山東泰鋼1780m3高爐爐體長壽設(shè)計(jì)與實(shí)踐

何士義等

【摘 要】 本文介紹了山東泰鋼1780m3高爐爐體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，針對影響高爐一代壽命的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)上采取了一系列的關(guān)鍵技術(shù)。高爐投產(chǎn)以來，爐況穩(wěn)定順行，生產(chǎn)指標(biāo)良好，爐體冷卻設(shè)備無破損，爐底爐缸工作狀態(tài)良好。

【關(guān)鍵詞】 爐體 設(shè)計(jì) 長壽 爐型

山東泰山鋼鐵公司在淘汰其南區(qū)5座小高爐的基礎(chǔ)上新建2座1780m3高爐，由中冶京誠工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，2座高爐設(shè)計(jì)年總產(chǎn)量303萬噸，分別于2011年12月和2012年3月投產(chǎn)。高爐以“先進(jìn)、實(shí)用、長壽、高效”為設(shè)計(jì)原則，大量采用國內(nèi)外高爐先進(jìn)、成熟技術(shù)。目前2座高爐在入爐礦綜合品位57.4%，風(fēng)溫1210℃的情況下，平均利用系數(shù)在2.4t/（m3·d）以上，入爐焦比369kg/t，煤比158kg/t，煤氣利用率49.5%。開爐至今高爐生產(chǎn)指標(biāo)良好，爐體冷卻設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定無破損，爐底爐缸工作狀態(tài)良好。

1 高爐本體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為滿足高爐高效、長壽的要求，在設(shè)計(jì)方面采用了一系列成熟、可靠的技術(shù)，同時(shí)又充分考慮泰鋼的操作習(xí)慣，最終確定爐體的設(shè)計(jì)方案，其主要特點(diǎn)如下：

（1）采用磚壁合一的薄壁爐襯結(jié)構(gòu)，并在高熱負(fù)荷區(qū)采用銅冷卻壁解決爐腹、爐腰至爐身下部區(qū)域冷卻設(shè)備易損壞的難題[1]；（2）采用成熟的、適當(dāng)矮胖爐型，同時(shí)考慮薄爐襯與厚爐襯高爐爐型設(shè)計(jì)差異，適當(dāng)加大爐腰直徑，減小爐身和爐腹角，適當(dāng)加深死鐵層等，其目的是改善料柱透氣性，延長高爐壽命；（3）爐腹銅冷卻壁與風(fēng)口帶鑄鐵冷卻壁合理銜接技術(shù)[1]的運(yùn)用，極大的提高了冷卻壁掛渣的穩(wěn)定性，降低了冷卻設(shè)備的損壞幾率；（4）采用優(yōu)質(zhì)耐火材料和可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高爐底爐缸的壽命；（5）軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)以及合理的冷卻結(jié)構(gòu)是長壽的重要保障；（6）采用了完善、可靠的高爐檢測系統(tǒng)。

2 合理的高爐內(nèi)型

高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)不但要確定砌筑內(nèi)型的合理性，而且要與生產(chǎn)后的操作內(nèi)型相適應(yīng)。磚壁合一的薄壁高爐爐型基本上就是操作爐型，在一代爐役內(nèi)其操作爐型基本維持不變，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮爐型對高爐順行、穩(wěn)定、高產(chǎn)和煤氣利用率的影響，為此，在總結(jié)同類容積高爐內(nèi)型尺寸的基礎(chǔ)上，結(jié)合泰鋼的操作習(xí)慣和原燃料條件，確定了本高爐的爐型尺寸。

從爐型來看，考慮了薄爐襯與厚爐襯高爐爐型設(shè)計(jì)差異，適當(dāng)加大爐腰直徑，減小爐身和爐腹角；考慮泰鋼的操作習(xí)慣和原燃料條件，對爐型進(jìn)行了適當(dāng)矮胖處理，其目的是改善料柱透氣性，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)；適當(dāng)加深了死鐵層深度，本次死鐵層深度是爐缸直徑的21.5%，有利于減輕鐵水環(huán)流對爐缸耐火材料的沖刷，減輕爐缸處的“蒜頭狀”侵蝕。

3 爐體冷卻結(jié)構(gòu)

