5 100 m3高爐長(zhǎng)壽綜合技術(shù)的研究與應(yīng)用

李慶洋，于國(guó)華，陳 誠(chéng)，張向國(guó)，王 冰

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南250101）

山鋼集團(tuán)日照鋼鐵廠新建兩座5 100 m3高爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵水810萬(wàn)t，1#高爐2017年12月投產(chǎn)，2#高爐2019年4月投產(chǎn)。高爐設(shè)計(jì)以“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽、清潔”為設(shè)計(jì)理念，采用成熟可靠、節(jié)能環(huán)保、高效長(zhǎng)壽的工藝技術(shù)裝備，通過(guò)綠色化、智能化技術(shù)的使用，保證山鋼日照高爐項(xiàng)目達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

高爐高效長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高爐內(nèi)型、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、冷卻體系及自動(dòng)化檢測(cè)的有機(jī)結(jié)合[1-2]。山鋼日照鋼鐵廠5 100 m3高爐設(shè)計(jì)一代爐役單位爐容產(chǎn)鐵量15 000 t/m3，高爐設(shè)計(jì)中緊密圍繞上述幾個(gè)方面，采用了多項(xiàng)先進(jìn)可靠的高爐長(zhǎng)壽技術(shù)。

1 合理的高爐內(nèi)型

合理的高爐爐型是高爐煤氣流合理穩(wěn)定分布的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)高爐“穩(wěn)定、順行、高產(chǎn)、低耗、長(zhǎng)壽”的前提條件。

1.1 高爐內(nèi)型參數(shù)的確定

爐型設(shè)計(jì)建立在操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，根據(jù)高爐的爐料結(jié)構(gòu)、原燃料條件，參照爐容相近、原料條件和操作條件相似、生產(chǎn)指標(biāo)先進(jìn)的高爐爐型，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算綜合確定。設(shè)計(jì)采用薄壁爐襯，把高爐生產(chǎn)最佳時(shí)期的指標(biāo)固定下來(lái)，使高爐整個(gè)爐役期都在最佳的操作爐型下生產(chǎn)[3]。山鋼日照鋼鐵5 100 m3高爐與國(guó)內(nèi)外同級(jí)別高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 高爐內(nèi)型的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）爐腰部位是軟熔帶形成區(qū)域，孔隙度最低，透氣性最差，因此在爐腰區(qū)域需要將煤氣流速控制相對(duì)低一些；從生產(chǎn)實(shí)際看，爐腰直徑越大，高爐越容易接受風(fēng)量，透氣性越好。因此，爐腰直徑大一些更有利，選擇為16.8 m。

（2）適當(dāng)矮胖，煤氣通過(guò)能力強(qiáng)，有利于改善高爐的透氣性，減緩高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的依賴。設(shè)計(jì)有效高度Hu=32.000 m，D=16.8 m，Hu/D=1.905。

（3）較小的爐腹角α=74°37′25″，利于改善煤氣流分布，穩(wěn)定渣皮，延長(zhǎng)爐腹壽命。同時(shí)改善料柱透氣性，降低煤氣流速，減少爐料膨脹對(duì)內(nèi)襯和渣皮的摩擦力，同時(shí)改善風(fēng)口冷卻壁的工作環(huán)境。

（4）爐缸高度5.4 m，保證風(fēng)口前有足夠的回旋區(qū)，利于燃料的充分燃燒和改善高爐下部中心焦的透氣（液）性，利于改善氣體動(dòng)力學(xué)條件。

（5）爐缸直徑14.6 m，設(shè)40個(gè)風(fēng)口，爐缸內(nèi)相鄰風(fēng)口之間弦長(zhǎng)1 146 mm，從而保證燃燒帶的連續(xù)。設(shè)置4個(gè)鐵口，鐵口之間夾角81°。

（6）合理、較深的死鐵層深度。死鐵層深度3 600 mm，與爐缸直徑比為24.7%，利于減輕鐵水環(huán)流對(duì)爐缸耐材的侵蝕。死鐵層深度過(guò)大，會(huì)造成鐵水滲透侵蝕加劇、增加爐缸下部和爐底形成穩(wěn)定保護(hù)層的難度。

2 科學(xué)選擇高爐耐材結(jié)構(gòu)

