廖建鋒1  文輝正1 鄒忠平1   敖愛國2

 （1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司；2.寶鋼湛江鋼鐵有限公司）

摘  要  對寶鋼湛江兩座5050m3高爐的工藝裝備、設(shè)計優(yōu)化、自主創(chuàng)新技術(shù)、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等進行了闡述。在5050m3高爐的設(shè)計中，爐體設(shè)計充分吸收了寶鋼3號高爐長壽經(jīng)驗，采用全鑄鐵冷卻壁，同時還采用自主創(chuàng)新的BC-QS串罐無料鐘爐頂、國產(chǎn)TRT、國產(chǎn)高爐鼓風(fēng)機等設(shè)備，降低了企業(yè)建設(shè)和運營成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。1號高爐順利投產(chǎn)，截至2016年3月15日，高爐利用系數(shù)最高達2.37，燃料比最低480kg/t，煤比最高183kg/t，風(fēng)溫最高1280℃，取得了良好的生產(chǎn)指標。

關(guān)鍵詞  特大型高爐 自主集成 技術(shù)裝備

寶鋼湛江兩座5050m3高爐關(guān)鍵設(shè)備均為國產(chǎn)，實現(xiàn)了高爐工藝、技術(shù)、設(shè)備的自主設(shè)計和自主集成，達到了特大型高爐裝備技術(shù)的國際先進水平。高爐于2013年3月開展設(shè)計，同年5月動工建設(shè)，1號高爐于2015年9月25日投產(chǎn)，2號高爐于2016年7月15日投產(chǎn)。湛江高爐順利投產(chǎn)，使我國特大型高爐技術(shù)又上了一個臺階。本文重點對湛江高爐工程設(shè)計進行全面地總結(jié)。

1  主要工藝設(shè)計指標

湛江5050m3高爐的主要工藝設(shè)計指標見表1。

2  主要工藝裝備

(1)槽下供料系統(tǒng)。兩座高爐的礦槽、焦槽合并平行布置，焦炭采用分散篩分、集中稱量的工藝燒結(jié)礦、塊礦采用分散篩分、分散稱量的工藝，設(shè)焦丁回收工藝。為提高上料能力和裝料的靈活性，設(shè)置有中間斗。

(2)爐頂系統(tǒng)。采用串罐無料鐘爐頂設(shè)備，減小布料偏析對爐況的影響，為高爐穩(wěn)定操作打下良好的基礎(chǔ)。采用了完全國產(chǎn)化的BCQS布料器，并設(shè)置了爐頂均壓煤氣回收裝置。

(3)爐體系統(tǒng)。采用全鑄鐵冷卻壁，有效降低了工程投資，配合良好的操作技術(shù)，使高爐的適應(yīng)能力更強。高爐內(nèi)型采用三段式爐身結(jié)構(gòu)，有利于控制煤氣流分布。采用純水串聯(lián)的密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，爐缸部位采用橫行鑄鐵冷卻壁，提高了冷卻比表面積。采用超微孔大塊炭磚，并設(shè)置了完善的檢測系統(tǒng)，爐體設(shè)計壽命22年。

(4)出鐵場系統(tǒng)。出鐵場采用緊湊型平坦化布置，并設(shè)置上出鐵場高架道路。采用全國產(chǎn)化的液壓泥炮、開口機和移蓋機，鐵口上方風(fēng)口平臺寬。

(5)渣處理系統(tǒng)。水渣系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)鼓備用干渣坑工藝，兩個出鐵場各設(shè)置一套轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)，?；羝捎?0m的煙囪高空排放。

(6)熱風(fēng)爐系統(tǒng)。采用4座頂燃式熱風(fēng)爐，兩燒兩送交錯并聯(lián)的送風(fēng)制度，設(shè)計風(fēng)溫1300℃。設(shè)置煙氣余熱回收，并配置前置預(yù)熱爐進一步提高助燃空氣溫度。

