孟淑敏，陳　凌，王　冰

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南250101）

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印度JSPL 445 m3高爐工藝設計與改進

孟淑敏，陳凌，王冰

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南250101）

印度JSPL公司445 m3高爐升級改造后將爐容擴大至686 m3。利用現(xiàn)有445 m3高爐基礎及框架，高爐本體重新設計，采用長壽綜合技術：矮胖操作爐型；炭磚+陶瓷杯爐底爐缸結構；冷卻壁全覆蓋薄壁內襯；爐腹到爐身中部高熱負荷區(qū)域采用4段銅冷卻壁；軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)；水冷爐底結構；完善的爐體檢測。高爐投產后取得了良好的技術經濟指標，平均日產量達到2 100 t/d，利用系數(shù)達到2.77 t/（m3·d），燃料比為530 kg/t，煤比為180 kg/t，風溫為1 200℃。

高爐升級改造；薄壁爐襯；銅冷卻壁

印度JSPL公司在現(xiàn)有445 m3（有效容積）高爐基礎和框架不變的前提下，高爐本體全部重新設計，高爐擴容至爐容686 m3（有效容積），設計經濟效益指標：年有效工作日350 d（8 400 h），平均日產量約1 900 t，年產煉鋼鐵水66.5萬t，焦比350 kg/t，煤比180 kg/t，風溫1 200℃，爐頂壓力0.18 MPa，高爐一代爐齡＞10 a。高爐于2014年7月15日建成投產，高爐投產后生產穩(wěn)定順行。

1　高爐爐型

高爐爐型設計歷來為煉鐵工作者的研究重點，通過研究總結高爐破損機理和高爐反應機理，優(yōu)化高爐爐型設計的基本理念已經形成［1］。

根據(jù)JSPL現(xiàn)有的原燃料條件和生產操作制度，以適應高爐強化冶煉操作為準則，利舊現(xiàn)有高爐基礎和框架，同時，選取部分國內外同級別高爐的爐型進行對比分析，著重研究了諸如死鐵層高度、爐缸、爐腹角等高爐爐型的關鍵要素，最終確定了高爐的矮胖爐型。高爐主要爐型尺寸見表1。

爐型特點如下：

（1）增加了死鐵層高度。

實踐表明，在日常高爐生產中，鐵水的滲透及鐵水環(huán)流的機械沖刷易使爐缸爐底的炭磚脆化變質，形成“象腳”狀異常侵蝕區(qū)域。所以，適當加深死鐵層，避免死料柱直接沉降在爐底，有利于增加鐵水流通空間，減小鐵水環(huán)流，改善爐缸透液性，促進高爐的穩(wěn)定順行?？紤]到以上因素，此次改造后高爐適度增加死鐵層高度至1 400 mm，約為爐缸直徑的21.54%。

表1　爐體內型尺寸

（2）合理的爐腹角度。

爐腹角度是高爐內型設計的重要參數(shù)之一：降低爐腹角度有利于順暢排升爐腹煤氣，減小爐腹的熱流沖擊，從而在爐腹形成穩(wěn)定渣皮，保護冷卻設備，延長爐腹區(qū)域生產使用壽命，故爐腹角度的選取需以適應現(xiàn)代高爐的冶煉操作為前提。現(xiàn)代高爐的爐腹角呈明顯的減小趨勢，特別是采用銅冷卻壁的薄壁內襯高爐，爐腹角一般低于80°，此次JSPL高爐在爐腹處采用銅冷卻壁薄壁內襯、碳質+陶瓷杯復合爐缸爐底砌筑和水冷爐底，綜合考慮各種因素后，擴容后高爐爐腹角設計為78.89°。

（3）優(yōu)化爐缸結構設計。

在高風溫、富氧、大噴煤等強化冶煉操作條件下，爐缸風口回旋區(qū)結構、形狀及其特性受到國內外煉鐵工作者的關注，控制合理的風口回旋區(qū)是現(xiàn)代高爐操作的重點要素，是使高爐煤氣流獲得合理分布的根本所在，也是現(xiàn)代高爐下部調劑的關鍵［1］。適當增加高爐爐缸高度，有利于煤粉在風口前的燃燒，為風口回旋區(qū)提供了足夠的燃燒空間，并增加爐缸存鐵量，另外，高爐有效容積與爐缸截面積的比值Vu/A也是目前業(yè)內普遍關注的一個參數(shù)，該值表征的是高爐單位爐缸面積所對應的有效容積，該值越大表示高爐單位爐缸面積所具有的高爐有效容積越大，對比國內外同級別高爐爐缸高度取值范圍，JSPL高爐爐缸高度取值為3 500 mm，Vu/A值為20.67。

