國內A 高爐升級改造設計的技術特點

申克政

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

0 引言

S 公司A 高爐運行到爐役后期，爐體冷卻壁破損嚴重，高爐公輔設施也經過一代爐役的運行，能耗及運行維護成本較高。在國家環保要求日益嚴格的背景下，S 公司擬對A 高爐進行升級改造。

本次高爐升級改造，充分考慮現有場地和能利舊的設備，采用了多項節能環保技術，在不影響現有生產的前提下完成了對A 高爐的升級改造。

1 高爐設計特點及采用的新技術

由于高爐在現有廠區內改造，高爐的布置受限制的因素比較多。為了不影響正常生產，經與業主充分討論，調整布置方案，優化占地，做到布置最優。

為了和現有的鐵路匹配，合理確定高爐中心的位置，使出鐵場下擺動流嘴處鐵路線能與現有鐵路合理對接。為了維持現有高爐的正常生產，在出鐵場外設置了一條過渡線，使現有高爐可以通過過渡線進入煉鋼車間，避免受到現有高爐施工的影響。

在高爐設計中充分貫徹高效、低耗、優質、長壽的方針，采用先進實用、節能環保的技術及設備，實現高爐的低碳節能升級改造。高爐的技術經濟指標如表1所示。

表1 高爐的技術經濟指標

1.1 爐體系統

1.1.1 高爐內型

根據國內外多座高爐內型變化發展趨勢，同時參考國內操作指標良好的高爐內型，并且根據本高爐的具體情況，合理確定高爐的內型，具體如表2 所示。

表2 高爐內型

1.1.2 高爐冷卻結構

高爐冷卻系統直接影響到冷卻設備的壽命，是制約整個高爐壽命的關鍵因素。為保證高爐冷卻可靠，本工程的高爐爐體采用全水冷結構，其中在爐體冷卻設備、新型組合式冷卻結構、高爐爐底、風口大中套采用軟水密閉循環冷卻系統。為了方便檢漏，風口小套、爐頂打水及爐喉鋼磚等采用高壓工業水冷卻系統。

本設計高爐本體采用全冷卻結構，爐腹、爐腰及爐身下部第6—9 段采用鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁。由于爐腹和爐腰部位熱負荷較高，為了加強該區域的冷卻，采用新型組合式冷卻結構。

基于銅冷卻壁的優良性能，開發了新型組合式冷卻結構（見圖1），即在鑄鐵冷卻壁的熱面鑲嵌銅冷卻條的結構。它兼有板壁結合結構及薄壁爐襯的優點，主要利用了銅的導熱率高的特點，在銅冷卻條周圍形成牢固的渣皮，相當于“錨固釘”，起到了“軟板”作用，使得渣皮更穩定，克服了銅冷卻壁過度冷卻帶來的渣皮頻繁脫落的問題。而且可根據設計，合理選擇銅條的間距，因此不會產生過度冷卻的問題，且投資大大低于銅冷卻壁。銅冷卻條采用鑄造工藝，克服了銅冷卻壁水管與本體焊接易開裂的缺點[1]。

圖1 組合式冷卻壁

1.1.3 高爐耐材結構

爐底、爐缸耐材結構：爐底共砌4 層大塊炭磚，在爐底水冷封板上為1 層國產高導熱炭磚，其上為2 層國產大塊微孔炭磚，最后為1 層國產大塊超微孔炭磚；炭磚上再砌2 層剛玉莫萊石陶瓷墊，每層厚度為400 mm，總厚度約800 mm；爐缸異常侵蝕區和爐缸側壁環砌大塊超微孔炭磚，爐缸上部環砌國產大塊微孔炭磚；爐缸炭磚內側砌筑陶瓷杯。

