劉 波

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 廣東湛江524072)

1 前言

高爐煉鐵是大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)最關(guān)鍵的一道工藝環(huán)節(jié)，高爐生產(chǎn)穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定，而高爐關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況直接影響高爐生產(chǎn)順行。自1978年寶鋼從日本新日鐵成套引進(jìn)高爐設(shè)備以來，寶鋼一直與國內(nèi)設(shè)計(jì)院、高校、制造廠長期合作，從引進(jìn)、消化、吸收開始再到自主研究和集成創(chuàng)新，高爐設(shè)備國產(chǎn)化率、設(shè)備技術(shù)水平不繼提高，在湛江鋼鐵建設(shè)前寶鋼股份本部高爐設(shè)備的國產(chǎn)化率已達(dá)到95%以上。但是受設(shè)計(jì)、制造、材料及國內(nèi)需求等各種因素制約，一些關(guān)鍵成套設(shè)備如無料鐘爐頂、高爐鼓風(fēng)機(jī)、TRT設(shè)備等在特大型高爐上還是依靠國外進(jìn)口。

無料鐘爐頂、高爐鼓風(fēng)機(jī)、TRT設(shè)備等是特大型高爐最重要、最關(guān)鍵的幾項(xiàng)裝備，也是高爐自主集成國產(chǎn)化攻關(guān)的最后一個(gè)堡壘。無料鐘爐頂設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高爐爐頂裝料和布料的執(zhí)行裝置，控制著爐料進(jìn)入高爐的唯一通道，是高爐布料及上部調(diào)節(jié)的唯一手段，影響高爐爐內(nèi)的氣流分布、原燃料消耗、高爐產(chǎn)量等，是高爐的“咽喉”；高爐鼓風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定風(fēng)量風(fēng)壓的設(shè)施，對(duì)控制高爐操作至關(guān)重要；TRT余壓回收裝置是實(shí)現(xiàn)能源回收的重要裝置，直接影響著高爐生產(chǎn)的工序能耗。開發(fā)高性能的無料鐘爐頂裝備技術(shù)、高效鼓風(fēng)機(jī)和TRT裝備一直是國內(nèi)外煉鐵界重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)技術(shù)。

我國鋼鐵發(fā)展快速，我們應(yīng)該有自己的技術(shù)和裝備，才能實(shí)現(xiàn)我國從鋼鐵大國向鋼鐵強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，與我國鋼鐵在世界的地位相匹配。進(jìn)入二十一世紀(jì)，國內(nèi)鋼鐵裝備設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)技術(shù)水平在國內(nèi)鋼鐵大發(fā)展中有了顯著提高，又適逢寶鋼建設(shè)一個(gè)全新的全流程的湛江鋼鐵，為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)提供了機(jī)會(huì)和平臺(tái)。寶鋼、中冶賽迪、秦冶、陜鼓等作為國內(nèi)高爐生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和設(shè)備制造的龍頭企業(yè)，始終堅(jiān)持走技術(shù)創(chuàng)新的道路，以提升中國冶金裝備技術(shù)實(shí)力及市場競爭力為己任，在突破國外產(chǎn)品封鎖、實(shí)現(xiàn)特大型高爐關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化方面具有共同愿景，并且有能力對(duì)特大型高爐裝備進(jìn)行自主研發(fā)和創(chuàng)新，研究開發(fā)出適應(yīng)國內(nèi)外大型高爐工藝需求的關(guān)鍵裝備技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1確定攻關(guān)總體目標(biāo)

瞄準(zhǔn)國際一流水準(zhǔn)，突破國外技術(shù)產(chǎn)品封鎖，開發(fā)具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、具有核心競爭力的高爐無料鐘爐頂裝備、高效節(jié)能大型鼓風(fēng)機(jī)、大型TRT設(shè)備，力爭將這些自主研發(fā)的國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)裝備應(yīng)用于湛江高爐，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)中國冶金裝備民族振興。

