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三宝2号高炉炉体系统的设计

董训祥

(中冶南方工程技术有限公司，武汉430223)

摘  要  三宝钢铁2#高炉充分采用了国内外一系列先进、成熟、实用的技术，设计了合理的炉型和内衬结构；采用了砖壁合一、薄壁内衬新技术、全冷却壁形式；采用了投资省、成本低、效率高的联合软水密闭循环冷却系统；根据原料条件在炉底设置了功能可靠的排铅槽；建立功能齐全的炉体检测自动控制系统。

关键词  高炉炉体；长寿；联合软水；设计

福建三宝钢铁股份有限公司200万吨钢铁项目一次规划2座1080m3高炉，每座1080m3高炉年产铁水105万吨，分期设计，分期建设。本次一期2#高炉的设计以“先进、实用、可靠、成熟、环保”为原则，结合国内外先进、可靠的成熟技术，做到高产、稳产、低耗、长寿四个方面的统一。

1  主要技术特点

三宝钢铁2#高炉炉体系统的设计充分利用了国内外同行的先进技术和成熟工艺，并结合三宝钢铁的实际情况进行设计，确保高炉稳定向炼钢输送铁水、提供产品市场竞争力的同时，延长高炉寿命。三宝钢铁2#高炉设计寿命≥12年，主要技术特点如下：

(1)采用适当矮胖、适宜强化冶炼的操作炉型，有利于实现稳定、顺行和高产；

(2)砖壁合一、薄内衬全冷却壁结构，大型高炉的主流技术方案；

(3)铸铁冷却壁、铸钢冷却壁、铜冷却壁分区使用，确保高炉配置合理、可靠、经济；

(4)高炉冷却系统采用联合全软水密闭循环系统，该系统配置合理优化、冷却强度高、冷却系数大、补充水量少、投资省、运行成本低、各种功能完善，布置简单、检修维护方便。

(5)根据三宝钢铁的原料条件设置了排铅槽，对于提高高炉一代炉龄、改善炉前工作环境、强化高炉冶炼、增创经济效益等具有重大意义。

(6)完善的内衬、冷却壁、软水系统的检测、监测、控制系统；

2  高炉内型

合理的高炉内型既能保证炉料顺行，又能使煤气的热能和化学能充分利用，可使高炉获得高产、稳产、低耗、长寿的效果。现代高炉内型的设计特点主要表现在大炉缸、多风口、适当矮胖、减小炉身及炉腹角、加深死铁层等方面，其目的是为了改善料柱透气性、改善煤气分布、提高喷煤比、适当抑制边缘、吹透中心，以实现高产、长寿、低耗、顺行的目的。

本高炉采用砖壁合一、薄壁内衬结构的高炉炉型，在设计上就考虑了实际生产中出现的问题，设计炉型基本上就是操作炉型，一代炉役其操作炉型基本维持不变。

根据以上前提，同时总结国内外同类容积优秀高炉的内型尺寸，并结合三宝钢铁实际的原燃料条件，确定了本高炉内型尺寸，列于表2中。

3  冷却系统

=高炉寿命在很大程度上取决于炉体冷却系统的冷却效率，而高炉冷却效率的高低主要看炉墙的热面温度能否稳定的降低到化学侵蚀及机械破损临界温度以下，形成稳定的渣壁[1]。

从我国高炉生产实践来看。影响高炉寿命的主要问题是炉底、炉缸以及炉身下部的寿命问题，例如：炉缸因蘑茹状侵蚀，产生炉缸烧穿。炉身下部、炉腰等部位的冷却壁过早大量损坏，失去砖衬，造成炉壳开裂，影响高炉寿命，因此，为了达到高炉高产、长寿的目的，除了合理的高炉炉型、优质的耐火材料、正常的高炉操作制度外，高效、稳定的高炉冷却系统将成为关键。

3．1  冷却设备

在现代高炉普遍采用诸如优质的陶瓷杯、微孔炭砖、超微孔炭砖等技术而使得炉底、炉缸寿命得以基本解决的情况下，冷却设备的寿命直接决定了一代高炉的寿命。高炉炉体冷却设备主要有冷却板、冷却壁和板、壁复合结构。全冷却壁形式由于具有冷却面积大、冷却均匀、维持炉型好、投资省、安装方便等诸多优点而得到了广泛应用。

本设计选择全冷却壁结构型式，采用最新的砖壁合一技术。由于炉内纵向各区域不同的工作条件和热负荷大小，炉内不同区域采用了不同材质和不同结构形式的冷却壁。炉腹、炉腰及炉身下部等高热负荷区域分别采用铜冷却壁和双层水冷铸钢冷却壁，其主要特征见表3。

