2 500 m3高爐大修工程設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

董建民

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

某廠2 500 m3高爐上一代爐役，設(shè)有3個(gè)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(chǎng)、四座外燃熱風(fēng)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(chǎn)鐵11 234 t/m3，屬于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。在其第二代爐役設(shè)計(jì)中采用了多項(xiàng)新技術(shù)及工藝，包括：軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、熱風(fēng)爐板式換熱器、全干法煤氣除塵技術(shù)、爐前開堵口信息化、煤氣中和脫鹽等，為實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽、環(huán)保創(chuàng)造了有利保障。

但通過生產(chǎn)實(shí)踐表明，本次大修設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)能力；熱風(fēng)支管波紋補(bǔ)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(shè)計(jì)特點(diǎn)及仍需優(yōu)化的問題進(jìn)行分析和探討，為將來設(shè)計(jì)改進(jìn)提供借鑒。

1 工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

此次大修設(shè)計(jì)主要包括：煉鐵工藝設(shè)施、燃?xì)夤に囋O(shè)施、給排水設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施及部分建筑結(jié)構(gòu)設(shè)施的更新改造，具體內(nèi)容見表1。改造過程中，取得不少值得總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，也留下一些值得改進(jìn)的地方。高爐設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

2 工程設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)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(shè)計(jì)，僅部分設(shè)備原樣更新。但通過生產(chǎn)實(shí)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(shè)備排料能力、膠帶機(jī)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(nèi)容

表2 高爐設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

表3 高爐料批

表4 上料系統(tǒng)主要設(shè)施能力

表5 礦槽及爐頂裝料系統(tǒng)主要設(shè)施參數(shù)

根據(jù)表5，從設(shè)計(jì)角度可以看出，現(xiàn)有設(shè)施可有以下優(yōu)化趨勢(shì)：

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

（2）實(shí)際生產(chǎn)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(shè)計(jì)

2.2.1 高爐內(nèi)型

高爐內(nèi)型對(duì)生產(chǎn)有著重大的影響，尤其是爐身、爐腹角的確定，各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)專家都有不同的看法。從設(shè)計(jì)實(shí)踐來看，沒有一種定量的理論來給出爐型各個(gè)部分具體尺寸。爐型的確定都是各種經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和改進(jìn)。

高爐大修前，該廠2 500 m3高爐已經(jīng)有三個(gè)爐型。該高爐上一代爐役設(shè)計(jì)中第五層為風(fēng)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(jìn)水口破損；因此在該高爐二代爐役設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有高爐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)爐身角、爐腹角、爐缸做出調(diào)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(shè)計(jì)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。

2.2.2 高爐內(nèi)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(chǎn)條件，及此次大修高爐拆爐時(shí)炭磚的狀況，采用炭磚+陶瓷杯結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(cè)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(yùn)行成本低、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，因此本次設(shè)計(jì)采用軟水冷卻。而工業(yè)水冷卻較軟水冷卻，有便于調(diào)節(jié)高爐局部冷卻壁水量、快速查漏的優(yōu)勢(shì)，這也是軟水冷卻循環(huán)需要改進(jìn)的方向。

本次設(shè)計(jì)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(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)設(shè)置獨(dú)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(fēng)口直吹管。兩路匯合一并匯入回水總管，回水總管設(shè)置支路經(jīng)過加壓泵后供給熱風(fēng)爐各閥、風(fēng)口中套。

軟水循環(huán)是密閉形式，局部的調(diào)水會(huì)影響整體循環(huán)。本次大修中，通過業(yè)主方調(diào)水實(shí)驗(yàn)（其流程見圖1），獲得以下經(jīng)驗(yàn)：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(diào)節(jié)的方式難以達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

設(shè)計(jì)中，從傳熱的角度考慮主要的目標(biāo)參數(shù)是水量，而水壓是實(shí)現(xiàn)水量的手段。從工廠設(shè)計(jì)到設(shè)備廠家設(shè)計(jì)均考慮設(shè)施能力余量及調(diào)節(jié)時(shí)阻損，這導(dǎo)致軟水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的能力均高于設(shè)計(jì)值，同時(shí)與工藝操作產(chǎn)生偏離。該高爐的設(shè)施實(shí)際能力、設(shè)計(jì)值、工藝操作期望的關(guān)系見表7。從表中看出，工藝操作對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力期望范圍是設(shè)計(jì)值的-15%～+10%之間，這就要求主循環(huán)水泵有25%幅度的調(diào)節(jié)能力。因此，尋求主循環(huán)水泵水量調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)是軟水循環(huán)水量調(diào)節(jié)的方向。