2.2爐頂無料鐘核心裝備液壓傳動(dòng)布料器研究[1]

2.2.1 新一代液壓傳動(dòng)布料器研究

在現(xiàn)有液壓傳動(dòng)布料器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，完成布料器設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)、耐磨耐高溫新材料以及節(jié)能環(huán)保技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，從設(shè)備精度、壽命、可靠性等方面進(jìn)行研究。通過全面的技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)新和技術(shù)提升，新一代液壓傳動(dòng)布料器運(yùn)行性能指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

2.2.2 布料器復(fù)合液壓系統(tǒng)控制技術(shù)

通過對(duì)三個(gè)液壓缸的同步控制提高傾角控制精度，布料器傾角(α角)控制精度達(dá)到±0.1°以內(nèi)，徹底解決了原液壓傳動(dòng)布料器傾角控制精度差、無法滿足大型高爐生產(chǎn)需要的問題。圖1是開發(fā)設(shè)計(jì)出的布料器復(fù)合液壓控制系統(tǒng)圖。

2.2.3 液壓傳動(dòng)布料器進(jìn)行數(shù)值仿真研究

通過數(shù)值仿真研究找到了影響布料器可靠性及壽命的關(guān)鍵點(diǎn)。圖2是計(jì)算仿真過程，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)布料器頂板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了裝配式垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)整體式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，通過聯(lián)合清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行耳軸軸套、導(dǎo)軌等材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，找到了合適的新型材料，從而解決了影響原液壓傳動(dòng)布料器壽命和可靠性的關(guān)鍵問題。通過對(duì)布料溜槽結(jié)構(gòu)、耐磨襯板材質(zhì)研究開發(fā)，成功開發(fā)了長壽命布料溜槽。

圖1 布料器復(fù)合液壓控制系統(tǒng)圖

圖2 布料器結(jié)構(gòu)仿真

2.2.4 布料器新型水冷技術(shù)研究

圖3是布料器新型整體包覆式冷卻結(jié)構(gòu)，增加受熱部件蓄水式結(jié)構(gòu)、油水分離、關(guān)鍵部件冷卻等。這些技術(shù)的應(yīng)用明顯提高了冷卻效率，為布料器耐高溫特性提供保證，同時(shí)也克服了進(jìn)口布料器冷卻水管易發(fā)生堵塞、結(jié)垢從而導(dǎo)致冷卻效率降低等問題。

圖3 新型水冷技術(shù)-整體包覆式冷卻結(jié)構(gòu)

2.2.5 基于1∶1試驗(yàn)裝置的無料鐘爐頂試驗(yàn)研究

按5000立方米高爐搭建1∶1爐頂料鐘試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)裝置上開展無料鐘爐頂系統(tǒng)冷態(tài)、熱態(tài)及布料模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備性能指標(biāo)，摸索相關(guān)規(guī)律，為高爐生產(chǎn)提供指導(dǎo)，并形成了一套無料鐘爐頂試驗(yàn)創(chuàng)新研究方法，圖4是布料模擬測試料流軌跡測試裝置。模擬測試結(jié)果表明新一代大型高爐無料鐘爐頂結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、對(duì)溫度適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高，主要性能指標(biāo)達(dá)到和超過國外爐頂。

圖4 布料模擬測試料流軌跡測試裝置

2.3大型高爐鼓風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[2]

2.3.1 高性能設(shè)計(jì)

通過葉型優(yōu)化、流道優(yōu)化、軸向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、最后一級(jí)靜葉采用固定方式而其余可調(diào)、多級(jí)匹配優(yōu)化等提升了鼓風(fēng)機(jī)整體性能和調(diào)節(jié)范圍，如圖5所示。葉型設(shè)計(jì)借助CFD流場計(jì)算優(yōu)化，減少流動(dòng)損失；采用軸向進(jìn)氣、徑向下排氣結(jié)構(gòu)，減少了進(jìn)氣流動(dòng)損失，提高了鼓風(fēng)機(jī)效率。

