高鈦型釩鈦磁鐵礦高爐節(jié)能環(huán)保改造設計特點

宋 劍,唐 煒,雷 電,熊 強,吳秋廷,楊 東,周章金,林千谷,韋 東

(1.攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠，四川 攀枝花 617023；2.攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617023；3.攀枝花鋼釩有限公司,四川 攀枝花 617023)

攀鋼釩3#高爐是冶煉高鈦型釩鈦磁鐵礦的高爐，含鈦量達18%～23%，屬于較難冶煉的呆礦高爐，于1973年8月17日建成投產(chǎn)，設計有效容積1000 m3，第4代爐役從2006年4月2日投產(chǎn)，有效容積為1200 m3，于2019年11月10日停爐。基于以下幾方面原因，對攀鋼釩3#高爐進行技改升級、節(jié)能環(huán)保改造。

1)安全生產(chǎn)風險。3#高爐生產(chǎn)13年多，高爐建筑一直處在重載荷、動載、高溫、多塵、腐蝕氣體環(huán)境下，部分建筑蝕損情況嚴重。高爐爐體破損，冷卻壁設備損壞嚴重，爐殼變形、銹蝕、發(fā)紅、鼓包現(xiàn)象突出，釩鈦磁鐵礦爐底磚侵蝕嚴重，爐底溫度升高，安全生產(chǎn)風險逐年上升，需盡快安排大修。

2)環(huán)保政策。3#高爐除塵系統(tǒng)于2006年建成并投入使用，設計外排粉塵濃度50 mg/Nm3，現(xiàn)已不能滿足《煉鐵工業(yè)大氣污染物排放標準GB 28663-2012》的25 mg/Nm3要求，環(huán)保壓力與日俱增。本次大修按照外排粉塵濃度10 mg/Nm3進行升級改造設計。

3)煉鐵成本壓力。經(jīng)濟“新常態(tài)”下，產(chǎn)能過剩的鋼鐵工業(yè)降本增效是生存的重要舉措，利用#3高爐大修的機會，如應用熱風爐雙預熱系統(tǒng)以提高風溫降低燃料比、應用改進型高壓冷卻水工藝以節(jié)電降耗等，將會為降低煉鐵成本提供新的突破點。

1 高爐主要設計指標

攀鋼釩高鈦型釩鈦磁鐵礦3#高爐節(jié)能環(huán)保改造后主要設計指標見表1。

表1 攀鋼釩高鈦型釩鈦磁鐵礦3#高爐

2 主要設計改造內(nèi)容[1][2]

高鈦型釩鈦磁鐵礦節(jié)能環(huán)保改造設計重點：1)按一代爐役冶煉高鈦型釩鈦磁鐵礦長壽高產(chǎn)的目標，對爐體冷卻水系統(tǒng)、冷卻設備、爐體耐火材料等方面進行系統(tǒng)考慮、深度優(yōu)化。2)對現(xiàn)有出鐵場及礦槽除塵系統(tǒng)進行升級改造。3)新增熱風爐雙預熱系統(tǒng)，重點研究雙預熱系統(tǒng)的工藝布置、風溫提高后熱風管道磚襯結(jié)構優(yōu)化等。4)重力除塵器、上升管、下降管按整體利舊考慮，對部分損壞管道及耐火材料進行功能恢復。5)出鐵場蓄鐵式主溝擴寬至3.2 m，以適應重型機械作業(yè)安全。

2.1 煉鐵工藝

1)礦、焦槽系統(tǒng)。料車容積由7.5 m3擴容至8.0 m3后，對相關設施進行校核及相應改造；焦炭、燒結(jié)礦稱量斗斗體均利舊，稱量漏斗閘門采用電液一體化動力裝置傳動。根據(jù)停爐后實際檢查情況，重新澆注破壞較嚴重的礦槽壁，對梁、柱進行加固，并更換損壞部分耐磨襯板，進行功能恢復。

