馬鋼4號高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)探討

侯玉偉，王海鵬，周慶子

（馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

隨著高爐冶煉的強(qiáng)化及大噴吹的需要，高爐對高風(fēng)溫越來越迫切。提高高爐入爐風(fēng)溫是增加噴煤量，降低焦比，提高鐵水產(chǎn)量最有效、最經(jīng)濟(jì)的節(jié)能措施。2019年1月—10月，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位高爐熱風(fēng)爐平均溫度為1149℃。

1 設(shè)計(jì)概況

馬鋼4號高爐（年產(chǎn)鐵水270萬t，以下簡稱“4號爐”）是馬鋼優(yōu)化資源配置、淘汰落后產(chǎn)能、提升企業(yè)綜合競爭力的重點(diǎn)工程，于2016年9月20日舉行了投產(chǎn)儀式，為其配套的熱風(fēng)爐為3座頂燃式熱風(fēng)爐（預(yù)留第4座熱風(fēng)爐位置），采用純高爐煤氣（預(yù)留轉(zhuǎn)爐煤氣接口）作為熱風(fēng)爐燒爐用燃料。4號爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置如下：3座頂燃式熱風(fēng)爐（預(yù)留第4座熱風(fēng)爐位置）；設(shè)有A、B框架，主要設(shè)備及管道均布置在框架內(nèi)；設(shè)置煙氣余熱回收系統(tǒng)，預(yù)熱熱風(fēng)爐燃燒用助燃空氣和高爐煤氣；助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)集中送風(fēng)，2臺風(fēng)機(jī)1用1備；熱風(fēng)爐本體區(qū)主要閥門為液壓傳動(dòng)，設(shè)有集中液壓站；余熱回收系統(tǒng)主要閥門為電傳動(dòng)，高爐主控室遠(yuǎn)程控制；設(shè)置80m高煙囪、熱風(fēng)爐管路系統(tǒng)。受場地限制，4號爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)布置在高爐東西出鐵場兩條鐵路線所夾的狹長地帶。4號爐熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，主要技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表1 4號爐熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2 熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 噴射渦流式燃燒器

噴射渦流式燃燒器位于拱頂頂部，以迷宮式的連接方式單獨(dú)支撐在爐殼上，與下部的弧段拱頂隔離開來，上下兩層設(shè)置若干個(gè)帶有一定角度的噴射口。此種燃燒器確?？諝夂透郀t煤氣在進(jìn)入蓄熱室之前充分混合，使燃燒更加安全、穩(wěn)定，最大限度地避免了燃燒時(shí)的爆震及脈動(dòng)，并使燃燒產(chǎn)物沿著格子磚分布更加均勻。

表2 4號爐熱風(fēng)爐主要技術(shù)性能參數(shù)

2.2 拱頂結(jié)構(gòu)

拱頂結(jié)構(gòu)依靠自身的質(zhì)量和砌體之間的鎖緊結(jié)構(gòu)，使拱頂處于整體壓緊狀態(tài)，消除了向外的推力。拱頂與熱風(fēng)爐墻體完全脫離，使得墻體能夠自由膨脹，不影響拱頂結(jié)構(gòu)。

2.3 組合磚及格子磚

在砌體開孔（如人孔、點(diǎn)火孔等）、熱風(fēng)出口、主支管三岔口、主圍管三岔口部位采用組合磚形式，以提高這些部位砌體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和氣密性，防止熱風(fēng)爐生產(chǎn)過程中這些部位的砌體發(fā)生破損、脫落現(xiàn)象。

熱風(fēng)爐蓄熱室根據(jù)溫度分布的不同，上部為硅磚，下部為黏土磚，在結(jié)合面采用逐漸過渡、花砌的辦法以消除兩種不同材質(zhì)耐火磚因性能差異而出現(xiàn)的問題。設(shè)計(jì)采用19孔格子磚，直徑為φ30mm，帶凹凸槽。

2.4 無托梁獨(dú)立支撐爐箅子

采用獨(dú)立支撐的無托梁式爐箅子，材質(zhì)為RQTSi-4Mo。這種爐箅子的優(yōu)勢在于在提高廢氣溫度的基礎(chǔ)上，消除了爐箅子間的熱應(yīng)力影響，防止?fàn)t箅子在溫度波動(dòng)和熱膨脹過程中損壞。另外，分流板可以保護(hù)下層格子磚避免受損，并在較高溫度下運(yùn)行。