2.1 爐底爐缸耐材配置

目前，高爐爐底爐缸主要的耐材結(jié)構(gòu)形式有“傳熱法”和“隔熱法”兩種[4]。“傳熱法”的理念是利用炭磚的高導(dǎo)熱性，在鐵水和炭磚間形成低導(dǎo)熱系數(shù)的“自保護(hù)”渣鐵殼，利用渣鐵殼隔離渣鐵與炭磚?！案魺岱ā钡睦砟钍峭ㄟ^(guò)設(shè)置陶瓷杯，以低導(dǎo)熱的陶瓷杯直接接觸鐵水，利用其抗鐵水侵蝕性能隔離渣鐵與炭磚。兩種看來(lái)似乎截然不同的設(shè)計(jì)體系，其技術(shù)原理的實(shí)質(zhì)卻是一致的：即通過(guò)控制1 150℃等溫線在爐缸的分布，使炭磚盡量避開(kāi)800～1 100℃脆變溫度區(qū)間。“傳熱法”是將1 150℃等溫線控制在“自保護(hù)”渣鐵殼內(nèi)；而“隔熱法”是將1 150℃等溫線控制在陶瓷杯內(nèi)。

高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，兩種耐材結(jié)構(gòu)形式都可以達(dá)到爐底爐缸長(zhǎng)壽的目的。但是，對(duì)于“隔熱法”的耐材配置形式，陶瓷杯的抗鐵水侵蝕性能并不能完全達(dá)到理論要求，陶瓷杯的壽命并不能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，最終高爐的長(zhǎng)壽仍然要依賴于炭磚的高導(dǎo)熱性能形成的“自保護(hù)”渣鐵殼。

因此，經(jīng)過(guò)考察、研究，山鋼日照鋼鐵廠5 100 m3高爐最終選擇“傳熱法”的耐材結(jié)構(gòu)形式。采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，優(yōu)化耐材配置，采用具有高導(dǎo)熱性、抗鐵水滲透性能優(yōu)異的炭磚，優(yōu)化爐缸傳熱體系，確保1 150℃等溫線遠(yuǎn)離耐火材料，形成永久性渣鐵保護(hù)殼，實(shí)現(xiàn)爐缸耐材長(zhǎng)壽。

（1）爐底耐材配置

爐底采用德國(guó)西格里大塊炭磚+陶瓷墊的結(jié)構(gòu)。自下而上，爐底第一層采用400 mm厚的西格里高導(dǎo)熱石墨磚，爐底第二層采用600 mm厚的西格里微孔炭磚，爐底第三、四層采用600 mm厚的西格里超微孔炭磚。第四層炭磚上砌筑陶瓷墊，陶瓷墊下層為塑性相復(fù)合剛玉磚，陶瓷墊上層邊緣部位為塑性相復(fù)合剛玉磚，中心部位為莫來(lái)石磚。整個(gè)爐底耐材中炭磚厚度2 200 mm，陶瓷墊厚度1 000 mm。采用“自適應(yīng)操作型爐缸爐底”的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)對(duì)爐底陶瓷墊不同區(qū)域剛玉磚的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)爐底向正常鍋底狀侵蝕趨勢(shì)發(fā)展。

（2）爐缸耐材配置

爐缸采用全炭磚爐缸結(jié)構(gòu)形式。爐缸側(cè)壁全部環(huán)砌德國(guó)西格里大塊超微孔炭磚。爐缸炭磚內(nèi)側(cè)鐵口區(qū)域以下砌筑高鋁磚，鐵口區(qū)域以上砌筑致密黏土保護(hù)磚至爐腹下沿。

鐵口區(qū)域：炭磚區(qū)域采用超微孔大塊組合炭磚砌筑；鐵口框內(nèi)及鐵口通道內(nèi)采用鋁-碳化硅質(zhì)硅凝膠結(jié)合自流澆注料。爐缸炭磚在鐵口區(qū)域加厚450 mm，采用“平滑型”爐缸鐵口區(qū)過(guò)渡技術(shù)，通過(guò)合理增加鐵口區(qū)域炭磚厚度和“平滑型”過(guò)渡的措施，減少鐵水對(duì)鐵口區(qū)耐材的沖刷侵蝕。