(1)炉底、炉缸区：风口以下采用共3段冷却壁，均为光面低铬铸铁冷却壁，每块冷却壁水管为4进4出，竖直排列，水管直径均为φ76×6mm。在两个铁口区域冷却壁水管为7进7出。

(2)风口带：采用光面球墨铸铁冷却壁，本段冷却壁水管为6进6出或7进7出，水管直径均为φ76×6mm。

(3)炉腹、炉腰：炉腹1段(第5段)、炉腰1段(第6段)采用单层水冷4通道铜冷却壁，冷却壁热面设有燕尾槽。冷却水通道采用长圆形通道(80 mm×35 mm)，适当增加通道面积，提高了冷却水管比表面积；同时降低冷却水流速，减小阻损[2]。

(4)炉身下部：炉身下部3段(第7～9段)，采用双层水冷镶砖铸钢冷却壁，冷却壁热面设有燕尾槽，冷却壁内竖直管直径为φ76×6mm，蛇形管直径为φ76×6mm。

(5)炉身中上部：炉身中上部共5段冷却壁，材质均为球墨铸铁。第10～12段为单层水冷镶砖铸铁冷却壁；第13～14段为倒扣式镶砖铸铁冷却壁，壁体内侧面为高炉内型。

冷却壁的固定方式：采用中冶南方专有技术固定型式，第1～4段冷却壁由于炉底炉缸温度波动范围小，采用4点螺栓固定型式，但冷却壁水管与炉壳间设置变形补偿套管；第5～6段铜冷却壁采用固定销固定，配有4个螺栓进行安装定位，并在冷却壁中部设有固定套筒以防止铜冷却壁高温下受重力作用而发生变形；第7～14段冷却壁采用特殊的固定点和滑动点、浮动点相结合的固定方式，冷却壁水管与炉壳间加膨胀器，少量水管根据需要设置变形补偿套管，从而避免因炉壳与冷却壁问的温差不同导致水管剪断而出现破漏的情况[3]。

由于铸铁冷却壁不能很好地满足高炉长寿的需要，而铜冷却壁性能虽好，但造价太高，不可能被大量应用。而铸钢冷却壁作为一种新型冷却设备近年来被频繁应用于高炉，并以其高性价比的优势受到用户的青睐。且从马钢、济钢、南钢高炉中铸钢冷却壁实际应用情况来看[4-8]，铸钢冷却壁应用的优势非常明显，因此本高炉在热负荷较大的炉身下部区域采用了3段铸钢冷却壁，以保证冷却壁热面温度足够低，便于结渣挂渣，渣皮脱落后也能快速恢复，而达到可靠、经济、长寿的目的。

3．2冷却水系统

除设备制造质量外，高炉冷却设备的寿命的长短与高炉冷却系统的好坏直接相干，一定程度上决定了整座高炉的寿命。随着冷却水技术的发展和国家产业政策的要求，高炉冷却水技术由工业水直流冷却、汽化冷却、净化水冷却、软水和净化水联合冷却，向独立软水闭路循环冷却和联合软水密闭循环水冷却系统演变。软水密闭循环冷却系统具有不结垢、无污染、冷却强度高、冷却效果好、余压完全得到利用、能耗低、泄漏少、补充水很少、自动化程度高、运行安全可靠等诸多优点，符合现代大型高炉发展的要求，所以在国外大中型高炉上已得到了日益广泛的应用。

本设计采用联合软水密闭循环系统，采用并联加串联的方法将原有三个独立的系统合成一个系统，充分发挥软水不结垢，可适当提高水温差的优点，从而达到节省投资、减少水量、节约能源的目的。

冷却壁、炉底、风口小套、中套、热风阀、倒流休风阀通过串联和并联的方式组合在一个系统中，系统总循环水量2880m3／h，具体方案是：从软水泵站出来的软水在炉前一分为二，其中冷却炉底512m3／h，冷却壁直冷管2368m3／h，两者回水进入冷却壁回水总管。从冷却壁回水总管出来的软水一分为二，其中1830m3／h水回到总回水管，另外有1050m3／h的水进入第一组增压泵增压，增压后的水一部分直接供热风阀使用(350m3／h)，另一部分(700m3／h)直接进入下一组增压泵进行二次加压，供风口小套使用。风口小套的回水部分再供给风口中套使用(500m3／h)；热风阀及风口系统的回水与上述1830m3／h水量一起回到总回水管，经过脱气罐脱气和膨胀罐稳压，最后回到软水泵房，经过二次冷却，再循环使用。

另外，本高炉还设置了一路中压工业净化水循环系统和一路中压工业净化水直排系统，同时还配备了炉体冷却安全措施。中压工业净化水循环系统供炉顶齿轮箱、炉顶液压站、红外摄像仪等冷却用。中压工业净化水直排系统供风口事故水、炉顶洒水、螺旋清灰机、各平台洒水、炉役后期炉壳喷水、风口平台冲洗等用水。炉体冷却安全措施为：

