馬鋼2 號2 500 m3 高爐本體設(shè)計(jì)

孫華平，高成云，趙奇強(qiáng)

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

馬鋼2 號2 500 m3高爐第一代爐役于2003 年10 月建成投產(chǎn)，至2017 年 5 月停爐，已生產(chǎn) 13 年零7 個(gè)月。本世紀(jì)以來，我國高爐工藝及裝備技術(shù)有了重大提升，為滿足高效、長壽、綠色、智能化高爐生產(chǎn)新時(shí)代要求，馬鋼決定進(jìn)行第二代爐役大修。

此次大修由中冶華天EPC 總承包，經(jīng)過總包方、業(yè)主和各協(xié)作方齊心協(xié)力，歷時(shí)156 天完成大修任務(wù)。高爐大修汲取了國內(nèi)高爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)今高爐煉鐵的發(fā)展趨勢，在高爐爐型、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與材料、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冷卻水系統(tǒng)、檢測與監(jiān)控系統(tǒng)等等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝、新材料。

1 高爐大修項(xiàng)目的主要內(nèi)容

本次大修主要包括：高爐本體、循環(huán)冷卻系統(tǒng)改建、出鐵場平坦化改造、煤氣濕法除塵改干法并更新TRT、渣處理系統(tǒng)改造、增設(shè)均排壓煤氣回收和爐頂除塵設(shè)施、出鐵場除塵系統(tǒng)改造、熱風(fēng)管系與熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)改造、設(shè)備維修及局部更新、增加煤氣除鹽系統(tǒng)、三電系統(tǒng)更新等。

高爐本體系統(tǒng)在維持爐頂鋼法蘭、鐵口標(biāo)高及夾角不變、爐體平臺維護(hù)外，爐殼及以內(nèi)全部更新，本體冷卻由原來的工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)改為軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)。

2 高爐大修設(shè)計(jì)的主要優(yōu)化內(nèi)容

2.1 高爐內(nèi)型的優(yōu)化

馬鋼2 號2 500 m3高爐設(shè)計(jì)于本世紀(jì)初，從該高爐內(nèi)型看，與當(dāng)今高效生產(chǎn)高爐內(nèi)型要求相比存在差距，主要體現(xiàn)在爐缸直徑偏小、安全容鐵量偏低、高徑比偏高。因此，第二代爐役大修，需在維持爐頂鋼法蘭和鐵口標(biāo)高不變的情況下，如何確保爐型設(shè)計(jì)成功就成為關(guān)鍵。

爐型的好壞對生產(chǎn)的穩(wěn)定順行、一代爐役壽命和煤氣利用等都產(chǎn)生重大影響，因此，生產(chǎn)者對爐型設(shè)計(jì)均非?？粗?。高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)雖有經(jīng)驗(yàn)公式參考，學(xué)者們對爐型的研究甚多[1-2]，但事實(shí)上，不同大小的高爐、不同的外在條件，幾乎不可能完全照搬照套。本次設(shè)計(jì)為了取得成功爐型，我們對近三年同類型高爐生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、同類型高爐爐型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析，并結(jié)合2 號高爐已有的操作經(jīng)驗(yàn)，最終確定了2 號高爐的二代爐型。高爐內(nèi)型示意圖見圖1，一代、二代爐型對比見表1。

圖1 高爐爐型示意圖

表1 2 號2 500 m3 高爐兩代爐役內(nèi)型對比

2.2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化

當(dāng)今高爐本體內(nèi)襯結(jié)構(gòu)主流設(shè)計(jì)均采用薄壁內(nèi)襯，爐腹、爐腰及爐身中下部基本采用冷卻壁全覆蓋，鑲嵌氮化硅結(jié)合碳化硅磚，爐身中上部采用磷酸鹽浸漬黏土磚，然后內(nèi)部覆蓋噴涂層。高爐一代爐役壽命的關(guān)鍵取決于爐底爐缸，因此，爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用尤為重要。國內(nèi)對此的研究很多[3-6]，就爐底爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)而言，歸結(jié)起來有“炭磚加陶瓷杯方案”、“炭磚加陶瓷墊方案”。炭磚加陶瓷杯方案又可分為“炭磚加自由杯”和“炭磚加鑲嵌杯”；炭磚爐缸有模壓小炭塊方案和大炭塊方案。不同的爐底爐缸結(jié)構(gòu)均有實(shí)現(xiàn)長壽的實(shí)例，也有爐缸燒穿的案例，長壽型爐底爐缸必須是設(shè)計(jì)、施工和操作的綜合作用結(jié)果。

本次2 號2 500 m3高爐大修要求一代爐役壽命超過15 年。馬鋼2 號高爐第一代爐役的爐底爐缸結(jié)構(gòu)和材料配置方案已經(jīng)過近14 年的安全運(yùn)行，充分證明了這種爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是完全成功的。因此，此次2 號高爐大修的爐底爐缸結(jié)構(gòu)保留了原來的形式，針對現(xiàn)在高爐強(qiáng)化冶煉下的高壽命要求，對炭磚材質(zhì)、冷卻壁與爐殼縫隙澆注料進(jìn)行提升。一、二代爐役爐底爐缸結(jié)構(gòu)選材對比見表2。