3.1 爐腹、爐腰至爐身下部區(qū)域銅冷卻壁的應(yīng)用

爐腹、爐腰、爐身下部是實(shí)現(xiàn)高爐長壽的關(guān)鍵部位。此區(qū)域處于軟熔帶區(qū)，爐料磨損沖刷、渣鐵化學(xué)侵蝕、軟融帶根部反復(fù)上下移動(dòng)產(chǎn)生的熱震等破壞同時(shí)存在，是高爐工況最惡劣的區(qū)域之一。實(shí)踐證明采用銅冷卻壁是解決該區(qū)域長壽的最有效手段。此高爐在爐腹、爐腰、爐身下部設(shè)計(jì)4段帶肋銅冷卻壁，壁體厚度115mm，冷鑲150mm厚微孔鋁炭磚。

3.2 爐腹銅冷卻壁與風(fēng)口鑄鐵冷卻壁的合理銜接

磚壁合一的薄爐襯高爐，銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁的厚度以及砌磚要求的差別較大，因此出現(xiàn)了二者的銜接過渡問題[2]，尤其是爐腹銅冷卻壁與風(fēng)口冷卻壁之間的銜接。過分追求爐腹銅冷卻壁磚襯的熱面與高爐內(nèi)型線一致，以及爐腹區(qū)銅冷卻壁的安裝角度與設(shè)計(jì)的爐腹角保持一致容易導(dǎo)致銜接不合理，造成冷卻壁結(jié)合部的燒損。

此高爐爐腹區(qū)域采用一段反凸臺(tái)銅冷卻壁和特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)口區(qū)鑄鐵冷卻壁相銜接，凸臺(tái)本身也有冷卻功能，相當(dāng)于在風(fēng)口區(qū)鑄鐵冷卻壁上面安裝一環(huán)冷卻板。該結(jié)構(gòu)能很好地保護(hù)與之相接的風(fēng)口區(qū)鑄鐵冷卻壁。為了保持必要的風(fēng)口帶磚襯厚度，爐腹區(qū)域銅冷卻壁的安裝角度（82°）大于設(shè)計(jì)的爐腹角，此種結(jié)構(gòu)已在多座高爐上成功應(yīng)用并取得了良好的使用效果。

4 爐底爐缸結(jié)構(gòu)

4.1 爐底爐缸耐材結(jié)構(gòu)

爐底爐缸壽命是高爐長壽的限制性環(huán)節(jié)之一，此高爐采用了大塊國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)炭塊+陶瓷杯這種復(fù)合爐底爐缸結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的爐底爐缸傳熱體系，具體方案為：

爐底設(shè)置5層400mm厚的滿鋪炭磚，從下往上依次為：1×400mm石墨磚+1×400mm半石墨炭磚+2×400mm微孔炭磚+1×400mm超微孔炭磚；炭磚上再砌筑2×400mm厚小塊剛玉莫來石陶瓷墊。

爐缸采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大塊炭磚+小塊微孔剛玉陶瓷杯結(jié)構(gòu)，其中鐵口及鐵口以下區(qū)域，由于鐵水環(huán)流沖刷侵蝕比較嚴(yán)重，容易形成“蒜頭狀”侵蝕，因此采用了超微孔炭磚；鐵口以上采用微孔炭磚。

這種復(fù)合爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分利用了陶瓷杯保溫性能好，抗鐵水侵蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在爐役初期既能起到良好的保溫作用，降低冶煉能耗；又能抵御高爐操作磨合期的異常爐況帶來的熱沖擊。在陶瓷杯損壞后，爐缸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)熱型”結(jié)構(gòu)，又能充分發(fā)揮炭磚導(dǎo)熱性能良好的優(yōu)勢，同時(shí)在爐缸關(guān)鍵區(qū)域采用了綜合性能更加優(yōu)良的超微孔炭磚，確保爐缸壽命。

根據(jù)以上爐底爐缸結(jié)構(gòu)以及耐材的特性，計(jì)算得到爐底爐缸溫度場見圖2。計(jì)算表明1150℃和800℃等溫線位于陶瓷杯內(nèi)，所有炭磚均在800℃以下的溫度區(qū)間工作，從傳熱方面來看，爐底爐缸耐材結(jié)構(gòu)是合理的。

4.2 爐底爐缸水冷結(jié)構(gòu)