圖5 優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況

2.3.2 可靠設(shè)計(jì)

根據(jù)湛江海洋性氣候特點(diǎn)，葉片采用“高分子有機(jī)涂層”防腐蝕方案；動(dòng)葉片葉根采用葉根結(jié)構(gòu)優(yōu)化與葉片噴丸強(qiáng)化處理，葉根面在端部做特殊設(shè)計(jì)以降低應(yīng)力集中，這種結(jié)構(gòu)如圖6所示，特別開發(fā)了葉片噴丸強(qiáng)化處理工藝；通過喉差溫度補(bǔ)償、鼓風(fēng)機(jī)喉部差壓換算入口流量、壓力限制線的設(shè)置等三個(gè)方面的優(yōu)化提高風(fēng)機(jī)的防喘振性能；設(shè)計(jì)防阻塞系統(tǒng)避免放空及高爐休風(fēng)時(shí)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行在末級(jí)葉片的阻塞區(qū)。

圖6 原始葉根面與低邊齒葉根面

2.3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)際需求，將脫濕系統(tǒng)的監(jiān)測及相關(guān)控制整合到高爐鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，通過控制系統(tǒng)的整合和改進(jìn)，完善了高爐鼓風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)的系統(tǒng)性；通過對(duì)機(jī)組聯(lián)鎖條件的詳盡分析和研究，取消了動(dòng)力油壓低聯(lián)鎖停機(jī)條件，提高了機(jī)組的可用性；研究和應(yīng)用了鼓風(fēng)機(jī)出口微壓保持技術(shù)，當(dāng)機(jī)組因自身故障引發(fā)事故停機(jī)過程中，放風(fēng)閥在快速打開泄壓之后再重新關(guān)閉，使風(fēng)機(jī)出口壓力回升，延緩風(fēng)壓下降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)為高爐保持一定的風(fēng)壓，以保證高爐有幾分鐘的時(shí)間進(jìn)行休風(fēng)操作，防止高爐在不知情的情況下因突然斷風(fēng)而發(fā)生高爐風(fēng)口灌渣事故。

2.4大型高爐TRT關(guān)鍵技術(shù)研究

2.4.1 安保系統(tǒng)控制改進(jìn)

確保在極端重故障狀態(tài)下TRT及減壓閥組具有“三斷(斷油、斷電、斷信號(hào))保護(hù)”功能，以保障高爐及煤氣系統(tǒng)的安全。

2.4.2 改進(jìn)關(guān)鍵零部件材料適用性

通過開發(fā)性質(zhì)更好的新型TRT阻垢緩蝕劑，有效改善對(duì)設(shè)備的腐蝕和沖刷；采用改進(jìn)的熱噴涂工藝，并增加噴丸工藝，進(jìn)行葉片表面處理，有效提高了涂層與葉片材料基體的結(jié)合性。

2.4.3 優(yōu)化透平設(shè)備結(jié)構(gòu)

開發(fā)新葉形及流道設(shè)計(jì)，改進(jìn)擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)形式，以減少阻損，提高發(fā)電量。主要優(yōu)化點(diǎn)：①一維優(yōu)化通過減小動(dòng)葉入口沖角、減小余速損失等方式，提升透平效率2.2%；②靜葉優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升透平效率0.3%；③擴(kuò)壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升透平效率0.7%；④動(dòng)葉葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升1.5%；⑤靜葉調(diào)整比例優(yōu)化，提升透平效率0.3-0.5%。通過上述優(yōu)化，提升透平效率5%左右(相對(duì)于普通鑄造機(jī)殼機(jī)型)。

2.4.4 葉片耐腐蝕技術(shù)研究[3]

