王曉明

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

某公司3200m3高爐第一代爐役于2006年投產(chǎn)，爐齡13年。在該3200m3高爐爐役后期，因長期高強(qiáng)度生產(chǎn)爐缸碳磚受到的侵蝕程度比較嚴(yán)重，為了維持正常生產(chǎn)必須要采取有效的護(hù)爐措施。由于長期采取護(hù)爐措施，外加多次冷卻壁破損中修，以及爐底封板上翹漏煤氣等多種原因，高爐產(chǎn)能發(fā)揮受到限制，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下滑。另外，由于該3200m3高爐投產(chǎn)時(shí)間較早，許多工藝技術(shù)裝備已經(jīng)落后，第一代爐役沒有配備爐頂均壓煤氣回收設(shè)施，同時(shí)環(huán)保除塵設(shè)施陳舊，達(dá)不到超低排放要求，無法滿足當(dāng)前日益提高的環(huán)保要求。為此該公司決定3200m3高爐于2019年10月底停爐進(jìn)行大修改造。此次高爐大修改造由中冶京誠工程技術(shù)有限公司（以下簡稱中冶京誠）負(fù)債設(shè)計(jì)。

本文主要介紹了在充分利舊原有設(shè)施及節(jié)約投資的前提下，對3200m3高爐進(jìn)行大修改造的主要設(shè)計(jì)方案，分析此次高爐大修改造工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和先進(jìn)性，并對高爐大修改造投產(chǎn)后生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)和各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 高爐大修改造設(shè)計(jì)概況

本次高爐大修改造設(shè)計(jì)上充分利用高爐現(xiàn)有設(shè)施，爐容維持基本不變，在爐殼利舊的前提下通過重新設(shè)計(jì)冷卻設(shè)備和耐材砌筑，優(yōu)化爐型。高爐本體框架、爐體平臺盡可能利舊，爐頂法蘭標(biāo)高不變，改造后高爐有效容積3200m3。結(jié)合該公司目前原燃料條件，類比國內(nèi)外同類型高爐實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，并考慮高爐操作技術(shù)進(jìn)步及其裝備技術(shù)發(fā)展趨勢，確定3200m3高爐大修改造后的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 3200m3高爐大修改造后的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)

此次3200m3高爐大修改造內(nèi)容主要包括：礦槽系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、風(fēng)口平臺及出鐵場系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、爐頂均壓煤氣回收系統(tǒng)、給排水設(shè)施、通風(fēng)除塵設(shè)施及配套的三電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)上采用了組合式冷卻結(jié)構(gòu)、完全導(dǎo)熱爐缸結(jié)構(gòu)體系、雙預(yù)熱高效板式換熱器、高爐爐頂均壓煤氣回收、防爐底板上翹及漏煤氣、高爐可視化監(jiān)測及粉塵自沉降超低風(fēng)量收塵等技術(shù)；結(jié)合現(xiàn)有場地條件優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求總圖布置緊湊，物流順暢，減少工程量，降低工程投資；采用“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、環(huán)?！钡南冗M(jìn)、高效工藝和設(shè)備，使高爐技術(shù)裝備及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到同級別高爐的領(lǐng)先水平；采用精料、高溫、高壓、富氧、大噴煤等冶煉工藝，實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)保的目標(biāo)。

2 高爐大修改造設(shè)計(jì)難點(diǎn)及先進(jìn)性

2.1 此次工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)上要求在爐容、爐本體高度不變的前提下，對爐型進(jìn)行優(yōu)化，充分利用高爐現(xiàn)有設(shè)施，高爐爐殼、框架、平臺利舊，對高爐本體重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，滿足長壽、環(huán)保、節(jié)能等多方面要求。

（2）第一代爐役中，銅冷卻使用效果不好，多次破損致使高爐中修次數(shù)增加，加大了維護(hù)量和維護(hù)難度，影響高爐產(chǎn)能發(fā)揮。此次工程要求對爐體冷卻結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，解決上一代爐役中冷卻壁多次破損的問題。

（3）第一代爐役中，由于爐底封板受熱應(yīng)力變形，焊縫開裂，導(dǎo)致爐底板上翹漏煤氣，存在較大的安全隱患。此次工程要求在爐殼、爐底封板不動的前提下，對爐底封板密封結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，解決爐底板上翹漏煤氣的問題。