(1)设置风口事故水处理系统：当个别风口产生微漏时，微漏风口可通过专门设置的相应管路切换成工业水冷却，水压0．8MPa，当风口破损到一定数量或定期休风时，集中一次更换，更换后的风口再转换回软水冷却。

(2)配备柴油机泵组临时启用系统：软水密闭循环系统及工业净循环水系统除备用电动泵组外，还分别设置有柴油机泵组，当停电及电动泵事故时，柴油机组能在10秒钟内自动启动，维持水系统运行。

(3)自动转汽化冷却功能：当因停电及其它事故引起电动泵不能正常运行时，整个软水系统可自动转化成汽化冷却状态，可维持时间～30分钟，当柴油泵组启动运行后，软水系统自动转换成正常密闭循环冷却状态。

4  高炉内衬

三宝钢铁2#高炉在内衬设计上充分考虑高炉各部位不同的工作条件和侵蚀机理，有针对性的选用耐火材料，并在结构上加强耐火砖衬的稳定性。

炉底、炉缸是高炉长寿的关键区域，炉底、炉缸耐材的损坏，意味着一代炉龄的结束，特别是铁口及铁口以下的异常侵蚀区，越来越成为制约高炉长寿的最重要因素。碱金属和锌对高炉内衬有严重的侵蚀破坏作用。锌甚至是炉缸炭砖侵蚀破坏的主要因素[9]。针对这一现状，本设计对炉底炉缸进行了优化，适当加大了炉缸的容积、加深死铁层厚度、优化冷却系统的设置，同时合理选择耐材的配置。采用高热导率的微孔、超微孔炭砖配以高热导率炭捣料。

炉底炉缸耐火材料的选择，依照“内堵外疏”的原则，即高炉内侧采用导热性低的陶瓷材料，外侧采用导热性高的炭质材料。炉底满铺砖第1层采用国产石墨砖，高度400mm；炉底满铺砖第2、3层采用国产微孔炭砖，第2层高度400。mm，第3层高度500；炉底满铺砖第4层采用国产超微孔炭砖，高度500mm；炉底炭砖总高度～1800mm。炉缸侧壁外侧第5～7层采用国产超微孔炭砖，总高度～1300mm；炉缸侧壁外侧第8～14层采用国产微孔炭砖，总高度～3300mm，其中铁口区域采用国产超微孔炭砖。其中铁口区域采用国产超微孔炭砖。炉缸侧壁内侧采用国产小块陶瓷杯结构。三宝钢铁2#高炉炉底、炉缸的设计，在保证炉底、炉缸长寿的基础上，实现了工程投资的优化。三宝钢铁2#i高炉炉底、炉缸结构如图1所示。

整个风口区全部采用大块组合砖砌筑，以加强结构的稳定性；同时采取措施，增加风口冷却壁与炉腹铜冷却壁交接处组合砖厚度。风口及铁口均采用刚玉组合砖，以提高其抗渣铁侵蚀及冲刷能力。

在炉腹及其以上的部位采用砖壁合一、薄壁内衬型式。本高炉在炉腹第5段、炉腰第6段共2段铜冷却壁的热面，采用150mm厚的特种喷涂料。炉身中下部第7～9段共3段铸钢冷却壁的热面，冷却壁镶砖采用烧成微孔铝碳砖。炉身上部第10～14段单层水冷铸铁冷却壁区域，冷却壁镶砖采用浸磷粘土砖。镶砖冷却壁均为砖壁合一、薄壁内衬的结构形式，这种结构形式在稳定炉型、节省耐材、减小内衬膨胀应力、缩短施工周期等方面优点非常突出。

炉顶煤气密封罩上的喷涂层，其锚固件采用固定杆、支撑板、六角锚固件相结合的方式，增强喷涂料与炉壳的粘结性。选用的喷涂料抗折强度高、耐CO侵蚀性能优良。

5  排铅装置

铅在矿石中主要以PbSO4、PbS、PbO等形式存在，在高炉内很容易被CO、C、Fe还原，且在高炉内几乎全部还原，因铅的密度(11．34)比铁水(7．87)大得多，而熔点低(327C)，极易成为液态沉至炉底(部份被铁水带走)，迅速渗入炉底的砖缝中，破坏炉底砖的整体性，甚至造成炉底耐火砖“飘浮”，危及高炉寿命和安全生产。