炭磚（最上層除外）與冷卻壁之間環(huán)縫填充西格里炭素?fù)v打料RST16，炭磚與陶瓷墊之間環(huán)縫填充西格里炭素?fù)v打料RST18，最上層炭磚與冷卻壁之間采用碳化硅質(zhì)硅凝膠結(jié)合自流澆注料。

爐底及爐缸耐材配置情況如圖1所示。

圖1 爐底及爐缸耐材配置示意圖

2.2 其它區(qū)域耐材配置

風(fēng)口區(qū)域采用兼顧導(dǎo)熱和耐侵蝕性能的新型剛玉復(fù)合磚砌筑，在環(huán)風(fēng)口套區(qū)域采用組合磚形式。風(fēng)口組合磚與風(fēng)口冷卻壁之間縫隙、風(fēng)口套上半部與風(fēng)口組合磚之間縫隙，采用高導(dǎo)熱的碳化硅質(zhì)硅凝膠結(jié)合自流澆注料，即能兼顧導(dǎo)熱性能，又能保證填充密實(shí)，防止產(chǎn)生氣隙。風(fēng)口套下半部與風(fēng)口組合磚之間，采用耐火緩沖泥漿，以吸收爐缸的耐材膨脹。

高爐上部爐體采用薄壁爐襯結(jié)構(gòu)形式，采用鑲磚冷卻壁。爐腹、爐腰、爐身中下部高熱負(fù)荷區(qū)域主要受渣鐵和煤氣流侵蝕，在此區(qū)域的第7～12段銅冷卻壁鑲砌氮化硅結(jié)合碳化硅磚，鑲磚厚度100 mm。爐身中上部主要受爐料磨損和煤氣流侵蝕，在此區(qū)域的第13～17段球墨鑄鐵冷卻壁鑲砌磷酸浸漬黏土磚，鑲磚厚度150 mm。

冷卻壁之間的橫縫和豎縫采用碳化硅搗打料；冷卻壁冷面與爐殼之間采用低導(dǎo)熱硅凝膠結(jié)合自流式澆注料。并且與冷卻壁安裝配合施工，采用分段安裝、分段澆注的方式，最大限度地保證爐體的密封性能，降低爐殼溫度。

在爐腹、爐腰和爐身冷卻壁（第7～18段）的熱面，噴涂耐煤氣侵蝕的噴涂料。煤氣密封罩噴涂200 mm厚的耐煤氣侵蝕的噴涂料，其錨固件采用“Y”型不銹鋼錨固釘，并用龜甲網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)化，以固化噴涂料與爐殼的粘結(jié)。

3 爐體全冷卻結(jié)構(gòu)

高爐冷卻的目的是導(dǎo)出內(nèi)襯的熱量，改善砌體的工作條件，延長(zhǎng)爐襯的使用壽命，維持合理內(nèi)型，以及保護(hù)冷卻設(shè)備和爐殼。高爐冷卻系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到各種冷卻設(shè)備及爐襯的壽命從而關(guān)系整個(gè)高爐的壽命[5]。

爐體設(shè)計(jì)采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐體100%冷卻，關(guān)鍵部位采用銅冷卻壁及優(yōu)質(zhì)耐材。爐體冷卻系統(tǒng)采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的并聯(lián)軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)相比，能夠有效利用系統(tǒng)背壓，減少投資，降低運(yùn)行費(fèi)用；同時(shí)，該系統(tǒng)冷卻效果好、安全高效，節(jié)能、自動(dòng)化程度高。所有關(guān)鍵設(shè)備均設(shè)計(jì)較高的冷卻水流速，從而保證足夠的冷卻強(qiáng)度，可以滿足高爐在不同爐役時(shí)期的冷卻要求。

3.1 合理選擇爐體冷卻設(shè)備

按照爐體各區(qū)域不同的工作條件和熱負(fù)荷大小，采用不同結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的冷卻壁。

