李  楊  王德軍  趙  晗  高哲龍  宋小龍

（首鋼通鋼煉鐵事業(yè)部）

摘  要  通鋼2680m3高爐設(shè)計(jì)采用全冷卻壁、磚壁合一薄壁爐襯、銅冷卻壁、炭磚-陶瓷杯復(fù)合爐底、全軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、并罐無料鐘爐頂、頂燃式熱風(fēng)爐等一系列先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 

關(guān)鍵詞  高爐設(shè)計(jì)  薄壁爐襯  銅冷卻壁  無料鐘爐頂  頂燃式熱風(fēng)爐 

1  前言

首鋼通鋼集團(tuán)公司根據(jù)發(fā)展需要，決定新建一座2680m3高爐及其配套設(shè)施。為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫、高煤比、高頂壓、高煤氣利用、高利用系數(shù)、低能耗及長(zhǎng)壽、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)，新2號(hào)高爐主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：利用系數(shù)2.35t/（m3·d），入爐礦綜合品位59%，焦比330kg/t，煤比180kg/t，風(fēng)溫1250℃，爐頂壓力0.25MPa，富氧率3%，噸鐵渣量≯340kg，年產(chǎn)生鐵220萬t，高爐一代爐齡15年。新2號(hào)高爐已于2014年7月12日點(diǎn)火開爐，7月13日順利出鐵。

2  高爐本體

本次高爐本體設(shè)計(jì)目標(biāo)是在強(qiáng)化冶煉的條件下，實(shí)現(xiàn)高爐一代爐役壽命達(dá)到15年。爐體框架設(shè)計(jì)采用自立式大框架結(jié)構(gòu)，上部采用間距17×17m的正方形框架，下部采用間距26×17m矩形框架。平臺(tái)寬敞，爐殼負(fù)荷輕，以利于擴(kuò)大兩個(gè)鐵口間的夾角。高爐內(nèi)型設(shè)計(jì)采用有利于強(qiáng)化冶煉的矮胖型，并采用全冷卻壁、磚壁合一薄壁內(nèi)襯、銅冷卻壁、水冷炭磚薄爐底爐缸結(jié)構(gòu)、軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)以及完善的檢測(cè)儀表，為高爐生產(chǎn)穩(wěn)定、順行、高效、長(zhǎng)壽奠定基礎(chǔ)。

2.1  高爐內(nèi)型

合理的高爐內(nèi)型是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、低耗、長(zhǎng)壽的基本條件之一。在總結(jié)國內(nèi)外同類容積高爐內(nèi)型尺寸的基礎(chǔ)上，結(jié)合通鋼具體的原燃料條件，高爐設(shè)計(jì)采用適宜強(qiáng)化冶煉的矮胖操作爐型，爐型參數(shù)見表1。其特點(diǎn)如下：

（1）適當(dāng)矮胖，減小爐身角及爐腹角。較小的爐身角有利于受熱膨脹后的爐料下降；較小的爐腹角有利于煤氣流的均勻分布，減小對(duì)爐腹生成渣皮的沖刷，保護(hù)爐腹冷卻壁，延長(zhǎng)其壽命[1]。

（2）加深死鐵層厚度。死鐵層加深會(huì)增加爐缸侵蝕面積，但鐵水環(huán)流減弱，將延緩爐墻厚度方向的侵蝕速度，對(duì)提高爐缸爐底壽命有利。同時(shí)較深的死鐵層可貯存更多鐵水，保證爐缸有充足的熱量?jī)?chǔ)備,穩(wěn)定鐵水溫度和成分[1]。

（3）加大爐缸高度。爐缸高度增加可保證風(fēng)口前有足夠的回旋區(qū)，利于煤粉的充分燃燒及改善高爐下部中心焦的透氣（液）性，還可提高爐缸內(nèi)熱量和鐵水溫度。

（4）高爐設(shè)30個(gè)風(fēng)口，3個(gè)鐵口，取消了渣口。

2.2  冷卻設(shè)備

根據(jù)高爐長(zhǎng)壽生產(chǎn)的需要，爐體采用磚壁合一全冷卻壁方案，爐底采用水冷，水冷管設(shè)在爐底封板以上。爐底至爐喉共設(shè)置15段冷卻壁，取消凸臺(tái)，按照爐內(nèi)縱向各區(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，見表2。

為確保高爐長(zhǎng)壽，冷卻設(shè)備采用如下技術(shù)措施：

（1）在爐腹、爐腰和爐身下部工作環(huán)境最為惡劣的地方采用3段銅冷卻壁。銅冷卻壁有足夠的冷卻強(qiáng)度，易于形成穩(wěn)定的渣皮以保護(hù)爐襯和爐殼。