(7)噴煤系統(tǒng)。采用了并罐+總管+爐前分配器的噴吹方式，設(shè)計煤比220kg/t，制粉能力250kg/。

(8)煤氣凈化系統(tǒng)。采用干法布袋除塵工藝，采用大直徑除塵器，上進上出的布置工藝，既有利于煤氣均勻分布，也方便了設(shè)備操作維護。

(9)TRT設(shè)施。國內(nèi)5000m3級特大高爐上首套全國產(chǎn)化設(shè)備，采用了多項新技術(shù)，大幅提升了特大型高爐TRT國產(chǎn)化技術(shù)水平。

(10)鼓風(fēng)機站。配置了3臺AV-100軸向進氣靜葉可調(diào)式軸流壓縮機組，其中1號和2號鼓風(fēng)機為MAN公司制造，3號鼓風(fēng)機為陜鼓制造，配套的55000kW電機均為日本 TMEIC公司制造。

(11)給排水設(shè)施。高爐采用了純水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其二次冷卻采用板式換熱器，高爐生產(chǎn)新水消耗量270m3/h，噸鐵新水耗量約0.56m3/t

(12)除塵設(shè)施。出鐵場和礦焦槽采用了布袋除塵器，出鐵場還設(shè)置了一套屋頂除塵裝置，有效改善了出鐵場的環(huán)境。礦槽和焦槽分別設(shè)置除塵系統(tǒng)，便于除塵灰的有效回收利用。

(13)自動化控制系統(tǒng)。從生產(chǎn)全局出發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的連貫性、分布位置及控制要求，對控制系統(tǒng)分區(qū)域、分級進行配置，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)成生產(chǎn)工藝對象的三電自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)L1、過程控制系統(tǒng)L2和生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES共三級組成。

3  主要設(shè)計優(yōu)化

3.1  總體設(shè)計優(yōu)化

湛江鋼鐵作為寶鋼”二次創(chuàng)業(yè)”的項目，對成本控制十分嚴格，在設(shè)計過程中始終以高效生產(chǎn)為準繩，讓低成本、高效率、具備競爭力的高爐成為現(xiàn)實。為控制工程投資，開展了多版可行性研究與初步設(shè)計，在確保工藝方案可行的前提下，還結(jié)合寶鋼4座高爐的建設(shè)、生產(chǎn)經(jīng)驗，進行了大量設(shè)計優(yōu)化，使湛鋼高爐單位爐容的投資做到了最低。

堅持“成熟、可靠、適用”的設(shè)計理念，采用仿真等技術(shù)手段優(yōu)化工程設(shè)計。比如，鐵水運輸通過仿真分析，將鐵水魚雷罐車平均運輸距離縮短到了900米，創(chuàng)造了國內(nèi)大型魚雷罐車短距離鐵水運輸?shù)募o錄，大幅減少了物流運輸成本;結(jié)合湛江地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、臺風(fēng)多、雷雨多、空氣潮濕、大氣有腐蝕性等特點，充分研究海邊建廠的經(jīng)驗，組織專家團隊進行論證，綜合研究復(fù)雜地基處理的各種技術(shù)，采用抗臺風(fēng)、防腐蝕的先進技術(shù)，確保工程高效、實用和安全。

3.2  爐體設(shè)計優(yōu)化

(1)爐型。消化吸收了寶鋼3號高爐的經(jīng)驗，對爐型進行了充分研究，采用雙爐身角設(shè)計使氣流與爐料的運動更相適應(yīng)，爐身適應(yīng)操作氣流變化的能力更強，爐況穩(wěn)定性更好。1號高爐投產(chǎn)后，經(jīng)受了“彩虹”臺風(fēng)休風(fēng)和幾次定休的考驗，高爐恢復(fù)生產(chǎn)較快，鑄鐵冷卻壁和雙爐身角設(shè)計發(fā)揮了重要作用。

