1380m³高爐爐體系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

李林 戴建華

摘? ?要： 為達(dá)到“高效、優(yōu)質(zhì)、長壽、低耗、清潔”質(zhì)量目標(biāo)，對1 380 m3高爐本體和公輔配套設(shè)施進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。在高爐本體中，采用綜合長壽技術(shù)，爐型結(jié)構(gòu)減小爐身角及爐腹角，適當(dāng)加大爐缸高度和直徑，適當(dāng)加深死鐵層深度，滿足運行可靠的需求;在內(nèi)襯上，采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料，爐缸、爐底采用“炭質(zhì)+陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底”結(jié)構(gòu)，爐腹、爐腰和爐身采用磚壁一體化結(jié)構(gòu)，延長關(guān)鍵部位使用壽命;根據(jù)高爐冷卻部位及各區(qū)域工作特點，優(yōu)化工業(yè)水和軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，維持高爐生產(chǎn)穩(wěn)定運行。加裝高爐和冷卻水系統(tǒng)的自動化檢測及控制系統(tǒng)，為高爐冶煉操作人員提供準(zhǔn)確可靠的指標(biāo)和運行信息。設(shè)計及優(yōu)化后，高爐不中修可達(dá)到一代爐齡12年，高于國內(nèi)外平均水平。

關(guān)鍵詞： 高爐本體;公輔配套設(shè)施;爐型結(jié)構(gòu);內(nèi)襯;爐缸;循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

引言

高爐是一種大型煉鐵裝備。隨著煉鐵技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，提高生產(chǎn)規(guī)模和效率、降低生產(chǎn)成本和能耗成為提高煉鐵企業(yè)競爭能力的重要舉措，高爐也正不斷向大型化、高效化、長壽、低耗、節(jié)能、環(huán)保等技術(shù)方向發(fā)展[1]。某工程以淘汰落后產(chǎn)能為出發(fā)點，實施產(chǎn)能置換，在某地區(qū)建設(shè)一座1 380 m3高爐爐體系統(tǒng)，以實現(xiàn)煉鐵裝備整體水平的改造提升。

本文介紹1 380 m3高爐的工藝技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計特點，明確改進(jìn)目標(biāo);其次對高爐本體中的爐型、內(nèi)襯等結(jié)構(gòu)實施設(shè)計及優(yōu)化;最后介紹高爐冷卻水系統(tǒng)、自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)等公輔配套設(shè)施。為高爐實現(xiàn)綜合長壽指標(biāo)提供了系統(tǒng)性改進(jìn)方案。

1? 工藝技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計特點

1.1? 工藝技術(shù)指標(biāo)

高爐主要工藝技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2? 設(shè)計特點

高爐本體是高爐煉鐵最重要、最核心的關(guān)鍵工藝單元。爐體設(shè)計對象包括高爐爐型、高爐內(nèi)襯、高爐鋼結(jié)構(gòu)、爐體設(shè)備等，設(shè)計理念包括長壽技術(shù)等。我國高爐壽命很短且很不均衡，平均壽命僅為5～10年，與國外相比有一定差距。1 380 m3高爐爐體系統(tǒng)以“高效、優(yōu)質(zhì)、長壽、低耗、清潔”為設(shè)計理念，采用實用、成熟、可靠的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。主要設(shè)計特點如下：

（1）采用綜合長壽技術(shù)，使高爐不中修達(dá)到一代爐齡12年;

（2）優(yōu)化高爐爐型，爐型適當(dāng)矮胖，減小爐身角及爐腹角，適當(dāng)加大爐缸高度和直徑，適當(dāng)加深死鐵層深度;

（3）采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料，爐缸、爐底采用“炭質(zhì)+陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底”結(jié)構(gòu);

（4）采用全冷卻壁薄壁爐襯和爐腹以上磚壁一體化結(jié)構(gòu)，在爐腹、爐腰及爐身下部關(guān)鍵區(qū)域采用雙排管冷卻設(shè)備及冷卻水系統(tǒng);

（5）爐底水冷管和冷卻壁采用軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，風(fēng)口中、小套采用高壓工業(yè)水冷卻，大套采用常壓工業(yè)水冷卻;

（6）采用完善的自動化檢測系統(tǒng)，設(shè)置爐身靜壓力、爐頂煤氣檢測和爐喉料面紅外攝像裝置;