2　高爐耐材

爐底、爐缸承接冶煉的最終產品，是燃料燃燒生成還原氣體的發(fā)源地，是高爐工作條件最嚴酷的部位。爐底、爐缸長期受到高溫熱流的侵襲，鐵水流動的機械沖刷，熱應力和化學侵蝕等，爐底、爐缸部位的工作可靠性對于生產和安全至關重要。生產實踐經驗表明，延長爐底、爐缸壽命的基本設計理念應該是采用優(yōu)質炭磚和合理的冷卻相結合。只有采用具有良好導熱能力的炭磚和合理的冷卻相結合，才能在爐缸工作表面形成穩(wěn)定的渣鐵凝結層，為爐底、爐缸長期穩(wěn)定工作提供可靠的保證［2］。

JSPL高爐爐缸爐底的耐材采用 “碳質+陶瓷杯復合爐缸爐底”結構，具體方案如下。

（1）爐底

爐底滿鋪4層碳磚，從下往上依次為第一層中國產石墨磚，第二層中國產半石墨碳磚，第三層德國西格里微孔碳磚，第四層德國西格里超微孔炭磚。第四層碳磚上部砌筑兩層法國圣戈班小塊剛玉磚作為陶瓷墊，整個爐底厚度為2 400 mm，在剛玉磚之上立砌一層高爐粘土保護磚。

（2）爐缸

爐缸環(huán)砌大塊德國西格里碳磚，爐底、爐缸交界處即“象腳狀”異常侵蝕區(qū)，環(huán)碳砌筑6層高導熱、抗鐵水滲透性好的德國西格里超微孔碳磚，超微孔碳磚上部砌筑3層德國西格里微孔碳磚，至風口組合磚下沿。爐缸大炭塊內壁砌筑法國圣戈班剛玉磚，組成“碳磚+陶瓷耐火材料”的陶瓷杯結構。爐缸最內側環(huán)砌高爐粘土保護磚。砌筑詳圖見圖1。

爐缸鐵口區(qū)域采用德國西格里大塊碳磚整體砌筑，鐵口通道處采用大炭塊鉆孔；鐵口框內采用法國圣戈班大塊剛玉磚。

風口區(qū)域采用法國圣戈班大塊剛玉磚。

通過合理的冷卻系統(tǒng)，結合優(yōu)質耐材的選用，較好地控制爐底爐缸1 150℃等溫線分布，使其基本分布在渣鐵保護層內，確保碳磚遠離800～1 100℃脆變溫度區(qū)間，有效地保護碳磚。

3　冷卻系統(tǒng)

根據(jù)首鋼多年的實踐經驗得出結論：爐缸爐底在關鍵部位選取高導熱、抗侵蝕優(yōu)質碳磚的同時要注重強化高爐冷卻效果，充分發(fā)揮高導熱優(yōu)質碳磚的作用，并加強監(jiān)測與監(jiān)控；所以在冷卻水量的選擇上要節(jié)約而不要制約，在冷卻水量的設計能力上要考慮充分的調節(jié)能力，而不能在設計能力上以冷卻水量小，說明設計先進，從而導致冷卻能力不足。

圖1　JSPL爐底爐缸砌磚圖

鑒于此，考慮到JSPL高爐爐缸爐底選用了“碳質+陶瓷杯復合爐缸爐底”的耐材結構，故在冷卻系統(tǒng)的設計上選擇了 “軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)與工業(yè)水系統(tǒng)相結合的方案”。

