董建民

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019）

0 引言

某廠2 500 m3高爐上一代爐役，設有3個鐵口、工業(yè)水+全覆蓋冷卻壁、55 m3串罐無料鐘爐頂、雙出鐵場、四座外燃熱風爐、重力除塵、煤氣洗滌及TRT。第一代爐役壽命4 953 d，單位爐容產鐵11 234 t/m3，屬于國內先進水平。在其第二代爐役設計中采用了多項新技術及工藝，包括：軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、熱風爐板式換熱器、全干法煤氣除塵技術、爐前開堵口信息化、煤氣中和脫鹽等，為實現(xiàn)高爐長壽、環(huán)保創(chuàng)造了有利保障。

但通過生產實踐表明，本次大修設計上還有一些不盡人意的地方，尤其是高爐上料系統(tǒng)逐漸逼近作業(yè)率上限；高爐軟水系統(tǒng)冷卻缺乏調節(jié)能力；熱風支管波紋補償器壽命受限；煤氣凈化工藝帶來的廢棄物等問題。下面就本次高爐的設計特點及仍需優(yōu)化的問題進行分析和探討，為將來設計改進提供借鑒。

1 工程設計的主要內容

此次大修設計主要包括：煉鐵工藝設施、燃氣工藝設施、給排水設施、通風設施及部分建筑結構設施的更新改造，具體內容見表1。改造過程中，取得不少值得總結的經驗，也留下一些值得改進的地方。高爐設計的主要設計技術經濟指標見表2。

2 工程設計的主要特點及仍需優(yōu)化的方向

2.1 礦槽及爐頂裝料系統(tǒng)

本次大修，礦槽及爐頂裝料系統(tǒng)未重新設計，僅部分設備原樣更新。但通過生產實踐發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有裝料制度下（見表3、表4），上料系統(tǒng)存在能力偏小的問題。上料系統(tǒng)三種能力：槽下設備排料能力、膠帶機輸送能力、無料鐘爐頂布料及均壓能力，詳見表5。其中無料鐘爐頂布料及均壓能力成為上料系統(tǒng)能力限制性環(huán)節(jié)。

表1 大修主要內容

表2 高爐設計的主要設計指標

表3 高爐料批

表4 上料系統(tǒng)主要設施能力

表5 礦槽及爐頂裝料系統(tǒng)主要設施參數(shù)

根據(jù)表5，從設計角度可以看出，現(xiàn)有設施可有以下優(yōu)化趨勢：

（1）生產中工藝操作對布料要求越來越精細，現(xiàn)有每罐礦10～12圈需要增加到～15圈，因此布料溜槽設備轉速需要提高。

（2）實際生產操作中，焦丁隨礦批入爐。因此現(xiàn)有55 m3容積可以考慮增加至60 m3。

2.2 高爐本體設計

2.2.1 高爐內型

高爐內型對生產有著重大的影響，尤其是爐身、爐腹角的確定，各個生產技術專家都有不同的看法。從設計實踐來看，沒有一種定量的理論來給出爐型各個部分具體尺寸。爐型的確定都是各種經驗的總結和改進。

高爐大修前，該廠2 500 m3高爐已經有三個爐型。該高爐上一代爐役設計中第五層為風口帶，爐腹帶為第六、七層，爐腰為第八層。從高爐上一代爐役末期冷卻壁破損情況看，主要集中在第六~九層，其中第九層僅兩塊冷卻壁水管完整、第六層60%進水口破損；因此在該高爐二代爐役設計時，結合現(xiàn)有高爐生產經驗對爐身角、爐腹角、爐缸做出調整，詳見表6爐型4。

表6 2 500 m3高爐爐型尺寸

隨著礦石、焦炭性能及成分的變化，以及高爐操作理念的變化，爐型的設計也是一個動態(tài)變化的過程。

2.2.2 高爐內襯

爐底爐缸耐材是一代爐役的主要限制環(huán)節(jié)，必須通過大修才能更新。基于生產條件，及此次大修高爐拆爐時炭磚的狀況，采用炭磚+陶瓷杯結構，應能保持20年的一代爐役壽命。

爐底由爐基依次向上為：一層300 mm石墨磚、兩層400 mm半石墨磚、兩層400 mm超微孔炭磚，爐缸靠近冷卻壁側環(huán)砌微孔炭磚，陶瓷杯底砌1層500 mm厚的剛玉莫石磚，陶瓷杯壁環(huán)砌剛玉莫來石磚。

2.2.3 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

從該高爐的上一代爐役拆爐后爐底爐缸耐火材料的狀況來看，工業(yè)水冷卻能夠滿足高爐壽命≥15年要求。因軟水冷卻有運行成本低、環(huán)保的優(yōu)勢，因此本次設計采用軟水冷卻。而工業(yè)水冷卻較軟水冷卻，有便于調節(jié)高爐局部冷卻壁水量、快速查漏的優(yōu)勢，這也是軟水冷卻循環(huán)需要改進的方向。

本次設計軟水循環(huán)系統(tǒng)：一路供1～17層冷卻壁冷卻，沿圓周將爐體冷卻壁分為多個區(qū)，每個分區(qū)設置獨立出口總支管；另一路依次供冷卻爐底水冷管、雙層冷卻冷面管道及并聯(lián)的風口直吹管。兩路匯合一并匯入回水總管，回水總管設置支路經過加壓泵后供給熱風爐各閥、風口中套。

軟水循環(huán)是密閉形式，局部的調水會影響整體循環(huán)。本次大修中，通過業(yè)主方調水實驗（其流程見圖1），獲得以下經驗：冷卻壁給水總管水量變化=1/3分流管水量變化。因此通過旁路調節(jié)的方式難以達到調節(jié)的目的。

