高爐總圖之專業設計觀與技術方法論

朱銳君

摘要：本文所稱“高爐總圖”乃高爐煉鐵設計體系總圖運輸專業的規范化簡稱，本質內涵為總平面布置、豎向布置和運輸設計。本文作者結合自身工程實踐體會，嘗試從高爐單元功能簡介、高爐煉鐵車間組成、高爐總圖設計宗旨、總圖專業設計觀、總圖技術方法論等方面詮釋高爐煉鐵工程的總圖設計。

關鍵詞：高爐總圖;專業設計觀;技術方法論

本文從以下幾個方面簡要分析總圖專業在高爐工程設計中應秉持的設計理念和應掌握的技術方法，并總結為“專業設計觀”和“技術方法論”，供同行參考。

一、高爐單元功能簡介

在以“原料準備-鐵-鋼-軋”為總體工藝路徑的鋼鐵冶金聯合企業中，冶煉生鐵是最重要的生產工序之一。就目前的“鐵-鋼”界面技術而言，煉鋼所需生鐵的形態仍以鐵水為主，特別是在長流程煉鋼工藝路線下，鐵水更是不可或缺。生產鐵水的裝置有高爐和非高爐（COREX、HISMELT、FINEX等為代表）兩類工藝設備，高爐鐵水以其品質和冶煉工藝的成熟、可靠等優點，在諸多鐵水制備方式中占據絕對主導地位?？梢哉f，在規模以上鋼鐵聯合企業中，高爐是生鐵冶煉的“勞動模范”，在全廠經濟運行中發揮著至關重要的作用。

高爐即為冶煉生鐵而生，以提供煉鋼工序所需合格鐵水為生產導向。冶煉過程中，鐵礦石中的含鐵氧化物在爐內被焦炭中的碳元素還原成鐵，熔化后變成鐵水從高爐中流出，與此同時，礦石中的脈石和石灰石化合生成爐渣排出高爐。

二、高爐煉鐵車間組成

1.主要工藝設施：

1）上料系統（礦焦槽及供返料、主皮帶或斜橋上料系統等）;2）高爐本體（含爐頂）系統;3）出鐵場系統;4）粗煤氣除塵系統;5）熱風爐系統;6）渣處理系統;7）燃料（煤粉或天然氣）噴吹系統;8）生產控制中心;9）鑄鐵機及修罐庫;10）碾泥機室。

2.主要公用輔助設施：

1）鼓風機站;2）煤氣凈化系統;3）通風除塵設施;4）高爐煤氣調壓閥組及TRT余壓發電系統;5）水處理設施;6）供配電設施;7）空壓站;8）檢化驗室;9）總圖運輸設施;10）區域綜合管線;11）消防設施;12）生活輔助設施等;13）高爐煤氣儲配系統等。

三、高爐總圖設計宗旨

鋼鐵企業設施龐雜，建構筑物星羅密布。高爐單元更是以其擁有的車間或設施子項繁多而成為“原料準備-鐵-鋼-軋”各工序中最零散的單元。萬變不離其宗，高爐工程總圖設計的核心理念卻沒有發生變化，依舊是做好物流系統的“承上啟下”工作：細致梳理高爐來料接口關系，配合做好儲運系統接口設計，科學緊湊的布置高爐工程各車間設施，并以最小溫降、最快方式、最短路線為基本運輸特征及目標，安全平穩的將鐵水安全送抵煉鋼車間。

四、高爐總圖專業設計觀

總圖執業者應秉持一些基本的專業設計觀，并且做到一以貫之、長期堅持。做到在任何工程條件和客觀困難前，矢志不渝的堅持創造價值，成就專業品格。

（一）與時俱進。我國鋼鐵產能自1996年開始呈現井噴式增長。到2020年末，中國鋼鐵粗鋼產量10.65億噸，已達全球鋼鐵粗鋼產量的56.7%，已然形成結構性過剩。于是，在新址新建的聯合鋼廠已不常見。特別是在國內，產品結構調整帶來的技術更新迭代工程成為趨勢。因此，新時代的工程設計需踐行新的設計理念，也涌現了很多新的技術以及新的裝備產品，特別是工程師離不開的技術規程、規范也在不斷革新，安全、環保、衛生、消防、節能、生態、低碳等要求必須緊跟國家宏觀政策。在這樣的背景下，與時俱進成了總圖設計者的根本遵循。當然，這一點和其他任何專業都不無相似，主要還是在強調總圖專業設計要緊跟時代步伐，展現時代特點。