圖1 軟水循環(huán)及調(diào)水試驗(yàn)管道流程

表7 軟水體統(tǒng)參數(shù)

2.3 出鐵場(chǎng)平坦化改造

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

本次設(shè)計(jì)采用的是架空平臺(tái)方式。通過清除現(xiàn)有填沙、耐火磚，在現(xiàn)有出鐵場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)上再新建混凝土梁柱結(jié)構(gòu)，可以做到整個(gè)出鐵場(chǎng)統(tǒng)一標(biāo)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(jié)構(gòu)，采用在現(xiàn)有平臺(tái)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(jié)構(gòu)承載能力的限制，難以通過填充統(tǒng)一整個(gè)出鐵場(chǎng)標(biāo)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(chǎn)后實(shí)踐來看，兩種平坦化方式均需注意出鐵時(shí)鐵水高溫對(duì)改造設(shè)施的影響。架空平臺(tái)方式需要設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)施，保證新建結(jié)構(gòu)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(zāi)及高溫下有害物質(zhì)的產(chǎn)生。

2.4 熱風(fēng)支管

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

圖2 熱風(fēng)支管布置圖

圖3 熱風(fēng)支管波紋補(bǔ)償器變形示意布置圖

正常生產(chǎn)時(shí)，熱風(fēng)爐與熱風(fēng)總管間豎向膨脹量差H，導(dǎo)致波紋補(bǔ)償器轉(zhuǎn)角Θ出現(xiàn)。tgΘ=H/D，即Θ正切值反比D。豎向上，熱風(fēng)爐由于殼體鋼結(jié)構(gòu)高度、冷風(fēng)壓力，上漲高度大于熱風(fēng)管道側(cè)。所以，靠熱風(fēng)爐側(cè)波的上半圓受拉、下半圓受壓，而靠熱風(fēng)總管波變形狀況相反。

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

因此，需要盡可能增加波紋補(bǔ)償器兩個(gè)波對(duì)應(yīng)膨脹縫間距D長(zhǎng)度，同時(shí)耐火膨脹縫的設(shè)置應(yīng)與補(bǔ)償器的變形協(xié)調(diào)一致。

2.5 煤氣凈化系統(tǒng)

該高爐大修時(shí)，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(jí)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(shí)間已經(jīng)接近臨界值。

表9 高爐煤氣凈化系統(tǒng)參數(shù)

從投產(chǎn)后的生產(chǎn)實(shí)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(dāng)，造成干法除塵負(fù)載過大。本次大修高爐與在兩個(gè)除塵間增設(shè)旋風(fēng)除塵器的同廠同規(guī)格高爐卸灰量對(duì)比見表10。因此，設(shè)計(jì)上在重力除塵器后增加旋風(fēng)除塵器是進(jìn)一步的改進(jìn)方向，是優(yōu)化煤氣灰分布的方向。

表10 煤氣除塵卸灰量對(duì)比

2.6 煤氣脫鹽

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

表11 脫鹽塔設(shè)計(jì)參數(shù)

另外脫鹽塔產(chǎn)生40～60 t/d的鹽水需要專業(yè)設(shè)施處理。

3 結(jié)語

本次2 500 m3高爐大修投產(chǎn)后，從生產(chǎn)實(shí)踐來看整體達(dá)到目的，但此次高爐大修設(shè)計(jì)過程中也留下許多需要改進(jìn)的地方。通過對(duì)投產(chǎn)后礦槽及爐頂裝料、高爐本體、出鐵場(chǎng)平坦化、高爐熱風(fēng)支管、煤氣凈化系統(tǒng)及煤氣脫鹽等系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)了下一步仍需優(yōu)化的問題和改進(jìn)方向，為今后高爐大修工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，也為該高爐今后的優(yōu)化提供了可能的方向。