劉春青

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

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1 前 言

印度某鋼廠450 m3高爐日產(chǎn)鐵水約1 188 t，目前高爐本體利用系數(shù)偏低、爐缸侵蝕嚴(yán)重、爐體冷卻壁燒毀，同時(shí)公輔系統(tǒng)不能滿足企業(yè)對煉鐵產(chǎn)能、環(huán)保的需求。為提高企業(yè)鐵水供應(yīng)量，更好地與煉鋼工序的產(chǎn)能匹配，改善高爐操作條件，經(jīng)現(xiàn)場考察和對原設(shè)計(jì)資料的分析，確定高爐容積由原來的450 m3增大到686 m3（有效容積），相應(yīng)的對公輔系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。改造后的高爐可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)鐵水70萬t，較原高爐生產(chǎn)能力提高約30%。

2 改造內(nèi)容

2.1 高爐本體改造

利用現(xiàn)有450 m3高爐基礎(chǔ)及框架，確定高爐擴(kuò)容到686 m3，因此高爐本體全部重新設(shè)計(jì)。

2.1.1 高爐爐型的確定

新改造高爐爐型設(shè)計(jì)中，既考慮了企業(yè)采用的原燃料條件，又吸收了同級別高爐設(shè)計(jì)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，其主要特點(diǎn)：1）適當(dāng)矮胖，Hu/D=2.67，有利于改善高爐的透氣性，減緩高爐對焦炭質(zhì)量的依賴，避免因項(xiàng)目所在地缺乏優(yōu)質(zhì)焦炭資源對高爐順行的制約。2）大爐腰直徑1.6 m。爐腰直徑越大，高爐越容易接受風(fēng)量，透氣性越好。3）較小的爐腹角α=78.89°，利于改善煤氣流分布，穩(wěn)定渣皮，延長爐腹壽命。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）死鐵層深度1 450 mm，與爐缸直徑比為21.54%，利于減輕鐵水環(huán)流對爐缸耐材的侵蝕。死鐵層深度過大，會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［1］。

2.1.2 高爐耐材

爐底爐缸是高爐生產(chǎn)和安全最為重要的部位［2］，改造后高爐爐底爐缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：1）爐底爐缸采用“碳質(zhì)＋陶瓷杯復(fù)合爐缸爐底”結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置高導(dǎo)熱、低滲透、耐沖刷、抗鐵水侵蝕性能好的優(yōu)質(zhì)炭磚，并匹配合理可靠的冷卻系統(tǒng)，使炭磚熱面易于形成“自保護(hù)渣鐵殼”，從而達(dá)到高爐長壽的目的。具體配置：爐底滿鋪4層炭磚，從下往上依次為：第1層中國產(chǎn)石墨磚；第2層中國產(chǎn)半石墨炭磚；第3層德國西格里微孔炭磚；第4層德國西格里超微孔炭磚。同時(shí)，為避免炭磚與冷卻壁之間產(chǎn)生“氣隙”熱阻，設(shè)計(jì)選用了與炭磚配套的優(yōu)質(zhì)高導(dǎo)熱炭搗料，并規(guī)范了施工工藝和方法。避免開爐初期鐵水對爐底碳磚的侵蝕，爐底設(shè)計(jì)兩層耐渣鐵侵蝕的小塊剛玉磚作為陶瓷墊。爐缸環(huán)砌大塊炭磚，爐底、爐缸交界處即“象腳狀”異常侵蝕區(qū)，環(huán)炭砌筑6層高導(dǎo)熱、抗鐵水滲透性好的超微孔炭磚。爐缸砌筑及1 150℃等溫線分布如圖1所示。

通過理論模擬計(jì)算所得1 150℃等溫線處在爐缸爐底陶瓷杯及陶瓷墊內(nèi)，遠(yuǎn)離了炭磚熱面，在爐役前期有效地保護(hù)爐缸爐底炭磚。同時(shí)可以推斷得出，在爐役后期，陶瓷杯和陶瓷墊全部侵蝕后，在冷卻系統(tǒng)的作用下，爐缸炭磚熱面將會形成穩(wěn)定的渣鐵保護(hù)層，可以進(jìn)一步保護(hù)爐缸爐底耐材，從而達(dá)到高爐長壽的目的。

2.1.3 爐體冷卻設(shè)備選取

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［2］。如何確保高爐爐體各部位無冷卻盲區(qū)，選擇合理冷卻設(shè)備和冷卻系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)爐體各部位的同步長壽的關(guān)鍵［3］。