2)斜橋料車上料系統(tǒng)。為提高上料能力、降低上料系統(tǒng)作業(yè)率，將料車容積由7.5 m3擴大到8.0 m3(車體加長約100 mm，加高約200 mm)，卷揚額定速度2.95 m/s(可調(diào))，改造后結(jié)構型式同1#高爐，同步更新減速機、聯(lián)軸器及卷筒等。同時對高爐爐頂放散進行噪音、除塵治理設計，增設消音器及旋風除塵系統(tǒng)。

料車擴容后，卷揚機室及斜橋的負荷均有所增加，對斜橋及卷揚機室進行加固。

3)爐頂系統(tǒng)。采用無料鐘爐頂裝料設備是當今技術發(fā)展的方向，有利于改善布料技術，但是改造內(nèi)容多、投資大(增加投資約3000萬元)、工期長(140 d)。鑒于高爐大修工期時間緊迫，因此本次按現(xiàn)有料鐘爐頂優(yōu)化改造方案進行。

4)荒煤氣系統(tǒng)。按整體利舊考慮，主要改造內(nèi)容有上升、下降管利舊，對部分損壞管道及耐火材料進行修補恢復功能；重力除塵器殼體利舊，對其內(nèi)部耐火材料、導流板等進行修補及局部改造；在大修停爐時進行現(xiàn)有上升、下降管的厚度、強度等檢測，根據(jù)檢測結(jié)果在施工時進行必要的調(diào)整，以確保滿足一代爐役的使用要求。

5)高爐本體系統(tǒng)。

(1)高爐爐殼。高爐爐殼經(jīng)一代爐役使用(2006～2019年)，銹蝕、變形(凹陷、鼓包)、發(fā)紅等現(xiàn)象突出，特別是近年來到了爐役末期，爐殼噴水強制冷卻后，加劇了爐殼工況的惡化，本次改造全部更新，爐殼外形尺寸適當修正、爐體平臺布局維持不變(局部更換面板、走梯、欄桿、支吊架等結(jié)構件)；高爐采用厚壁爐型：“鑄鐵冷卻壁+支梁式水箱+耐火磚結(jié)構型式”；爐身角、爐腹角維持不變，全高不變。

(2)爐體冷卻設備。

①冷卻設備形式。爐底、爐缸部位(1-3段)：采用三段光面灰鑄鐵冷卻壁；爐腹、爐腰部位(4-5段)：采用兩段球磨鑄鐵鑲磚冷卻壁；爐身下部(6-8段)：采用三段球磨鑄鐵鑲磚冷卻壁；爐身中部：采用四層支梁式空腔鑄鋼冷卻水箱；爐底：采用水冷爐底，水冷管由蛇形管改造為直列管，3根一串，共36根12組。

②冷卻設備設計。

光面冷卻壁：爐底、爐缸部位第1段高度為h1=2500 mm，第2段高度為h2=2500 mm，第3段高度為h3=2570 mm；材質(zhì)為灰鑄鐵(牌號HT150)，第一、二段壁厚δ=150 mm，第三段壁厚δ=220 mm，內(nèi)鑄DN32 mm無縫鋼管；鐵口部位采用四塊異型雙層水冷管冷卻壁。該冷卻形式長期被攀鋼釩鈦高爐采用，效果良好。

鑲磚冷卻壁：爐腹、爐腰及爐身下部第4-8段采用壁厚為δ=340 mm的鑲磚鑄鐵冷卻壁，第4段高度為h4=1700 mm，第5段高度為h5=1740 mm，第6、7段高度為h6-7=1625 mm，第8段高度為h8=1725 mm。鑲磚鑄鐵冷卻壁材質(zhì)為鐵素體球墨鑄鐵(牌號QT400-20)，冷卻壁熱面開“矩形槽”鑲磚，槽深150 mm，熱鑲高鋁磚。

