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高炉无钟炉顶三并罐阀箱优化设计

王文聪^①

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

摘 要：介绍了基于原燃料分级入炉，小批量、多批次布料，混装布料等使用功能的无钟炉顶三并罐阀箱的设计，重点介绍了三并罐下密封阀、汇中斗、卸料斗的设计及三并罐阀箱的技术特点。

关 键 词：三并罐；无钟炉顶；密封阀箱；下密封阀；汇中斗

1 前言

自1970年卢森堡威尔斯厂和保罗·伍尔斯(Paul-Wurth)/PW公司发明并制造了无料钟布料器以来，高炉无料钟炉顶在世界各国得到了迅速推广，全世界己有千余座高炉使用了无料钟炉顶布料器。在大型高炉中，估计全世界具有无料钟炉顶的大约有200多座。其中，以中国无料钟炉顶高炉的数量为最多，几乎所有新建或大修改造的大高炉都采用无料钟炉顶。

以料罐的布置形式区分，无料钟炉顶大体上可分为串罐式和并罐式两种结构，为减小传统并罐的料流偏析，设备具有更高的可靠性，更短的检查维护时间，在传统并罐式的基础上，又发展出新型并罐以及三罐式结构。

2 三并罐无料钟炉顶技术开发背景

在钢铁市场竞争日益激烈的形势下，要想处于优势地位，就需要降低生产成本。为了降低高炉原料成本，需要增加小粒度烧结矿和小粒度焦炭等低质量细粒原料使用量，但这带来一个问题，即由于原料平均粒度的减小，使高炉透气性阻力升高。细粒原料向炉子中心区域堆积，会抑制中心煤气流的发展。特别是大量使用细粒原料时，可能会造成塌料现象而影响炉子顺行。为了防止这种现象和控制炉内半径方向矿石层的厚度和粒度，需要对原料分级，多批次装入高炉^[1]。实际生产中，通常将大粒度烧结矿布在中部以改善料柱的透气性，小粒度烧结矿布在炉内边缘以控制边缘煤气流，实现合理的煤气流分布，降低能耗，保护炉衬和炉体冷却设备，延长高炉寿命^[2]。

另外，国内外许多钢铁厂都在高炉中进行过将小粒焦与烧结矿混装的操作实践，目的是提高烧结矿的透气性和还原性，实践证明该技术确实具有较好的节焦和降低燃料比效果^[1]。

串罐无料钟炉顶采用单罐断续布料，并罐无料钟炉顶采用两罐交替布料。串罐与并罐在满足原燃料分级、多批次、小批量布料方面显得明显不足。而灵活的三并罐无料钟炉顶是非常具有优势的。阀箱是无料钟炉顶的关键设备之一，其结构形式直接决定了无钟炉顶设备的料罐的数量、布置方式及布料方式。

3 无钟炉顶三并罐阀箱结构设计

3．1 新并罐阀箱的功能结构分析

图1为新并罐无钟炉顶设备的阀箱，主要由2台上部波纹补偿器、阀箱箱体、2台下密封阀、排料斗、下部波纹补偿器、检修装置等组成。相对于传统并罐设计，其主要特点：

1)下密封阀更靠近高炉中心线，因此下料闸及料罐放料口亦更靠近高炉中心，减小炉料偏析程度；

2)减轻炉料对料流调节阀及中心喉管耐磨内衬的磨损，延长料流调节阀及中心喉管的寿命；

3)采用模块化结构，方便阀箱、卸料斗的移出，实现快速检查、维护和更换。

3．2 三并罐阀箱应具备的功能特点

三并罐阀箱的设计应充分吸收借鉴新并罐阀箱的优点，具有更强的装料能力，能够适应原燃料分级、小批量、多批次的装料要求，以满足高炉使用小粒度烧结矿、小粒度焦炭等低质量原燃料的市场需求，扩大原燃料使用范围，降低生产成本。三并罐阀箱应具备的功能特点：

1)阀箱布置3台密封阀，每台下密封阀的动作互不干涉，三并罐炉顶设备具备两罐甚至三罐同时布料的功能，以适应高炉多批次、小批量、混装布料等操作需求(注：两罐同时布料指工艺操作需求，三罐同时布料指设备具备的能力，而非实际的炼铁工艺操作，以下未说明处均与此处相同)；

2)密封阀下部具有足够大的料流过流截面，满足两罐甚至三罐同时布料需求；

3)由于并罐(含三并罐)无钟炉顶料罐偏离高炉中心线，料罐下料口分布在高炉中心线外侧，从料罐流出的料流沿对侧导管壁下降，料流落料点在溜槽上形成椭圆轨迹^[2]，炉料偏析，从而导致炉料在炉喉截面圆周上布料不均匀。因此，三并罐阀箱结构应紧凑，料罐的出料口位置、下料闸尽量靠近高炉中心线，以减少高炉炉内料面布料偏析；

4)三并罐阀箱具有较高的可靠性，采用模块化设计等现代设计方法，阀箱各模块的安装、检修、更换应快捷方便。

3．3 无钟炉顶三并罐阀箱设计

如图2所示的三并罐阀箱，是在满足以上分析的功能特点，同时借鉴新并罐无钟炉顶阀箱的基础上进行设计的，由上部波纹管，可调升降式检修装置，下密封阀及箱体，汇中斗，汇中斗支撑检修装置，卸料斗及检修轮，下部波纹管组成。3台下密封阀呈120°均布。