（2）適當(dāng)增加冷卻壁水冷管直徑和每段冷卻壁塊數(shù)，提高水冷管比表面積（爐腰為0.96）。

（3）雙層水冷管冷卻壁安裝部位延伸至爐身中部。

（4）每塊鑄鐵冷卻壁的水冷管采取4進(jìn)4出豎直排列，鐵口側(cè)冷卻壁水管采取7進(jìn)7出的排列方式，風(fēng)口帶的冷卻壁水管采取5進(jìn)5出或6進(jìn)6出的排列方式。

2.3  高爐內(nèi)襯

高爐在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各部位不同的工作條件和侵蝕機(jī)理選用耐火材料，并在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)磚襯的穩(wěn)定性：

（1）爐底、爐缸采用炭磚-陶瓷砌體復(fù)合爐襯結(jié)合水冷薄爐底結(jié)構(gòu)。爐底第一層臥砌石墨化炭磚(0.4m)，第二層臥砌高導(dǎo)熱炭磚(0.4m)，第三層臥砌微孔炭磚(0.6m)，第四層臥砌超微孔炭磚(0.6m)，最上部立砌兩層剛玉莫來石磚(共0.8m)。爐缸內(nèi)側(cè)環(huán)砌高鋁磚，外側(cè)環(huán)砌超微孔炭磚。 

（2）鐵口通道采用大塊和小塊相結(jié)合的陶瓷剛玉組合磚砌筑，風(fēng)口區(qū)采用大塊陶瓷剛玉組合磚砌筑，在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)了磚襯的穩(wěn)定性。

（3）爐腹及其以上區(qū)域采用磚壁合一、薄內(nèi)襯（150mm）結(jié)構(gòu)形式，在3段銅冷卻壁區(qū)直接噴涂一層噴涂料。

（4）在爐身中下部的球墨鑄鐵冷卻壁區(qū)，熱負(fù)荷及化學(xué)侵蝕較爐腹至爐身下部相對(duì)減小，采用Si3N4-SiC磚砌筑。

（5）在爐身上部，內(nèi)襯破損的原因主要是機(jī)械沖刷和堿金屬侵蝕。粘土磚通過真空浸磷酸后，具有較強(qiáng)的抗堿金屬侵蝕能力，同時(shí)抗沖刷能力也得到一定的提高。因此，在此區(qū)域采用浸磷酸粘土磚。

2.4  水冷系統(tǒng)

高爐本體、風(fēng)口和熱風(fēng)爐熱風(fēng)閥(含倒流休風(fēng)閥)采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，具有高效、節(jié)能、節(jié)水及冷卻效果好的特點(diǎn)，全系統(tǒng)循環(huán)水總量4980m3/h。

（1）一級(jí)冷卻回路系統(tǒng)

冷卻水經(jīng)水泵站主循環(huán)泵升壓后，通過DN800供水主管輸入高爐本體，由供水總環(huán)管分別將水引至冷卻壁直冷管和爐底水冷管。一級(jí)冷卻回路冷卻壁直冷管水量4200 m3/h，管內(nèi)水速2m/s，分4個(gè)扇形區(qū)域供水，以利于檢漏和水量分配；爐底及冷卻壁蛇形管串聯(lián)回路水量780 m3/h，此水量由蛇形管耗水量所決定，蛇形管內(nèi)水速1.76m/s。爐底水冷管共48根，3根一串計(jì)16組，管內(nèi)水速2.03m/s。

（2）二級(jí)冷卻回路系統(tǒng)

一級(jí)冷卻回路回水經(jīng)脫氣后，大部分水經(jīng)一條DN800水管引至二級(jí)冷卻回路系統(tǒng)的增壓泵。二級(jí)冷卻回路冷卻元件包括風(fēng)口中套和熱風(fēng)閥，由增壓泵房?jī)?nèi)的增壓泵組向風(fēng)口中套、熱風(fēng)閥供水，風(fēng)口中套水量750m3/h，熱風(fēng)閥水量600 m3/h。其回水與前述多余的水匯合，經(jīng)脫氣罐、膨脹罐組后進(jìn)入回水總管輸送回主循環(huán)泵。脫氣罐、膨脹罐均20m3。

（3）風(fēng)口小套供水系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)，風(fēng)口小套采用單獨(dú)的高壓工業(yè)水凈環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)口小套供水壓力為1.6MPa，水量1500 m3/h。由DN500供水主管進(jìn)入供水環(huán)管，分配至30個(gè)風(fēng)口小套冷卻，冷卻回水經(jīng)環(huán)管回綜合泵站。

（4）爐體冷卻安全措施

①軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)及工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)除備用電動(dòng)泵組外，還分別設(shè)置有柴油機(jī)泵組。當(dāng)停電及電動(dòng)泵事故時(shí)，柴油機(jī)泵組能在10s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)，維持水系統(tǒng)運(yùn)行。

