中天鋼鐵8 號(hào)1 580 m3 高爐改造設(shè)計(jì)特點(diǎn)

張啟龍，張俊杰，張 非，王春龍，曹英杰

（1.中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇213013；2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

中天鋼鐵8 號(hào)高爐爐容為1 580 m3，于2012 年建成投產(chǎn)，爐體采用厚壁爐襯結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)采用軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)+工業(yè)水開路系統(tǒng)，爐頂采用串罐無料鐘爐頂設(shè)備，雙矩形出鐵場，配備三座旋切頂燃式熱風(fēng)爐，水渣采用底濾工藝。高爐投產(chǎn)2 年左右爐殼開始上漲，爐底板上翹，到2018 年?duì)t底板上翹180 mm 左右，從安全角度考慮，公司決定于2018 年年底停爐大修。本次大修改造，在爐殼利舊的基礎(chǔ)上，對(duì)爐底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將厚壁爐襯結(jié)構(gòu)改為薄壁結(jié)構(gòu)，冷卻壁全部更換，爐體耐材重新砌筑。本文結(jié)合高爐生產(chǎn)中存在的問題，對(duì)本次高爐爐體大修改造進(jìn)行全面的介紹。

1 爐底板結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 爐底板原結(jié)構(gòu)

高爐原設(shè)計(jì)采用單層爐底封板，如圖1 所示，爐底封板下方設(shè)置一層200 mm 高的工字鋼，爐底水冷管放在爐底封板上面，爐底封板與工字鋼焊接固定。高爐停爐前爐底板上翹情況如圖2 所示，爐底板與工字鋼脫開，徑向深度2 000 mm 左右，縱向高度180 mm 左右。

圖1 原設(shè)計(jì)爐底板結(jié)構(gòu)圖

1.2 爐底改進(jìn)措施

為了增加爐底封板的穩(wěn)定性，采用雙層爐底板結(jié)構(gòu)，將原爐底板拆除，更換的爐底板與原基礎(chǔ)預(yù)埋件重新焊接，適當(dāng)擴(kuò)大塞孔焊的孔徑，以增加爐底板與工字鋼的焊接強(qiáng)度；其次，下層爐底板上設(shè)置耐熱混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上方鋪設(shè)工字鋼，爐底工字鋼上部再設(shè)置一層密封板，密封板與爐殼采用柔性連接，起到密封煤氣的作用；此外，為了進(jìn)一步防止?fàn)t底板上翹，在高爐基礎(chǔ)周圍埋設(shè)90 個(gè)M48 螺栓，螺栓穿過圓周環(huán)板固定連接。改造后的爐底板結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

自高爐大修投產(chǎn)1 年多以來，爐底板沒有發(fā)生變形，并且對(duì)本廠的9 號(hào)、10 號(hào)高爐也采用了類似的加固處理措施，爐底板上翹現(xiàn)象得到了有效抑制。

圖2 高爐停爐前爐底板上翹情況

圖3 改造后爐底板結(jié)構(gòu)圖

2 爐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 爐襯結(jié)構(gòu)

高爐原設(shè)計(jì)為厚壁爐襯結(jié)構(gòu)，冷卻壁熱面砌筑一層厚度為345 mm 的耐火磚，為了支撐磚襯，爐身中部冷卻壁采用了帶凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，但是，在生產(chǎn)過程中，爐身下部磚襯很快脫落，而凸出到爐內(nèi)的冷卻壁凸臺(tái)受高溫煤氣流及爐料的沖刷而損壞，凸臺(tái)的存在也影響了煤氣流的分布，對(duì)高爐操作造成影響。

因此，本次大修，將爐體改為薄壁爐襯結(jié)構(gòu)，采用耐火磚更加穩(wěn)定的鑲嵌形式，熱面不再砌筑耐火磚。高爐內(nèi)型采用薄壁爐型，將爐腰直徑擴(kuò)大，適當(dāng)降低高徑比，增加通過爐腰的煤氣量，利于產(chǎn)量的提高；同時(shí)，減小爐腹角和爐身角，爐腹角減小有利于煤氣流的上升以及爐腹冷卻壁渣皮的穩(wěn)定，爐身角減小利于爐料的下降和高爐的順行[1]。改造前后高爐內(nèi)型參數(shù)對(duì)比見表1。

2.2 冷卻結(jié)構(gòu)