3．3．1 下密封阀设计

为满足3台下密封阀的开启关闭动作互不干涉，同时最大限度地将下密封阀靠近阀箱中心线布置，减少料流偏析对高炉生产的影响，将下密封阀的开启方向由向内翻转(新并罐阀箱)改为向外翻转。另外，从设备检修维护的快捷方便性考虑，同时降低设备故障对高炉生产的影响，为每台下密封阀设置了独立的箱体。

每台密封阀设置了可调升降式检修装置，可以容易地将下密封阀箱体整体移出，进行快速检查、维护和更换。在实际生产中，若增加一台下密封阀作备件，即可进行离线检修维护等操作，最大限度减少设备故障对高炉生产的影响。下密封阀箱体设有大的检修门，方便进行各种维护。在阀座上设置一只热电偶，检测阀座温度，超高温自动报警，以利于保护密封圈。如图3所示。

在下密封阀的启闭过程中，阀板上的软质密封圈与阀座密封面接触(或脱开)，由于传动中心线与密封面不在统一平面上，阀座密封面挤压(或松开)软质软密封圈，阀座密封面与软质密封圈发生机械磨损、擦伤等现象，如图4a)，是密封圈失效的主要原因之一，为有效解决该问题，对下密封阀的传动结构进行了改进，形成了一种新型的密封阀结构，如图4b)所示。阀门启闭时，阀板上的软质密封圈与阀座密封面同时接触(或脱离)时，密封圈相对阀座密封面的水平相对速度为零，即密封圈受阀座密封面近似垂直挤压(或松开)，密封圈与阀座密封面无机械磨损、擦伤等，密封阀密封性能好，密封圈寿命长。

3．3．2 汇中斗设计

图5为汇中斗三维模型，汇中斗采用焊接结构，主要有汇中斗壳体，检修支撑装置及陶瓷耐磨衬板组成，是三并罐无钟炉顶阀箱体起承上启下的关键设备，其作用是汇总3个料罐布料时的料流，尽量使料流靠近高炉中心线，减小布料时的料流偏析。

根据汇中斗的结构特点，在汇中斗中部设计了独创性的呈正梯形布置的检修轮及支撑装置。

正梯形布置的支撑装置，充分利用汇中斗的结构特点，具有良好的支撑受力结构。汇中斗内侧贴耐磨陶瓷衬板。

3．3．3 卸料斗设计

卸料斗采用焊接结构，上下部分通过法兰分别与汇中斗以及下部波纹补偿器相连，如图6所示。

卸料斗内部贴耐磨陶瓷衬板，中部设置3～5个对中环，在卸料斗底部形成一个有效的料垫，既有利于减少料流对衬板的冲刷，也有利于改善料罐布料时的料流偏析程度。在卸料斗设置2组检修轮。在正常工作时，卸料斗通过法兰与汇中斗连接在一起，卸料斗或对中环需要检修更换时，松开连接紧固件，卸料斗落在检修轨道上，可快捷移出、检查与维护。

4 三并罐阀箱的技术特点

三并罐阀箱的设计旨在提高无钟炉顶的装料能力，使无钟炉顶具备具有多批次、小批量布料能力，适用烧结矿、焦炭分级入炉，扩大高炉使用小粒度烧结矿、小粒度焦炭等低质量原燃料范围。其主要技术特点：

1)阀箱共设有三个下密封阀，密封阀呈120°均布，密封阀阀板向外翻转开启，结构布置紧凑，密封阀较靠近高炉中心线，另外在卸料斗设置了3～5个对中环，减小布料时的料流偏析；

2)下密封阀、汇中斗、排料斗均采用模块化结构，每个设备均设置有独立的检修装置(轮)及检修轨道，安装检修快捷方便，降低设备故障对高炉生产的影响。

3)在汇中斗设置了呈正梯形布置检修轮及支撑装置，具有良好的受力结构，能够确保汇中斗、卸料斗及N(N=0，1，2，3)个下密封的任意组合移动过程中，设备的重心始终在正梯形的检修轮及支撑装置内，有效防止汇中斗、卸料斗及及阀箱在检修移动时倾翻；

4)下密封阀采用独立阀箱，三个密封阀的动作互不干涉，汇中斗具有足够的料流过流截面，可实现两罐甚至三罐同时布料，装料能力大，布料方式灵活多样，可满足高炉不同炉况的多种布料需求；

5)下密封阀采用改进型的密封传动结构，有限避免阀门在启闭过程中，密封圈与阀座密封面的机械磨损、擦伤等现象发生，密封阀的密封性能得到较大提高，密封圈使用寿面延长； 从过流料量计算，单台密封阀的设备故障率仅为并罐下密封阀的2/3，同时，三台下密封阀采用并联设计，拥有独立阀箱，动作互不干涉，在某台密封阀出现故障后，另外两台仍然可维持高炉正常的布料，设备整体可靠性高。

5 结语

三并罐阀箱的设计，旨在提高无钟炉顶的装料能力，满足高炉小批料、多批次、精细化、原燃料混装等操作需求，扩大使用小颗粒烧结矿、小颗粒焦炭等低质量原燃料的范围，降低生产成本，提高市场竞争力。三并罐阀箱的设计，充分借鉴了新型并罐阀箱的优点，并依据三并罐无钟炉顶的布料使用功能，采用了模块化设计、具有结构紧凑、设备整体可靠性高等特点，其市场前景看好。

参 考 文 献：

[1]   胡俊鸽等．JFE应对高炉低质量原燃料的技术措施[J]．世界钢铁，2010(4)．

[2]   刘菁．武钢8号高炉新两罐无料钟炉顶技术[J]．炼铁，2010(6)．

[3]   刘云彩．高炉布料规律(第3版)[M]．北京：冶金工业出版社，2005．