煉鐵高爐機械設(shè)備的技術(shù)性研究

劉 鑫

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司型鋼煉鐵廠，山東 濟南 271104）

近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)步增長，社會各領(lǐng)域?qū)︿撹F產(chǎn)品的需求量與日俱增，在這一背景下，我國的鋼鐵企業(yè)不斷對煉鐵高爐設(shè)備性能進行改善，對各項技術(shù)參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，在確保現(xiàn)有煉鐵高爐設(shè)備滿足正常生產(chǎn)作業(yè)需求的前提下，使鋼鐵生產(chǎn)效率與鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。尤其在進入二十一世紀后，我國鋼鐵行業(yè)的煉鐵高爐逐步向大型化、集成化、智能化方向過渡，并在積極響應(yīng)國家“節(jié)能降耗，綠色環(huán)保”號召的同時，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟效益與社會效益。

1 煉鐵高爐設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

煉鐵高爐是集機械化、自動化、電氣化作業(yè)于一身的大型技術(shù)裝備，爐體呈豎式圓筒形。工藝原理主要借助于焦碳、煤粉以及助燃溶劑，將燒結(jié)礦、球團等原料煉制成鐵水，進而生產(chǎn)出鋼鐵產(chǎn)品。其中，高爐設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)主要包括爐喉、爐身、爐腰、爐腹以及爐缸五個部分，附屬結(jié)構(gòu)包括供料系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、煤氣除塵系統(tǒng)以及渣鐵處理系統(tǒng)。煉鐵高爐設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 煉鐵高爐設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

1.1 外部爐殼

爐殼位于高爐爐體的最外層，既能夠起到保護爐體內(nèi)壁的作用，同時，也能夠降低爐內(nèi)的運行溫度，爐殼除了承受爐頂載荷外，也會直接受到內(nèi)部煤氣壓力與熱應(yīng)力的沖擊，因此，在爐殼設(shè)計隊伍，應(yīng)當首先考慮煤氣爆炸的危險性與沖擊力，進而設(shè)計出高強度爐殼，以有效抵抗崩料的侵害。

1.2 爐喉與爐喉護板

爐喉是煉鐵高爐設(shè)備本體最頂層結(jié)構(gòu)，一般呈圓筒形，在煉鐵生產(chǎn)中，爐喉主要作為煉鐵原料的進料口，也是導入煤氣等助燃燃料的入口，當原料與煤氣進入爐體后，處于爐體頂層位置的原料與煤氣受到爐喉的調(diào)節(jié)與控制，進而保證原料與煤氣等燃料的充足供應(yīng)，使煉鐵流程能夠順利展開。而爐喉護板是保護爐喉壁的一種防護裝置，由于在進料階段，煉鐵原料與爐喉壁頻繁撞擊，加之高溫煤氣流的沖擊，導致爐喉壁極易受損，為了延長高爐的使用壽命，需要在利用鑄鐵等原材料在爐喉結(jié)構(gòu)上面安裝一個塊狀、條狀或者直徑大小不同的保護外板，對于大型高爐來說，爐喉護板的厚度介于100mm ～150mm 之間，以保護爐喉壁免受破壞[1]。

1.3 爐身與爐襯

爐身的外部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)圓錐形，是鐵礦石發(fā)生間接還原反應(yīng)的主控區(qū)，自下至上，爐身的形狀逐漸縮小，這一設(shè)計原理主要防止煉鐵原料在加熱升溫后由自身體積膨脹而導致的料拱現(xiàn)象的發(fā)生，而爐身角的大小亦可以直接影響煉鐵原料的下降速度以及煤氣燃料的均勻分布。爐襯是由耐火材料制成的貫穿于整個爐體內(nèi)部的防護結(jié)構(gòu)，爐襯的大小決定著爐體空間的大小，而且，能夠保護爐體外殼，防止熱應(yīng)力與化學侵蝕作用給爐內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)造成的破壞。

1.4 爐腰

爐腰位于爐身與爐腹之間，是整個爐體當中直徑最大部位，也是銜接爐身與爐腹的過渡段，煉鐵原料在爐身區(qū)域被高溫還原并進入爐腰部位后，將產(chǎn)生一部分爐渣，由于在此區(qū)域形成的爐渣具有一定的粘結(jié)度，以至于給爐料的透氣性造成嚴重影響，因此，為了增加爐料間的間隙，在設(shè)計階段，需要擴大爐腰直徑，以改善爐內(nèi)煤氣流的運行環(huán)境，提高煉鐵效率。