（7）高爐采用自立式框架結(jié)構(gòu)，爐體框架柱距為15 m×15 m，爐殼采用預(yù)開孔形式，大幅節(jié)省現(xiàn)場施工時間;

（8）高爐設(shè)置2個鐵口、22個風(fēng)口。

2? 高爐本體設(shè)計及優(yōu)化

2.1? 爐型設(shè)計及優(yōu)化

合理的高爐爐型是實現(xiàn)高效、穩(wěn)產(chǎn)、低耗、長壽的基本條件之一。本工程結(jié)合國內(nèi)外爐型設(shè)計發(fā)展趨勢及現(xiàn)有高爐設(shè)計經(jīng)驗和生產(chǎn)運行實踐，充分考慮原燃料條件，對高爐爐型進(jìn)行優(yōu)化，滿足強化生產(chǎn)需求[2]。

高爐設(shè)計有效容積為1 380 m3，有效高度為24 500 mm，高徑比為2.402，爐型適當(dāng)矮胖，減小爐身角及爐腹角，保持爐況順行、爐型長期穩(wěn)定。爐缸直徑為8 900 mm，適當(dāng)加高爐缸高度到3 600 mm，爐缸容積占高爐容積的比例接近16%，增加安全容鐵量，利于活躍爐缸，并使風(fēng)口前有足夠的風(fēng)口回旋區(qū)，利于煤粉充分燃燒，改善高爐下部中心焦的透氣（液）性，適應(yīng)大風(fēng)量和高壓操作，利于提高產(chǎn)量和節(jié)能，符合現(xiàn)代高爐發(fā)展趨勢[3]。加深死鐵層深度到1 800 mm，約為爐缸直徑的20%，根據(jù)首鋼及國內(nèi)外高爐生產(chǎn)經(jīng)驗，爐缸、爐底鐵水的流場分布對爐缸壽命至關(guān)重要，適當(dāng)加深死鐵層深度能降低鐵水環(huán)流速度，增強鐵水在爐底流動的通透性。從實際停爐后爐缸爐底的侵蝕狀況出發(fā)，適當(dāng)增大死鐵層深度利于爐缸整體冷卻水系統(tǒng)的有效發(fā)揮，提高爐缸爐底壽命[4]。

1 380 m3高爐爐型設(shè)計與國內(nèi)外容積相近的高爐對比如表2所示。

2.2? 內(nèi)襯設(shè)計及優(yōu)化

高爐在高溫、高壓，并承受爐料、鐵水及熔渣等機械和化學(xué)作用的條件下工作，受動、靜及沖擊等多種載荷作用，工作條件極惡劣。生產(chǎn)實踐表明，高爐爐缸、爐底和爐腹、爐腰、爐身下部是直接影響高爐壽命的兩組關(guān)鍵部位。要實現(xiàn)高爐長壽，首先要從設(shè)計上解決這兩組區(qū)域的長壽問題。這需要針對高爐原料、爐內(nèi)冶煉條件及各部位工況，選用合理冷卻設(shè)備和冷卻水系統(tǒng)及相應(yīng)優(yōu)質(zhì)的耐火材料。本高爐內(nèi)襯全部采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料。具體配置情況如下。

2.2.1? 爐缸、爐底、鐵口區(qū)及風(fēng)口帶

爐缸、爐底采用“炭質(zhì)+陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底”結(jié)構(gòu)。在爐底水冷管中心線以下至耐熱基墩頂面采用耐熱澆注料，爐底水冷管中心線以上至第一層滿鋪炭磚之間采用炭素耐火搗打料。爐底第一層至第三層滿鋪半石墨炭塊（3層×400 mm），第四層滿鋪微孔炭磚（～400 mm）。爐底第五層、第六層采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陶瓷墊（2層×500 mm）。爐缸、爐底交界處、爐缸環(huán)形炭磚由下往上第五層至第十二層采用優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)大塊超微孔炭磚，爐缸第十三層、第十四層采用微孔炭磚砌筑。爐缸環(huán)形炭磚內(nèi)側(cè)采用陶瓷杯壁結(jié)構(gòu)。通過采用爐底水冷管埋于爐底磚下的強冷卻措施，以及炭質(zhì)爐缸和陶瓷杯的砌筑方式，達(dá)到減小侵蝕速率、使高爐長壽的目標(biāo)。此外，陶瓷杯有利于提高爐缸渣鐵溫度，有利于活躍爐缸。爐缸、爐底內(nèi)襯耐材配置如圖1所示，經(jīng)理論分析計算得到的爐缸、爐底溫度分布如圖2所示[5]。