風口組合磚采用氮化硅結合碳化硅組合磚，鐵口采用剛玉質組合磚加剛玉澆注料的砌筑形式。

爐腹、爐腰與爐身下部第6—9 段球墨鑄鐵冷卻壁鑲氮化硅結合碳化硅磚，對爐腹冷卻壁鑲磚的熱面進行噴涂。

爐身中部第10—12 段球墨鑄鐵冷卻壁冷鑲焙燒微孔鋁炭磚，爐身上部第13—14 段球墨鑄鐵冷卻壁冷鑲磷酸鹽浸漬黏土磚。

1.1.4 高爐檢測

高爐爐體系統設置了完善的流量、壓力、溫度檢測，還設置爐頂熱成像、水溫差檢測系統和熱流強度在線檢測、爐底爐缸侵蝕模型等主要檢測項目。

高爐爐頂封罩設置1 臺爐頂熱成像儀。熱成像儀用來觀察爐頂料面煤氣發展情況和布料溜槽工作情況，還可以通過圖象處理技術，在顯示器上顯示爐頂料面溫度。

高爐冷卻壁水溫差與熱流強度監測系統可根據現場采集的數據，經過分析處理后生成實時的監測系統。此系統可根據冷卻壁進出口冷卻管道的瞬時流量和水溫差，實時計算出高爐各部位熱流強度。若超過上限或下限數值時，系統實施報警，從而起到高爐衛士的作用。

為能夠實時、連續地監控每路銅冷卻條進出水溫差，此次設計增加銅冷卻條進水及出水溫度測點80 點，除此之外還設有380 個測溫點，配有40 個流量計。

爐底、爐缸侵蝕模型是預先在高爐炭磚內埋設了諸多專用熱電偶來檢測高爐爐缸、爐底內襯立體空間的溫度分布，通過建立高爐內襯燒蝕數學模型，經過計算機的信息處理模擬高爐爐底、爐缸的內襯燒蝕狀況，形成自動化診斷與報警系統。使用該系統能夠實時模擬高爐爐底、爐缸耐材侵蝕狀況，指導高爐安全生產。

為了全面監測高爐爐缸爐底情況，在16 個圓周方向安插熱電偶，共計256 個溫度測點。

1.2 熱風爐系統

熱風爐系統配置有3 座旋切頂燃式熱風爐，設計采用Φ25 mm 高效熱風爐格子磚，設有2 臺助燃風機集中送風；熱風爐采用高爐煤氣為燃燒介質，還可通過計算機自動控制燃燒、送風溫度和換爐。

本工程采用熱風輸送管道膨脹和拉緊裝置專利技術，在熱風管道上設置了不同形式的波紋補償器以及管道的拉緊裝置，解決了熱風管道軸向變形問題。

爐箅子及支柱為多種孔型的帶橫梁式結構，爐箅子及支柱設計最高允許使用溫度≤450 ℃。

本設計采用高效板式換熱器預熱助燃空氣和煤氣，提高了熱風爐系統的熱效率，最終達到送風溫度1 250 ℃的目標。此外，為了提高燃燒效率，節省煤氣，熱風爐采用自動燒爐系統。

為了實現超低排放的目標，將熱風爐煙氣管道與利舊的4 號高爐脫硫設施進行對接，以滿足煙氣排放的要求。

1.3 礦槽及上料系統

礦焦槽系統設雙排貯槽。礦石和焦炭均采用分散篩分、分散稱量工藝；采用焦丁與礦石混裝入爐，可提高爐內煤氣利用率，獲得節焦增產的良好效果。

槽上設2 條運礦膠帶機和1 條運焦膠帶機，每條皮帶均設有重型卸料車。為了有效解決槽上環境除塵的問題，重型卸料車上帶單體除塵器。

為了保護環境、改善工人工作條件，槽下系統的振動篩、稱量漏斗、膠帶輸送機各轉運站等產塵點均設通風除塵設施，膠帶機采用高效的導料槽密封技術，實現下料區域全密封，并采用多級密封擋簾、阻力減壓器等設施進一步降低除塵風量，加強除塵效果。