（1）爐底冷卻結(jié)構(gòu)形式

爐底采用管徑為Φ89 mm×8 mm的直埋不銹鋼無(wú)縫鋼管作為冷卻設(shè)備，平行排列布置在爐底封板以下，鋼管間距300 mm，共計(jì)56根。

（2）爐體冷卻壁形式

從爐底到爐喉鋼磚下沿共設(shè)18段冷卻壁。

第1～6段即風(fēng)口和風(fēng)口以下（鐵口區(qū)域除外）采用耐熱鑄鐵光面冷卻壁。為了更好地保護(hù)鐵口，強(qiáng)化鐵口區(qū)域的冷卻效果，在鐵口區(qū)域采用鑄銅冷卻壁，每個(gè)鐵口4塊。

第7～12段爐腹、爐腰和爐身下、中部高熱負(fù)荷區(qū)域，采用6段軋制鉆孔全覆蓋鑲磚銅冷卻壁（其中高爐爐身銅冷卻壁高度6.7 m）。銅冷卻壁可很好地滿足高爐強(qiáng)化冶煉的要求，有足夠的冷卻強(qiáng)度，易在爐腹、爐腰、爐身下、中部形成渣皮以保護(hù)冷卻壁和爐殼，并易于快速形成操作內(nèi)型。

第13～17段即爐身中上部，采用全覆蓋鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁。爐身上部第18段采用倒“C”型球墨鑄鐵光面冷卻壁。

爐喉鋼磚采用一段式水冷結(jié)構(gòu)，壁體材質(zhì)為耐磨合金鑄鋼。

除風(fēng)口、鐵口區(qū)冷卻壁，其余部位冷卻壁全部采用四進(jìn)四出水管。鑄鐵冷卻壁水管規(guī)格Φ80 mm×6 mm，軋制銅冷卻壁采用雙圓形復(fù)合孔通道。爐體冷熱面積比（冷卻水管比表面積）達(dá)到1.15，保證爐體足夠的冷卻強(qiáng)度。

3.2 采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，強(qiáng)化爐體冷卻

采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，將冷卻壁（含爐喉鋼磚）、爐底、風(fēng)口小套、風(fēng)口中套、直吹管、熱風(fēng)爐閥門等通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合在一個(gè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)總循環(huán)水量～7 200 m3/h。系統(tǒng)具體流程是：從軟水泵站出來(lái)的軟水在爐前一分為二，其中爐底冷卻水～840 m3/h，冷卻壁和爐喉鋼磚串聯(lián)管路冷卻水～6 360 m3/h，兩者回水進(jìn)入冷卻壁回水環(huán)管；從常壓軟水回水環(huán)管出來(lái)的軟水一分為二，一部分經(jīng)高壓增壓泵增壓，供風(fēng)口小套使用，另一部分經(jīng)中壓增壓泵增壓，供風(fēng)口中套、直吹管、熱風(fēng)爐閥門等使用；兩者回水與多余部分一起回到總回水管，經(jīng)過(guò)脫氣罐脫氣和膨脹罐穩(wěn)壓，回到軟水泵房，經(jīng)過(guò)二次冷卻，再循環(huán)使用。軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)流程示意圖

為保證串聯(lián)軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)發(fā)揮強(qiáng)化冷卻的作用，在高熱負(fù)荷區(qū)形成渣鐵凝結(jié)保護(hù)層，延長(zhǎng)高爐壽命，并保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）選擇合適的水速。根據(jù)冷卻壁的材質(zhì)及熱負(fù)荷不同，選擇合理的水速。爐缸、爐身中上部的鑄鐵冷卻壁水管水速2.0 m/s；爐腹、爐腰、爐身下部的銅冷卻壁，冷卻通道水速2.65 m/s，以強(qiáng)化高熱負(fù)荷區(qū)域的冷卻。

（2）詳細(xì)計(jì)算各并聯(lián)支路的水頭損失，并采取措施優(yōu)化管路配置，保證并行冷卻回路阻損基本相當(dāng)，既利于系統(tǒng)正常運(yùn)行，又使水泵升壓值不致偏高，避免能耗浪費(fèi)。

（3）安全措施完善。主要安全措施：供水水泵均設(shè)置兩路獨(dú)立電源，供水水泵組均設(shè)置備用泵組，中壓軟水供水泵組和高壓軟水供水泵組實(shí)現(xiàn)互為保安，冷卻壁供水主泵設(shè)置備用柴油機(jī)泵，并且停電事故時(shí)柴油機(jī)泵可帶動(dòng)全系統(tǒng)冷卻水循環(huán)運(yùn)行。