表2 2 號高爐兩代爐役爐底爐缸結(jié)構(gòu)和材料選用對比

2.3 冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

本次大修結(jié)合爐體改為軟水冷卻，冷卻壁和爐殼全部更新。冷卻壁配置方案見表3。此次冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有：

（1）爐體采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)；

（2）重點(diǎn)部位的爐腹、爐腰和爐身下部采用銅冷卻壁；

（3）爐身中部采用雙層水管加強(qiáng)冷卻；

（4）鐵口區(qū)域采用異型冷卻壁，以滿足配管和維護(hù)要求；

（5）在遵循爐殼開孔規(guī)范的條件下，對冷卻強(qiáng)度要求高的地方，盡可能增加冷卻比表面積。

表3 冷卻壁結(jié)構(gòu)特征

2.4 冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化

該高爐上代爐役全部采用工業(yè)凈環(huán)水冷卻系統(tǒng)，本次大修設(shè)計(jì)對高爐本體冷卻壁、爐底水冷管、直吹管、風(fēng)口中套和熱風(fēng)爐閥門采用軟水閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)。軟水系統(tǒng)分一次循環(huán)和二次循環(huán)：高爐本體冷卻壁、爐底水冷管為一次循環(huán)，總水量為5 200 m3/h；一次循環(huán)回水分流一部分再次加壓供熱風(fēng)爐閥門和風(fēng)口中套進(jìn)行冷卻為二次循環(huán)，總水量1 400 m3/h。二次循環(huán)水回到爐頂大平臺處與一次剩余循環(huán)水合流，再經(jīng)脫氣罐、膨脹罐進(jìn)主循環(huán)泵房冷卻后循環(huán)使用。冷卻壁軟水冷卻通過供水環(huán)管直接接入第一段冷卻壁的進(jìn)水管，一直串接到第17 段冷卻壁，然后分別接入四個(gè)分區(qū)的16 根回水集管，再匯合到回水總環(huán)管。

本次大修設(shè)計(jì)風(fēng)口大套不進(jìn)行冷卻，風(fēng)口中套、小套進(jìn)行冷卻。30 個(gè)風(fēng)口小套仍然采用高壓凈循環(huán)水，這是基于如下考慮：一是保證高爐本體冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮到風(fēng)口小套易于損壞造成漏水，導(dǎo)致軟水系統(tǒng)補(bǔ)水波動(dòng)頻繁，對軟水系統(tǒng)的檢漏帶來干擾；二是簡化冷卻系統(tǒng)，作為大型高爐，通常情況下高壓冷卻水系統(tǒng)是必不可少的，如十字測溫、爐頂氣密箱、爐頂攝像及爐頂液壓站等，均需提供高壓工業(yè)凈環(huán)水，在滿足生產(chǎn)要求的情況下，將所有的高壓水納入到一個(gè)凈循環(huán)系統(tǒng)，可以使得冷卻系統(tǒng)簡單化。

2.5 檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)對高爐“可視化操作”要求，本次大修設(shè)計(jì)配置了爐缸侵蝕模型、熱負(fù)荷模型和布料模型，并配置了完善的檢測儀表和一次檢測元件，形成了對爐體全方位的監(jiān)控。

（1）配置有爐頂紅外成像和每個(gè)風(fēng)口的紅外成像，爐喉配置“十字測溫裝置”。

（2）爐底爐缸炭磚配置12 層計(jì)416 點(diǎn)溫度檢測，不僅可以顯示炭磚生產(chǎn)狀態(tài)下的溫度，而且還可為爐底爐缸侵蝕模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）爐腹到爐喉鋼磚之間配置10 層12 方位冷卻壁溫度檢測。

（4）爐腰與爐身配置3 層6 方位爐身靜壓檢測。

（5）從爐底到爐身中部每層每塊冷卻壁設(shè)置1點(diǎn)出水溫度檢測。

（6）每根直冷管的最終回水配置流量檢測和現(xiàn)場壓力計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)快速檢漏和為熱負(fù)荷模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（7）三個(gè)鐵口區(qū)域特增加爐殼溫度和冷卻壁水管溫度檢測。

3 結(jié)語

馬鋼 2 號2 500 m3高爐第二代爐役于2017 年10 月10 日投產(chǎn)，一個(gè)星期達(dá)產(chǎn)，十天后主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到：利用系數(shù)2.36 t/m3.d、焦比367 kg/t、煤比134 kg/t、燃料比501 kg/t、風(fēng)溫 1 141 ℃、富氧2.5%、頂壓212 kPa、鐵礦入爐品位58%。從現(xiàn)場操作反饋，本體運(yùn)行一切正常，新的爐型在穩(wěn)定順行方面顯現(xiàn)了良好的可操控性。該高爐本體的高規(guī)格配置和完備的監(jiān)控手段，加之馬鋼豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，可以預(yù)期馬鋼2 號2 500 m3高爐新一代爐役生產(chǎn)必將成為“高效、長壽、低耗”的新標(biāo)桿。