圖1 爐底爐缸砌磚圖及1 150℃等溫線分布

新改造高爐爐體冷卻設(shè)備借鑒國內(nèi)高爐長壽經(jīng)驗(yàn)，爐體采用全覆蓋冷卻壁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爐體無冷卻盲區(qū)，同時(shí)根據(jù)高爐不同部位的工作條件和熱負(fù)荷大小不同，采用了不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的冷卻設(shè)備。具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：為強(qiáng)化高爐爐腹、爐腰和爐身下部的冷卻效果，在該區(qū)域采用4段銅冷卻壁，即第5～8段銅冷卻壁鑲砌燒成微孔鋁炭磚。銅冷卻壁較鑄鐵冷卻壁可很好地滿足高爐強(qiáng)化冶煉的要求：有較好的冷卻強(qiáng)度，在爐腹、爐腰、爐身下部比鑄鐵冷卻壁易形成渣皮以保護(hù)爐襯和爐殼，并易于形成工作內(nèi)型［1］。

2.1.4 爐體冷卻系統(tǒng)

安全高效的爐體冷卻系統(tǒng)是高爐長壽的保障［3］，新改造高爐采用軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)與工業(yè)水系統(tǒng)相結(jié)合的方案［4］。結(jié)合原冷卻系統(tǒng)實(shí)際配置，在滿足高爐爐體、風(fēng)口等冷卻設(shè)施需求的前提下，考慮改造建設(shè)兩套獨(dú)立的軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)：1）滿足高爐冷卻壁、爐底、熱風(fēng)閥冷卻的需求，系統(tǒng)總循環(huán)水量2 450 m3/h，冷卻水壓力0.6 MPa，其中冷卻爐底200 m3/h，冷卻壁直冷管1 900 m3/h，熱風(fēng)閥冷卻用水量300 m3/h。2）滿足風(fēng)口大、中、小套的冷卻需求，系統(tǒng)總循環(huán)水量1 120 m3/h，其中包括風(fēng)口小套前端冷卻480 m3/h（冷卻水壓力1.4 MPa）、風(fēng)口小套后端冷卻320 m3/h（冷卻水壓力0.8 MPa）、風(fēng)口中套冷卻240 m3/h，風(fēng)口大套冷卻80 m3/h。

2.1.5 自動化控制

為確保高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)操作，降低原燃料消耗，延長高爐壽命，采用了先進(jìn)的可視化設(shè)施，建立了精準(zhǔn)、全面、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的在線安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［1］，主要包含：1）爐底、爐缸侵蝕系統(tǒng)。在爐缸爐底設(shè)置磚襯熱電偶，共計(jì)10層、229點(diǎn)。用以在線檢測爐缸、爐底耐材的溫度分布情況，推斷爐襯侵蝕狀態(tài)，使操作人員準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)侵蝕變化，及時(shí)采取相應(yīng)的措施延長爐缸爐底壽命。2）冷卻壁溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)置鑄鐵冷卻壁本體熱電偶、銅冷卻壁本體熱電偶，共64點(diǎn)，其中爐缸銅冷卻壁設(shè)有32點(diǎn)。溫度檢測用以推斷軟熔帶位置、檢測爐襯侵蝕狀況、判斷冷卻壁的損壞狀況等。3）熱流強(qiáng)度預(yù)警系統(tǒng)。在線實(shí)時(shí)檢測高爐冷卻壁和風(fēng)口套進(jìn)出水溫度及相關(guān)部位流量，同時(shí)記錄溫度、溫差和熱流的數(shù)據(jù)，以便查詢相應(yīng)的歷史曲線和熱流分布變化趨勢。改造后686 m3高爐水溫差系統(tǒng)測量精度達(dá)到±0.05℃。4）爐體靜壓力監(jiān)測系統(tǒng)、爐喉十字測溫檢測系統(tǒng)等完善的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)；同時(shí)配備了爐頂“熱”成像、風(fēng)口攝像等可視化設(shè)備。這些技術(shù)的采用，為優(yōu)化高爐操作，保障高爐安全穩(wěn)定順行，提高高爐壽命，減少勞動定員和人員工作強(qiáng)度創(chuàng)造了有利條件。

2.2 其他系統(tǒng)改造

2.2.1 爐頂裝料系統(tǒng)