鐵口區(qū)采用組合磚砌筑，分別為鐵口框內(nèi)采用的剛玉質(zhì)組合磚、環(huán)形炭磚處采用的微孔炭質(zhì)組合磚、陶瓷杯壁處采用的剛玉質(zhì)組合磚。

在風(fēng)口區(qū)采用剛玉質(zhì)組合磚結(jié)構(gòu)，其抗渣鐵侵蝕及抗熱震性能好，整體性能好，對風(fēng)口中套及大套起到良好保護(hù)作用。

2.2.2? 爐腹、爐腰和爐身

采用磚壁一體化的薄爐襯結(jié)構(gòu)形式，鑄鐵冷卻壁耐火磚內(nèi)襯采用冷鑲方式，與冷卻壁砌成一體。爐腹、爐腰、爐身下部采用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚鑲砌。爐身中部采用燒成微孔鋁碳磚鑲砌。爐身中、上部采用磷酸浸漬高密度粘土磚鑲砌。鑲磚厚度150 mm。鑲磚內(nèi)表面噴涂一層50 mm保護(hù)層。

2.2.3? 爐頂封蓋

爐頂封蓋噴涂耐CO侵蝕能力較強和熱態(tài)抗折強度較高的100 mm厚噴涂料。

2.3? 爐體主要設(shè)備

2.3.1? 爐體冷卻設(shè)備

高爐爐體冷卻設(shè)備是高爐爐體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它起到保護(hù)爐殼、冷卻和支承耐火材料和維持合理的操作爐型等作用。1 380 m3高爐爐體冷卻設(shè)備采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)各部位工況及冷卻要求的不同，采用不同材質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)的冷卻設(shè)計。

高爐爐缸、爐底第1～4段采用灰鑄鐵（HT-200）光面冷卻壁，第1～3段每段36塊，每塊4根水管，厚160 mm，第4段風(fēng)口段為22塊，每塊6根水管，厚度從160 mm過渡到250 mm。因冷卻壁鑄造技術(shù)提升，此區(qū)域冷卻壁較以往設(shè)計厚度薄10 mm，既保證使用，又節(jié)約投資。

爐腹、爐腰和爐身下部為高爐軟熔帶區(qū)域，熱負(fù)荷較大，因此設(shè)置5段（第5～9段）帶鑲磚的球墨鑄鐵冷卻壁，采用雙排管的冷卻形式（如圖3所示），每段36塊，每塊4根前排水管和2根蛇形后排管，壁厚320 mm，材質(zhì)為QT400-20;爐身中、上部設(shè)5段（第10～14段）帶鑲磚的球墨鑄鐵冷卻壁，采用單排管的冷卻形式，每段36塊，每塊4根前排水管，壁厚245 mm，材質(zhì)為QT400-20;爐身頂部（即爐喉鋼磚下方）設(shè)1段（第15段）“C”型冷卻壁，共32塊，每塊3根水管，壁厚200 mm，材質(zhì)為QT400-18。第5～14段球墨鑄鐵冷卻壁厚度比以往設(shè)計厚度薄5 mm，同樣既保證使用，又節(jié)約投資。

風(fēng)口小套前端長期處于2 000℃以上的高溫作業(yè)，受渣、鐵流沖刷和焦炭、煤粉的磨損，極易損壞，設(shè)計采用含銅≥99.94%的銅板原料鑄造的貫流式風(fēng)口小套，冷卻效果好，壽命相比空腔式風(fēng)口小套長，在風(fēng)口小套端頭堆焊耐磨合金[6]。風(fēng)口中套采用銅鋼一體結(jié)構(gòu)。風(fēng)口大套采用球墨鑄鐵QT450-10鑄造的帶水冷大套。

