武會卿  王宜利  劉代文 

（1.山西建邦集團(tuán)，山西臨汾，041000；2.中鋼石家莊設(shè)計(jì)院，河北石家莊，050000）

摘  要  為實(shí)現(xiàn)低成本煉鐵及降低改造投資目的，T鋼高爐使用原設(shè)計(jì)的配套公輔設(shè)施原地進(jìn)行擴(kuò)容大修。大修后的高爐采用了較小的爐腹角和爐身角，更大的Vu/A、D/d和d1/D。實(shí)踐證明，這次擴(kuò)容改造初步達(dá)到了高產(chǎn)低耗，取得了較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞  薄壁高爐  擴(kuò)容  爐腹角  經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1  前言

在高爐升級改造中，利用原有的配套公輔設(shè)施原地進(jìn)行擴(kuò)容的案例逐年增多[1-5]，很多是厚壁改薄壁[6-7]，爐殼全部利舊或者修改局部爐殼達(dá)到增加爐容和修改爐型的目的，原有薄壁高爐因?yàn)閿U(kuò)容空間不大或者需要整體更換爐殼和耐材，費(fèi)用過高，而且擴(kuò)容改造案例很少[8-9]。國內(nèi)T鋼鐵公司為了解決公司鐵鋼產(chǎn)能匹配問題，對原有薄壁有效容積1300m3高爐利用中修機(jī)會成功的在爐缸不大改動的情況下，創(chuàng)新性的進(jìn)行擴(kuò)容至1598m3的經(jīng)濟(jì)爐型，充分挖掘現(xiàn)有公輔設(shè)施能力，提產(chǎn)降耗。

2  高爐改造成功案例分析

高爐改造在設(shè)計(jì)和施工中屬于難度比較大的工作，其中厚壁高爐改造薄壁高爐難度要小一些，案例也很多，可以充分利用原有爐殼、配套公輔設(shè)施。國內(nèi)某鋼鐵公司成功改造十多座高爐都很成功，但薄壁高爐擴(kuò)容改造難度更大，限制環(huán)節(jié)更多，爐殼利舊擴(kuò)容空間不大。不利舊要考慮高爐本體框架空間，熱風(fēng)圍管和爐殼距離限制，送風(fēng)系統(tǒng)是否能利舊等等許多因素，這些工作都需要認(rèn)真細(xì)致的去研究。

筆者調(diào)研日鋼改造后的高爐生產(chǎn)指標(biāo)都很優(yōu)秀，總體改造思路是擴(kuò)大爐腰和爐喉直徑，達(dá)到高爐擴(kuò)容的目的。擴(kuò)大爐腰直徑使得爐腹角變小，這在高爐改造或者新建高爐中是不多見的，日鋼的爐型重大改革是突破傳統(tǒng)高爐爐型的理念，取得了較好的效果。

1）厚壁高爐改造成薄壁，有一定的改造空間，可以最大化的利用原有設(shè)備，包括爐頂設(shè)備，爐殼等，容積增加率都比較高，一般在18%—47%的增加率，改造后高爐絕對產(chǎn)量都提升幅度較大，

2）改造后爐頂溫度下降幅度大，必要時控制氧氣使用量提高頂溫。改造后的高爐燃料比都下降，這些結(jié)果都是爐腰、爐喉直徑加大，煤氣在爐內(nèi)停留時間延長，煤氣流速降低，煤氣熱能、化學(xué)能利用好的原因。

3）同樣的原料條件，爐況抵抗能力明顯提高，因?yàn)橐睙拸?qiáng)度比較低，煤氣流速低，絕對產(chǎn)量雖然提高了，但是利用系數(shù)沒有提高，甚至有些降低。

4）經(jīng)過調(diào)研，新1#和新2#爐腹角最小，71.5°，高爐投產(chǎn)后，氣流控制難度大，崩滑料比較多，爐況穩(wěn)定性差，1年后才逐步調(diào)整順利。期間風(fēng)口小套由400mm的調(diào)整到320mm，才逐步穩(wěn)定住了爐況。其他高爐爐腹角73.61°~74.05°，相對好操作一些。日鋼經(jīng)驗(yàn)是爐腹角73°為好。

5）爐腹角變小對于煤氣流一次分布影響較大，日鋼高爐操作思路隨著爐型的改變也在發(fā)生改變，最主要的變化是下部調(diào)劑中應(yīng)用了等效爐腹角的概念，并且細(xì)化成（修正爐腹角—內(nèi)型角度）和（修正爐腹角—冷卻壁角度）兩部分。