③爐體冷卻介質(zhì)。本次大修爐體冷卻介質(zhì)全部采用工業(yè)凈環(huán)水。

高爐風口小套、中套、渣口小套三套、鐵口兩側(cè)冷卻壁及第3段風口帶冷卻壁采用高壓凈環(huán)水開路冷卻形式，供水壓力≥1.2 MPa。

爐缸以下第1-2段冷卻壁、4-8段冷卻壁、支梁式冷卻水箱、爐底水冷管、風口大套、渣口大套及二套等采用中壓水開路冷卻形式，供水壓力≥0.6 MPa。

配水方式為除爐缸1、2段、爐身上部支梁式冷卻水箱可串聯(lián)外(接中壓水)，其余冷卻設施全部采用一進一出配水方式。

(3)高爐爐襯。針對攀鋼高爐冶煉高鈦型釩鈦磁鐵礦各部位工作條件、浸蝕機理和不同型式的冷卻設備而改進選擇與之相適應的爐襯結(jié)構和材質(zhì)。

①復合結(jié)構爐底爐缸。為適應高鈦型釩鈦磁鐵礦高爐長壽要求，優(yōu)化改良攀鋼高爐爐底磚襯結(jié)構型式，吸取2017年1#高爐、2018年4#高爐大修爐底爐缸砌筑最新成果，爐底采用復合莫來石磚、超致密粘土磚及半石墨大碳磚組合的復合結(jié)構爐底。復合爐底結(jié)構由9層耐火磚組成，厚度約3618 mm，從下往上依次為：2層半石墨大碳磚(磚型400×400×2000 mm)、2層超致密粘土磚(磚型400×150×90 mm)、3層復合莫來石磚(磚型400×150×90 mm)、2層超致密粘土磚(磚型400×150×90 mm)，爐缸及死鐵層下方爐底采用立砌復合莫來石磚形成“杯狀”；爐缸全部采用復合莫來石磚砌筑；耐熱基墩、爐缸、爐腹保護磚采用粘土磚環(huán)形砌筑。

②爐腹、爐腰及爐身部位。爐腹、爐腰及爐身下部鑄鐵冷卻壁熱鑲磚采用高鋁磚，鐵口、渣口采用黃剛玉組合磚，風口采用微孔剛玉組合磚，風口冷卻壁厚度由120 mm改為250.4 mm, 水管由單層改為雙層。

爐腹、爐腰熱面砌筑燒成微孔鋁碳磚，爐身下部熱面砌筑氮化硅結(jié)合碳化硅磚，爐身中上部砌筑高鋁磚形成厚壁爐墻。

爐頂煤氣封罩內(nèi)側(cè)噴涂150 mm厚的不定形耐火材料。

表2 攀鋼釩高鈦型釩鈦磁鐵礦3#高爐

6)風口平臺出鐵場系統(tǒng)。維持現(xiàn)有的東鐵口、南北渣口及東出鐵場工藝布置不變，爐前開口機、泥炮等設備根據(jù)蓄鐵式主溝及出鐵場平坦化改造要求，按2017年改造的1#高爐結(jié)構型式更新，以保持備件的一致性。

渣鐵溝、除塵罩以及各壓縮空氣、煤氣、氧氣等動力管線拆除后恢復并優(yōu)化管線布局，增設渣鐵溝溝罩，進一步抑制煙塵散排。堵渣機、爐前吊車等利舊檢修。

出鐵場主體建構筑物已使用45年以上，3#高爐主溝、渣溝區(qū)域發(fā)生過燒穿事故，同時為了蓄鐵式主溝擴寬至3.2米，適應重型機械作業(yè)安全，進一步改善爐前作業(yè)空間及勞動環(huán)境，本次大修出鐵場向東擴展9米一跨，且根據(jù)現(xiàn)有出鐵場的特點，對出鐵場進行平坦化改造，同時相應的現(xiàn)有除塵管道拆除，重新布局設計。