3.1軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)是一個完全密閉的系統(tǒng)，以軟水或純水作為冷卻介質，能夠有效改善冷卻水質，消除冷卻壁結垢，提高冷卻可靠性，水量消耗低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，動力消耗低，管道系統(tǒng)流程優(yōu)化、管道腐蝕小，水質不受污染［3］，是目前高爐冷卻技術的主流發(fā)展趨勢。JSPL高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)由冷卻設備、供回水管路、脫氣罐、膨脹罐組、循環(huán)水泵組、熱交換器、控制閥組及自動化檢測系統(tǒng)等構成。冷卻水回水進入脫氣罐脫氣后回至軟水泵房，由熱交換器換熱冷卻后送至循環(huán)水泵組，循環(huán)使用。JSPL采用2套獨立的軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖如圖2、圖3所示。

圖2　軟水系統(tǒng)（一）流程圖

圖3　軟水系統(tǒng)（二）流程圖

冷卻水通過水泵送至爐體各冷卻設備進行冷卻，并利用余壓回至熱交換器進行換熱降溫以循環(huán)使用，此外設置柴油機備用來保證停電時啟動供水泵的安全供水，柴油機未啟動前將閘閥打開系統(tǒng)利用余壓自循環(huán)供水。

3.2工業(yè)水冷卻系統(tǒng)

高壓工業(yè)水系統(tǒng)主要為高爐爐頂打水供水，供水由常壓水經過加壓泵二次加壓后供爐頂打水使用。常壓工業(yè)水系統(tǒng)主要為高爐爐喉鋼磚、氣密箱冷卻水、爐殼溜槽檢修孔用水、爐頂液壓站、高爐后期噴淋、爐頂附屬設備、爐前液壓站、熱風爐高壓風機、熱風爐液壓站、出鐵場除塵風機、煤氣凈化、礦槽系統(tǒng)和噴煤系統(tǒng)等用戶提供用水，供水方式為開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。冷卻水供水系統(tǒng)由3臺常壓水泵經冷水池吸水加壓供至上述用戶，回水余壓自流至熱水池，經冷卻塔冷卻后，循環(huán)使用。常壓水系統(tǒng)流程圖見圖4。

圖4　工業(yè)水系統(tǒng)流程圖

4　冷卻設備的選擇

爐體的冷卻結構好壞，直接影響冷卻設備的壽命，而冷卻設備的壽命是決定高爐壽命最關鍵的環(huán)節(jié)之一，根據(jù)高爐內縱向各個區(qū)域不同的工作狀況，JSPL 686 m3高爐的冷卻結構和材質選擇情況見表2。

表2　高爐爐體冷卻設備規(guī)格

JSPL 686 m3高爐冷卻結構和材質選擇主要有以下特點：

（1）爐缸爐底

在整個爐役過程中，此部位的溫度波動較小，熱負荷值相比爐腹及以上區(qū)域也要偏低，靠近冷卻壁的碳磚磚襯能得到較好的保存，保證了冷卻壁避免遭受渣鐵侵蝕。JSPL 686 m3高爐在爐缸爐底區(qū)域采用光面耐熱鑄鐵冷卻壁，可以承受約400℃的工作穩(wěn)定，這種特性正好適用于爐缸爐底的冷卻器工作環(huán)境［3］。

（2）爐腹、爐腰及爐身下部

高爐爐腹、爐腰及爐身下部是冷卻設備易發(fā)生異常破損的薄弱區(qū)域，且該區(qū)域具有較高的熱負荷，強化該區(qū)域的冷卻已成為國內外煉鐵工作者的共識。為了進一步延長高爐壽命，在高爐爐腹、爐腰及爐身下部共設計4段銅冷卻壁，該銅冷卻壁采用軋制無氧銅板（TU2）鉆孔而成，熱阻小，工作溫度低。軋制銅板的導熱率較高，為380 W/（m·K），約比球墨鑄鐵高10倍。

（3）爐身中上部

該區(qū)域熱負荷值略高，冷卻壁主要受到煤氣流沖刷、爐料磨損及堿金屬化學侵蝕等多重作用，故設計時采用磚壁合一薄內襯的結構形式，冷卻壁鑲磚采用燕尾槽連接，從結構上加強了磚襯的穩(wěn)定性。磚壁合一薄爐襯技術取消了冷卻壁凸臺，容易形成穩(wěn)定而平滑的操作爐型，設計爐型即為操作爐型。爐喉采用光面條形水冷鋼磚。在其下方安裝l段C型水冷壁，以維護合理爐型。

（4）爐底水冷管

爐底水冷管設置于爐底封板上方，埋于炭素搗打料找平層以內，管徑Φ60 mm×6 mm，間距600 mm，共設14組U型水管。

5　檢測系統(tǒng)