4 完善的爐體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

完善的爐體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能讓操作者全面掌握爐內(nèi)情況、了解爐體工作狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)高爐正常生產(chǎn)，延長(zhǎng)高爐壽命。高爐設(shè)置了完善的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的可視化設(shè)備，建立了精準(zhǔn)、全面、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的在線安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

（1）高爐爐襯溫度監(jiān)測(cè)

在高爐爐基、爐底、爐缸的不同縱向和徑向位置設(shè)置868個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同部位的耐材溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)爐缸易侵蝕區(qū)域。通過(guò)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，建立爐底爐缸侵蝕模型，推算爐襯侵蝕情況。測(cè)溫傳感器采用鎧裝柔性熱電偶，采用集中引出爐殼的方式。

（2）高爐冷卻壁溫度監(jiān)測(cè)

主要在高爐爐腹及以上的冷卻壁沿不同的縱向和徑向位置設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行冷卻壁壁體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，作為判斷爐況依據(jù)之一。共設(shè)置448個(gè)冷卻壁溫度檢測(cè)點(diǎn)，并通過(guò)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，建立冷卻壁溫度分布模型。

（3）冷卻水溫差及熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)

設(shè)置高爐冷卻水溫差及熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在相應(yīng)的進(jìn)出水支管上安裝溫度和流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐底、爐缸、爐腰、爐腹、爐身中下部冷卻壁、風(fēng)口小套的水溫差在線監(jiān)測(cè)，并推算熱負(fù)荷、操作爐型、渣皮厚度、渣皮脫落頻率。該系統(tǒng)共設(shè)置818個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)和200個(gè)流量檢測(cè)點(diǎn)。溫度傳感器使用專用阻隔器，在不影響高爐正常生產(chǎn)的情況下可隨時(shí)更換溫度傳感器。

（4）爐體靜壓監(jiān)測(cè)

在爐腹、爐身共設(shè)置了4層靜壓力檢測(cè)，分別布置在第8、11、13及16段冷卻壁，每層4點(diǎn)，共計(jì)16點(diǎn)。通過(guò)各點(diǎn)的壓力值的變化，監(jiān)控高爐縱向不同位置爐內(nèi)煤氣流壓力的變化情況，為提前判斷爐內(nèi)局部氣流的變化提供依據(jù)，減少爐況失常。

（5）冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)采用較為完善的檢測(cè)和控制系統(tǒng)：設(shè)置軟水系統(tǒng)溫度、壓力、流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；膨脹罐水位的自動(dòng)檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)及時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水；膨脹罐壓力的自動(dòng)檢測(cè)和控制，保持罐內(nèi)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)軟水系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。

5 投產(chǎn)后運(yùn)行情況

山鋼日照鋼鐵廠5 100 m3高爐投產(chǎn)后，快速達(dá)產(chǎn)達(dá)效，爐況穩(wěn)定順行。2018年2月，1#高爐平均日產(chǎn)量11 000 t/d，平均焦比320 kg/tHM，平均煤比165 kg/tHM，指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

高爐爐缸耐材溫度檢測(cè)正常，象腳區(qū)熱電偶檢測(cè)點(diǎn)的平均溫度約100℃，最高溫度約140℃（檢測(cè)點(diǎn)位置：插入炭磚深度300 mm）。這說(shuō)明高爐爐缸傳熱體系完善，傳熱通道順暢，可以有效保證爐缸永久性渣鐵保護(hù)殼的形成，與設(shè)計(jì)預(yù)期相吻合。

6 結(jié)語(yǔ)

合理的高爐設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽的前提條件。山鋼日照鋼鐵廠5 100 m3高爐爐體設(shè)計(jì)，采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高爐內(nèi)型、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、冷卻體系、自動(dòng)化檢測(cè)的有機(jī)結(jié)合，為高爐的穩(wěn)定操作及長(zhǎng)壽提供了條件。在先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，山鋼日照鋼鐵廠5 100 m3高爐EPC項(xiàng)目，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)良的選材和設(shè)備質(zhì)量、嚴(yán)格的安裝和建造工藝，為高爐實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。