3  3#高爐改造前后爐型對比分析

T鋼鐵公司3#高爐屬于薄壁高爐擴(kuò)容案例，在行業(yè)內(nèi)還沒有可以借鑒的案例，屬特殊情況。在對高爐配套利舊和擴(kuò)容潛力進(jìn)行了細(xì)致的研究后，發(fā)現(xiàn)難度遠(yuǎn)超過新設(shè)計(jì)高爐，最終設(shè)計(jì)方案出爐歷時8個月，經(jīng)歷了多次的論證。最后的爐型方案如表1所示。

1）爐缸

爐缸作為煤氣發(fā)源地，高爐熱量來源和渣鐵反應(yīng)池。爐缸直徑的大小直接影響高爐生產(chǎn)，確定合適的爐缸直徑十分重要。過大將導(dǎo)致爐腹角過大，邊緣氣流過分發(fā)展，過小限制焦炭的燃燒，影響產(chǎn)量的提高。爐缸直徑可以根據(jù)關(guān)系式：d=1.13(IVu/Ja)1/2確定。本次大修就是要充分挖掘高爐的潛力，首要是提產(chǎn)，所以直徑由8400mm擴(kuò)充為8900mm。

2）爐腹

爐腹的結(jié)構(gòu)尺寸是爐腹高度h2和爐腹角α。爐腹過高易造成難行和懸料；爐腹過低則減弱爐腹的作用。一般可由下式計(jì)算：h2=(D-d)tgα/2,

其中的α《高爐設(shè)計(jì)-煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐》中參考值為75°～78°，而《高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊》中參考值為80°～83°，過大不利于煤氣分布并破壞穩(wěn)定的渣皮保護(hù)層，過小則增大對爐料下降的阻力，不利于高爐順行，根據(jù)日鋼的經(jīng)驗(yàn)值與前人的總結(jié)此次大修方案爐腹角大幅縮小為76.2°。

3）爐腰

在爐型結(jié)構(gòu)上，爐腰起著承上啟下的作用，同時可以調(diào)節(jié)爐容。爐腰直徑D與爐缸直徑d和爐腹角α、爐腹高度h2以及爐身角β、爐身高度h4等爐型主要參數(shù)有密切的幾何關(guān)系，并決定了爐型的上下部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。爐腰處是冶煉的軟熔帶，透氣性變差，爐腰的存在擴(kuò)大了該部位的橫向空間，改善了透氣條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一方面適當(dāng)增加爐腰直徑可以改善高爐透氣性。另一方面適當(dāng)增大爐腰直徑可以使煤氣停留時間延長，提高煤氣利用率。所以本次大修擴(kuò)大了爐腰直徑，由9600mm變?yōu)?0650mm。從而使?fàn)t型適當(dāng)“矮胖”，減小爐料下降阻力同時降低煤氣流流速。

4）爐身

爐身角對高爐煤氣流的合理分布和爐料順行影響較大。爐身角小，有利于爐料下降，但易發(fā)展邊緣氣流，過小時會導(dǎo)致邊緣煤氣流過分發(fā)展，使焦比升高。爐身角大，有利于抑制邊緣煤氣流，但不利于爐料下降，對高爐順行不利。同時也要適應(yīng)高爐容積，一般大高爐由于徑向尺寸大，所以徑向膨脹量也大，要求β小些。

爐身高度h4占高爐有效高度的50%~60%，保障煤氣與爐料之間傳熱和傳質(zhì)過程的進(jìn)行，一般由下式計(jì)算：h4=(D?d1)/2tgβ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值β一般為82°～85°。本次大修爐身角也適當(dāng)縮小，從而保證爐況順行。

5）爐喉

爐喉呈圓柱形，作用是承接爐料，穩(wěn)定料面，保證爐料合理分布，并決定了高爐爐型的上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。d1過小會增加爐塵吹出量和煤氣阻力；反之會使粉塵大量留于爐內(nèi)，同時因煤氣動能不足，不能充分發(fā)揮氣流對爐料的疏松作用，使高爐上部易產(chǎn)生難行和懸料。故應(yīng)有一合適的d1，一般由比值d1/D確定d1。

4  開爐后生產(chǎn)指標(biāo)對比分析

爐型雖然不能改變冶煉過程的本質(zhì)，但作為一個外部條件，對高爐冶煉過程有著重要影響。爐型設(shè)計(jì)的總原則是合理確定爐型各部分尺寸之間的比例。這是因?yàn)闋t型各部分尺寸之間的比例關(guān)系是相互影響，相互制約的。并且這些比例關(guān)系中的合適比值，是長期高爐生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