(2)冷卻設(shè)備?；趯氫?號高爐長壽的經(jīng)驗，一方面，全鑄鐵冷卻壁高爐有自身的優(yōu)勢，如更容易操作，爐況不順更容易恢復(fù)等。另一方面，目前鑄鐵冷卻壁制造質(zhì)量和維護技術(shù)也有了較大提升，即便是爐役后期有損壞，也可通過計劃休風(fēng)快速修復(fù)。而銅冷卻壁高爐也有自身的劣勢，如容易導(dǎo)致爐墻結(jié)厚，渣皮脫落導(dǎo)致邊沿氣流難于控制，對各種影響因素更加敏感，操作調(diào)控難度加大等。因此，經(jīng)過反復(fù)研究，決定采用全鑄鐵冷卻壁，有利于高爐日常操作，同時也有效降低了工程投資。

(3)冷卻水系統(tǒng)。采用了一串到頂?shù)睦鋮s水系統(tǒng)，盡管總水量減少，但單管水量卻增加了，效率更高，投資更省。純水I系統(tǒng)冷卻爐底水冷管、爐缸橫形冷卻壁、爐腹至爐喉冷卻壁，經(jīng)爐頂脫氣罐脫氣后返回泵站。在縱向上分為三段，三段串聯(lián)，便于系統(tǒng)進行熱負荷檢測和系統(tǒng)檢漏。純水Ⅱ系統(tǒng)為純水I系統(tǒng)的回水增壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為三個支路并聯(lián)，分別冷卻風(fēng)口中套、直吹管、熱風(fēng)爐閥門。

該系統(tǒng)最大的特點是:純水Ⅱ系統(tǒng)的水全部是經(jīng)過了爐頂脫氣罐脫氣的、有效減少了增壓系統(tǒng)帶氣運行的風(fēng)險。在脫氣后增壓循環(huán)不會導(dǎo)致增壓系統(tǒng)水溫升高太高，實踐證明、純水Ⅱ系統(tǒng)的排水溫度比純水I系統(tǒng)僅高約2-3℃。

3.3  總圖設(shè)計優(yōu)化

總圖布置上，采用半島式布置，通過設(shè)計優(yōu)化，高爐到煉鋼的平均距離縮短到了900m，并且在出鐵場的罐口區(qū)域增加防雨設(shè)施，有利于減少鐵水運輸過程中的溫降。

兩座高爐的中控室合并布置，通過高架通道連接兩座高爐出鐵場、具有布置緊湊、占地面積小及土建投資省的優(yōu)點。同時，操作崗位人員可以減少、生產(chǎn)維護人員可以集中，便于生產(chǎn)組織管理。兩座高爐的礦焦槽系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和噴煤系統(tǒng)也分別合并布置，有效節(jié)省了工程投資和占地面積。

4  自主創(chuàng)新技術(shù)

多年來，由于國外供貨商的技術(shù)壟斷，中國大型高爐的關(guān)鍵核心裝備還是依賴于引進，增加了鋼鐵企業(yè)建設(shè)和運營成本，影響了產(chǎn)品的競爭力。在湛江高爐上集中采用大量自主創(chuàng)新技術(shù)，不僅極大地降低了工程投資，而且使高爐主要技術(shù)指標達到國際一流水平。

4.1  無料鐘爐頂設(shè)備

大型高爐無料鐘爐頂設(shè)備以往長期靠引進2009年，湛江高爐大型無料鐘爐頂聯(lián)合攻關(guān)小組正式成立，瞄準國際一流水平，開發(fā)具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的高爐無料鐘爐頂設(shè)備。在4年多的時間里，經(jīng)理論研究、樣機制造、實驗研究，以及1:1試驗裝置開展冷態(tài)、熱態(tài)及模擬布料測試，開發(fā)出國產(chǎn)BCQS無料鐘爐頂設(shè)備。