爐底爐缸冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必需與耐材的特性相適應(yīng)才能確保高爐的長壽?？紤]到爐底耐材較厚，爐底水冷管設(shè)計(jì)在爐底封板以下，既滿足了爐底冷卻要求，又有利于爐底煤氣的密封。爐缸采用灰鐵光面冷卻壁，冷卻壁和爐底水冷管管徑均為φ76×6mm，爐底爐缸均采用軟水密閉循環(huán)冷卻，冷卻壁為4進(jìn)4出一串到頂?shù)倪B接方式，具體冷卻參數(shù)如下：

從計(jì)算來看，爐底水冷管在爐役前期的水溫升～1.07℃，爐役后期水溫升～4.13℃；爐缸第1～5段冷卻壁在爐役初期和后期的水溫升分別約0.50℃和1.43℃，爐底與爐缸冷卻能力均能滿足整個(gè)爐役階段的冷卻要求。endprint

5 軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)

泰鋼1780m3高爐爐體采用軟水密閉循環(huán)冷卻工藝。從高爐軟水泵站出來的軟水送到爐前，分成兩部分供給高爐爐體：①爐底冷卻用水375m3/h，從爐底出來的軟水與風(fēng)口大套串級(jí)使用。②冷卻壁冷卻水3250m3/h，水速1.8m/s，冷卻水管以豎向方式自下而上串接，一直到喉磚下部的冷卻壁。③風(fēng)口中套冷卻水520m3/h。這三部分的軟水回水進(jìn)入冷卻壁回水總管， 經(jīng)過脫氣罐脫氣和膨脹罐穩(wěn)壓，最后回到軟水泵房，經(jīng)過換熱器冷卻再循環(huán)使用。設(shè)計(jì)全爐水溫升在3～6℃左右，換熱器的換熱能力按照水溫升12℃設(shè)計(jì)。

6 完善的爐體檢測

完善的爐體檢測系統(tǒng)是高爐安全生產(chǎn)和長壽的重要保障。本高爐在爐底爐缸設(shè)置爐襯測溫?zé)犭娕?、冷卻壁熱電偶，用以檢測爐底爐缸部位的溫度分布、推斷爐底爐缸的侵蝕狀況；爐體冷卻壁設(shè)置了測溫?zé)犭娕加糜谂袛嗬鋮s壁的損壞狀況和掛渣厚度；設(shè)置爐身靜壓（壓差）測量裝置，以計(jì)算料柱阻損，指導(dǎo)高爐的布料操作；在爐頂采用紅外線攝象儀，配合爐頂布料操作；軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有溫度、壓力、流量、液位等檢測系統(tǒng)以保證水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

7 高爐目前運(yùn)行狀況

目前1#高爐入爐礦綜合品位57.36%，風(fēng)溫1204℃的情況下，利用系數(shù)2.34t/（m3·d），入爐焦比371kg/t，煤比158kg/t，燃料比529 kg/t，煤氣利用率49.6%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3300t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度50℃，爐底封板處溫度103℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為230℃、195℃。2#高爐入爐礦綜合品位57.39%，風(fēng)溫1220℃的情況下，利用系數(shù)2.48t/（m3·d），入爐焦比366kg/t，煤比158kg/t，燃料比524 kg/t，煤氣利用率49.4%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3312t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度49℃，爐底封板處溫度124℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為205℃、144℃?？傮w來看，兩座高爐開爐至今，爐況穩(wěn)定，生產(chǎn)指標(biāo)良好；爐體冷卻設(shè)備無破損，爐底爐缸內(nèi)襯工作狀態(tài)良好。

8 結(jié)語

泰鋼2座1780m3高爐在設(shè)計(jì)上采用了多項(xiàng)爐體長壽技術(shù)，投產(chǎn)1年多以來，高爐運(yùn)行正常，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，部分指標(biāo)已進(jìn)入國內(nèi)先進(jìn)行列。從高爐檢測數(shù)據(jù)顯示，高爐爐襯和冷卻壁溫度都在正常工作范圍內(nèi)，冷卻壁無破損，爐底爐缸內(nèi)襯無明顯侵蝕。

高爐長壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其壽命能否達(dá)到預(yù)期主要取決于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備及材料質(zhì)量、生產(chǎn)操作與維護(hù)。雖然目前2座高爐運(yùn)行狀況良好，但運(yùn)行時(shí)間還不長，需要在生產(chǎn)管理和爐體維護(hù)方面繼續(xù)努力，使該高爐達(dá)到“高效、長壽、節(jié)能、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]王澤慜，張波，李學(xué)金等.國內(nèi)冷卻設(shè)備的進(jìn)步及對爐體下部結(jié)構(gòu)的探討.2010-2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì).