爐前液壓站搬遷至現(xiàn)3#高爐北面休息室位置，現(xiàn)有休息室拆除后在原址新建6.9 m×16.0 m三層框架結(jié)構建筑，總建筑面積約330 m2，一層為爐前液壓站，二、三層為爐前休息室及工具間。

7)熱風爐系統(tǒng)。4座內(nèi)燃式熱風爐1#、3#熱風爐進行大修，2#、4#熱風爐進行中修。原樣制作更換拱頂爐殼(從直段以上)，拱頂磚、上部格子磚、火井墻磚、燃燒室保護磚、低蠕變高鋁隔墻磚全部更換，陶瓷燃燒器全部更換。

熱風管道直徑加大，增加耐材厚度改造。熱風閥下方現(xiàn)有平臺降低，熱風管道加大，耐材厚度改造。保持現(xiàn)有熱風支管內(nèi)徑φ1100 mm、主圍管內(nèi)徑φ1200 mm不變，耐材厚度由360 mm增加至445 mm，管殼相應加大改造；工作層耐材由高鋁磚改為含紅柱石的低蠕變高鋁組合磚。

增加前置燃燒爐，管式換熱器改為板式換熱器。換熱效率提高，預熱后空氣可提高200 ℃、煤氣可提高50 ℃左右。

拆除原煤氣管道上的脫水器、混合器，管道從DN1.4 m改大為DN1.6 m，減小管道阻力，徹底改變燒爐煤氣壓力低和燒爐時易出現(xiàn)熱震動的現(xiàn)象。

施工過程需要把好質(zhì)量關。由于第4代爐役的熱風爐運行不好、掉磚嚴重，在拆除舊燃燒器時跟蹤分析內(nèi)部磚襯破損及通道堵塞情況，在新砌筑時確保空氣、煤氣通道圓滑、暢通。

2.2 公輔設施

1)蒸汽供應。熱風爐平臺現(xiàn)有1根DN150低壓蒸汽主管和1個蒸汽包。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研能滿足各工藝用戶使用要求，大修時對外部主蒸汽管道和蒸汽包進行拆除更新。

2)壓縮空氣供應。熱風爐平臺現(xiàn)有1根DN100低壓壓縮空氣主管、1根DN200高壓壓縮空氣主管和1個低壓壓縮空氣氣包。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研能滿足工藝使用要求。但考慮對外部主壓縮空氣管道、氣包及風動送樣系統(tǒng)現(xiàn)有壓縮空氣凈化裝置進行拆除更新。

3)給排水。

(1)高壓水系統(tǒng)(搬遷)。3#高爐高壓水加壓泵站布置于出鐵場下，采用二次加壓工藝，其系統(tǒng)壓力已不能滿足3#高爐高壓用戶的要求。且該泵站極端情況下存在漏鐵爆炸事故的安全隱患，本次大修將高壓泵站搬遷至能動中心四水站統(tǒng)一管理，以進一步降低運維成本。同時對進入高爐區(qū)域管道進行更換，通過水泵的變頻調(diào)節(jié)，可滿足爐役前期供水流量2000 m3/h、壓力0.85 MPa及后期供水流量2672 m3/h、壓力1.3 MPa兩種工況的要求。

(2)中壓水系統(tǒng)(利舊)。能動分公司現(xiàn)有中壓水系統(tǒng)總流量約16500 m3/h，供水水壓為0.6～0.63 MPa?，F(xiàn)有凈環(huán)供水系統(tǒng)的流量和壓力均可以滿足高爐中壓用戶的要求，本次大修中壓凈環(huán)水系統(tǒng)基本不變，對干涉大修施工的局部現(xiàn)有管網(wǎng)布局進行調(diào)整更新。

4)燃氣。本次大修燃氣介質(zhì)供應維持不變，煉鐵大修區(qū)域涉及管網(wǎng)拆除后恢復更新。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)場焦爐煤氣管道、氧氣管道及氮氣管道主管及支管均有不同程度腐蝕，故本次大修對現(xiàn)有DN300焦爐煤氣管道、DN150氧氣管道及DN200氮氣管道進行拆除，在原位置重建，并對管網(wǎng)布局進行優(yōu)化。