BCQS無料鐘爐頂設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、投資低等特點，主要采用了以下技術(shù):①創(chuàng)新性開發(fā)布料器液壓復(fù)合控制技術(shù)，布料器a角控制精度在±0.1°以內(nèi)，達到國際領(lǐng)先水平。②布料器采用新型水冷及密封結(jié)構(gòu)，設(shè)備冷卻強度提高，密封可靠，冷卻水消耗在10-15t/h，氮氣消耗在800m3/h以下，降低了設(shè)備運行成本。③布料槽采用卡掛式結(jié)構(gòu)，拆卸安裝方便，更換時間可控制在4h以內(nèi)。④改進布料器導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，將整體式導(dǎo)軌改為裝配式結(jié)構(gòu)，并增加潤滑措施，配合布料器三缸液壓同步控制技術(shù)，克服導(dǎo)軌磨損間題，延長布料器整體的使用壽命。

湛江1號高爐投產(chǎn)以來，BCQS無料鐘爐頂運行情況良好，主要性能指標達到國際先進水平，成功替代進口產(chǎn)品，完全滿足大型高爐的生產(chǎn)要求。

4.2  頂燃式熱風(fēng)爐

頂燃式熱風(fēng)爐具有風(fēng)溫高、投資低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點，已成為目前熱風(fēng)爐技術(shù)發(fā)展的主流方向。然而，寶鋼外燃式熱風(fēng)爐和操作方式也有自身的特色，設(shè)計過程中吸取了寶鋼外燃式熱風(fēng)爐的經(jīng)驗，對頂燃式熱風(fēng)爐進行了改進，集成渦流噴射燃燒技術(shù)和寶鋼外燃式熱風(fēng)爐管系技術(shù)，使湛江高爐的頂燃式熱風(fēng)爐更加完善、主要在以下方面作了改進:①依據(jù)外燃式混風(fēng)室的成熟設(shè)計理念，為4座頂燃式熱風(fēng)爐配置4座獨立混風(fēng)室，改善熱風(fēng)出口爐殼及耐材的工作條件，解決頂燃式熱風(fēng)出口容易出現(xiàn)管殼發(fā)紅等問題。同時，還降低了熱風(fēng)主管和支管的風(fēng)溫，有利于提高管系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壽命。②各孔口均采用                      自鎖式組合磚技術(shù)，有效改善各孔口的受力狀況，提高砌體的穩(wěn)定性。③根據(jù)熱風(fēng)管系的布置，采用分析軟件優(yōu)化波紋管和拉桿的設(shè)置，并設(shè)計與管系相適應(yīng)的耐材砌體結(jié)構(gòu)，確保熱風(fēng)管道耐材在1300℃的風(fēng)溫下長期安全運行。④為熱風(fēng)爐配置前置燃燒爐及煙氣余熱回收系統(tǒng)，確保在單燒高爐煤氣的條件下，實現(xiàn)1300℃的高風(fēng)溫。

4.3  TRT設(shè)備

目前，全球運行的5000m3級特大高爐的TRT設(shè)備主要從日本三井、川崎重工等引進。湛江高爐的TRT設(shè)備是通過聯(lián)合攻關(guān)，自主開發(fā)的5000m3級特大高爐首套國產(chǎn)化設(shè)備。

每座高爐配套建設(shè)一座干式TRT設(shè)備，采用干式軸流反動式透平機，配套水冷無刷勵磁同步發(fā)電機，額定功率33MW。當高爐短期休風(fēng)時，為避免頻繁啟停機，TRT發(fā)電機可轉(zhuǎn)換成電動機運行。為確保TRT設(shè)備安全運轉(zhuǎn)，所有的保安信號均與快速切斷閥聯(lián)鎖，當其中某一信號輸出時，該閥自動快速關(guān)閉，使機組停止運轉(zhuǎn)。同時，配套設(shè)置的減壓閥組中的快開閥同步開啟，以保證爐頂壓力的穩(wěn)定。