（二）守正創新。守正，堅守正確的設計理念，比如從縮短高爐區域的三流（物質流、能量流、信息流）路由角度出發，高爐區域各車間設施布置的越緊湊越節能，越緊湊就越經濟、越高效;創新，是要在守正的前提下創造新的方法。比方說，設施占地尺寸和可用地面積出現矛盾時，就得解放思想、放開手腳去考慮采取一些經濟補償措施，在技術守正的前提下向土地讓步，比方說我們可以創造性的將一些設施（如吸水井、水泵房和電氣室）由平面一字攤開變為立體上下疊拼，還可以適度影響或引導其他專業創新、立新、刷新，比如鐵水運輸方式，在廠外、廠內運輸條件有限時，變鐵路運輸為汽車或電動平車運輸也未嘗不可。

（三）客觀獨立。雖說上下游各個專業都深知高爐工程設計要“以鐵為綱”，但作為設計體系里最重要的輔助專業之一，總圖設計必須恪守“各專業平等”，工藝專業與輔助專業均為工程智慧的提供者、貢獻者，在各專業用地需求的滿足上，總圖要一視同仁，要清醒認識到微小的操作室、閥門間和高聳的高爐本體一樣必不可少，相輔相成、缺一不可?？倛D設計成果是集體智慧的結晶，用地面前、人人平等，上下、左右、前后做好用地規劃，切實當好土地的“矛盾調和者”。

（四）依法合規。要始終堅定不移的遵守《總平面設計規范》、《高爐煉鐵工程設計規范》、《鋼鐵企業總圖運輸設計規范》、《鋼鐵冶金企業設計防火規范》、《工業企業鐵路設計規范》、《建筑設計防火規范》、《煉鐵安全生產規程》以及重要生態區域、重要江河水系的環境保護政策等國家標準、規程規范。

（五）價值導向。不同的自然氣象條件、不同的爐料結構及礦石品位、不同的燃料條件都會導致焦比設計、高爐爐型設計、礦槽倉數、熱風爐燃燒方式、鼓風機選型、出鐵場面積、上料主皮帶傾角及總長度等參數的不同，因此總圖設計師要密切注意與工藝專業的溝通，始終堅持因地制宜，以為業主創造最大增量價值為目標導向。

（六）留有余地。主要是指的用發展的眼光看待當前條件下的煉鐵工程，特別是高爐一代爐齡之后，工藝設施可能都會面臨技術迭代和更新，為了不影響生產或減少停產天數，高爐采用整體換裝技術、擴建爐后役泵房等，均需要充分考慮場地條件上的預留。

五、高爐總圖設計方法論

一方面，宏觀著眼，重點做好以下四點工作：

（一）高爐廠址選擇

高爐在鋼鐵廠的總體位置以及與外部環境的相對關系要適當。從物料運輸角度分析，高爐到底距離原料場、燒結廠、煉鋼廠孰近孰遠，可選思路很多。如是老廠改造，條件明確，基本高爐選址方案不會太多。但新建鋼廠，幾平方公里一張白紙，總體規劃的想象空間太大，總體物流布局是一字型鋪開、還是“L”型、“U”型，都直接影響高爐位置，也就需要科學的對多個廠址方案進行綜合比選。我們要做到，首先新高爐的位置不得影響總體物流布局或不影響現有生產，其次要保證鐵水運輸作業順暢合理、運輸距離最短，再者要同時考慮外部環境對工廠布局的影響。方案論證既要做到無微不至，更要保證投產后運行良好，指標先進。且不能出現環境問題，按《鋼鐵企業總圖運輸設計規范》的有關要求，煉鐵廠與居住區的衛生防護距離須在1000m以上。

（二）選定鐵水運輸方式

鐵水運輸方式直接決定高爐區域的布置型式。鐵水運輸技術發展至今，主要有以下三種可選方式：鐵路、道路、過跨車。一般情況下，鐵水運輸主流方式還是鐵路運輸;在全廠用地較為緊張、煉鐵車間與煉鋼車間距離較近且有條件設置鐵水運輸專用道路的情況下，可采用道路運輸鐵水;當煉鐵車間、煉鋼車間較近且兩個車間所處臺階高差較大不利于采用鐵路或者道路運輸時，應考慮采用過跨車運輸。

