段國建，全 強，羅 凱，王得剛

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

長期以來，受“有風就有鐵”高強度冶煉思想的影響，一些高爐工藝配套不合理，導(dǎo)致送風系統(tǒng)和煤氣處理系統(tǒng)能力富裕太多，浪費嚴重；一些高爐由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致壽命短，噸鐵折舊費用高；一些高爐利用系數(shù)過高，造成能耗過高，導(dǎo)致噸鐵成本過高；一些高爐由于工藝選擇不當而導(dǎo)致生產(chǎn)維護成本高；一些高爐由于建設(shè)時技術(shù)不成熟而導(dǎo)致環(huán)保不達標。以上種種缺陷，造成很大的成本壓力和環(huán)保壓力，嚴重影響到市場競爭，甚至可能被淘汰出局。因此，針對以上問題亟待提出合理的升級改造技術(shù)。

1 挖掘潛力，優(yōu)化爐型，提升高爐生產(chǎn)指標

長期以來，一些高爐因利用系數(shù)高就被認為效率高、技術(shù)好，成為眾多鋼鐵企業(yè)的追求方向。但利用系數(shù)過高的高爐（尤其是部分中小高爐），普遍能耗高，噸鐵成本較高，尤其是在目前超低排放要求和市場波動的情況下，這些高爐的缺陷逐漸凸顯出來，甚至被貼上落后產(chǎn)能的標簽。

1.1 優(yōu)化爐型，選擇合適的單位爐缸面積工作爐容（VW/A）

高爐生產(chǎn)指標與原燃料和操作制度密切相關(guān)，與高爐爐型也有密切的關(guān)系。為什么一些高爐（尤其是中小高爐）容易強化冶煉、產(chǎn)量高，但能耗較高，其根本原因在于單位爐缸面積對應(yīng)的工作爐容偏小。

高爐單位爐缸面積利用系數(shù)是比較接近的，但爐容利用系數(shù)差別很大。關(guān)鍵在于一些高爐（尤其是中小高爐）單位爐缸面積對應(yīng)的工作爐容（VW/A）較小，往往在16～20 之間，而指標較好的大高爐多在24～27 之間。按照爐容計算出來的利用系數(shù)，VW/A較小的高爐比VW/A 較大的高爐多出30～60%，甚至翻倍。

爐缸面積越大，燃燒燃料越多，煤氣量就越大，產(chǎn)量也會相應(yīng)增加。但是單位爐缸面積對應(yīng)的工作爐容（VW/A）與煤氣在爐內(nèi)的停留時間是密切相關(guān)的，它直接影響到煤氣利用率。

煤氣在高爐內(nèi)的停留時間：

式中，VW為高爐工作容積，m3；ε 為工作容積內(nèi)爐料的平均孔隙率；A 為爐缸面積，m2；υ 為空塔爐缸煤氣流速或者爐腹煤氣指數(shù)，m/min；T 為工作容積內(nèi)煤氣平均溫度，K；P0為標準狀態(tài)下大氣壓力，0.1MPa；P 為工作容積內(nèi)煤氣平均壓力，MPa。

簡化得到

據(jù)統(tǒng)計，對于高爐空塔爐缸煤氣流速或者爐腹煤氣指數(shù)υ，經(jīng)濟技術(shù)指標較好的在58～66m/min 左右[1]，P 也相對固定，要保持煤氣在爐內(nèi)足夠的停留時間，必須有合理的VW/A 范圍。

由于中小高爐爐內(nèi)壓力P 較小，VW/A 應(yīng)該更大，而不是現(xiàn)有中小高爐比大高爐小得多。當然煤氣停留時間也不宜過長，在爐內(nèi)6～7s 時，煤氣基本完成了自身熱能與化學能的傳導(dǎo)[2]，因此需要一個合理經(jīng)濟的VW/A。

1.2 優(yōu)化爐型的經(jīng)濟分析，并挖掘潛力

高爐工藝流程中，高爐本體所占總投資的比例并不高，大約10%左右，高爐其他約90%的投資都是與產(chǎn)量掛鉤的，跟高爐本體容積大一點或小一點關(guān)聯(lián)性并不大。如果改造高爐只是為了改善生產(chǎn)指標，不以提高產(chǎn)量為目的，假設(shè)適當增加工作爐容100 m3，其投資并不是增加3000 萬元（按照30 萬元/立方米爐容計算），其實只增加300 萬元或者更低，因為爐缸的投資大于爐腹及以上部位。如果將厚壁高爐改造成薄壁高爐，工作容積增加，投資反而下降。