2.5 合理的熱風(fēng)管道系統(tǒng)

（1）熱風(fēng)支管采用獨(dú)特的垂直管+水平管方式。熱風(fēng)支管垂直管與本體內(nèi)襯采用迷宮滑縫連接，同時(shí)在垂直管上設(shè)置波紋補(bǔ)償器，當(dāng)熱風(fēng)爐加熱升高時(shí)，這種內(nèi)襯及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以消除熱風(fēng)爐本體升高對熱風(fēng)支管內(nèi)襯的損壞。獨(dú)特的熱風(fēng)支管設(shè)計(jì)使得熱風(fēng)總管高度始終與熱風(fēng)圍管保持同一標(biāo)高，減少了A、B框架鋼結(jié)構(gòu)體量。

（2）熱風(fēng)管道系統(tǒng)考慮了熱風(fēng)爐爐殼、管道鋼殼及管道砌體熱膨脹所引起的各方向上的變化，并據(jù)此設(shè)置波紋補(bǔ)償器和大拉桿裝置，采用合理的支座形式及波紋管布置方式，充分吸收熱膨脹引起的位移，保證熱風(fēng)管道的穩(wěn)定性。沿?zé)犸L(fēng)總管軸向方向設(shè)置兩段大拉桿裝置。熱風(fēng)支管水平段不設(shè)置大拉桿裝置，在熱風(fēng)總管支座處設(shè)置安全限位裝置，允許熱風(fēng)支管和總管沿支管軸向方向在一定范圍內(nèi)自由滑動(dòng)。

（3）熱風(fēng)管道砌體采用了更加合理的砌體結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)支管垂直管上部內(nèi)襯與本體內(nèi)襯采用迷宮滑縫連接，與熱風(fēng)爐本體脫開并吸收內(nèi)襯膨脹位移。熱風(fēng)支管水平管隔熱襯耐火磚設(shè)置一條膨脹縫，縫隙中填入硅酸鋁陶瓷纖維毯，與水平支管波紋補(bǔ)償器的一條膨脹縫形成迷宮膨脹縫。熱風(fēng)支管水平管工作襯耐火磚設(shè)置2條膨脹縫，其中一條縫隙中填入硅酸鋁陶瓷纖維毯，另一條設(shè)置在熱風(fēng)閥出口法蘭外側(cè)兩塊耐火磚砌成的迷宮形磚縫之間（耐火磚設(shè)計(jì)為L型，并帶有公母槽，砌筑成型后呈迷宮形）。合理的膨脹縫設(shè)計(jì)，使吸收膨脹量增大，并有效防止了熱風(fēng)沖刷、反復(fù)熱膨脹引起的砌體破損以及纖維毯掉落。另外，所有熱風(fēng)管道水平段工作襯耐火磚均帶有公母槽。

通過配置合理的耐火材料，將熱風(fēng)管道的鋼結(jié)構(gòu)管殼溫度控制在合適的溫度范圍，既有效減少了熱量損失，又防止了管殼內(nèi)壁形成結(jié)晶水產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕。

2.6 獨(dú)立的混風(fēng)管道系統(tǒng)

（1）在每座熱風(fēng)爐的熱風(fēng)支管垂直管上側(cè)配獨(dú)立的混風(fēng)系統(tǒng)，混風(fēng)管上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。此種混風(fēng)方式與傳統(tǒng)總管混風(fēng)方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：①基本消除了傳統(tǒng)混風(fēng)方式混風(fēng)點(diǎn)前后熱風(fēng)總管內(nèi)熱風(fēng)溫度差。②熱風(fēng)支管混風(fēng)方式使得熱風(fēng)總管溫度整體降低。以送風(fēng)溫度1200℃（熱風(fēng)圍管三岔口處溫度）為例，傳統(tǒng)混風(fēng)方式混風(fēng)前的熱風(fēng)總管內(nèi)熱風(fēng)溫度比熱風(fēng)支管混風(fēng)方式高70℃左右。熱風(fēng)總管溫度的整體降低，一是有利于減少熱量損失；二是改善總管內(nèi)砌體工作環(huán)境，減少熱風(fēng)管道發(fā)紅以及耐材破損、掉磚等現(xiàn)象的發(fā)生。③電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的設(shè)置，使入爐風(fēng)溫得到精確控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作。