鐵路運輸因其安全可靠目前已被各冶金企業普遍采用，但其最大的缺點是線路轉彎半徑大，重車運輸縱坡小（特別是高溫液體如鐵水），相應占地面積較大，布置起來不夠靈活;汽車運輸最大的特點是機動靈活，鐵水包轉彎半徑?。ú捎萌f向輪技術），占地面積小，但其可靠性在學界一直存有爭議;過跨車運輸采用電動平車與吊車的組合方式運輸鐵水，即：電動平車將鐵水包送至煉鋼車間加料跨外延跨，再由加料跨的吊車將鐵水接力輸送至煉鋼車間。煉鐵車間、煉鋼車間最大程度地靠近，最大程度減少鐵路占地，更能適應復雜地形和高差，但其固定資產投資最高，并且由于這種剛性連接帶來的不可緩沖特點，對設備的可靠性提出了更高要求，目前，國內使用這種模式運輸鐵水的鋼鐵企業并不常見，但因其對一包到底界面技術的融合優勢，當下正在逐步興起。

（三）合理進行豎向設計

作為總圖有別于其他專業的獨具亮點和特色的工作內容，豎向設計的專業價值和精髓可以在高爐工程中得以大顯身手。通常出于技術或管理需要，同一工序單元的不同車間或者同一廠房的不同設備會被布置在同一臺階之上，這樣做的目的是：既便于不同車間的人員、物資、信息正向流動，又減少了處理邊坡臺階帶來的大量占地及高昂費用。最為直接的就是減少了對設計標高管理工作的沖擊，最大程度降低了跨臺階設施標高非正常銜接的設計事故的產生概率。然而，從理論層面探討土石方工程量的減量化，高爐工程恰恰是整個鋼鐵冶金企業中適應能力最強的工序單元。高爐工程適應地形主要體現在以下3個方面：

1.最大單體車間（如出鐵場）的占地規模遠小于原料準備、煉鋼連鑄、軋鋼、冷軋等單元的主車間;

2.車間之間的聯系方式主要為能源介質管道（廊）、溝槽、膠帶機等，不受臺階式豎向布置的制約;

3.新型“鐵-鋼”界面技術及裝備的不斷涌現，如轉彎半徑更小的汽車型鐵水包車，以及“電動平車+鑄造吊車”組合過跨的鐵水運輸方式等。

此外，“智慧工廠”理念的不斷推進和遠程辦公、會議等網絡手段的廣泛應用，坐在辦公室即可遠程診斷、開視頻會議等，都為高爐工程豎向設計的靈活性賦予了全新動能，不同臺階之間沒有實際物流運輸需求的內部聯系道路已經越來越少，甚至會逐步被取消，如此的確讓高爐設施的布置更加適應地形，土石方工程量相應可以降到最低。

（四）做好多方案比選

在方法論上，總圖方案優化的幾大原則主要是工藝流程合理、物流順暢短捷、布置緊湊合理、遠近結合，留有發展余地，滿足安全、衛生、防火以及施工要求等。和其它行業、工序的總圖布置一樣，在確定高爐的爐容、位置、運輸方式之后，需要對高爐工程內部系統的布置經過多方案技術經濟比選。參與比選的方案，或注重本期工程投資最省，或考慮預留發展條件最優，或二者兼而有之?？傊?，總圖設計人要綜合利弊、適度取舍，和盤托出、業主定奪?？倛D專業有個特點，就是誰都可以提出主觀、客觀意見。對旁人提出的意見，總圖人要不斷總結經驗，強化辯證思維。既不能照單全收，更不要來者不拒。最正確的方式是“看圖說話”。思路行不行？方案好不好？擺出來，全知道。更為寶貴的是，很多看似天方夜譚、不切實際的思路可能讓你腦洞大開，思如泉涌，讓你“心到、手到、鼠標到”?？倛D人，一定要有兼收并蓄精神，因為從哲學角度上看總圖布置沒有客觀標準，永遠唯一、永爭第一，沒有最好、只有更優。

另一方面，微觀入手，重點掌握以下設計技巧：

（一）出鐵場系統

因為高爐本體在出鐵場范圍以內，所以出鐵場系統對煉鐵廠的布置影響最大。出鐵場定位時，應以高爐為定位目標，高爐確定位置后再相應調整出鐵場的設置。不同的鐵水容器（一般有鐵水罐、魚雷罐）、不同的出鐵方式（采用固定罐位或擺動流嘴）以及不同的鐵水運輸方式均影響著出鐵場的布置。在設計過程中，總圖專業須根據不同的出鐵方式和鐵水運輸方式選擇最適合出鐵場的布置方式和出鐵場外部道路廣場。另外，出鐵場除塵系統因其風量和風管直徑可觀，為節省投資，宜盡量靠近出鐵場布置。

