2 500 m3高爐大修工程設計優化探討

董建民

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019）

0 引言

某廠2 500 m3高爐上一代爐役，設有3個鐵口、工業水+全覆蓋冷卻壁、55 m3串罐無料鐘爐頂、雙出鐵場、四座外燃熱風爐、重力除塵、煤氣洗滌及TRT。第一代爐役壽命4 953 d，單位爐容產鐵11 234 t/m3，屬于國內先進水平。在其第二代爐役設計中采用了多項新技術及工藝，包括：軟水密閉循環冷卻系統、熱風爐板式換熱器、全干法煤氣除塵技術、爐前開堵口信息化、煤氣中和脫鹽等，為實現高爐長壽、環保創造了有利保障。

但通過生產實踐表明，本次大修設計上還有一些不盡人意的地方，尤其是高爐上料系統逐漸逼近作業率上限；高爐軟水系統冷卻缺乏調節能力；熱風支管波紋補償器壽命受限；煤氣凈化工藝帶來的廢棄物等問題。下面就本次高爐的設計特點及仍需優化的問題進行分析和探討，為將來設計改進提供借鑒。

1 工程設計的主要內容

此次大修設計主要包括：煉鐵工藝設施、燃氣工藝設施、給排水設施、通風設施及部分建筑結構設施的更新改造，具體內容見表1。改造過程中，取得不少值得總結的經驗，也留下一些值得改進的地方。高爐設計的主要設計技術經濟指標見表2。

2 工程設計的主要特點及仍需優化的方向

2.1 礦槽及爐頂裝料系統

本次大修，礦槽及爐頂裝料系統未重新設計，僅部分設備原樣更新。但通過生產實踐發現，在現有裝料制度下（見表3、表4），上料系統存在能力偏小的問題。上料系統三種能力：槽下設備排料能力、膠帶機輸送能力、無料鐘爐頂布料及均壓能力，詳見表5。其中無料鐘爐頂布料及均壓能力成為上料系統能力限制性環節。

表1 大修主要內容

表2 高爐設計的主要設計指標

表3 高爐料批

表4 上料系統主要設施能力

表5 礦槽及爐頂裝料系統主要設施參數

根據表5，從設計角度可以看出，現有設施可有以下優化趨勢：

（1）生產中工藝操作對布料要求越來越精細，現有每罐礦10～12圈需要增加到～15圈，因此布料溜槽設備轉速需要提高。

（2）實際生產操作中，焦丁隨礦批入爐。因此現有55 m3容積可以考慮增加至60 m3。

2.2 高爐本體設計

2.2.1 高爐內型

高爐內型對生產有著重大的影響，尤其是爐身、爐腹角的確定，各個生產技術專家都有不同的看法。從設計實踐來看，沒有一種定量的理論來給出爐型各個部分具體尺寸。爐型的確定都是各種經驗的總結和改進。

高爐大修前，該廠2 500 m3高爐已經有三個爐型。該高爐上一代爐役設計中第五層為風口帶，爐腹帶為第六、七層，爐腰為第八層。從高爐上一代爐役末期冷卻壁破損情況看，主要集中在第六~九層，其中第九層僅兩塊冷卻壁水管完整、第六層60%進水口破損；因此在該高爐二代爐役設計時，結合現有高爐生產經驗對爐身角、爐腹角、爐缸做出調整，詳見表6爐型4。

表6 2 500 m3高爐爐型尺寸

隨著礦石、焦炭性能及成分的變化，以及高爐操作理念的變化，爐型的設計也是一個動態變化的過程。

2.2.2 高爐內襯

爐底爐缸耐材是一代爐役的主要限制環節，必須通過大修才能更新。基于生產條件，及此次大修高爐拆爐時炭磚的狀況，采用炭磚+陶瓷杯結構，應能保持20年的一代爐役壽命。

爐底由爐基依次向上為：一層300 mm石墨磚、兩層400 mm半石墨磚、兩層400 mm超微孔炭磚，爐缸靠近冷卻壁側環砌微孔炭磚，陶瓷杯底砌1層500 mm厚的剛玉莫石磚，陶瓷杯壁環砌剛玉莫來石磚。

2.2.3 軟水密閉循環冷卻系統

從該高爐的上一代爐役拆爐后爐底爐缸耐火材料的狀況來看，工業水冷卻能夠滿足高爐壽命≥15年要求。因軟水冷卻有運行成本低、環保的優勢，因此本次設計采用軟水冷卻。而工業水冷卻較軟水冷卻，有便于調節高爐局部冷卻壁水量、快速查漏的優勢，這也是軟水冷卻循環需要改進的方向。

本次設計軟水循環系統：一路供1～17層冷卻壁冷卻，沿圓周將爐體冷卻壁分為多個區，每個分區設置獨立出口總支管；另一路依次供冷卻爐底水冷管、雙層冷卻冷面管道及并聯的風口直吹管。兩路匯合一并匯入回水總管，回水總管設置支路經過加壓泵后供給熱風爐各閥、風口中套。

軟水循環是密閉形式，局部的調水會影響整體循環。本次大修中，通過業主方調水實驗（其流程見圖1），獲得以下經驗：冷卻壁給水總管水量變化=1/3分流管水量變化。因此通過旁路調節的方式難以達到調節的目的。