為了大幅提升特大型TRT設(shè)備國產(chǎn)化技術(shù)水平，主要采用了以下新技術(shù):①改進安保系統(tǒng)控制。確保在極端故障狀態(tài)下，TRT及減壓閥組具有“三斷(斷油、斷電、斷信號)保護”功能。②改進關(guān)鍵零部件材料適用性。通過開發(fā)性能更好的新型TRT阻垢緩蝕劑，有效改善設(shè)備耐腐蝕、耐沖刷性能。③采用改進的熱噴涂工藝，并增加噴丸工藝，進行葉片表面處理，有效提高了涂層與葉片材料基體的結(jié)合性。④優(yōu)化透平設(shè)備結(jié)構(gòu)。開發(fā)新型葉片、改進流道設(shè)計、改進擴壓器結(jié)構(gòu)，可以減少阻損，從而提高發(fā)電量。

4.4  鼓風(fēng)機

鼓風(fēng)站配置了3臺鼓風(fēng)機，其中3號鼓風(fēng)機組為全國產(chǎn)化首臺5000m3級高爐鼓風(fēng)機，其氣動性能和機械性能等各項指標均滿足了設(shè)計要求，各主要指標與德國MAN公司鼓風(fēng)機相當，達到了國際先進水平，也實現(xiàn)了5000m3級高爐鼓風(fēng)機國產(chǎn)化的突破。3號鼓風(fēng)機組主要有以下幾個特點:①采用軸向進氣結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的徑向進氣結(jié)構(gòu)，減小了進氣管道的阻損，降低整機功率消耗約1％;同時，該結(jié)構(gòu)可以降低風(fēng)機機組安裝平臺高度，降低基建投資費用。②風(fēng)機軸承箱與機殼固定，轉(zhuǎn)子與機殼的同軸度調(diào)整更加容易。③機殼由靜葉承缸、靜葉調(diào)節(jié)缸和外缸三層組成，完整的外缸對靜葉調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形成有效的保護，防止灰塵的進入和噪音外泄，保持靜葉承缸和調(diào)節(jié)缸的溫度均勻，有效防止了入口空氣溫度較低時機殼前部的結(jié)露。④控制系統(tǒng)在保護機組安全的同時，可實現(xiàn)定風(fēng)量、定風(fēng)壓、熱風(fēng)爐充風(fēng)、富氧控制等一系列高爐生產(chǎn)工藝控制要求。

5   主要節(jié)能環(huán)保技術(shù)

5.1   豎直環(huán)保篩

湛江高爐槽下燒結(jié)礦和焦炭的篩分均采用新型豎直環(huán)保篩，有以下幾個特點:①占地面積小，工藝布置簡潔，更換篩網(wǎng)及維修方便。②物料篩分充分，篩分效率高。③結(jié)構(gòu)緊湊，整體密封性好，避免粉塵飛揚，環(huán)保效果好。

5.2   煤氣干法布袋除塵及噴淋塔

高爐煤氣干法布袋除塵已取代濕法除塵得到廣泛應(yīng)用，但普遍存在著故障率高、運行不穩(wěn)定等問題。在汲取兄弟單位干法除塵成功運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，湛江高爐干法除塵采用了符合特大高爐高效、環(huán)保的工藝技術(shù)和設(shè)備，其主要技術(shù)特點包括:①大直徑除塵器，煤氣頂進頂出，既有利于煤氣均勻分布，也便于設(shè)備維護，提高了運行的安全性。②輸灰采用濃相流態(tài)化氣力輸灰技術(shù)，輸灰系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高輸灰設(shè)備的使用壽命。③在輸灰管道上設(shè)置自動排堵裝置，減輕人工維護工作量。④凈煤氣管道內(nèi)壁噴涂耐酸耐蝕涂料，提高了管道的防腐性能，延長管道的使用壽命。