在原料條件、原有的設(shè)備等情況變化不大的情況下，此次高爐開爐后的三個月指標(biāo)有很大的提高，產(chǎn)量、燃料比都達(dá)到了比較理想的指標(biāo)，初步達(dá)到了大修前設(shè)想的結(jié)果，其對比結(jié)果如表2所示。

筆者認(rèn)為這跟爐缸直徑的擴(kuò)大，高爐爐腰、爐喉橫向尺寸和高爐橫向截面積的增加有很大關(guān)系，一方面，降低了爐內(nèi)煤氣流速，降低了壓差，有利于高爐順行和強(qiáng)化冶煉。另一方面，保證了足夠的煤氣爐內(nèi)停留時間，以改善煤氣利用率。具體討論如下：

1）Hu/D

此值是表征高爐“矮胖”程度的。通過表1可以看到改造前高徑比為2.573改造后為2.357，高徑比減少這有助于減小煤氣流通過料柱的阻力損失，利于高爐順行。

2）Vu/A

本次大修高爐Vu/A設(shè)計(jì)上主要通過經(jīng)濟(jì)爐型設(shè)計(jì)保障煤氣在爐內(nèi)合理停留時間提高煤氣利用，即能夠滿足煤氣與爐料間熱交換與還原反應(yīng)的需求，還要避免煤氣停留時間過長造成爐容浪費(fèi)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)Vu/A由原來的23.47增大為25.7，根據(jù)煤氣停留時間公式τ=42.23Vu/A*1/χBG*Pm，設(shè)計(jì)中，提高Vu/A能夠延長τ，提高煤氣利用率。

3）爐身角β

根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，爐身角小有利于發(fā)展邊緣氣流，可改善下料條件，以適應(yīng)料柱變相膨脹量大的要求。本次大修爐身角由82.875°變?yōu)?2.14°，有助于減小料柱對氣流的阻損，利于高爐的順行，而且為高爐的強(qiáng)化操作創(chuàng)造了有利條件。

4）爐腹角α

爐腹角是描述爐腹形狀的主要參數(shù)，也是確定高爐下部尺寸的重要依據(jù)。爐腹角對下部煤氣流分布影響較大，爐腹角過大不符合煤氣流速控制規(guī)律，影響高爐下部透氣性和軟熔帶穩(wěn)定，容易導(dǎo)致爐腰“結(jié)厚”。當(dāng)爐缸面積確定之后，擴(kuò)大高爐爐喉、爐腰尺寸，一方面可以提高Vu/A，保證足夠的煤氣爐內(nèi)停留時間，以改善煤氣利用率。另一方面，上部橫向截面積的增加，降低了爐內(nèi)煤氣流速，可大幅度降低爐內(nèi)壓差，有利于高爐順行和強(qiáng)化冶煉。爐腹角由79.695°變?yōu)?6.2°，從而更加適應(yīng)了現(xiàn)在高爐矮胖型的趨勢，提高高爐順行能力，同時提高煤氣停留時間。

5）D/d

D/d與爐腹角α緊密聯(lián)系，是表征下部形狀和尺寸的另一個主要參數(shù)，設(shè)計(jì)時，應(yīng)一并統(tǒng)籌考慮確定。當(dāng)爐腰直徑與爐缸直徑之比為1.2時，總壓差最小。隨著爐腰直徑與爐缸直徑之比的增大，高爐下部壓差減小，而高爐上部壓差則變大，且增大的幅度大于下部壓差減小的幅度，因此總壓差升高。本次大修比值由1.14變?yōu)?.197，更接近理想的比值。

5  結(jié)論

此次大修初步達(dá)到了提高產(chǎn)量，降低消耗，充分挖掘配套潛力，提高效益的擴(kuò)容改造的初衷。為實(shí)現(xiàn)低成本煉鐵以及實(shí)現(xiàn)節(jié)約改造投資目的，T鋼3#高爐利用原有的配套公輔設(shè)施原地進(jìn)行擴(kuò)容中修。該爐型采用更低的高徑比Hu/D和較小的爐腹角和爐身角，更大的Vu/A、D/d、d1/d，達(dá)到了高爐設(shè)計(jì)推薦的薄壁高爐內(nèi)型尺寸范圍，該爐型滿足了靈活選擇爐料結(jié)構(gòu)并能實(shí)現(xiàn)較差原燃料條件下的高產(chǎn)低耗，使薄壁“經(jīng)濟(jì)”爐型高爐取得了傳統(tǒng)爐型無法達(dá)到的指標(biāo)。

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