2.3 通風除塵系統(tǒng)

出鐵場及礦槽除塵系統(tǒng)均于2006年建成并投入使用，設計外排粉塵濃度50 mg/Nm3，已不能滿足《煉鐵工業(yè)大氣污染物排放標準GB28663-2012》25 mg/Nm3的要求，攀鋼釩按照外排粉塵濃度10 mg/Nm3進行升級改造設計。

1)出鐵場除塵系統(tǒng)升級改造

(1)總體方案。對現(xiàn)有兩臺除塵器利舊改造，增加過濾面積，更換現(xiàn)有兩臺除塵風機轉(zhuǎn)子，并對現(xiàn)有除塵管網(wǎng)進行局部改造。

(2)設備改造。利舊現(xiàn)有風機機殼及電機，對風機轉(zhuǎn)子做改造性更換；利舊原有兩臺除塵器框架，中箱體加高3 m；濾袋規(guī)格由原來的Φ130×6000 mm更換為Φ130×8000 mm，使單套除塵器過濾面積達到14 629 m2；更換濾袋材質(zhì)，濾袋采用氣密性和濾塵效果更好的覆膜滌綸針刺氈濾料(600 g/m2)。

(3)管網(wǎng)改造。將吹氧化罐除塵點接入出鐵場內(nèi)除塵系統(tǒng)。吹氧化罐除塵現(xiàn)接入2#高爐出鐵場除塵系統(tǒng)，本次接點的目的是實現(xiàn)2#、3#高爐某一座休風時，吹氧化罐仍可接入另一座的除塵系統(tǒng)正常工作。改造后該除塵點仍由2#高爐出鐵場除塵系統(tǒng)負責抽風，平時不占用3#高爐出鐵場內(nèi)除塵系統(tǒng)風量。

(4)利舊設施：兩臺除塵器結(jié)構框架、風機房、灰倉、煙囪。

新增設施：2個懸臂式出鐵口頂吸罩、吹氧化罐除塵點閥門管道、除塵器進出口管道。

2)礦槽除塵系統(tǒng)升級改造

(1)總體方案。現(xiàn)有除塵器利舊改造，增加過濾面積，更換現(xiàn)有除塵風機轉(zhuǎn)子，并對現(xiàn)有除塵管網(wǎng)進行局部改造。

(2)設備改造。利舊現(xiàn)有風機機殼及電機，對風機轉(zhuǎn)子做改造性更換；利舊原有除塵器框架，中箱體加高3 m，兩側(cè)各加寬0.7 m；濾袋規(guī)格由原來的Φ130×6000 mm更換為Φ130×8000 mm，使單套除塵器過濾面積達到18 653 m2；更換濾袋材質(zhì)，濾袋采用氣密性和濾塵效果更好的覆膜滌綸針刺氈濾料(600 g/m2)。

(3)管網(wǎng)改造。取消礦槽槽上及焦炭中間倉上的固定抽風罩，在槽上的冶15、冶16、冶17皮帶和焦炭中間倉上的K102皮帶旁各設置一套移動通風槽裝置，并將其接入現(xiàn)有礦槽除塵系統(tǒng)管網(wǎng)。移動通風槽是一種針對沿直線運動的塵源除塵開發(fā)的技術，具有無需閥門切換，抽風口靠近塵源，塵源密閉性較好等特點。礦槽除塵器進口Φ4100主管局部優(yōu)化并內(nèi)貼耐磨陶瓷。

(4)新增設施。4套移動通風槽裝置及與除塵系統(tǒng)連接管道。礦槽除塵器進口Φ4100主管局部優(yōu)化并內(nèi)貼耐磨陶瓷。

2.4 供配電系統(tǒng)