②當(dāng)因其它事故引起柴油機(jī)泵不能正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)軟水系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化成汽化冷卻狀態(tài)，可維持時(shí)間30min。當(dāng)柴油泵或電動(dòng)泵啟動(dòng)運(yùn)行后，軟水系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成正常密閉循環(huán)冷卻狀態(tài)。

2.5  爐體附屬設(shè)備及檢測(cè)系統(tǒng)

爐體附屬設(shè)備包括煤氣取樣器、爐喉十字測(cè)溫裝置、爐喉鋼磚、爐喉灑水裝置和送風(fēng)裝置、爐頂攝像儀等。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了較為完善的檢測(cè)儀表，以加強(qiáng)對(duì)高爐各系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，并為今后上人工智能系統(tǒng)提供必要的參數(shù)。

3  無鐘爐頂

本次設(shè)計(jì)采用并罐式無料鐘爐頂設(shè)備，主要參數(shù)見表3。主要包括：換向溜槽、料罐、閥箱、布料裝置,料罐有效容積2×55 m3。爐頂配套設(shè)施主要有：探尺、液壓站、干油潤滑站、稀油潤滑站、均排壓設(shè)施、水冷設(shè)施、噴水降溫設(shè)施。爐頂設(shè)備采用液壓驅(qū)動(dòng)，在爐頂主平臺(tái)設(shè)置爐頂液壓站和自動(dòng)潤滑站。爐頂均壓采用半凈煤氣進(jìn)行一次均壓，排壓時(shí)煤氣通過旋風(fēng)除塵器、消音器放散；二次均壓采用氮?dú)狻Ａ锊蹅鲃?dòng)齒輪箱采用循環(huán)水冷卻，并設(shè)少量氮?dú)饷芊庖跃S持齒輪箱正壓，避免爐塵進(jìn)入齒輪箱內(nèi)。

爐頂通風(fēng)除塵風(fēng)量約40000m3/ h，單獨(dú)設(shè)一套除塵系統(tǒng)。設(shè)置一臺(tái)65t檢修吊車，供吊裝大型設(shè)備使用，其主副鉤均可直達(dá)地面作業(yè)。設(shè)置一臺(tái)16t專用吊車，供更換溜槽使用。平臺(tái)組合梁下配4臺(tái)10t手動(dòng)葫蘆，供吊裝、移動(dòng)齒輪箱用。

4  熱風(fēng)爐

高爐配置三座頂燃式熱風(fēng)爐，采用一列式布置，設(shè)計(jì)風(fēng)溫1250℃，燃料采用低熱值的干法高爐煤氣，主要參數(shù)見表4。熱風(fēng)爐由蓄熱室、拱頂、預(yù)燃室組成，高效旋流擴(kuò)散式陶瓷燃燒器位于熱風(fēng)爐拱頂之上。熱風(fēng)爐拱頂和預(yù)燃室采用分別支撐于爐殼上的獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)，這種形式的熱風(fēng)爐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。拱頂全部采用硅磚，能承受更高的拱頂溫度。蓄熱室采用新型19孔蜂窩格子磚，在使用純高爐煤氣燒爐的情況下可以獲得1200℃的熱風(fēng)溫度，為了獲得1250℃高風(fēng)溫可以兌入少量焦?fàn)t煤氣。系統(tǒng)配置助燃空氣和高爐煤氣熱管換熱器，以回收熱風(fēng)爐廢煙氣余熱。熱風(fēng)爐組的一側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)框架，框架內(nèi)布置煙道、煤氣管道、助燃空氣管道、熱風(fēng)管道、冷風(fēng)管道及有關(guān)閥門。

熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)的合理性，將直接影響到熱風(fēng)爐系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為了將高溫高壓的氣體安全輸送給高爐，避免因管道設(shè)置不合理而無法充分發(fā)揮熱風(fēng)爐的性能，本次設(shè)計(jì)中對(duì)熱風(fēng)管道采取了如下措施：

（1）選擇低蠕變紅柱石磚、輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚等優(yōu)質(zhì)耐火材料砌筑，滿足管道保溫要求。同時(shí)設(shè)置合理的膨脹縫，以吸收耐火材料的體積變化。

（2）管道三岔口均采用組合磚結(jié)構(gòu)，管道上部120°范圍內(nèi)的砌磚均設(shè)置鎖磚結(jié)構(gòu)。適當(dāng)增加磚層厚度，使磚型楔度增大，有利砌筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（3）熱風(fēng)總管設(shè)置大拉桿，防止氣體盲板力造成破壞。熱風(fēng)支管也設(shè)置大拉桿，與爐殼連接，保證管道和爐殼的安全。