[2]吳啟常，魏麗.薄壁高爐內(nèi)型設(shè)計(jì).煉鐵，2011.4，30（2）.endprint

5 軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)

泰鋼1780m3高爐爐體采用軟水密閉循環(huán)冷卻工藝。從高爐軟水泵站出來的軟水送到爐前，分成兩部分供給高爐爐體：①爐底冷卻用水375m3/h，從爐底出來的軟水與風(fēng)口大套串級(jí)使用。②冷卻壁冷卻水3250m3/h，水速1.8m/s，冷卻水管以豎向方式自下而上串接，一直到喉磚下部的冷卻壁。③風(fēng)口中套冷卻水520m3/h。這三部分的軟水回水進(jìn)入冷卻壁回水總管， 經(jīng)過脫氣罐脫氣和膨脹罐穩(wěn)壓，最后回到軟水泵房，經(jīng)過換熱器冷卻再循環(huán)使用。設(shè)計(jì)全爐水溫升在3～6℃左右，換熱器的換熱能力按照水溫升12℃設(shè)計(jì)。

6 完善的爐體檢測

完善的爐體檢測系統(tǒng)是高爐安全生產(chǎn)和長壽的重要保障。本高爐在爐底爐缸設(shè)置爐襯測溫?zé)犭娕?、冷卻壁熱電偶，用以檢測爐底爐缸部位的溫度分布、推斷爐底爐缸的侵蝕狀況；爐體冷卻壁設(shè)置了測溫?zé)犭娕加糜谂袛嗬鋮s壁的損壞狀況和掛渣厚度；設(shè)置爐身靜壓（壓差）測量裝置，以計(jì)算料柱阻損，指導(dǎo)高爐的布料操作；在爐頂采用紅外線攝象儀，配合爐頂布料操作；軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有溫度、壓力、流量、液位等檢測系統(tǒng)以保證水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

7 高爐目前運(yùn)行狀況

目前1#高爐入爐礦綜合品位57.36%，風(fēng)溫1204℃的情況下，利用系數(shù)2.34t/（m3·d），入爐焦比371kg/t，煤比158kg/t，燃料比529 kg/t，煤氣利用率49.6%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3300t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度50℃，爐底封板處溫度103℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為230℃、195℃。2#高爐入爐礦綜合品位57.39%，風(fēng)溫1220℃的情況下，利用系數(shù)2.48t/（m3·d），入爐焦比366kg/t，煤比158kg/t，燃料比524 kg/t，煤氣利用率49.4%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3312t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度49℃，爐底封板處溫度124℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為205℃、144℃?？傮w來看，兩座高爐開爐至今，爐況穩(wěn)定，生產(chǎn)指標(biāo)良好；爐體冷卻設(shè)備無破損，爐底爐缸內(nèi)襯工作狀態(tài)良好。

8 結(jié)語

泰鋼2座1780m3高爐在設(shè)計(jì)上采用了多項(xiàng)爐體長壽技術(shù)，投產(chǎn)1年多以來，高爐運(yùn)行正常，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，部分指標(biāo)已進(jìn)入國內(nèi)先進(jìn)行列。從高爐檢測數(shù)據(jù)顯示，高爐爐襯和冷卻壁溫度都在正常工作范圍內(nèi)，冷卻壁無破損，爐底爐缸內(nèi)襯無明顯侵蝕。

高爐長壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其壽命能否達(dá)到預(yù)期主要取決于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備及材料質(zhì)量、生產(chǎn)操作與維護(hù)。雖然目前2座高爐運(yùn)行狀況良好，但運(yùn)行時(shí)間還不長，需要在生產(chǎn)管理和爐體維護(hù)方面繼續(xù)努力，使該高爐達(dá)到“高效、長壽、節(jié)能、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]王澤慜，張波，李學(xué)金等.國內(nèi)冷卻設(shè)備的進(jìn)步及對爐體下部結(jié)構(gòu)的探討.2010-2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì).