（二）高爐上料系統之礦（焦）槽

高爐礦（焦）槽主要供應含鐵原料以及焦炭，通過斜橋式上料小車或者主皮帶送至高爐爐頂。通常，中小型高爐的爐料輸送主要采用上料小車（少數采用主皮帶輸送），大中型高爐則多采用主皮帶上料。和上料小車相比，主皮帶運輸的工藝連續性、可靠性優勢明顯。而且，采用主皮帶運輸，高爐礦槽距離高爐較遠，不同的傾角和平面轉角使得礦槽布置的場地適應性較強。其中的主皮帶傾角和平面轉角是總圖專業與煉鐵工藝專業溝通的關鍵要點，設計時要熟稔于心，做到心中有數。如：（1）考慮到球團運輸，主皮帶傾角一般不大于12°，用傾角及爐頂高度反算主皮帶長度是總圖人需掌握的技巧;（2）高爐主皮帶與高爐中心線的平面轉角不能過大（一般不超過15°），否則易與爐頂框架或粗煤氣上升管道發生碰撞;（3）高爐主皮帶一般不與爐頂吊車布置在同一側，否則主皮帶會影響高爐爐頂的吊裝作業;（4）主皮帶中央轉運站以及機械室的布置要合理，機械室一般不宜離中央轉運站太遠，以免機械室被抬得過高造成運行不穩定;（5）主皮帶支腿支架要合理布置（跨度以45m～50m為宜），跨度過大易造成皮帶通廊及支架的結構浪費。此外，礦槽除塵宜靠近礦焦槽主車間貼鄰布置，間距以小為妙，以不影響礦槽和電氣設備的檢修為限。

（三）熱風爐系統

在總圖布置方面，熱風主管進入出鐵場的角度宜與出鐵場平臺天車運行平行，并應避開天車作業區域。當總圖布置需要調整熱風主管進入高爐本體的角度時，這里告訴大家，熱風主管角度可按360/n（相鄰風口相位角，n為風口數量，由煉鐵工藝確定）的角度或其整數倍旋轉，每旋轉一個360/n，你會發現熱風爐距離出鐵場的距離也在發生位移，熱風主管長度也在變化，或增加或縮短，按需旋轉即可。可以說，這是熱風爐工藝貢獻給總圖專業的最大自由度，必須靈活掌握。此外，高爐熱風爐宜靠近高爐煤氣清洗裝置及TRT余壓發電、煤氣調壓閥組等燃氣專業設施布置，以便高爐煤氣（熱風爐燃料）管道的連接。

（四）渣處理系統

高爐渣處理有INBA法、嘉恒法、明特克法、（環保）底濾法等主流工藝。具體設備選型由廠方定奪，但是總圖專業可以提前參與幫助決策。高爐渣量大，一座爐容為2500m3的高爐，每年產渣量約66～70萬噸，需重點考慮水渣外運的方式及通道問題。水渣運輸方式（鐵路、道路、膠帶機）的選擇，運輸路徑的選擇均應做好規劃。如廠區內配建有礦渣微粉，建議處理好的水渣直接通過膠帶機外運送往礦渣微粉車間。

（五）制粉噴吹車間

制粉噴吹車間的布置可因地制宜，噴吹管道是壓力管道，布置比較靈活，有條件可靠近高爐布置。干煤棚的布置要以運輸方便為考量因素。為適應場地條件可使用普通皮帶機或者大傾角皮帶機甚至垂直提升皮帶機進行原煤運輸。大傾角皮帶機及垂直皮帶機較普通皮帶機比故障率高，檢修維護復雜，總圖應創造條件采用普通皮帶機運輸（具體傾角儲運專業提供）。一般情況下噴吹電氣室應與噴煤車間應脫開布置，也可以一面與噴煤車間貼鄰布置，但按照《鋼鐵冶金企業設計防火規范》，封閉式噴煤制粉站和噴吹站屬火宅危險性為乙類的建筑，敞開式或半敞開式噴煤制粉站和噴吹站屬火宅危險性為丙類的建筑，所以貼鄰一側的墻面不應設置門窗孔洞，且墻體耐火等級要達到一定標準。

（六）鑄鐵機、修罐車間

在煉鋼車間不能接收鐵水的情況下，鐵水被運到鑄鐵機車間進行鑄鐵。一般鑄鐵機車間還兼具修罐作業的功能。鑄鐵機車間一般應布置在鐵水走行線上牽出方便的地段。修罐庫以及走行檢修車間應布置在煉鐵、煉鋼車間之間。此部分設計需重點關注的是鐵路牽出線的合理設置。