2.3.2? 爐體其他設(shè)備

（1）爐喉鋼磚：爐喉采用條形鋼磚，材質(zhì)為ZG270-500。

（2）送風(fēng)裝置：高爐設(shè)22套送風(fēng)裝置，送風(fēng)支管采用帶波紋膨脹器的結(jié)構(gòu)、無水冷形式。

（3）鐵口框：采用鑄鋼鐵口框，材質(zhì)為ZG230-450。

3? 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

高爐冷卻水系統(tǒng)是維持高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、實現(xiàn)高爐長壽的關(guān)鍵系統(tǒng)，是現(xiàn)代高爐不可或缺的組成部分?，F(xiàn)代高爐爐體由爐頂?shù)綘t缸、爐底都采用冷卻結(jié)構(gòu)，以降低耐火材料內(nèi)襯工作溫度、抑制異常侵蝕和熱應(yīng)力破壞、保護(hù)爐殼。盡管所采用的冷卻水系統(tǒng)和冷卻器結(jié)構(gòu)各有不同，但冷卻水系統(tǒng)的合理配置和穩(wěn)定運行仍是使現(xiàn)代高爐長壽的重點考慮內(nèi)容。

高爐設(shè)計根據(jù)冷卻部位不同和高爐各區(qū)域工作特點，設(shè)工業(yè)水和軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

（1）風(fēng)口中套、小套等采用高壓工業(yè)水冷卻，水量為1 140 m3/h，水壓為1.6 MPa，進(jìn)水溫度≤35℃，溫升≤5℃，其中風(fēng)口小套水量為660 m3/h，風(fēng)口中套水量480 m3/h，連續(xù)循環(huán)使用。

（2）常壓工業(yè)水，水量為400 m3/h，水壓為0.6 MPa，進(jìn)水溫度≤35℃，其中風(fēng)口大套水量270 m3/h，連續(xù)循環(huán)使用，溫升≤1℃;常壓軟水備用水量：130 m3/h，爐役后期連續(xù)使用，溫升≤8℃。

（3）爐底水冷管、爐體冷卻壁等處采用中壓軟水閉路循環(huán)系統(tǒng)冷卻，水量為3 130 m3/h，水壓為0.75 MPa，進(jìn)水溫度≤45℃，溫升7～10℃，連續(xù)循環(huán)使用。其中包括：第1～15段冷卻壁前排管用水2 554 m3/h，爐底水冷和5～9段冷卻壁后排管用水576 m3/h。軟水系統(tǒng)補水量：正常9.4 m3/h，最大31.3 m3/h，補水壓力≥0.6 MPa。工藝系統(tǒng)管路阻損：0.25 MPa。

（4）爐役后期爐皮噴水冷卻濁循環(huán)系統(tǒng)（考慮預(yù)留）：水量為500 m3/h，水壓為0.5 MPa，進(jìn)水溫度≤35℃。

（5）安全用水系統(tǒng)：軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)的安全供水采用事故柴油泵，供水量為正常供水量的50%，供水壓力與正常時相同。高爐工業(yè)凈環(huán)事故水除設(shè)有Q=750 m3/h柴油機事故泵外，柴油機事故泵啟動前事故用水利用高爐事故水塔，使用時間約10 min。

軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工作流程為：經(jīng)循環(huán)泵加壓后的軟化水通過兩路DN600的供水總管送到高爐爐基處，每路軟水再分成兩個子系統(tǒng)：

第一個子系統(tǒng)由兩根DN300的供水支管供給爐底供水環(huán)管，經(jīng)爐底水冷管和第5～9段冷卻壁后排管后進(jìn)入后排管回水環(huán)管，然后回水經(jīng)兩根DN300回水支管返至爐頂平臺DN600的回水總管，再經(jīng)脫氣罐脫氣后回水至泵房。

第二個子系統(tǒng)由兩根DN600的供水支管供給冷卻壁供水環(huán)管，經(jīng)第1～15段冷卻壁前排管后進(jìn)入爐頂平臺下DN600回水環(huán)管，然后回水經(jīng)兩根DN600回水支管返至爐頂平臺DN600回水總管，再經(jīng)脫氣罐脫氣后回水至泵房。

系統(tǒng)冷卻水回路上設(shè)有脫氣罐和膨脹罐，軟水流經(jīng)脫氣罐時由于水速急劇降低，水中夾帶的氣泡會上浮并聚集，最終通過設(shè)在脫氣罐上的自動排氣閥排出?；厮苈飞显O(shè)膨脹罐（置于爐頂平臺），膨脹罐上部充填氮氣，作用是保證軟水系統(tǒng)保持一定壓力，防止外界氣體進(jìn)入管路，也使軟水具有一定欠熱度，提高冷卻可靠性[7]。