[2]吳啟常，魏麗.薄壁高爐內(nèi)型設(shè)計(jì).煉鐵，2011.4，30（2）.endprint

5 軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)

泰鋼1780m3高爐爐體采用軟水密閉循環(huán)冷卻工藝。從高爐軟水泵站出來的軟水送到爐前，分成兩部分供給高爐爐體：①爐底冷卻用水375m3/h，從爐底出來的軟水與風(fēng)口大套串級(jí)使用。②冷卻壁冷卻水3250m3/h，水速1.8m/s，冷卻水管以豎向方式自下而上串接，一直到喉磚下部的冷卻壁。③風(fēng)口中套冷卻水520m3/h。這三部分的軟水回水進(jìn)入冷卻壁回水總管， 經(jīng)過脫氣罐脫氣和膨脹罐穩(wěn)壓，最后回到軟水泵房，經(jīng)過換熱器冷卻再循環(huán)使用。設(shè)計(jì)全爐水溫升在3～6℃左右，換熱器的換熱能力按照水溫升12℃設(shè)計(jì)。

6 完善的爐體檢測

完善的爐體檢測系統(tǒng)是高爐安全生產(chǎn)和長壽的重要保障。本高爐在爐底爐缸設(shè)置爐襯測溫?zé)犭娕肌⒗鋮s壁熱電偶，用以檢測爐底爐缸部位的溫度分布、推斷爐底爐缸的侵蝕狀況；爐體冷卻壁設(shè)置了測溫?zé)犭娕加糜谂袛嗬鋮s壁的損壞狀況和掛渣厚度；設(shè)置爐身靜壓（壓差）測量裝置，以計(jì)算料柱阻損，指導(dǎo)高爐的布料操作；在爐頂采用紅外線攝象儀，配合爐頂布料操作；軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有溫度、壓力、流量、液位等檢測系統(tǒng)以保證水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

7 高爐目前運(yùn)行狀況

目前1#高爐入爐礦綜合品位57.36%，風(fēng)溫1204℃的情況下，利用系數(shù)2.34t/（m3·d），入爐焦比371kg/t，煤比158kg/t，燃料比529 kg/t，煤氣利用率49.6%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3300t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度50℃，爐底封板處溫度103℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為230℃、195℃。2#高爐入爐礦綜合品位57.39%，風(fēng)溫1220℃的情況下，利用系數(shù)2.48t/（m3·d），入爐焦比366kg/t，煤比158kg/t，燃料比524 kg/t，煤氣利用率49.4%；高爐本體冷卻壁運(yùn)行水量3312t/h，總水溫升4.4℃；高爐基礎(chǔ)溫度49℃，爐底封板處溫度124℃，爐缸第2、3段冷卻壁本體平均溫度分別為48、50℃，爐缸一支雙頭測溫電偶最高溫度分別為205℃、144℃。總體來看，兩座高爐開爐至今，爐況穩(wěn)定，生產(chǎn)指標(biāo)良好；爐體冷卻設(shè)備無破損，爐底爐缸內(nèi)襯工作狀態(tài)良好。

8 結(jié)語

泰鋼2座1780m3高爐在設(shè)計(jì)上采用了多項(xiàng)爐體長壽技術(shù)，投產(chǎn)1年多以來，高爐運(yùn)行正常，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，部分指標(biāo)已進(jìn)入國內(nèi)先進(jìn)行列。從高爐檢測數(shù)據(jù)顯示，高爐爐襯和冷卻壁溫度都在正常工作范圍內(nèi)，冷卻壁無破損，爐底爐缸內(nèi)襯無明顯侵蝕。

高爐長壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其壽命能否達(dá)到預(yù)期主要取決于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備及材料質(zhì)量、生產(chǎn)操作與維護(hù)。雖然目前2座高爐運(yùn)行狀況良好，但運(yùn)行時(shí)間還不長，需要在生產(chǎn)管理和爐體維護(hù)方面繼續(xù)努力，使該高爐達(dá)到“高效、長壽、節(jié)能、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]王澤慜，張波，李學(xué)金等.國內(nèi)冷卻設(shè)備的進(jìn)步及對爐體下部結(jié)構(gòu)的探討.2010-2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì).

[2]吳啟常，魏麗.薄壁高爐內(nèi)型設(shè)計(jì).煉鐵，2011.4，30（2）.endprint