（七）鼓風機站及其配套輔助設施

按照工藝要求，鼓風機站宜盡量靠近熱風爐布置，既可充分縮短冷風管道的長度降低造價，又可減少阻損降低風機功率。鼓風機站宜與熱風爐布置在高爐同側。鼓風機型式分為電動鼓風、汽動鼓風及高爐煤氣余壓鼓風（BPRT）。從占地規模上比較，BPRT系統和電動鼓風機系統用地較為集約，汽動鼓風機站因有鍋爐系統及配套水系統而用地較大。鼓風機的具體型式選擇應由熱力工藝專業根據工廠的能源平衡狀況來綜合確定，但總圖專業因為是土地的直接管理分配者，也應該充分參與到鼓風機選型決策活動中。

（八）煤氣系統相關設施

高爐區域的煤氣路徑為：爐頂荒煤氣→粗煤氣除塵系統→煤氣凈化系統，然后TRT與調壓閥組并聯。粗煤氣除塵系統由于連接的是來自爐頂下降管的高溫、高壓荒煤氣，因此布置的位置需要滿足煤氣下降角度的要求，宜近不宜遠，一般工藝對其中心與高爐中心的水平距離有明確要求。而且，安全起見，粗煤氣除塵器宜與明火散發點（如環保底濾法的沖渣點）應保持足夠的安全距離。粗煤氣除塵器與高爐煤氣凈化裝置之間連接管道為粗煤氣管道，管道的磨損比較嚴重，參照高爐粗煤氣管道高爐側的考慮，有條件時也應盡量縮短布置。高爐煤氣儲配設施（煤氣柜）在管網上的位置相對隨意。煤氣凈化裝置、TRT和煤氣調壓閥組布置時符合煤氣流工藝即可，靈活多樣。

（九）高爐中心循環水泵房、預留爐后役水泵房

高爐中心循環水泵房及預留爐后役水泵房宜靠近高爐布置。但循環水采用開路循環時，水泵房宜與高爐出鐵場保持一定距離，避免冷卻塔水蒸汽彌漫到出鐵場造成腐蝕。高爐循環水管道較多，場地緊張時可采用架空通廊方式敷設或管溝方式布置。循環水管一般不在出鐵場下方上跨鐵路，以避免水管滴漏進入敞口鐵水罐中而產生事故。

（十）高爐區域運輸設施

除鐵水運輸本身采用道路運輸外，煉鐵車間內部運輸以皮帶運輸、鐵路運輸為主，道路運輸為輔。

1.道路設施。高爐區域內道路一般用作消防、參觀或是運輸一些零散貨物。主干道寬度一般7 m即可滿足要求。在高爐本體周圍的道路需兼具消防及參觀形象大道功能，應按主干道來考慮，寬度可適當加大。通常，中大型高爐還要求設置上出鐵場高架引橋，主要用于參觀及出鐵場上使用的泥沙、炮泥、耐材等貨物運輸。高架引橋的等級可按支路或車間引道考慮，坡度一般不大于9%，有展坡條件應按緩于8%設置，長度按照出鐵場平臺與引橋起點高差計算配備，橋面凈寬在5 m以上即可滿足需要。

2.鐵路設施。小型高爐出鐵口常采用一列式布置，中大型高爐宜采用半島式或島式布置。鐵水運輸坡度要嚴格按規范設置，但出鐵場下方鐵路以及外側一定長度（牽出有效長）范圍的停車路段應為平坡。按《鐵路運輸安全規程》的要求，半島式高爐出鐵場下的鐵路原則上不允許穿兩個及以上擺動流嘴。在高爐接鐵及運輸作業中，為確保司機人生安全，接鐵時機車須頂進空罐，牽出重罐，機車任何時刻須在出鐵場外側，禁止下穿流鐵口;在進入煉鋼車間配送鐵水時，機車應能推進重罐，同時牽出空罐，避免機車先進入煉鋼車間過多占用煉鋼車間內部空間。如鐵路運輸線路坡度較大，還要考慮在機車和鐵水罐車之間加設隔離車，如此一來，所有牽出線的長度均需重新校核。

總結

總圖布置成果是所有專業集體智慧的結晶，是“工藝為龍頭、各專業傾力配合”的集成體現。總圖布局關乎長遠發展，總圖設計人一定要有今日總圖、明日豐碑的追求，培養責任感、增強使命感，積極追求“物質流、能量流、信息流”的完美協同，締造人、廠、環境和諧共生的美麗鋼廠！

參考文獻

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