設計中，從傳熱的角度考慮主要的目標參數(shù)是水量，而水壓是實現(xiàn)水量的手段。從工廠設計到設備廠家設計均考慮設施能力余量及調節(jié)時阻損，這導致軟水系統(tǒng)在運行時的能力均高于設計值，同時與工藝操作產生偏離。該高爐的設施實際能力、設計值、工藝操作期望的關系見表7。從表中看出，工藝操作對系統(tǒng)的調節(jié)能力期望范圍是設計值的-15%～+10%之間，這就要求主循環(huán)水泵有25%幅度的調節(jié)能力。因此，尋求主循環(huán)水泵水量調節(jié)技術應是軟水循環(huán)水量調節(jié)的方向。

圖1 軟水循環(huán)及調水試驗管道流程

表7 軟水體統(tǒng)參數(shù)

2.3 出鐵場平坦化改造

大修前出鐵場地坪是隨著渣鐵溝放坡的填砂+立砌耐火磚結構，局部坡度～12%，不利于生產操作和爐前操作環(huán)境，因此，出鐵場平坦化是必須的改造方向。目前出鐵場平坦化方式主要有兩種：架空平臺和換填。

本次設計采用的是架空平臺方式。通過清除現(xiàn)有填沙、耐火磚，在現(xiàn)有出鐵場混凝土結構上再新建混凝土梁柱結構，可以做到整個出鐵場統(tǒng)一標高。新地坪承載能力與現(xiàn)有一致。

而換填方式不需要新建梁拄結構，采用在現(xiàn)有平臺上增加填充物，抬高地坪至理想高度。但此方式增加額外重量，由于受到現(xiàn)有結構承載能力的限制，難以通過填充統(tǒng)一整個出鐵場標高。新地坪承載能力受到填充物密度、地坪抬高高度的限制。

從投產后實踐來看，兩種平坦化方式均需注意出鐵時鐵水高溫對改造設施的影響。架空平臺方式需要設計相關設施，保證新建結構所有木模板可拆除；采用換填方式的換填料要考慮耐火度，以防火災及高溫下有害物質的產生。

2.4 熱風支管

該高爐熱風支管上設置有支架、熱風閥、波紋補償器及短管（見圖2），其中短管用于更換波紋補償器使用。本次大修僅原樣恢復，由于受制于燃燒室與熱風總管間距僅9.5 m，因此波紋補償器兩個膨脹縫間距D空間受限，尺寸僅850 mm（見圖3）。對比該廠其他高爐的熱風支管波紋補償器兩個膨脹縫間距都在0.8～1倍管殼直徑。

圖2 熱風支管布置圖

圖3 熱風支管波紋補償器變形示意布置圖

正常生產時，熱風爐與熱風總管間豎向膨脹量差H，導致波紋補償器轉角Θ出現(xiàn)。tgΘ=H/D，即Θ正切值反比D。豎向上，熱風爐由于殼體鋼結構高度、冷風壓力，上漲高度大于熱風管道側。所以，靠熱風爐側波的上半圓受拉、下半圓受壓，而靠熱風總管波變形狀況相反。

從該高爐熱風支管波紋補償器更換的原因來看，主要原因是補償器表面溫度過高，而導致補償器表面溫度過高直接原因是內襯的破損。除砌筑質量、耐材質量問題外，主要導致耐材破損的原因就是補償器變形與內襯變形不協(xié)調，導致內襯受到補償器鋼結構擠壓破損。

因此，需要盡可能增加波紋補償器兩個波對應膨脹縫間距D長度，同時耐火膨脹縫的設置應與補償器的變形協(xié)調一致。

2.5 煤氣凈化系統(tǒng)

該高爐大修時，由于受工期限制，粗煤氣系統(tǒng)中上升、下降管及重力除塵器未作改造；二級煤氣除塵改造為干法布袋除塵，具體參數(shù)見表9。從表9可以看出，重力除塵氣流通行時間已經接近臨界值。

表9 高爐煤氣凈化系統(tǒng)參數(shù)

從投產后的生產實踐發(fā)現(xiàn)，干法除塵日卸灰量與重力除塵卸灰量基本相當，造成干法除塵負載過大。本次大修高爐與在兩個除塵間增設旋風除塵器的同廠同規(guī)格高爐卸灰量對比見表10。因此，設計上在重力除塵器后增加旋風除塵器是進一步的改進方向，是優(yōu)化煤氣灰分布的方向。

表10 煤氣除塵卸灰量對比

2.6 煤氣脫鹽

本設計在TRT后的凈高爐煤氣管道（送熱風爐煤氣管分支點后）并網(wǎng)前，新建1套高爐凈煤氣除鹽中和塔，脫鹽塔設計參數(shù)見表11。投產初期，出現(xiàn)了脫鹽噴淋頭、管道過濾器堵塞的情況。經過分析發(fā)現(xiàn)經過加堿后，循環(huán)水中細微沉淀物增加，必須增加沉淀能力。

表11 脫鹽塔設計參數(shù)

另外脫鹽塔產生40～60 t/d的鹽水需要專業(yè)設施處理。

3 結語

本次2 500 m3高爐大修投產后，從生產實踐來看整體達到目的，但此次高爐大修設計過程中也留下許多需要改進的地方。通過對投產后礦槽及爐頂裝料、高爐本體、出鐵場平坦化、高爐熱風支管、煤氣凈化系統(tǒng)及煤氣脫鹽等系統(tǒng)設計特點的分析，發(fā)現(xiàn)了下一步仍需優(yōu)化的問題和改進方向，為今后高爐大修工程提供了可借鑒的經驗，也為該高爐今后的優(yōu)化提供了可能的方向。