2.2 此次工程設(shè)計(jì)的先進(jìn)性

隨著國家對環(huán)保要求的提高，以及企業(yè)對高爐長壽、高效、低碳節(jié)能、低成本煉鐵等技術(shù)需求的增加，此次3200m3高爐大修改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)上采用了許多中冶京誠近年來開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)。此次高爐大修改造設(shè)計(jì)應(yīng)用的專利技術(shù)清單如表2所示。

表2 此次高爐大修改造設(shè)計(jì)應(yīng)用的專利技術(shù)清單

2.2.1 首次在大型高爐上使用組合式冷卻結(jié)構(gòu)技術(shù)[1]

該3200m3高爐第一代爐役中，爐腹、爐腰及爐身中下部第6～10 段使用的是銅冷卻壁，結(jié)合該高爐多年來的生產(chǎn)實(shí)踐，銅冷卻壁冷卻強(qiáng)度大，能夠迅速掛渣，但由于原銅冷卻壁結(jié)構(gòu)不利于渣皮的穩(wěn)定，導(dǎo)致渣皮頻繁脫落，造成了銅冷卻壁機(jī)械磨損。

此次大修改造設(shè)計(jì)中，在爐腹、爐腰采用鑄鐵冷卻壁鑲嵌銅條，替代傳統(tǒng)的鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁，克服了銅冷卻壁過度冷卻以及鑄鐵冷卻壁冷卻強(qiáng)度不足的問題，實(shí)現(xiàn)了冷卻壁熱負(fù)荷的穩(wěn)定，也很好地解決了正常生產(chǎn)中冷卻壁破損漏水的問題。組合式冷卻壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組合式冷卻壁結(jié)構(gòu)

2.2.2 首次在大型高爐上使用完全導(dǎo)熱爐缸結(jié)構(gòu)體系

完全導(dǎo)熱爐缸結(jié)構(gòu)體系（見圖2）是由“超微孔碳磚+導(dǎo)熱性陶瓷復(fù)合材料”構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)體系綜合了碳磚的高導(dǎo)熱和陶瓷復(fù)合材料的抗渣鐵侵蝕性能，渣鐵凝滯層不易脫落、碳磚不易脆化，有效地解決了碳磚侵蝕問題，避免采用護(hù)爐措施，促進(jìn)了高爐產(chǎn)量的提升和穩(wěn)定。

圖2 完全導(dǎo)熱爐缸結(jié)構(gòu)體系

2.2.3 防爐底板上翹及漏煤氣技術(shù)

此次大修改造的高爐第一代爐役有爐殼上漲、泄漏煤氣的現(xiàn)象。此次大修雖然高爐基礎(chǔ)和爐殼全部利舊，但仍可以僅通過對爐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化將此問題徹底解決。此次重新設(shè)計(jì)，爐底水冷管設(shè)置在爐底封板上部，爐底水冷的支撐鋼梁采70mm 厚的熱軋扁鋼，其位置剛好都在爐底封板的原拼接縫上。支撐鋼梁的焊接安裝，不僅對原爐底封板進(jìn)行了密封，還對爐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二次加強(qiáng)，可有效防止?fàn)t殼拉動爐底封板一起上翹的問題。爐底板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化示意如圖3所示。

圖3 爐底板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化示意圖

2.2.4 高爐可視化監(jiān)測技術(shù)

此次大修采用了高爐紅外熱成像、風(fēng)口成像及爐底爐缸侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)等可視化監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能煉鐵的信息提取、儲存及處理。高爐可視化監(jiān)視畫面如圖4所示。

圖4 高爐可視化監(jiān)視畫面

2.2.5 采用“高爐爐頂均壓煤氣回收方法及回收裝置”

高爐爐頂均壓煤氣直接對空排放是煉鐵廠大氣污染、粉塵污染、噪音污染的重中之重。煤氣排放粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，均壓煤氣每天排放超過300次，作業(yè)區(qū)域粉塵濃度超過10g/Nm3。在此次設(shè)計(jì)中采用了中冶京誠專利技術(shù)“高爐爐頂均壓煤氣回收方法及回收裝置”，以及專利設(shè)備“一種組合式干式除塵設(shè)備”，用于該高爐爐頂料罐均壓放散煤氣的緩沖、凈化與回收。有效解決了爐頂均壓放散煤氣引起的有毒氣體排放和粉塵、噪音污染問題，滿足了日益增高的環(huán)境保護(hù)要求。圖5為高爐爐頂均壓煤氣回收除塵裝置示意圖。