淘汰部分小高爐，選擇合適的VW/A，適當增加改造高爐的爐容，通過控制煤氣流速和爐內(nèi)停留時間，提高煤氣利用率，同時降低冶煉強度及利用系數(shù)，都可以降低噸鐵耗風量和煤氣產(chǎn)生量。改造過程中充分挖掘原有送風系統(tǒng)和煤氣處理系統(tǒng)的潛力，不僅能夠提高高爐產(chǎn)量，而且可以降低燃料比、降低噸鐵成本，真正達到高產(chǎn)低耗，實現(xiàn)提升競爭力的改造目的。

燃料比假設(shè)降低10kg，1000 m3級高爐每年就節(jié)省近1000 萬元，僅半年就可以收回增加工作爐容的投資，今后每年可以增加1000 萬元的利潤。

2 采用先進可靠技術(shù)，盡可能延長高爐壽命

高爐長壽的關(guān)鍵在爐缸，爐缸的可靠性決定了一代爐役的長壽。爐缸壽命主要取決于爐缸結(jié)構(gòu)是否合理，冷卻能力是否足夠及冷卻能力是否能得到充分的發(fā)揮。

2.1 合理的薄壁爐襯結(jié)構(gòu)

高爐改造，可以采用薄壁爐襯結(jié)構(gòu)，適當增加爐腰直徑，降低爐腹角和爐身角，調(diào)整合適的VW/A。采用密排水管的球墨鑄鐵冷卻壁、鋼冷卻壁，甚至銅冷卻壁，并滿鑲磚，以確保爐腹及以上爐墻的壽命。

薄壁高爐爐型是將厚壁高爐經(jīng)火法修正后，指標較好時期的內(nèi)型在一代爐齡中固定下來，使得高爐在整個一代爐齡中都以高效低耗的狀態(tài)順行生產(chǎn)。需要注意的是，薄壁高爐如果只是把冷卻壁熱面推移到厚壁高爐的內(nèi)型線位置，簡單地沿用厚壁高爐內(nèi)型，既不能獲得較好的生產(chǎn)指標，還會導(dǎo)致冷卻壁過早破損、高爐短壽。

2.2 合理的爐缸結(jié)構(gòu)

2.2.1 采用斜爐缸結(jié)構(gòu)

當“象腳”侵蝕形成后，爐缸炭磚還有足夠的安全厚度，炭磚受熱膨脹可以進一步壓實冷卻壁和炭磚之間的炭搗料，使得炭磚的冷卻更加有效。

2.2.2 穩(wěn)定且密封的陶瓷杯結(jié)構(gòu)

從生產(chǎn)實踐來看，全炭磚和“炭磚+陶瓷杯”兩種爐缸耐材結(jié)構(gòu)都是可行的，都可以避免炭磚與鐵水的直接接觸，從而保護炭磚免遭鐵水侵蝕。但最近發(fā)現(xiàn)高爐停爐后，陶瓷杯存在但炭磚被粉化，粉化物內(nèi)無滲鐵，但含有大量的有害元素鋅，詳見圖1。

圖1 陶瓷杯壁存在的情況下炭磚的侵蝕圖

圖1 說明陶瓷杯除了需避免鐵水與炭磚直接接觸外，還需擋住堿金屬和Zn 對炭磚的侵蝕。因此要求陶瓷杯具有更高的穩(wěn)定性和密封性。不合理的陶瓷杯結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致陶瓷杯過早破損甚至垮塌，不能有效保護炭磚。

對于小塊磚陶瓷杯結(jié)構(gòu)，其設(shè)計、制造和施工都很簡便。較多的磚縫能夠吸收一定的熱膨脹釋放熱應(yīng)力，因此與炭磚接觸面不需要設(shè)置寬縫。寬縫處于堿金屬和鋅蒸汽活躍的溫度范圍，為堿金屬和鋅蒸汽進入炭磚提供了通道和溫度條件，同時寬縫也會導(dǎo)致小塊陶瓷杯的穩(wěn)定性下降。

大塊陶瓷杯結(jié)構(gòu)較少的磚縫和常采用的互鎖結(jié)構(gòu)、熱應(yīng)力釋放等措施，使其具有較好的密封性和穩(wěn)定性，但這種結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對設(shè)計和施工的要求都很高。