為保證高爐煤氣柜安全并降低全廠煤氣管網(wǎng)投資，需控制煤氣管網(wǎng)溫度≤60℃，為此，在減壓閥組和TRT后配套設(shè)置了一座噴淋塔。該噴淋塔不僅能將凈煤氣溫度降至允許的溫度范圍，同時，可使氯離子及酸性物質(zhì)析出，溶入噴淋水中。通過塔內(nèi)格柵均流裝置，使煤氣均勻分布。讓降壓后的紊亂煤氣直接進入塔內(nèi)緩沖，塔體外部采用多層保溫隔聲包扎。這些措施使噴淋塔取代了傳統(tǒng)工藝中的消音器的作用，既節(jié)省了投資，也提高了可靠性。

高爐煤氣噴淋塔集除酸、降溫、脫水、消音等功能于一身，是世界上5000m3級高爐上的首次完整運用，為解決全干式布袋除塵引起的煤氣管網(wǎng)及設(shè)備腐蝕問題，提供了一種有效的解決方案。

5.3   均壓煤氣回收

爐頂均壓煤氣放散是爐頂最主要的粉塵污染源和噪音源，本次設(shè)計采用了中治賽迪自主知識產(chǎn)權(quán)的爐頂均壓煤氣干法回收技術(shù)。爐頂均壓煤氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器及均壓煤氣回收設(shè)施在煤氣凈化系統(tǒng)的噴淋塔后匯入凈煤氣管網(wǎng)，實現(xiàn)廢棄能源回收、節(jié)能、減少碳排放和粉塵排放的目的，還降低了生產(chǎn)成本。該裝置可實現(xiàn)85％以上的均壓煤氣回收，每座高爐減少煤氣放散2600萬m3/a，減少CO2直接排放約1.2萬t/a，減少粉塵排放約400t/a，實現(xiàn)煤氣回收效益250萬元/a。具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。

5.4   熱風(fēng)爐熱均壓

熱風(fēng)爐爐內(nèi)高壓氣體回收，是將一座熱風(fēng)爐排壓釋放的高壓氣體，通過充壓、排壓管道充入另一座正在充壓的熱風(fēng)爐中，實現(xiàn)對排壓氣體的回收利用。該技術(shù)能夠減少送風(fēng)過程中風(fēng)量、風(fēng)壓的波動幅度，有利于高爐爐況的穩(wěn)定，同時還回收利用了熱能和余壓。從1號高爐運行效果看，風(fēng)壓波動可減小到10kPa左右。

5.5   魚雷罐車加蓋

湛江高爐380t魚雷罐車設(shè)有加蓋裝置，既能降低運輸過程中魚雷罐中鐵水的溫降，又可以抑制煙氣的排放，達到節(jié)能減排的目的。生產(chǎn)實踐證明，魚雷罐車加蓋后，能夠大幅減少煙氣的排放，鐵水溫降明顯減小，起到了節(jié)能減排的效果。

5.6   除塵設(shè)范

在礦槽和焦槽分別設(shè)置一套除塵設(shè)備，捕集的礦粉送至燒結(jié)回收利用，而焦粉送至配煤槽利用，大幅提高了原燃料的利用率。

在C1、C2出鐵場各配置一套除塵設(shè)備，合理設(shè)置除塵點及風(fēng)量分配，在不影響工藝操作前提下封閉塵源。同時，優(yōu)化除塵器結(jié)構(gòu)，裝填國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)覆膜濾料，在適宜濾速下實現(xiàn)低阻運行和高效集塵，粉塵排放達到國家特別排放限值的要求。通過以上措施，出鐵場除塵系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的控塵和集塵效果，改善了現(xiàn)場操作環(huán)境。

6   生產(chǎn)效果

1號高爐投產(chǎn)后，主要設(shè)備運行情況良好，各項生產(chǎn)指標穩(wěn)步提升。截至2016年3月15日，利用系數(shù)最高達2.37，燃料比最低480kg/t，煤比最高183kg/t(如圖1所示)，風(fēng)溫最高1280℃，頂壓最高0.255MPa。出鐵場鐵口、擺動溜槽等部位均取得了良好的除塵效果。

7   參考文獻

[1]  陶海銀.挑戰(zhàn)國際一流打造國貨精品[N.中國治金報，2015-11-27.