通過對(duì)多種材料及工藝方法的比較及試驗(yàn)，確定葉片耐氯離子腐蝕技術(shù)方案，全部動(dòng)、靜葉采用了改進(jìn)的熱噴涂工藝進(jìn)行表面防腐耐磨處理，提高葉片耐腐蝕能力，延長葉片使用壽命。

2.4.5 優(yōu)化TRT系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)

通過控制管系對(duì)設(shè)備的推力及力矩，確保TRT穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行。

3 關(guān)鍵裝備研制

3.1新一代爐頂布料器技術(shù)突破

1)創(chuàng)新性開發(fā)布料器液壓復(fù)合控制系統(tǒng)技術(shù)，采用三缸三閥同步控制三個(gè)油缸的同步誤差在1mm以內(nèi)，傾動(dòng)角度的誤差遠(yuǎn)小于±0.1°,達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2)布料器采用新型水冷及密封結(jié)構(gòu)，設(shè)備冷卻強(qiáng)度提高，密封可靠，冷卻水消耗10-15t/h，減少冷卻水用量1/3，氮?dú)夂牧吭?000Nm3/h以下，減小氮?dú)庥昧?/4以上，降低設(shè)備運(yùn)行成本。

3)采用卡掛式布料溜槽安裝結(jié)構(gòu)，拆卸安裝方便，更換時(shí)間可控制在4小時(shí)以內(nèi)，溜槽更換時(shí)間較國外同類產(chǎn)品減少1/2以上。

4)改進(jìn)布料器導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，將整體式導(dǎo)軌改為裝配式結(jié)構(gòu)，并增加潤滑措施，配合布料器三缸液壓同步控制技術(shù)，克服導(dǎo)軌磨損問題，延長布料器整體使用壽命。

5)爐頂布料自動(dòng)化控制模型采用主從獨(dú)立雙環(huán)控制算法對(duì)三套液壓缸行程進(jìn)行控制，并采用線性化算法對(duì)比例閥死區(qū)和溜槽相對(duì)傾角進(jìn)行處理，提高了爐頂布料器的精確度和可靠性。

3.2大型鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備技術(shù)突破

1)大型鼓風(fēng)機(jī)可靠性提升：通過葉片防腐設(shè)計(jì)應(yīng)用、動(dòng)葉片葉根結(jié)構(gòu)優(yōu)化與葉片噴丸強(qiáng)化處理工藝應(yīng)用、軸向進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)置流道的軸承箱油封與氣封優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)組防喘振系統(tǒng)優(yōu)化、防阻塞系統(tǒng)的應(yīng)用等，提高了鼓風(fēng)機(jī)可靠性。

2)大型鼓風(fēng)機(jī)高性能提升：采用全新葉型、流道優(yōu)化、多級(jí)匹配、軸向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、最后一級(jí)靜葉固定等措施，將鼓風(fēng)機(jī)效率提高至91%以上，調(diào)節(jié)范圍提升12%，啟動(dòng)功率減少20%。

3)鼓風(fēng)機(jī)組工藝系統(tǒng)性優(yōu)化：脫濕鼓風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、機(jī)組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)優(yōu)化、微壓保持系統(tǒng)應(yīng)用，提高了機(jī)組系統(tǒng)應(yīng)用性。

4)大型鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)精度提升：通過工藝流程改進(jìn)，提升了大型高爐鼓風(fēng)機(jī)的控制調(diào)節(jié)精度。定流量調(diào)節(jié)，流量波動(dòng)約30m3/min，定壓力調(diào)節(jié)，壓力波動(dòng)小于7kPa。

3.3大型TRT設(shè)備技術(shù)突破

1)通過開發(fā)新葉形及流道設(shè)計(jì)，改進(jìn)擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)形式，透平效率提升至87-89%，比普通鑄造機(jī)殼82-83%，提升5%。