2.2.3 提升炭磚及搗料質(zhì)量

為避免堿金屬在砌體中液化富集后對砌體產(chǎn)生破損侵蝕，建議提高炭磚導(dǎo)熱性能，降低炭磚熱應(yīng)力，避免爐墻產(chǎn)生裂縫，堿金屬趁虛而入。炭磚還需要較高的抗鐵水溶蝕能力。

碳復(fù)合磚抗鐵水熔蝕能力、抗氧化性能和抗鋅侵蝕能力均強于普通炭磚，并應(yīng)用到部分高爐，使用情況值得關(guān)注。

碳素搗料的導(dǎo)熱系數(shù)在不焙燒僅烘干的條件下應(yīng)該＞15 W/m·k。炭磚與冷卻壁之間的碳素搗料填料必須搗實，其體積密度與導(dǎo)熱率密切相關(guān)，要求搗后體積密度＞1.6 g/cm3。

2.3 高效節(jié)能的冷卻系統(tǒng)

根據(jù)冷卻壁換熱能力與各參數(shù)之間的定量關(guān)系[3]，對于相同制造工藝和相同種材料的冷卻壁，管壁溫度tw和熱面溫度都可以看作一定熱流強度條件下冷卻壁的冷卻能力。溫度越低，冷卻壁冷卻能力越強。

式中：q 為冷卻壁熱流強度，W/m2；F 為單根水管對應(yīng)的冷卻壁面積，m2；tw為冷卻水管內(nèi)壁溫度，℃；ti為冷卻水入口溫度，℃；di為冷卻水管內(nèi)直徑，m。

將常規(guī)比表面積（S’=Lπdw/F）修正為新的“比表面積”（K=Lπd0.8i /F），更有科學性。

冷卻能力與管徑、水量、水速以及比表面積，可以通過對三種型式分別布置不同數(shù)量冷卻水管的爐缸鑄鐵冷卻壁的對比看出其關(guān)系，如表1 和圖2。

表1 三種爐缸冷卻壁的冷卻能力比較

圖2 三種爐缸冷卻壁的冷卻能力比較

分析表1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，增加水管直徑、冷卻水量和水速，并不意味著可以提高冷卻壁的冷卻能力。對于小管徑、密排設(shè)計的冷卻壁，其換熱能力比大管徑的要好，冷卻能力不是隨著水管直徑和水量的增大而變強。

冷卻水管小而密的布置可以降低冷卻壁熱面溫度、提高冷卻能力，降低爐墻冷卻的不均勻性，通過降低自身熱應(yīng)力可以提高使用壽命、通過減少供水量可以降低運行成本，減薄冷卻壁可以降低投資。

圖3 所示為中冶京誠開發(fā)的組合式冷卻壁，近年來在爐腹至爐身下部區(qū)域得到大量的成功應(yīng)用。組合式冷卻壁是在鑄鐵冷卻壁的熱面安裝銅冷卻條作為渣皮的“錨固釘”，既具有易結(jié)渣皮壽命長的優(yōu)點，又克服了銅冷卻壁冷卻過度帶來的渣皮太厚，繼而頻繁脫落給高爐帶來的操作問題，同時其投資較銅冷卻壁大幅降低。

圖3 組合式冷卻壁

2.4 高效的傳熱體系

圖4 所示為中冶京誠專利技術(shù)“無間隙冷卻結(jié)構(gòu)”[4]，該結(jié)構(gòu)中的彈簧可以在高爐生產(chǎn)過程中保證冷卻壁與耐材的緊密接觸。設(shè)置冷卻壁熱面壓漿孔，通過壓漿以避免爐殼和耐材膨脹不同步而導(dǎo)致的氣隙，形成高效、緊密的傳熱體系，能夠充分發(fā)揮冷卻壁的冷卻作用，保證冷卻系統(tǒng)的完整高效。

圖4 “無間隙冷卻結(jié)構(gòu)”安裝圖

3 節(jié)能減排，改善環(huán)境，提升競爭力

3.1 超高風溫熱風爐技術(shù)

近年來，很多高爐入爐風溫雖然有所提高，但與先進高爐1250 ℃左右的風溫相比還是有差距的。高爐升級改造中提高風溫一般可以采取以下措施。

3.1.1 采用旋切式頂燃熱風爐

旋切式頂燃熱風爐空煤氣僅在燃燒器內(nèi)充分混合，不燃燒，避免了煙氣對未燃空煤氣混合的阻礙，可以降低空氣過剩系數(shù)。煙氣中含O2量在0.3%時，CO 的含量小于0.03%，而常規(guī)熱風爐CO 的含量在0.3%以上?？諝膺^剩系數(shù)≤1.03，相對于過剩系數(shù)1.1，可以提高風溫20～30 ℃。