1.5 爐腹

爐腹是煉鐵原料熔化為鐵水的重要部位，同時，也是爐渣量最大的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)一般呈倒錐臺形，在煉鐵生產(chǎn)中，由于爐料在高溫作用下，自身體積縮小，因此，爐腹直徑從上至下也逐漸變小，并構(gòu)成一個爐腹角，該部位能夠均勻調(diào)節(jié)空氣氣流，使煉鐵原料能夠充分燃燒，進而生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼鐵產(chǎn)品。

1.6 爐缸

從圖1 中可以看出，爐缸位于整個爐體的最下端，是渣鐵反應(yīng)與爐渣排放的關(guān)鍵部位，從外觀結(jié)構(gòu)看，一般呈圓筒形。在煉鐵生產(chǎn)時，出鐵口、出渣口以及風口都位于爐缸部位，同時，爐缸也是化學反應(yīng)類型最多的部位，本身需要承擔巨大的化學反應(yīng)沖擊力，因此，對爐缸材質(zhì)要求較高。

1.7 爐底與爐基

煉鐵過程中，爐內(nèi)溫度將達到1000℃以上，爐底作為連接爐體的堅固砌體，不僅承受爐料、渣液以及鐵水的靜壓力，同時，必須承受1400℃～4600℃的高溫，因此，對爐底砌體質(zhì)量提出了嚴格要求，可以說，爐底砌體質(zhì)量直接決定著高爐設(shè)備的使用壽命。而爐基作為高爐設(shè)備的基礎(chǔ)，承載著高爐施加的豎向靜壓力，爐基形狀自上至下逐步擴大，并呈圓形或者多邊形。其中爐基與高爐總重通常為高爐容積的10 ～18 倍，爐基傾斜值應(yīng)當小于0.1%～0.5%，并且需要具有足夠大的強度與耐熱能力，因此，對爐基的穩(wěn)定性要求較高，高爐設(shè)備運行過程中，不容許爐基出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，而且在熱應(yīng)力、壓應(yīng)力的侵蝕下，爐基本身不會出現(xiàn)裂縫。

2 高爐機械設(shè)備技術(shù)性分析

2.1 高爐供料系統(tǒng)

供料系統(tǒng)主要包括貯礦槽、槽下運輸與稱量設(shè)備以及爐頂上料設(shè)備。貯礦槽平行于爐列線，位于高爐卷揚機一側(cè)，并與斜橋保持垂直關(guān)系。貯礦槽主要用于貯存煉鐵原料，而且能夠調(diào)節(jié)所需原料使用量。貯礦槽的標高與槽體頂部的運輸形式有所關(guān)聯(lián)，槽體容積則與高爐容積、選擇的原料品種與運輸設(shè)備的穩(wěn)定性能等因素有關(guān)。目前，煉鐵高爐供料系統(tǒng)中的貯礦槽主要由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及混合結(jié)構(gòu)組成。槽下運輸設(shè)備特指膠帶運輸帶，主要負責傳送煉鐵原料，稱量設(shè)備主要負責計量原料的凈重量，從組成結(jié)構(gòu)上看，稱量設(shè)備包括稱量漏斗以及皮帶秤。爐頂上料設(shè)備主要包括料車式上料系統(tǒng)以及皮帶式上料機系統(tǒng)，料車式上料系統(tǒng)一般由兩個料車、斜橋與卷揚機組成。而皮帶式上料機系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備則是皮帶傳動機，主要由電動機、皮帶滾筒、減速機、液力耦合器以及制動器組成。

在供料工序當中，貯礦槽內(nèi)部的燒結(jié)礦原料與貯礦槽之間應(yīng)當保持30° ～60°的傾斜角，供料速度需要控制在40t/h ～600t/h 之間，由于燒結(jié)礦本身呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，在煉鐵過程中，礦體與爐襯內(nèi)壁頻繁撞擊，極易破壞爐襯結(jié)構(gòu)，因此，為了增強爐襯的耐磨性能，爐襯多采用磁性材質(zhì)的襯板，磁性襯板當中永磁裝置能夠連續(xù)吸附燒結(jié)礦顆粒，避免槽體內(nèi)部原料與爐襯直接接觸，這就延長了爐襯的使用壽命，同時，也節(jié)省了大量的維修成本。另外，近年來，隨著高爐設(shè)備設(shè)計技術(shù)的日漸純熟，在選擇高爐襯板時，設(shè)計人員引入了一些新型的爐襯材料，比如復合碳化硅襯板，這種新型襯板一般應(yīng)用于高爐貯礦槽焦炭系統(tǒng)中的焦斗、焦槽等位置，能夠?qū)苟放c焦槽起到積極的防護作用，避免燒結(jié)礦原料給爐襯造成損壞。尤其在高溫、高壓等惡劣生產(chǎn)條件下，復合碳化硅材料的高穩(wěn)定性也表露無疑[2]。