原450 m3高爐爐頂裝料系統(tǒng)為串罐式無料鐘爐頂，料罐容積為9 m3，因上料主皮帶利舊，皮帶頭輪中心線標(biāo)高38.5 m不動的限制條件，經(jīng)校核，料罐容積最大能加大到13 m3。高爐擴(kuò)容后按最大礦批22 t計(jì)算，所需料罐容積為13 m3；按最大焦批6 t計(jì)算，所需料罐容積為12 m3，因此料罐容積設(shè)計(jì)為13 m3可滿足生產(chǎn)需要。

2.2.2 出鐵場改造

為滿足擴(kuò)容后放渣鐵的需求，出鐵場由原來的單出鐵場改造為雙出鐵場，改造為平坦化、無填沙層出鐵場平臺，增加主溝長度，主鐵溝改造為固定貯鐵式結(jié)構(gòu)。爐前設(shè)備采用全液壓泥炮、全液壓開鐵口機(jī)。

2.2.3 渣處理系統(tǒng)

由原來的沉淀池法升級改為INBA法爐渣處理工藝，INBA法具有占地小、可靠性高、系統(tǒng)簡單、投資省、作業(yè)環(huán)境好、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中因總圖布局影響脫水轉(zhuǎn)鼓和泵房的布置，綜合考慮到施工的難度和施工工期的因素，將轉(zhuǎn)鼓和泵房均布置在現(xiàn)有沉淀池（-3.5 m）處，既滿足了總圖布置要求，也縮短了施工工期。

2.2.4 熱風(fēng)爐系統(tǒng)改造

將原有450 m3高爐配套為3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，熱風(fēng)溫度1 100℃。鑒于原熱風(fēng)爐的使用效果及擴(kuò)容后不能滿足高爐正常生產(chǎn)的需求，改為卡魯金頂燃式熱風(fēng)爐，熱風(fēng)溫度可以達(dá)到1 200℃，設(shè)空氣、煤氣雙預(yù)熱。

2.2.5 煤氣凈化系統(tǒng)的改造

原高爐煤氣除塵工藝采用濕法除塵。為改善操作環(huán)境，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，將原有濕法除塵所有工藝及水處理設(shè)施拆除，重新設(shè)計(jì)為全干法布袋除塵工藝，新設(shè)計(jì)干法除塵仍布置在現(xiàn)有濕法除塵區(qū)域。

2.2.6 新增BPRT機(jī)組

為與擴(kuò)容后的高爐系統(tǒng)匹配，同時(shí)提高余壓余能的利用，新建煤氣透平與電動機(jī)同軸驅(qū)動的BPRT裝置，原有鼓風(fēng)機(jī)作為備用。由于項(xiàng)目所在地的氣候條件制約，BPRT機(jī)組中鼓風(fēng)機(jī)選定全靜葉可調(diào)軸流式鼓風(fēng)機(jī)，該鼓風(fēng)機(jī)效率高，設(shè)備緊湊，特性曲線陡直，有利于高爐定風(fēng)量運(yùn)行。

3 改造效果

高爐項(xiàng)目屬于擴(kuò)容式升級改造，高爐的有效容積由原來的450 m3擴(kuò)容至686 m3。公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、設(shè)備耐材供貨、設(shè)備調(diào)試、耐材監(jiān)理和開爐達(dá)產(chǎn)指導(dǎo)的全過程技術(shù)服務(wù)。該高爐于2014年3月12日停爐放殘鐵至高爐再次投產(chǎn)，其拆除工期15 d，施工工期112 d，合計(jì)工期127 d。

改造后的高爐（容積686 m3）于2014年7月15日點(diǎn)火開爐，7月17日出第一爐鐵水。截至目前，改造后的高爐生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均超過了原設(shè)計(jì)指標(biāo)。其典型高爐生產(chǎn)指標(biāo)見表1。

表1 擴(kuò)容后686 m3高爐典型生產(chǎn)指標(biāo)

4 結(jié)語

印度某鋼廠450 m3高爐改造擴(kuò)容工程是結(jié)合公司多年來高爐新建及大修過程中積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)客戶自身的原燃料條件，在方案設(shè)計(jì)中采用了一系列先進(jìn)適用的技術(shù)，尤其在高爐本體綜合長壽技術(shù)的使用方面，為高爐的穩(wěn)定、高效、長壽奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。多年來的生產(chǎn)實(shí)踐也證明了所采取的先進(jìn)技術(shù)對高爐的穩(wěn)定高效創(chuàng)造了良好的條件。自2014年7月投產(chǎn)以來，高爐運(yùn)行穩(wěn)定、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已超過設(shè)計(jì)數(shù)值。