原冷卻壁為四進(jìn)四出結(jié)構(gòu)，爐腹、爐腰、爐身下部采用鑄鋼冷卻壁，爐身中、上部采用球墨鑄鐵冷卻壁，冷卻壁上部帶凸臺(tái)，以便于支撐磚襯。高爐投產(chǎn)不久便出現(xiàn)冷卻壁凸臺(tái)損壞的情況，從拆爐情況看，冷卻壁凸臺(tái)磨損嚴(yán)重且有開裂的現(xiàn)象，如圖4 所示。

與球墨鑄鐵冷卻壁相比，鑄鋼冷卻壁具有延伸率高、抗拉強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；此外，由于壁體材質(zhì)與冷卻水管相近，冷卻水管無需采取特殊的防滲碳處理，這就消除了鑄鐵冷卻壁的防滲碳層，因此，鑄鋼冷卻壁的整體導(dǎo)熱性能較好，有利于冷卻壁熱面渣皮的形成。鑒于鑄鋼冷卻壁在該高爐上的應(yīng)用效果，本次大修爐腹、爐腰、爐身下部仍采用鑄鋼冷卻壁。但是，由于鋼液溫度高，鑄造過程中冷卻水管易發(fā)生變形和熔化穿透，因此，制造時(shí)需要嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝。

表1 改造前后高爐內(nèi)型參數(shù)對(duì)比

圖4 爐身中部鑄鐵冷卻壁破損情況

本次大修，為了適應(yīng)爐料下降過程中體積的變化，改造后爐體采用變爐身角的冷卻結(jié)構(gòu)，并且取消冷卻壁凸臺(tái)，將原砌磚結(jié)構(gòu)改為鑲磚冷卻壁結(jié)構(gòu)。改造后各部位的冷卻結(jié)構(gòu)具體如下：

（1）爐底、爐缸第1～5 段冷卻壁采用光面灰鐵冷卻壁，材質(zhì)選用HT150，取消原鐵口區(qū)域的鑄銅冷卻壁。

（2）爐腹至爐身下部第6～11 段冷卻壁為滿鑲磚鑄鋼冷卻壁，材質(zhì)選用ZG230-450。

（3）爐身中、上部為滿鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質(zhì)選用QT400-20，冷卻水管全部采用四進(jìn)四出結(jié)構(gòu)。

（4）爐喉鋼磚采用兩段式結(jié)構(gòu)，下部為水冷鋼磚，上部為無水冷鋼磚，材質(zhì)為鑄鋼。

3 爐體耐材結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 爐底、爐缸耐材結(jié)構(gòu)

原設(shè)計(jì)采用復(fù)合爐底、爐缸結(jié)構(gòu)，爐底滿鋪5層大塊炭磚，總厚度2 000 mm。再往上砌筑兩層剛玉質(zhì)陶瓷墊，總厚度800 mm。爐缸炭磚熱面砌筑小塊陶瓷杯，為嵌入式結(jié)構(gòu)。

由于爐底板變形嚴(yán)重，爐底、爐缸的耐材也會(huì)錯(cuò)位變形，因此，本次改造將爐底、爐缸耐材全部更換。從近些年的高爐拆爐情況來看，爐底炭磚基本不會(huì)侵蝕，本廠其它高爐的拆爐情況也是如此，此外，為了雙層爐底板結(jié)構(gòu)的需要，將原來的5 層大塊炭磚改為4 層，減小爐底厚度。改造后：最下層炭磚滿鋪1 層國產(chǎn)半石墨炭塊，其上滿鋪2 層國產(chǎn)大塊微孔炭磚，最上層滿鋪1 層國產(chǎn)大塊超微孔炭磚，爐底炭磚總厚度～1 600 mm。爐底炭磚上方砌筑兩層防漂浮大塊莫來石陶瓷墊。

鐵口及以下爐缸區(qū)域環(huán)砌大塊超微孔炭磚，死鐵層和鐵口區(qū)域的炭磚局部加厚，鐵口上部環(huán)砌大塊微孔炭磚；爐缸炭磚內(nèi)側(cè)砌筑大塊陶瓷杯，以增加陶瓷杯的穩(wěn)定性；風(fēng)口、鐵口組合磚采用大塊結(jié)構(gòu)，減少磚縫，從而降低堿金屬等有害元素滲入磚縫的可能。