設計中，從傳熱的角度考慮主要的目標參數是水量，而水壓是實現水量的手段。從工廠設計到設備廠家設計均考慮設施能力余量及調節時阻損，這導致軟水系統在運行時的能力均高于設計值，同時與工藝操作產生偏離。該高爐的設施實際能力、設計值、工藝操作期望的關系見表7。從表中看出，工藝操作對系統的調節能力期望范圍是設計值的-15%～+10%之間，這就要求主循環水泵有25%幅度的調節能力。因此，尋求主循環水泵水量調節技術應是軟水循環水量調節的方向。

圖1 軟水循環及調水試驗管道流程

表7 軟水體統參數

2.3 出鐵場平坦化改造

大修前出鐵場地坪是隨著渣鐵溝放坡的填砂+立砌耐火磚結構，局部坡度～12%，不利于生產操作和爐前操作環境，因此，出鐵場平坦化是必須的改造方向。目前出鐵場平坦化方式主要有兩種：架空平臺和換填。

本次設計采用的是架空平臺方式。通過清除現有填沙、耐火磚，在現有出鐵場混凝土結構上再新建混凝土梁柱結構，可以做到整個出鐵場統一標高。新地坪承載能力與現有一致。

而換填方式不需要新建梁拄結構，采用在現有平臺上增加填充物，抬高地坪至理想高度。但此方式增加額外重量，由于受到現有結構承載能力的限制，難以通過填充統一整個出鐵場標高。新地坪承載能力受到填充物密度、地坪抬高高度的限制。

從投產后實踐來看，兩種平坦化方式均需注意出鐵時鐵水高溫對改造設施的影響。架空平臺方式需要設計相關設施，保證新建結構所有木模板可拆除；采用換填方式的換填料要考慮耐火度，以防火災及高溫下有害物質的產生。

2.4 熱風支管

該高爐熱風支管上設置有支架、熱風閥、波紋補償器及短管（見圖2），其中短管用于更換波紋補償器使用。本次大修僅原樣恢復，由于受制于燃燒室與熱風總管間距僅9.5 m，因此波紋補償器兩個膨脹縫間距D空間受限，尺寸僅850 mm（見圖3）。對比該廠其他高爐的熱風支管波紋補償器兩個膨脹縫間距都在0.8～1倍管殼直徑。

圖2 熱風支管布置圖

圖3 熱風支管波紋補償器變形示意布置圖

正常生產時，熱風爐與熱風總管間豎向膨脹量差H，導致波紋補償器轉角Θ出現。tgΘ=H/D，即Θ正切值反比D。豎向上，熱風爐由于殼體鋼結構高度、冷風壓力，上漲高度大于熱風管道側。所以，靠熱風爐側波的上半圓受拉、下半圓受壓，而靠熱風總管波變形狀況相反。

從該高爐熱風支管波紋補償器更換的原因來看，主要原因是補償器表面溫度過高，而導致補償器表面溫度過高直接原因是內襯的破損。除砌筑質量、耐材質量問題外，主要導致耐材破損的原因就是補償器變形與內襯變形不協調，導致內襯受到補償器鋼結構擠壓破損。

因此，需要盡可能增加波紋補償器兩個波對應膨脹縫間距D長度，同時耐火膨脹縫的設置應與補償器的變形協調一致。

2.5 煤氣凈化系統

該高爐大修時，由于受工期限制，粗煤氣系統中上升、下降管及重力除塵器未作改造；二級煤氣除塵改造為干法布袋除塵，具體參數見表9。從表9可以看出，重力除塵氣流通行時間已經接近臨界值。

表9 高爐煤氣凈化系統參數

從投產后的生產實踐發現，干法除塵日卸灰量與重力除塵卸灰量基本相當，造成干法除塵負載過大。本次大修高爐與在兩個除塵間增設旋風除塵器的同廠同規格高爐卸灰量對比見表10。因此，設計上在重力除塵器后增加旋風除塵器是進一步的改進方向，是優化煤氣灰分布的方向。

表10 煤氣除塵卸灰量對比

2.6 煤氣脫鹽

本設計在TRT后的凈高爐煤氣管道（送熱風爐煤氣管分支點后）并網前，新建1套高爐凈煤氣除鹽中和塔，脫鹽塔設計參數見表11。投產初期，出現了脫鹽噴淋頭、管道過濾器堵塞的情況。經過分析發現經過加堿后，循環水中細微沉淀物增加，必須增加沉淀能力。

表11 脫鹽塔設計參數

另外脫鹽塔產生40～60 t/d的鹽水需要專業設施處理。

3 結語

本次2 500 m3高爐大修投產后，從生產實踐來看整體達到目的，但此次高爐大修設計過程中也留下許多需要改進的地方。通過對投產后礦槽及爐頂裝料、高爐本體、出鐵場平坦化、高爐熱風支管、煤氣凈化系統及煤氣脫鹽等系統設計特點的分析，發現了下一步仍需優化的問題和改進方向，為今后高爐大修工程提供了可借鑒的經驗，也為該高爐今后的優化提供了可能的方向。