圖5 高爐爐頂均壓煤氣回收除塵裝置

2.2.6 高爐礦槽除塵技術(shù)升級改造

高爐礦槽目前采用的是電除塵系統(tǒng)，排放達(dá)不到新的環(huán)保要求。因此，此次大修改造工程將礦槽電除塵系統(tǒng)改為了布袋除塵系統(tǒng)，以滿足環(huán)保排放要求；礦槽除塵采用倉頂吸風(fēng)加電動閥門切換控制方式；返焦、返礦處增加除塵，采用了粉塵自沉降超低風(fēng)量收塵技術(shù)，物料轉(zhuǎn)運(yùn)中通過其特殊的密封結(jié)構(gòu)有效地減少了除塵點(diǎn)位和除塵風(fēng)量，結(jié)合穩(wěn)定的流場分布可實(shí)現(xiàn)以更經(jīng)濟(jì)的風(fēng)量，獲得更好的環(huán)保效果；特殊密封結(jié)構(gòu)與復(fù)合降塵裝置配合實(shí)現(xiàn)了大顆粒粉塵自沉降，減少了除塵管道磨損，降低了生產(chǎn)運(yùn)維工作和成本。

2.2.7 高爐出鐵場除塵技術(shù)升級改造

高爐出鐵場目前采用電除塵系統(tǒng)，排放達(dá)不到新的環(huán)保要求，因此，此次大修改造工程將出鐵場電除塵系統(tǒng)改為了布袋除塵系統(tǒng)，以滿足環(huán)保排放要求。

3 高爐投產(chǎn)后指標(biāo)及先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果

2020年4月該3200m3高爐開爐投產(chǎn)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用上述先進(jìn)技術(shù)取得了很好的應(yīng)用效果：

（1）高爐開爐4 天日產(chǎn)量突破8000t，實(shí)現(xiàn)了快速達(dá)產(chǎn)，是國內(nèi)同級別高爐中達(dá)產(chǎn)速度最快的高爐。自投產(chǎn)以來，高爐順行、穩(wěn)定，生產(chǎn)指標(biāo)較好，目前平均日產(chǎn)可達(dá)9200t，利用系數(shù)2.875t/(m3·d)。

（2）2021年5月至11月間，因產(chǎn)量的提升帶動成本下降15.14 元/t，燃耗下降9.347kg/t。另外，與改造前相比，每年可多產(chǎn)鐵量42.6×104t，帶來經(jīng)濟(jì)效益1.2億元。

（3）采用了完全導(dǎo)熱爐缸結(jié)構(gòu)體系、新型冷卻結(jié)構(gòu)、防爐底板上翹及漏煤氣等技術(shù)，為建設(shè)方節(jié)約一次性投資2820 萬元。每年避免因中修、停產(chǎn)、非滿負(fù)荷生產(chǎn)等造成的損失合計(jì)2200 萬元，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

（4）采用爐頂均壓煤氣回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了均壓煤氣的全回收，回收煤氣粉塵濃度≤5mg/Nm。年可減少臟煤氣排放量約2000×104Nm3/a（標(biāo)態(tài)），減少碳排放量約1959t，減少爐頂粉塵排放約200t，每年可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約330萬元。

4 結(jié)語

隨著國家對環(huán)保要求的提高，以及企業(yè)對高爐長壽、高效、低碳節(jié)能、低成本煉鐵等技術(shù)需求的增加，增加了此次3200m3高爐大修改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難度。但通過中冶京誠設(shè)計(jì)人員的對此次工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題的逐一分析和研究，有針對性地制定大修改造設(shè)計(jì)方案，將中冶京誠近年來開發(fā)的眾多創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于此次高爐大修改造設(shè)計(jì)，使得此次3200m3高爐大修改造獲得圓滿成功。

該3200m3高爐投產(chǎn)實(shí)踐證明，所采用的先進(jìn)技術(shù)取得了很好的應(yīng)用效果。此次3200m3高爐大修改造在高爐長壽、高效、環(huán)保、節(jié)能、安全等方面取得了很大的進(jìn)步，高爐投產(chǎn)后運(yùn)行良好，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，處于國內(nèi)外同級別高爐的領(lǐng)先水平，高爐區(qū)域各項(xiàng)環(huán)保排放指標(biāo)均達(dá)到了國家超低排放要求。此次大修改造工程的實(shí)踐為后續(xù)國內(nèi)大型高爐改造設(shè)計(jì)以及提高開爐達(dá)產(chǎn)速度提供了可以借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。