本高炉的设计综合考虑到三宝钢铁原料条件、炉前工作环境等因素的影响，在炉底第三层炭砖上表面设置了排铅槽，排铅槽的型式为经典的“双丰”字型结构”[10]。

这种在炉底设置排铅槽排铅的机理是：由于铅的比重、熔点、粘度、流动性及渗透能力与铁的较大差异，以及炉底砖衬温度场和耐火砖砌体固定特性，使铅与铁在炉底上部的分离创造了“筛子”般的特殊功能。铅相对铁而言，铅液在炉底砖衬中由于毛细管、连通管作用，能自由流动，而铁水则不能。在炉底温度1200℃时，铁水将发生凝固，而铅液在炉内各种压力作用下，能继续沿着砖体本身的气孔和缝隙自上而下往下渗透流动，直至327℃等温线的砖层处才凝固下来。铅液能经过的渠道，铁水则无法通过，铅液反而还能挤占被铁水占据的渠道和位置。高炉炉底排铅过程就是沉降一一渗透一一聚集一一排放过程。

设置排铅槽排铅具有重大意义：(1)它是保护炉底，延长高炉一代寿命的重要手段；(2)它有助于冶炼含铅铁矿石的高炉改善炉前工作环境，减轻污染和劳动强度，避免工人慢性铅中毒，利于职工身体健康(3)它还利于炉况稳定顺行，有助于高炉强化冶炼，提高高炉技术经济指标。(4)排出的铅本身可以作为高炉炼铁的副产品，能为企业增创可观的经济效益。

6  检测设施

设计采用了较为完善的检测系统，以加强对高炉各系统的监测，并为上专家系统提供必要的参数。所有自动采集的数据都进入PLC系统。

(1)高炉内衬及冷却壁温度检测装置。在混凝土基础设置1层热电偶、炉底设置5层热电偶、炉缸部位设置4层热电偶，总数量大约151支，以上热电偶数据进入主控楼计算机，有画面显示，并作为炉底炉缸侵蚀模型的原始数据。冷却壁温度监测共设置了9层热电偶，沿圆周方向均匀布置，总数量大约69支，以上热电偶数据进入主控楼计算机，有画面显示，作为判断炉况依据之一，并具有冷却壁辅助检漏功能。采用较为完善的检测仪表及监控装置，以加强对高炉各系统的监测和控制，为高炉操作创造了条件。

(2)软水密闭循环系统监控装置。在整个软水系统监控包括温度、压力、流量、水位等，设置温度检测点大约110点、流量检测点大约86点、压力检测点大约325点，其中全部温度检测、流量检测及部分压力检测进入主控楼计算机，有画面显示，并具有超工作范围自动报警功能。

系统经一系列检测手段由主控楼计算机自动控制，具备自动排汽、水位监控、自动补水、破损报警、自动稳压等功能。

(3)其他监测。在炉顶封板设置1台红外摄像仪，用以监测炉料分布及控制布料。在每根直冷管的支管上设置液流显示器，非常直观的反映每根水管的流量变化情况。此外还对中压工业净化循环水和中压工业净化直排水也设置一定的温度、流量、压力等检测点。

7  结语

三宝钢铁2#高炉本体设计，充分采用了国内外一系列先进、成熟、实用的技术，设计了合理的炉型和内衬结构；采用了砖壁合一、薄壁内衬新技术、全冷却壁形式；采用了投资省、成本低、效率高的联合软水密闭循环冷却系统；根据原料条件在炉底设置了功能可靠的排铅槽；建立功能齐全的炉体检测自动控制系统。这些均将为三宝钢铁2#高炉“高产、稳产、低耗、长寿”奠定坚实的基础。

参考文献

[1]  张寿荣，于仲洁等．武钢高炉长寿技术[M]．冶金工业出版社．2009．

[2]  刘行波．沙钢5800rn。高炉炉体工艺技术特点[J]．炼铁，2009，28(4)：1～5

[3]  李智广，董科伟．鄂钢新1号高炉炉体工艺设计[J]．炼铁，2010，29(3)：42～46

[4]朱童斌，石玮，李晓静．铸钢冷却壁的应用与优势分析[J]．安徽冶金科技职业学院学报．2006，16(5)：15～19

[5]  张国营，徐杰，李传辉等．济钢高炉大面积应用铸钢冷却壁的炉内操作[J]．炼铁，2003，22(4)：29～31

[6]  高新运，高贤成，曹涟志等．铸钢冷却壁在济钢高炉的应用[J]．炼铁，2001，20(6)：9～11

[7]  胡春梅，时仁英，朱俊虹．铸钢冷却壁在南钢高炉的应用[J]．南钢科技，2002，(3)：22—23

[8]  毕松梅，聂桂秋，徐利华．高炉炉体冷却壁综述[J]．中国冶金，2007，17(4)：15～18

[9]  宋木森，于仲沽，熊亚飞等．武钢5号高炉炉体破损调查研究[J]．炼铁，2008，27(4)：1—10

[10]  刘高高，袁熙志，胡群高等．6．3MVA锰硅电炉炉底排铅工程化研究[J]．铁合金，2004，(1)：28～33