3#高爐總裝機容量為12 541 kW，工作容量為9779 kW，三路10 kV電源分別來自新冶煉變電所、坪一變電所，與改造前一致。

1)高壓供電系統(tǒng)。高壓變電所高壓柜全部利舊，變電所饋出的電纜全部利舊。

2)低壓供電。380V/220V電源主要由現(xiàn)有的N3-3變電所供電，該變電所內(nèi)更換3臺1000 kVA變壓器及相應電纜。

2.5 自動化系統(tǒng)

高爐主控系統(tǒng)更換一體化DCS系統(tǒng)1套,Ovation3.6.0新版本配置，保持現(xiàn)有槽下操作室不變，高爐中控室、熱風爐操作室、卷揚機操作室集中在新建操作室內(nèi)。利舊改造出鐵場除塵PLC控制系統(tǒng)1套、利舊改造礦槽除塵PLC控制系統(tǒng)1套。

儀表系統(tǒng)除進行常規(guī)的溫度、壓力、流量等檢測外，還設了爐頂綜合煤氣分析、磚襯溫度檢測、爐內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)、爐身靜壓力檢測、鐵口鐵水測溫等特殊儀表；料面料速仍采用探尺；溝下稱量漏斗采用全電子秤；溝下礦槽料位檢測采用超聲波料位計；爐體冷卻水系統(tǒng)設置水溫差熱負荷精準檢測和智能預警系統(tǒng)。儀表控制系統(tǒng)的主要功能均由DCS系統(tǒng)完成，采用全鍵盤、全LCD操作。

2.6 總圖運輸

僅出鐵場東延9 m，新增建筑面積約256 m2，其余系統(tǒng)改造均在原址進行，基本不新增用地。

3 結(jié)論

1)攀鋼釩高鈦型釩鈦磁鐵礦3#高爐節(jié)能環(huán)保改造工程實施完成后，高爐設計年平均利用系數(shù)設備能力2.6 t/m3·d，設計年平均風溫設備能力1250 ℃，一代爐役單位爐容產(chǎn)鐵量≥1萬t/m3，有組織外排粉塵濃度達到超低排放≤10 mg/Nm3的總體目標，達到“環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟”的目標[1]。

2)爐體系統(tǒng)優(yōu)化改造，采用優(yōu)化的攀鋼特色長壽型復合爐襯結(jié)構，將為一代爐役單位爐容產(chǎn)鐵量≥1萬t/m3打下堅實基礎。

3)重點應用了高爐風口微孔剛玉組合磚、爐腹爐腰燒成微孔鋁碳磚、爐身下部氮化硅結(jié)合碳化硅磚、改進型釩鈦高爐蓄鐵式主溝、改進型組合板式熱風爐雙預熱裝置等一系列新技術、新工藝、新材料、新設備,以適應高鈦型釩鈦磁鐵礦冶煉特色。

4)高壓水加壓泵站搬遷，可以消除爐臺漏鐵爆炸事故隱患，而且將高爐高壓供水工藝由二次加壓改為一次加壓在四水站集中管理，可以解決目前高壓水系統(tǒng)壓力不足、運維成本高的問題。

5)熱風爐本體改造及雙預熱系統(tǒng)，可以充分利用熱風爐煙氣余熱及高爐自產(chǎn)煤氣，提高熱風溫度，降低燃料消耗，有助于進一步強化冶煉，降低煉鐵成本。

6)出鐵場除塵系統(tǒng)、礦槽除塵系統(tǒng)升級改造、增設爐頂放散消音及除塵設施，以利舊改造、不占用總圖位置及較少的工程投資達到現(xiàn)行國標排放標準。

7)充分考慮了現(xiàn)有設備、材料的利舊、利庫以及將常規(guī)檢修與大修的結(jié)合，從而降低工程投資。

8)提升了高爐自動化裝備水平，并為更高一級的信息化、智能化管理系統(tǒng)預留了接口，為高爐煉鐵的“兩化融合”打下了堅實基礎。