風(fēng)口處采用密封新技術(shù)[2]：一是，在風(fēng)口大、中套上設(shè)置灌漿孔，當(dāng)風(fēng)口區(qū)域出現(xiàn)縫隙時(shí)可通過灌漿孔進(jìn)行灌漿；二是，風(fēng)口設(shè)備與組合磚之間上下縫隙差異化設(shè)計(jì)，以避免風(fēng)口設(shè)備上翹；三是，在風(fēng)口組合磚下部加設(shè)銅板，以防止堿金屬等有害元素、風(fēng)口設(shè)備漏水對(duì)炭磚和炭素?fù)v料的侵蝕。

3.2 爐腹及以上耐材結(jié)構(gòu)

為了提高耐材砌筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改造后采用冷鑲磚工藝。其中，爐腹至爐身下部區(qū)域工作條件惡劣，熱負(fù)荷高，采用氮化硅結(jié)合碳化硅磚，該種耐材具有良好的耐堿侵蝕性、抗氧化性、耐磨性、高導(dǎo)熱性、抗熱震性；爐身中、下部冷卻壁的熱面鑲嵌焙燒微孔鋁炭磚；爐身上部冷卻壁熱面鑲嵌磷酸鹽浸漬粘土磚，以抵抗?fàn)t料的磨損及煤氣流的沖刷。

4 爐體冷卻水系統(tǒng)改進(jìn)

爐體冷卻設(shè)備的檢漏是高爐生產(chǎn)中的重要工作。冷卻壁一串到頂?shù)倪B管形式對(duì)高爐配管及檢修空間較為有利，但是，不利于縱向分區(qū)調(diào)水。縱向分區(qū)冷卻可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)水功能，但是管路較為復(fù)雜，不利于冷卻壁的查漏檢修。

經(jīng)過綜合考慮，本次大修冷卻壁仍采用一串到頂?shù)倪B管形式。為了便于冷卻壁的檢漏，在第6～9段冷卻壁之間的連管上安裝三通球閥，并且在連管的上下方各設(shè)置一個(gè)DN25 的二通閥門；一方面可以排氣、測(cè)溫，另一方面，當(dāng)冷卻壁查出漏水時(shí)，可以將漏水的通道切換為工業(yè)水冷卻。高爐大修后，冷卻壁的查漏及改水工作得到了極大改善。改造后的爐腹至爐身下部冷卻壁閥門設(shè)置如圖5 所示。此外，為了應(yīng)對(duì)爐役后期鐵口區(qū)域熱負(fù)荷升高，在鐵口區(qū)冷卻壁附近設(shè)置了備用高壓工業(yè)水管路，以方便及時(shí)切換。

圖5 改造后爐腹至爐身下部冷卻壁閥門設(shè)置示意圖

5 爐體檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)

隨著高爐檢測(cè)手段的豐富，高爐“可視化”程度逐漸增加，為生產(chǎn)操作提供了便利。改造后主要采取了以下檢測(cè)手段：

（1）適當(dāng)增加爐缸、爐底在爐襯和冷卻壁上的熱電偶，滿足爐役后期爐缸侵蝕模型的需求。根據(jù)爐缸的侵蝕特點(diǎn)，在爐缸象腳區(qū)密集布置熱電偶，并在爐殼上設(shè)置溫度檢測(cè)。

（2）爐頂設(shè)置熱成像儀，取代了原來的紅外攝像儀，爐頂料面觀察更加清晰。

（3）爐喉設(shè)置十字測(cè)溫，能夠直觀反映爐頂中心、邊緣的溫度，給布料操作提供依據(jù)。

（4）爐缸安裝水溫差檢測(cè)設(shè)施，主要監(jiān)控鐵口及其附近區(qū)域，能夠指導(dǎo)高爐維護(hù)，利于高爐安全生產(chǎn)。

6 結(jié)語

本次高爐改造，通過對(duì)上一爐役爐殼上漲、爐底板上翹原因的分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐和國內(nèi)同類型高爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化改進(jìn)了底板密封結(jié)構(gòu)，有效解決了爐底板上翹的問題。此外，對(duì)爐體結(jié)構(gòu)、爐體水系統(tǒng)、爐體檢測(cè)等進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化和改進(jìn)。投產(chǎn)后的生產(chǎn)實(shí)踐證明，本次高爐改造達(dá)到了預(yù)期效果，為高爐下一代爐役的安全、高效生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為其他高爐的改造提供了良好的借鑒。