4? 自動化檢測及控制

為確保高爐穩(wěn)定生產(chǎn)，降低原燃料消耗，延長高爐壽命，設(shè)置爐體自動化檢測及控制系統(tǒng)，為高爐冶煉操作人員提供準(zhǔn)確可靠的參數(shù)和信息。

4.1? 高爐檢測及控制裝置

在爐缸、爐底，主要沿爐缸多個方向設(shè)置爐襯熱電偶，共119個。

為準(zhǔn)確檢測爐體各段冷卻壁運行狀況，在各鑄鐵冷卻壁上設(shè)置熱電偶，共54個。煤氣上升管設(shè)置4個熱電偶，其檢測溫度與爐頂噴水降溫裝置連鎖，用于控制爐頂煤氣溫度和保護(hù)爐頂設(shè)備。爐喉封板處設(shè)置1臺爐內(nèi)料面紅外攝像裝置[8]。

4.2? 冷卻水系統(tǒng)檢測及控制裝置

在高爐冷卻水系統(tǒng)中各區(qū)、各段進(jìn)出軟水管路上設(shè)熱電偶、壓力計、流量計，用于檢測進(jìn)、出水溫度、溫差、壓力、壓差、流量。軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)膨脹罐，并在其上設(shè)液位計，根據(jù)液位變化在線判斷系統(tǒng)是否漏水。

為檢測方便，在水系統(tǒng)主要管路、重點冷卻設(shè)備上設(shè)置現(xiàn)場壓力表，以便生產(chǎn)巡檢、檢修使用。

5? 結(jié)語

（1）采用綜合長壽技術(shù)，以“高效、優(yōu)質(zhì)、長壽、低耗、清潔”為設(shè)計理念，對1 380 m3高爐本體實施了優(yōu)化設(shè)計。高爐爐型得到了優(yōu)化，對內(nèi)襯采用了國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料，通過對爐缸、爐底采用的“炭質(zhì)+陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底”結(jié)構(gòu)，采用全冷卻壁薄壁爐襯和爐腹以上磚壁一體化結(jié)構(gòu)等，使高爐不中修達(dá)到一代爐齡12年。

（2）高爐綜合長壽技術(shù)是一項系統(tǒng)工程。它不僅包括長壽設(shè)計本身，還與高爐裝備制造質(zhì)量、耐火材料質(zhì)量、施工質(zhì)量以及生產(chǎn)操作維護(hù)、管理水平緊密相關(guān)。操作、維護(hù)也是影響高爐壽命的重要因素。在合理耐材結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻水系統(tǒng)和完善的自動化檢測及控制的基礎(chǔ)上，高爐操作應(yīng)以長期穩(wěn)定、順行為方針，活躍爐缸，保持渣鐵良好的物理熱和流動性。同時，加強高爐自動化檢測的實時監(jiān)控狀況，對嚴(yán)重侵蝕區(qū)域?qū)嵭杏嗅槍π缘目焖傩扪a技術(shù)（如噴補、壓漿等），實現(xiàn)質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢世崇， 程樹森， 張福明， 等. 首鋼遷鋼1號高爐長壽設(shè)計[J]. 煉鐵， 2005， 24（1）： 6-9.

[2] 張福明， 黨玉華. 我國大型高爐長壽技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 鋼鐵， 2004， 39（10）： 75-78.

[3] 張賀順， 溫太陽， 陳軍. 首鋼高爐長壽維護(hù)實踐[J]. 煉鐵， 2009， 28（6）： 21-24.

[4] 毛慶武， 張福明， 姚軾， 等. 首鋼高爐高效長壽技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用實踐[J]. 煉鐵， 2011， 30（5）： 1-6.

[5] 郝素菊， 蔣武鋒， 方覺. 高爐煉鐵設(shè)計原理[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2003.

[6] 項仲庸， 王筱留. 高爐設(shè)計： 煉鐵工藝設(shè)計理論與實踐[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2007.

[7] 宋木森， 于仲潔， 鄒祖橋， 等. 武鋼高爐長壽技術(shù)的開發(fā)研究[J]. 鋼鐵， 2000， 35（7）： 5-9.

[8] 李林， 臧若愚， 曹源， 等. PLC在首鋼遷鋼4000m3高爐煤氣干法除塵監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用 [J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2014， 1（3）： 311-313.