為確保高爐的穩(wěn)定生產操作，降低原燃料消耗，延長高爐壽命，JSPL 686 m3高爐進一步加強和完善爐體檢測系統(tǒng)，設置了必要的檢測點，配置適用的高爐操作計算和分析模型，為操作人員提供準確可靠的參數(shù)和信息。

（1）磚襯檢測

在爐缸爐底設置磚襯熱電偶，共計10層、229點。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)，使操作人員準確掌握爐內侵蝕變化，及時采取相應的措施延長爐缸爐底壽命。

（2）冷卻設備檢測

設置鑄鐵冷卻壁本體熱電偶、銅冷卻壁本體熱電偶，共64點，其中爐缸銅冷卻壁設有32點。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）軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)檢測

在高爐軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)中，設置水系統(tǒng)進出口壓力、流量、溫度檢測、記錄，掌握系統(tǒng)各部位現(xiàn)場工況變化，對系統(tǒng)進行宏觀監(jiān)控，實現(xiàn)操作指導。

（4）水溫差系統(tǒng)檢測

在線實時檢測高爐冷卻壁和風口套進出水溫度及相關部位流量，同時記錄溫度、溫差和熱流的數(shù)據(jù)，以便查詢相應的歷史曲線和熱流分布變化趨勢。JSPL 686 m3高爐水溫差系統(tǒng)測量精度達到±0.05℃。

（5）其他檢測

在爐頂設置爐喉一字測溫裝置用以推斷爐身上部的煤氣溫度分布。設置爐身9點靜壓力（壓差）測量裝置，爐腹爐身設置12點探瘤孔，指導高爐操作。設置爐頂壓力控制、爐頂紅外攝像儀、爐頂煤氣自動分析儀以及風口成像等爐體檢測設施。

6　結語

JSPL 686 m3高爐爐體系統(tǒng)的設計，充分借鑒了我國高爐先進成熟的技術，結合JSPL自身的原燃料條件以及現(xiàn)代高爐爐型的發(fā)展趨勢，確定了較為合理的爐型和內襯結構。采用了一系列先進的高爐長壽技術。如矮胖型爐型結構，適當加深死鐵層深度，爐缸、爐底采用以優(yōu)質耐火材料為基礎的 “碳質爐缸-陶瓷杯爐底”結構，在爐腹、爐腰及爐身下部關鍵區(qū)域采用銅冷卻壁，軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)與工業(yè)水系統(tǒng)相結合，完善的檢測監(jiān)控系統(tǒng)等。2014年7月投產以來，高爐有效利用系數(shù)平均值為2.77，燃料比530 kg/t，煤比180 kg/t，風溫1 200℃，高爐的各項指標基本達到了預期的設計水平。

［1］毛慶武，張福明，姚軾，等.首鋼高爐高效長壽技術設計與應用實踐［J］.煉鐵.2011，30（5）：l-6.

［2］項鐘庸，王筱留.煉鐵工藝設計理論與實踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

［3］張福明，程樹森.現(xiàn)代高爐長壽技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

Process Design and Improvement of 445 m3Blast Furnace in India JSPL Company

MENG Shumin，CHEN Ling，WANG Bing
（Shandong Province Metalurgical Engineering Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

The furnace volume expanded to 686 m3after the upgrade of 445 m3BF in India JSPL Company.The existing 445 m3BF foundation and frame is utilized to make new design for BF with long service life comprehensive technologies，including short and stout type furnace shape，carbon brick+ceramic cup bottom and hearth structure，cooling stave full-cover thin wall liner，bosh to shaft middle part high thermal load area adopts copper cooling stave，combined soft water closed circulation system，water cooling bottom structure，and perfect furnace body detection.The BF achieved good technical and economic indexes after commissioning.The highest daily output is 2 100 t/d，the coefficient of utilization reaches 2.77 t/（m3·d），fuel ratio is 530 kg/t，coal ratio is 180 kg/t and the blast temperature is 1 200℃。

blast furnace upgrade；thin skinned lining；copper cooling stave

TF572

B

1001-6988（2016）02-0050-05

2016-01-08

孟淑敏（1980—），女，工程師，主要從事高爐工藝設計工作.