高爐采用主皮帶上料，主皮帶的寬度為1 600 mm，傾角11.8°，運量為2 600 t/h。

1.4 爐頂系統

采用串罐無料鐘爐頂裝料設備，可以減少爐料裝入過程中的偏析，同時減少爐頂設備維護工作量，改善爐頂環境。根據設計計算，按正常產量、正常料批，合理確定料罐有效容積40 m3。

采用爐頂均壓煤氣全回收專利技術對料罐排壓放散的煤氣進行回收，極大地減少了均壓放散過程中高爐煤氣及噪音對環境的污染，將料罐高壓煤氣引至煤氣回收用回收除塵器，經除塵和降壓后，最終進入公司凈煤氣管網。

當自然回收結束時，通過引射器對料罐內剩余的少量低壓煤氣進行引射強制回收。引射用高壓工作氣體采用爐頂料罐均壓使用的高壓凈煤氣。通過引射器強制回收，使料罐內的壓力在短時間內降至微正壓，然后可直接打開上密封閥和上料閘進行裝料，避免了煤氣二次放散，從而實現了爐頂均壓煤氣100%回收[2]。

1.5 出鐵場及爐前操作

出鐵場平坦化設計，采用無填沙層的出鐵場平臺結構。采用固定儲鐵式主溝，實現渣鐵良好分離；采用全液壓泥炮、開鐵口機，泥炮和開鐵口機同側布置，提高爐前機械化、自動化程度及可靠性，減輕爐前勞動強度。

采用擺動流嘴出鐵，可以盡量減少支鐵溝的長度，降低爐前的工作強度，也可減少生產成本。

1.6 爐渣處理系統

2 個出鐵場各設置1 套INBA 水渣處理設施，轉鼓采用電動驅動，操作簡單、使用安全、運行可靠；轉鼓的旋轉速度可根據渣流量和轉鼓中的水位自動調節，瞬時渣流量可根據轉鼓扭矩計算得出。

?；娃D鼓區蒸汽設煙囪集中高空排放，環保條件好；沖渣水進入冷卻塔，冷卻降溫后再進行沖渣，冷水沖渣效果好，產生蒸汽少。

脫水轉鼓規格Φ5 000 mm×6 250 mm。轉鼓采用鏈條傳動，設有2 套傳動裝置，正常生產時轉鼓采用變頻調速的馬達驅動，轉速固定的備用馬達一般在檢修時使用。根據渣流量和轉鼓中的水位，系統可自行調節轉鼓的旋轉速度。

1.7 制粉噴吹系統

制粉噴吹車間整個廠房設計為全封閉式。制粉系統采用單系列，噴吹系統采用四罐并列、總管加分配器直接噴吹方式，其中2 個噴吹罐還可實現向球團或另一座高爐的噴吹系統煤粉倉輸粉。

1.8 高爐煤氣凈化系統

煤氣除塵系統采用先重力除塵后布袋除塵工藝。高爐煤氣粗除塵采用重力除塵器，除塵灰采用吸排罐車，避免二次揚塵對環境造成的污染。

布袋除塵器采用DN=5 200 mm 筒體、煤氣頂進頂出的工藝，取得優良的除塵效果。

本方案采用關于高爐干式布袋除塵系統最新的專利及實用技術：

1）筒體采用DN=5 200 mm 大口徑，有效地解決了高爐布袋除塵系統占地大的問題；

2）氮氣雙側脈沖噴吹清灰，合理地利用脈沖閥的噴吹能力，有效地保證了良好的清灰效果；

3）煤氣氣流采用頂進頂出方式，荒煤氣從筒體頂部中間自上而下，在筒體下部進入筒體，均勻反向流動擴散，保證氣流分配均勻穩定，避免側進筒體方式產生局部紊流氣流，造成布袋底部磨擦破損；