（2）混風(fēng)閥后的混風(fēng)管道內(nèi)襯設(shè)計(jì)4層耐火材料，從里至外分別為低蠕變高鋁磚、黏土磚、纖維毯、噴涂料。

2.7 熱風(fēng)爐砌體

根據(jù)頂燃式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，4號爐熱風(fēng)爐在高溫區(qū)（拱頂、大墻、格子磚）采用硅磚（SiO2≥95%），中溫區(qū)采用低蠕變黏土磚（Al2O3≥42%），低溫區(qū)采用黏土磚（Al2O3≥42%）。

2.8 主要閥門

4號爐熱風(fēng)爐主要閥門的選型，遵循以下原則：（1）根據(jù)閥門工況條件，不同部位選擇不同類型的閥門。（2）經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)的、安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的閥門。（3）設(shè)備成本低、占用空間小、操作和檢修方便的閥門。

熱風(fēng)爐本體區(qū)主要閥門采用液壓傳動(dòng)，余熱回收系統(tǒng)、助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要閥門采用電傳動(dòng)?？紤]到熱風(fēng)閥、倒流休風(fēng)閥、混風(fēng)閥是熱風(fēng)爐系統(tǒng)工況溫度最高的閥門，工作狀態(tài)下，設(shè)備各部位要經(jīng)受高溫化學(xué)腐蝕、材料的高溫蠕變及疲勞的作用，故選擇采用液壓水冷閘閥。熱風(fēng)閥設(shè)計(jì)雙片水冷法蘭。本設(shè)計(jì)中，熱風(fēng)閥、倒流休風(fēng)閥、混風(fēng)閥冷卻采用軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)，與高爐本體冷卻共用膨脹罐、脫氣罐等設(shè)置。煤氣燃燒閥、煤氣切斷閥、助燃空氣燃燒閥、冷風(fēng)閥、煙道閥采用液壓連桿蝶閥。蝶閥的優(yōu)點(diǎn)在于，體積和重量小、閥桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，容易實(shí)現(xiàn)少泄露或無泄漏，低壓時(shí)也能保證良好的密封性。

2.9 余熱回收系統(tǒng)

為了提高熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率，達(dá)到節(jié)約能源的目的，設(shè)計(jì)采用了分體式熱管換熱器回收熱風(fēng)爐煙氣余熱，同時(shí)預(yù)熱熱風(fēng)爐助燃空氣和高爐煤氣。分體式熱管換熱器具有布置靈活、運(yùn)行可靠、投資費(fèi)用低等特點(diǎn)。換熱器工藝技術(shù)條件見表3。

表3 4號爐熱風(fēng)爐換熱器工藝技術(shù)條件

2.10 助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

助燃空氣集中送風(fēng)，設(shè)置2臺單吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)，1用1備，露天布置（電機(jī)上部設(shè)置擋雨棚）。單臺風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量26萬Nm3/h，全壓12kPa（表壓），吸風(fēng)口設(shè)置消音器，風(fēng)機(jī)入口帶自動(dòng)調(diào)節(jié)門。

3 運(yùn)行實(shí)踐

4號爐于2016年9月7日順利出鐵，并隨著熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度的逐步升高和穩(wěn)定，高爐爐況逐漸趨于平穩(wěn)，高爐鐵水產(chǎn)量逐步增加，焦比持續(xù)降低，煤比持續(xù)提高。其配套的3座頂燃式熱風(fēng)爐在完全燃燒高爐煤氣的情況下，達(dá)到了不低于1200℃入爐風(fēng)溫的水平，為高爐生成提供高風(fēng)溫創(chuàng)造了條件。入爐風(fēng)溫曲線見圖1。

圖1 4號爐入爐風(fēng)溫曲線表

4 結(jié)束語

馬鋼4號高爐熱風(fēng)爐采用了頂燃式熱風(fēng)爐，系統(tǒng)、科學(xué)、合理地布置在高爐東西出鐵場兩條鐵路線所夾的狹長地帶。其熱風(fēng)爐耐材的合理配置能夠保證純燒高爐煤氣的條件下為高爐提供平均溫度不低于1200℃的入爐風(fēng)溫。另外，獨(dú)立混風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用，使入爐風(fēng)溫得到了精確控制，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化操作。