上旋下切燃燒器，空煤氣混合充分，煙氣分布均勻度≥95%；有利于格子磚換熱和蓄熱能力的充分利用，從而提高送風溫度。

3.1.2 提升爐箅子的材質(zhì)

通過改善爐箅子的材質(zhì)、優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，可以提高廢氣溫度，既能提高熱風爐蓄熱量，強化換熱，又能提高煤氣、空氣預(yù)熱后溫度，也不增加運行成本，是提高送風溫度的最佳措施。

3.1.3 熱風爐采用獨立混風技術(shù)

把混風管接至助燃空氣支管，從燃燒器助燃空氣噴口進入熱風爐，根據(jù)熱風出口溫度的變化調(diào)節(jié)混風量。即可以減小燃燒器燒爐期和送風期的溫差，減輕砌體熱震破損；又可以降低熱風出口和熱風支管的溫度，提高該部位的可靠性；還可以盡可能多地利用爐內(nèi)熱量，提高送風溫度。

3.1.4 采用低應(yīng)力熱風管系結(jié)構(gòu)

中冶京誠低應(yīng)力熱風管系從1997 年開始在寶鋼1 號大修高爐上得到應(yīng)用，經(jīng)歷了一代爐齡年均送風溫度1246 ℃的考驗，是目前最為成功的熱風管系。低應(yīng)力熱風管系主要技術(shù)要點有：三岔口設(shè)置固定支座；固定支座之間設(shè)置波紋管以吸收支座間管道的熱膨脹；熱風支管和總管均設(shè)全程拉桿；熱風總管自由末端設(shè)置波紋管以吸收全程拉桿的變形；熱風支管拉桿著力在熱風爐本體抱箍上；熱風閥前后采用彈簧支座以減緩支管向下的剪切應(yīng)力。

3.2 環(huán)保底濾技術(shù)

環(huán)保底濾爐渣處理技術(shù)是中冶京誠在公司傳統(tǒng)底濾法處理技術(shù)基礎(chǔ)上，自主研制開發(fā)的一種新型爐渣處理新工藝。該技術(shù)目前已獲得5 項國家發(fā)明專利及19 項實用新型專利，被評為中國專利獎優(yōu)秀獎。實踐證明，環(huán)保底濾高爐爐渣處理技術(shù)性價比高、可靠性好，為鋼鐵企業(yè)的降本增效、節(jié)能減排提供了最優(yōu)的解決方案[5]。

環(huán)保底濾爐渣處理技術(shù)具有?；Ч谩⒃蛛x好、占地面積小、系統(tǒng)投資低、運行成本低、維護工作少、環(huán)境友好等優(yōu)點，實現(xiàn)了最佳粒化、最佳過濾、最佳環(huán)保、最省投資和最低運行成本的最佳組合。

3.3 高效環(huán)保物料轉(zhuǎn)載技術(shù)

礦焦槽系統(tǒng)是煉鐵廠粉塵污染較為嚴重的環(huán)節(jié)，中冶京誠高效環(huán)保物料轉(zhuǎn)載技術(shù)包括圖5 所示的環(huán)保卸料車和圖6 所示的新型物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)，能夠通過減少物料破碎實現(xiàn)提高物料成品率、減少粉塵排放的目的，助力實現(xiàn)綠色高效的煉鐵生產(chǎn)。

圖5 環(huán)保卸料車

圖6 新型物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)

4 結(jié)語

（1）通過挖掘潛力、優(yōu)化爐型，對高爐的高效改造能夠提高煤氣利用率、降低燃料比、提高產(chǎn)量，實現(xiàn)低耗高產(chǎn)，提升競爭力。

（2）采用合理的爐缸結(jié)構(gòu)對高爐進行改造，采用“無間隙冷卻結(jié)構(gòu)”和高效的冷卻系統(tǒng)，保證冷卻能力的充分發(fā)揮，能夠有效延長高爐壽命。

（3）采用旋切頂燃式熱風爐、環(huán)保底濾爐渣處理技術(shù)、高效環(huán)保物料轉(zhuǎn)載技術(shù)、爐頂均壓煤氣回收技術(shù)等高效、節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)對煉鐵工序進行改造，能夠?qū)崿F(xiàn)高爐煉鐵的節(jié)能減排，有效改善環(huán)境，大幅提升鋼鐵企業(yè)的競爭力。