4）煤氣閥門均設置在除塵系統上部兩側，上部設置有防爆電葫蘆，可實現設備平時檢修，同時管道煤氣泄露時能及時擴散，對安全生產有極大好處；

5）根據總圖布置的情況，11 個布袋筒體采用單排布置形式，節省占地，降低投資。

1.9 環境除塵設施

高爐設置完善的出鐵場除塵、礦焦槽除塵，滿足國家及地方超低排放要求。

本高爐設2 個出鐵場，共2 個出鐵口，出鐵制度為對角輪流出鐵。每個鐵口除塵點包括出鐵口頂吸1 點、側吸2 點、撇渣器1 點、渣溝1 點、鐵溝1 點、擺動流嘴2 點，共計8 點。爐頂除塵接入出鐵場除塵系統，本系統除塵設計風量400 000 m3/h，為變頻控制。根據高爐的實際情況，利舊現有400 000 m3/h風量出鐵場除塵系統，由2 套除塵系統共同對本出鐵場進行除塵。

槽上除塵系統采用移動車載除塵器加倉內吸風除塵方式。對礦槽、焦槽槽下下料稱量及給料系統等部分產塵點采取密閉罩密封抽風，并對全密封自沉降環保導料槽進行抽風。

1.10 高爐自動化系統

高爐采用電氣、儀表和計算機三電一體化系統，可提高高爐控制的自動化水平，確保高爐安全、穩定、順利運行；還可以加強高爐生產控制和管理，確保鐵水質量，降低焦比，提高利用系數，保證生產的安全性和延長爐役壽命。

2 采用的節能環保技術和特點

2.1 均壓煤氣全回收技術

爐頂放散采用均壓煤氣全回收技術，在原有均壓煤氣系統上增加了引射閥，在放散至低壓時，引射閥開啟，將剩余煤氣引至均壓煤氣筒體內，實現均壓放散煤氣的全回收。在施工過程中，均壓煤氣回收的時間約15 s，滿足設計要求及高爐生產的要求。

2.2 組合式冷卻壁

組合式冷卻壁是在原有鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁的基礎上，開發的一種新型的冷卻結構，兼有鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁的優點。采用組合式冷卻壁，可在增加較少投資的條件下（投資約為銅冷卻壁的20%）[3]，滿足爐體系統的冷卻要求，延長高爐的使用壽命。

2.3 環保導料槽

環保導料槽是關于礦槽超低排放的專利技術，礦槽系統落料點都使用了環保導料槽，將皮帶落料點進行合理密封，防止煙塵逸出。加強落料點密封后，除塵系統減少了風量損失，事實證明使用環保導料槽后，可以降低除塵系統風量20%；電機采用變頻電機，可減少電量消耗，降低生產成本。

2.4 其他設計特點

充分考慮現有場地，合理布置高爐各個系統，做到物流合理，氣體順暢，生產方便；充分考慮現有設備設施，將可利舊的設備充分利舊。出鐵場除塵利舊1 套40 萬m3/h 風量的除塵器，與1 套新建的40 萬m3/h除塵器一起為出鐵場除塵，滿足超低排放的要求。

利舊現有的熱風爐煙氣脫硫設施。在進行總圖布置時，充分考慮現有脫硫設施，將煙氣管道接入煤氣脫硫的入口，并且在連接施工接口時，合理考慮施工時間，盡量減少對現有設備的影響。

利舊現有的地下受料槽。合理布置槽前運料皮帶的走向，將現有的地下受料槽和礦槽的槽前準運站進行連通，使地下受料槽的物料（焦炭、燒結、球團）可以運至礦槽，達到備用的目的。

3 結論

1）高爐經升級投產后，產量穩步提高，產量穩定在5 540 t/d，平均焦比355 kg/t，煤比155 kg/t，燃料比為510 kg/t。熱風風溫大于1 250 ℃，送風時間60 min，操作指標已達到同類高爐先進水平。

2）此高爐升級改造工程充分考慮原有場地空間，充分利用現有設施，采用了軟水密閉循環、旋切頂燃式熱風爐、均壓煤氣全回收、環保導料槽等多項先進的節能環保工藝，保證了高爐的先進性。此高爐采用的多種高爐長壽與節能環保技術穩定可靠，經實踐表明，已基本達到設計的預期。高爐經升級投產后，生產指標優異，為企業創造了巨大的效益。