1380m3高爐爐體系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、 1380m3高爐爐體系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)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(diǎn)，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(yùn)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

2、運(yùn)行信息。設(shè)計(jì)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。Key： 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(diǎn)，實(shí)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(shí)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(jì)特點(diǎn)，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(shí)施設(shè)計(jì)及優(yōu)化;最后介紹高爐冷卻水

3、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(shí)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(jì)特點(diǎn)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(jì)特點(diǎn)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(jì)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(jì)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510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(jì)理念，采用實(shí)用、成熟、可靠的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)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

4、，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 m15 m，爐殼采用預(yù)開孔形式，大幅節(jié)省現(xiàn)場施工時(shí)間;（8）高爐設(shè)置2個(gè)鐵口、22個(gè)風(fēng)口。2 高爐本體

5、設(shè)計(jì)及優(yōu)化2.1 爐型設(shè)計(jì)及優(yōu)化合理的高爐爐型是實(shí)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(jì)發(fā)展趨勢及現(xiàn)有高爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，充分考慮原燃料條件，對高爐爐型進(jìn)行優(yōu)化，滿足強(qiáng)化生產(chǎn)需求2。高爐設(shè)計(jì)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

6、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(yàn)，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(qiáng)鐵水在爐底流動的通透性。從實(shí)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(jì)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(jì)及優(yōu)化高爐在高溫、高壓，并承受爐料、鐵水及熔渣等機(jī)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(shí)踐表明，高爐爐缸、爐底和爐腹、爐腰、爐身下部

7、是直接影響高爐壽命的兩組關(guān)鍵部位。要實(shí)現(xiàn)高爐長壽，首先要從設(shè)計(jì)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

8、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(qiáng)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(jì)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

9、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(qiáng)和熱態(tài)抗折強(qiáng)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)

10、。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(jì)。高爐爐缸、爐底第14段采用灰鑄鐵（HT-200）光面冷卻壁，第13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(jì)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59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1014段）帶鑲磚

11、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514段球墨鑄鐵冷卻壁厚度比以往設(shè)計(jì)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(jì)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

12、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(jì)高爐冷卻水系統(tǒng)是維持高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、實(shí)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。現(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(yùn)行仍是使現(xiàn)代高爐長壽的重點(diǎn)考慮內(nèi)容。高爐設(shè)計(jì)根據(jù)冷卻部位不同和高爐各區(qū)

13、域工作特點(diǎn)，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710，連續(xù)循環(huán)使用。其中包括：

14、第115段冷卻壁前排管用水2 554 m3/h，爐底水冷和59段冷卻壁后排管用水576 m3/h。軟水系統(tǒng)補(bǔ)水量：正常9.4 m3/h，最大31.3 m3/h，補(bǔ)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(shí)相同。高爐工業(yè)凈環(huán)事故水除設(shè)有Q=750 m3/h柴油機(jī)事故泵外，柴油機(jī)事故泵啟動前事故用水利用高爐事故水塔，使用時(shí)間約10 min。軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工作流程

15、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(gè)子系統(tǒng)：第一個(gè)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59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(gè)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115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(shí)由于水速急劇降低，水中夾帶的氣泡會上

16、浮并聚集，最終通過設(shè)在脫氣罐上的自動排氣閥排出。回水管路上設(shè)膨脹罐（置于爐頂平臺），膨脹罐上部充填氮?dú)猓饔檬潜ＷC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(gè)方向設(shè)置爐襯熱電偶，共119個(gè)。為準(zhǔn)確檢測爐體各段冷卻壁運(yùn)行狀況，在各鑄鐵冷卻壁上設(shè)置熱電偶，共54個(gè)。煤氣上升管設(shè)置4個(gè)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

17、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(jì)、流量計(jì)，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(jì)，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(diǎn)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(jì)理念，對1 380 m3高爐本體實(shí)施了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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

18、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(xiàng)系統(tǒng)工程。它不僅包括長壽設(shè)計(jì)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(shí)，加強(qiáng)高爐自動化檢測的實(shí)時(shí)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(bǔ)技術(shù)（如噴補(bǔ)、壓漿等），實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。Reference1 錢世崇， 程樹森， 張福明， 等. 首鋼遷鋼1號高爐長壽設(shè)計(jì)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(shí)踐J. 煉鐵， 2009， 28（6）： 21-24.4 毛慶武，