爐煉鐵發(fā)展理念的重要創(chuàng)新。毋庸置疑，高爐爐體是實現高爐煉鐵“高效、優(yōu)質、低耗、長壽、安全”多目標優(yōu)化的載體。

為適應高爐功能優(yōu)化，爐體結構優(yōu)化應當以全壽命周期的時間尺度，從高爐的設計、建造、運行、維護各個階段都必須給予足夠的重視。高爐爐體靜態(tài)結構的優(yōu)化重點是高爐設計和建造，尤其是高爐爐體結構設計，關乎到高爐的全壽命周期。高爐爐體結構設計的本質就是構建高效協(xié)同的高爐爐體自組織體系，應當建立耗散結構自組織體系優(yōu)化的理念，遵循冶金學、傳熱學和材料科學的基礎理論，采用概念設計-頂層設計-動態(tài)精準設計-仿真優(yōu)化設計的系統(tǒng)設計方法，經過綜合-權衡-選擇-評估-決策的過程，以高爐全壽命周期和高爐爐體整體結構為關注點，注重頂層設計，通過空間結構設計優(yōu)化實現爐體綜合功能的協(xié)同優(yōu)化。

爐體結構設計優(yōu)化的思路和方法是：①以物質流和能量流通量參數為基礎，設計合理的高爐內型，為高爐穩(wěn)定順行和高效長壽奠定基礎；②高爐爐體結構的選擇與確定；③高效冷卻器參數與結構設計；④爐缸爐底的冷卻和耐火材料結構設計優(yōu)化；⑤采用傳熱學和材料力學數值仿真計算方法評估驗證冷卻器與爐缸爐底內襯的溫度場、應力場等；⑥高爐爐殼傳熱學和彈塑性力學數值仿真計算、材質選擇、結構設計。

4.3  高爐運行與維護的自組織

高爐建造過程中，必須以工程設計為依據，科學組織、統(tǒng)籌管理，兼顧質量、進度、成本等要素，精細施工、精益管理，不宜片面追求工期進度或降低成本，應以質量為核心實現多目標協(xié)同優(yōu)化。無數的案例證實，高爐施工建造過程的質量問題和安全隱患，是造成高爐短壽、出現惡性事故的直接原因，損失慘重、教訓深刻，必須加強工程建造管理，提高施工水平，保證高爐一代爐役期間生產安全穩(wěn)定。

高爐長壽的實質就是保持高爐一代爐役期間的合理操作爐型[8]。高爐投產以后，根據高爐爐型的演變進程可以劃分為操作爐型形成期、操作爐型穩(wěn)定期和操作爐型維護期三個階段。高爐生產中，要通過精料、爐料分布控制、煤氣流分布控制、爐體冷卻與熱負荷管理、渣鐵流動控制等措施，保持高爐全壽命周期的合理操作爐型。高爐生產操作的調控，實質上就是對高爐冶煉過程的“他組織”，是物質、能量和信息的輸入過程。高爐冷卻系統(tǒng)的調控、含鈦物料的加入等措施則主要是為了維護高爐爐體長壽，在高爐運行的狀態(tài)下，通過高爐系統(tǒng)的自組織特性和自組織體系，促進形成動態(tài)的、自生的“保護性渣皮”，即所謂“自生爐襯”，通過自生爐襯的動態(tài)生成-漲落，實現高爐爐體具有自組織功能的自維護和自修復，從而延長高爐壽命[9]。

未來高爐智能化的一個重要特征是要建立起自感知-自適應-自維護-自修復的爐體結構，在自動化、數字化、信息化的基礎上，構建高爐爐體溫度、壓力、流量、應力/應變的精準監(jiān)測和大數據分析處理，形成基于高爐冶煉-爐體長壽耦合的信息流管控體系，精準操作、精準護爐，實現與鐵素物質流、碳素能量流和集成信息流高效耦合運行的協(xié)同管理。

5  結語

（1）高爐煉鐵要實現綠色化、智能化發(fā)展，必須建立新的技術發(fā)展理念，以適應經濟社會發(fā)展的要求。在資源、能源和環(huán)境可承載的前提下，加大供給側結構性調整，淘汰落后產能和工藝裝備，推動技術進步和轉型升級。

（2）運用耗散結構自組織理論，構建高爐煉鐵動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)和耗散優(yōu)化的流程體系，創(chuàng)新具有“自感知-自適應-自維護-自修復”功能的長壽爐體結構，積極采用高爐長壽創(chuàng)新理念、理論和方法，以高爐一代爐役全壽命周期為視角，注重高爐的概念設計、頂層設計和動態(tài)精準設計，促進物質流、能量流和信息流流程結構優(yōu)化、實現高效耦合運行。

（3）高爐運行過程中，通過大數據、信息流的智能化管理，提高精準化智能操作水平，動態(tài)在線監(jiān)測和調控爐體運行狀態(tài)，增強高爐爐體的自組織性和自組織功能，保障高爐冶煉穩(wěn)定順行，進而實現高爐煉鐵高效、優(yōu)質、長壽、安全多目標協(xié)同優(yōu)化。