由此可見，合理選擇爐襯襯板材料是保證物料正常供應(yīng)，確保高爐正常運轉(zhuǎn)的先決條件。因此，高爐設(shè)備檢修人員應(yīng)當做好日常檢查與維護工作，重點關(guān)注高爐襯板的使用狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)襯板粘有附著物，應(yīng)當及時予以清理，避免煉鐵生產(chǎn)進度受到影響。

2.2 高爐送風系統(tǒng)

高爐送風系統(tǒng)主要負責供給高爐煉鐵工序所需的具有足夠溫度與數(shù)量的熱風，主要由鼓風機、冷風管道、熱風爐、熱風管道以及進風裝置構(gòu)成。其中，鼓風機的正常排氣壓力值介于0.115MPa ～0.7MPa 之間，分為葉輪式或透平式與容積式兩種類型，比如平時人們常說的多級離心鼓風機，又被稱之為透平鼓風機。而熱風爐作為煉鐵工序中的高溫熱交換器，其工作原理是通過熱交換的形式，將高爐鼓風預熱至1200℃左右，然后借助于鼓風機的鼓吹作用向高爐內(nèi)部吹入熱風，以加快燃料完全燃燒速度。目前，多數(shù)鋼鐵企業(yè)都采用蓄熱式熱風爐，這種熱風爐首先燃燒煤氣，然后利用煤氣燃料時產(chǎn)生的煙氣對蓄熱室格子磚進行加熱，在這一過程中，熱風爐輪流交替往復燃料與送風，使高爐爐體能夠持續(xù)獲得高溫熱風。尤其在近幾年，業(yè)內(nèi)專家對格子磚的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化和改良，將磚孔徑縮小，進而增加了加熱面積，這就使得格子磚的傳熱效率大幅提升。

2.3 高爐煤氣除塵系統(tǒng)

在煉鐵過程中一般將煤氣作為燃料原料，而煤氣當中含有大量的CO 等有毒有害氣體以及粉塵顆粒，如果不及時予以處理，將危及作業(yè)人員的身體健康與生命安全。因此，每一座高爐設(shè)備都安裝配備了煤氣除塵系統(tǒng)，而最為常用的除塵方法是濕法除塵，通過重力除塵裝置的吸附作用，能夠吸附和處理大顆粒煤氣粉塵，然后在高壓閥門組件設(shè)備的作用下，對微小顆粒粉塵進行處理。因此，高爐煤氣除塵系統(tǒng)的核心裝置是重力除塵器與高壓閥門組件。另外，當高爐運行后，高爐爐體安裝的監(jiān)視設(shè)備可以隨時對爐壁、爐膛內(nèi)溫度以及煤氣濃度進行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)溫度異常或者煤氣濃度超標，檢測系統(tǒng)的報警裝置就會及時發(fā)出報警信號，設(shè)備檢修與維護人員可以及時跟進處理。高爐煤氣設(shè)備處理流程如圖2 所示。

圖2 高爐煤氣設(shè)備處理流程

2.4 渣鐵處理系統(tǒng)

渣鐵處理系統(tǒng)主要包括風口平臺、出鐵場、開鐵口機、堵鐵口泥炮、鐵溝與撇渣器。該系統(tǒng)的工作原理是將煉鐵過程中噴射出的高溫渣鐵分離后，使其流向鐵水包與渣溝。風口平臺位于高爐爐體底端爐缸風口處，與風口中心線相比低1150mm ～1250mm。而出鐵場則是布置鐵溝、安裝爐前設(shè)備、進行出鐵放渣操作的工作平臺。出鐵口一般低于風口平臺約1.5m，主鐵溝區(qū)域應(yīng)當布置平坦，其余部分由中心向兩側(cè)與由鐵口向端部隨渣鐵溝走向保持一致坡度。

3 結(jié)束語

煉鐵高爐機械設(shè)備種類繁多，技術(shù)工藝復雜，每一個獨立的工作系統(tǒng)都具有各自的功能，因此，為了提高鋼鐵產(chǎn)量與質(zhì)量，在選擇高爐機械設(shè)備時，鋼鐵企業(yè)首先應(yīng)對設(shè)備的技術(shù)性指標進行評估，當確定設(shè)備滿足生產(chǎn)作業(yè)需要時，方可投入生產(chǎn)，以助推企業(yè)實現(xiàn)最大化效益指標。