（4）熱風(fēng)總管端頭設(shè)置合適的波紋補(bǔ)償器，吸收熱風(fēng)爐和管道鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹，以維持熱風(fēng)總管體積穩(wěn)定不會(huì)推移熱風(fēng)圍管，保證熱風(fēng)圍管與高爐同心。在波紋補(bǔ)償器膨脹縫處，耐火磚采取特殊的導(dǎo)流磚結(jié)構(gòu)以保護(hù)陶瓷纖維氈。

5  風(fēng)口平臺(tái)及出鐵場(chǎng)

風(fēng)口平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考慮生產(chǎn)操作方便、安全，有利于設(shè)備安裝和檢修。風(fēng)口平臺(tái)支承在出鐵場(chǎng)平臺(tái)上，平臺(tái)柱、梁采用鋼結(jié)構(gòu)，平臺(tái)板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)高為12.8m，有走梯與出鐵場(chǎng)平臺(tái)和上部平臺(tái)連接。為便于更換風(fēng)口，在熱風(fēng)圍管下設(shè)有環(huán)形單軌吊車梁，配有4個(gè)3t電動(dòng)葫蘆。

大型高爐的特點(diǎn)是多鐵口、連續(xù)出鐵。新2號(hào)高爐設(shè)3個(gè)鐵口，不設(shè)渣口，1、2號(hào)兩個(gè)鐵口間夾角為81.43°，1、3號(hào)兩個(gè)鐵口間夾角為130.91°。每個(gè)鐵口都設(shè)有固定式主溝、渣鐵溝、擺動(dòng)流嘴、液壓泥炮、開鐵口機(jī)，泥炮和開鐵口機(jī)布置在一側(cè)。設(shè)2個(gè)出鐵場(chǎng)，設(shè)計(jì)采用雙矩形，布置趨于平坦化。出鐵場(chǎng)是高爐主要煙塵產(chǎn)生區(qū)，為有效除去這些煙塵，設(shè)有較為完善的通風(fēng)除塵設(shè)施，在鐵口、主鐵溝、撇渣器、擺動(dòng)流嘴等處均設(shè)強(qiáng)力抽風(fēng)除塵點(diǎn)。出鐵場(chǎng)為封閉式，屋頂設(shè)有自然排風(fēng)，每個(gè)出鐵口設(shè)有移動(dòng)式通風(fēng)機(jī)一臺(tái)，供出鐵場(chǎng)操作和渣鐵溝維修時(shí)使用。出鐵場(chǎng)下共設(shè)4條魚雷罐車停放鐵路線，采用320t魚雷罐車作為鐵水運(yùn)輸工具，共配置10臺(tái)套，每次出鐵配2個(gè)魚雷罐車。

6  槽下供料系統(tǒng)

槽下供料系統(tǒng)由貯礦槽、貯焦槽、給料、篩分、稱量設(shè)備和膠帶運(yùn)輸機(jī)等組成。上料主皮帶運(yùn)輸機(jī)帶寬1.6m、帶速2m/s，燒結(jié)礦運(yùn)輸能力2800 t/h，焦炭運(yùn)輸能力800 t/h。

采用焦丁回收入爐技術(shù)。焦炭篩篩下≤25mm的小塊焦，經(jīng)碎焦大傾角膠帶機(jī)提升到碎焦倉頂?shù)乃榻故芰隙?，通過焦丁篩進(jìn)行篩分。焦丁篩分粒級(jí)為10mm，篩上物為焦丁，由膠帶機(jī)運(yùn)到焦丁倉。焦丁與燒結(jié)礦按供料程序混裝入爐，碎焦倉內(nèi)粉焦用汽車外運(yùn)。根據(jù)國內(nèi)一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高爐槽下碎焦量約為8%，焦丁量（>10mm，<25mm）約占碎焦量的40%，則每年可回收焦丁2.34萬噸，噸鐵回收焦丁11kg。當(dāng)焦丁倉已滿或不需要篩出焦丁時(shí)，可人工打開緩沖倉的旁通閘門，把碎焦直接卸入碎焦倉。

7  其他系統(tǒng)

高爐水渣處理系統(tǒng)采用明特+底濾的沖渣方式，爐前設(shè)干渣坑。高爐水渣經(jīng)膠帶機(jī)輸送到渣場(chǎng)，再由火車、汽車外運(yùn)。冬季沖渣余熱水采用底濾池過濾后供采暖使用。高爐煤氣凈化采用全干法低壓脈沖布袋除塵，經(jīng)過布袋除塵器的煤氣含塵量降到5mg/Nm3以下。高爐煤氣全干法除塵后，進(jìn)調(diào)壓閥組或TRT。

8  結(jié)語

通鋼新2號(hào)2680m3高爐遵循現(xiàn)代高爐最新的設(shè)計(jì)思想，采用全冷卻壁、磚壁合一薄壁爐襯、銅冷卻壁、炭磚-陶瓷杯復(fù)合爐底、全軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、并罐無料鐘爐頂、頂燃式熱風(fēng)爐等一系列先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。