2)葉片耐氯離子腐蝕技術(shù)取得突破，靜葉采用了改進(jìn)的熱噴涂工藝進(jìn)行表面防腐耐磨處理，提高葉片耐腐蝕能力，現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用結(jié)果良好

4 湛江鋼鐵高爐工程應(yīng)用實(shí)踐

4.1湛江鋼鐵高爐應(yīng)用基本情況

湛江鋼鐵一號(hào)高爐于2013年5月17日開工建設(shè)，2015年9月25日建成投產(chǎn)。二號(hào)高爐于2014年5月15日開工建設(shè)，2016年7月15日建成投產(chǎn)。高爐設(shè)計(jì)爐容5050m3，設(shè)計(jì)平均利用系數(shù)2.28t/m3day、日平均產(chǎn)量11514t/d、爐頂設(shè)計(jì)壓力0.3MPa。

由寶鋼、中冶賽迪、秦冶重工共同研制開發(fā)的新一代無料鐘爐頂裝料設(shè)備及由寶鋼、中冶賽迪、陜鼓共同研制開發(fā)的高爐鼓風(fēng)機(jī)、大型TRT設(shè)備等關(guān)鍵裝備在湛江5050m3大型高爐上得到了良好應(yīng)用。

湛江鋼鐵二座高爐投產(chǎn)后經(jīng)歷了一段生產(chǎn)爬坡期后，2017年進(jìn)入了生產(chǎn)穩(wěn)定期，2017年高爐各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，2018年更上一層樓，達(dá)到了穩(wěn)定高產(chǎn)、低燃料比、高TRT發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。2017年年產(chǎn)量達(dá)828噸、2018年更是達(dá)到839萬噸，大大超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。年平均煤比達(dá)180kg/t、燃料比<490kg/t、TRT發(fā)電>45kg(標(biāo))/t，在國內(nèi)外大高爐中排名前列。高爐優(yōu)異指標(biāo)的取得也證明了無料鐘爐頂布料器、高爐鼓風(fēng)機(jī)、TRT等這些自主集成國產(chǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，狀況良好，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

4.2爐頂新一代布料器應(yīng)用情況

新一代無料鐘爐頂裝備在湛鋼高爐項(xiàng)目上投入應(yīng)用后，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，狀況良好，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)異，達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。詳見表1。

表1 布料器主要指標(biāo)實(shí)際與設(shè)計(jì)對(duì)比

新一代布料器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，二座高爐投產(chǎn)至今未出現(xiàn)過因爐頂故障而引起的休風(fēng)

4.3大型鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備應(yīng)用情況

湛江鋼鐵高爐鼓風(fēng)站3#鼓風(fēng)機(jī)安裝了自主研制的大型鼓風(fēng)機(jī)，投入運(yùn)行至今運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求。詳見表2。

4.4大型高爐TRT設(shè)備應(yīng)用情況

TRT投運(yùn)后總體運(yùn)行情況良好，噸鐵發(fā)電量達(dá)45度左右，與同類高爐相比達(dá)到了較高的水平，2017年3月底TRT年修時(shí)對(duì)TRT整體狀況進(jìn)行了檢查，其葉片腐蝕和積灰狀況在預(yù)想的范圍

內(nèi)，達(dá)到了國內(nèi)最好水平。

表2 鼓風(fēng)機(jī)主要指標(biāo)實(shí)際與設(shè)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

1)新一代無料鐘爐頂核心布料器設(shè)備設(shè)計(jì)精巧、結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、耐磨件使用壽命長；設(shè)備抗高溫性能良好、工藝性能優(yōu)良、可實(shí)現(xiàn)各種方式的布料。

2)研制成功的大型高爐鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備效率高、控制精度高，整機(jī)的穩(wěn)定性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性及實(shí)物質(zhì)量達(dá)到世界一流水平。

3)大型TRT設(shè)備完全適應(yīng)采用干式除塵系統(tǒng)大型高爐，特別解決了葉片積塵及腐蝕問題。