摘要针对大型高炉设计中一些认识上的差异，探讨了设计观念以及供料、炉顶、高炉炉体、出铁场、炉渣处理、热风炉、喷煤、煤气清洗等系统中的部分问题，提出了初步的优化改进方向。

关键词大型高炉设计优化

1引言

    近年来，国内新建了一批大型高炉，为淘汰落后装备、改善环境条件、提高产品质量、降低能源消耗和提高市场竞争力，发挥了积极的作用。这批大型高炉的设计，在精料、高风温、大喷煤、高效长寿、环保节能、提高装备本地化率、降低投资和缩短建设工期等方面，都有较多的体现，但在某些方面仍有不足，需要我们努力改进。

2设计观念的改进

2．1设计要以理论为基础

  直到目前为止，我们有许多设计仍然是机械地或原样或放大或缩小地抄用，在思想意识上不注意理论的重要指导作用，而更多地服从于“过去的现实”。正是基于这种思想认识，也就严重地制约了我们的自主创新。因此，非常有必要大力提倡设计以理论分析、模拟软件、实验室试验、现场模型试验、现场工业试验等现代的科学设计方法为手段，真正做到设计以理论为基础。只有以理论为基础，设计才有改进的方向。

2．2设计要以现场调查为依据

  绝大多数设计人员是从学校毕业后直接进入设计单位的，无现场实际操作和安装维护的经验，无设备和材料的制造经验，因此，常有闭门造车之作。由于设计周期的缩短和降低成本的需要，对现场的调查研究不够，与业主交流不够，因此，常有业主不满之时。笔者一向认为，设计成果是设计单位集体智慧和业主单位集体智慧的共同结晶，只有设计方和建设方相互认真沟通，才能把握大方案，才能推敲小细节，才能做出各方都满意的设计。

2．3设计要为今后的发展留余地

    随着装备技术水平和操作技术水平的不断进步，设计要在设备能力上留有一定的富裕能力。过去在生产水平较低的条件下，设备的富裕能力一般为1．25倍，这为后来能较大幅度提高产量提供了基本条件。现在，有些设计是按现有较高生产水平的条件下，设备的富裕能力只有1．08倍，笔者认为这是偏低的，不但会制约正常能力的达到，更会制约今后的进步发展。由于高炉生产是长年连续性的，正常一年的休风率只有2％～3％，加上设备的工作环境或是高尘或是高温或是高压，以及检修条件较差，因此，笔者建议设备的富裕能力应不低于1．15倍，对上料系统的设备能力考虑到高炉低料线时赶料的需要，设备富裕能力应不低于1．25倍。

    在平面布置上，要留有今后快速大修所需的场地，要留有今后为提高环保要求而增设环保设备的场地。

3供料系统的改进

    为了充分利用矿槽和焦槽以及中问称量斗的几何容积，在槽内设置料流分配器，这不但提高了槽体容积利用率，降低了投资，同时，还减少了物料的跌落高度，减少了物料的破碎，减少了入炉粉末，减少了资源消耗，符合循环经济的“减量化”要求。

    在块矿槽和杂矿槽的个数上，要考虑今后矿种的变化。在100％，熟料时，块矿槽宜为2个；在熟料率为70％～80％时，块矿槽宜为5～4个，杂矿槽宜为3～4个。

    要努力提高振动电机的使用寿命。国外一般要求振动电机的使用寿命为1年以上，而目前国内很多只有2个月左右。

    要努力提高捡铁器的可靠性。目前，大型高炉槽下的矿石和焦炭胶带机上都设有捡铁器，但大多数使用效果不佳。

    焦炭一般为分散筛分集中称量，因此，运焦胶带机每天要启停130次左右，也就是10 min左右要启停一次。目前，运焦胶带机设计多采用双速电机，电机故障较多，建议今后采用变频调速传动。

    提高小块焦的使用量，由现在的15 kg／t左右提高到40～50kg/t。为了满足粒度为8～35 mm(平均粒度为20～25mm)小块焦的用量，需加大焦化成品筛的下限孔径，同时将焦炭槽下的焦炭筛下限孔径加大。这也将是循环经济的“减量化”的要求。

4炉顶系统的改进

    自从笔者在2000年底鞍钢新1号3200m³高炉炉顶采用上罐固定式串罐无料钟方案以来，上罐固定式串罐无料钟炉顶已在国内多座高炉上采用，如鞍钢新l号、新2号和新3号3座3 200 m³高炉，南钢联新1号2000m³高炉和新2号2500m³高炉，太钢和宝钢4号4 350 m³高炉，本钢6号和7号2850m³高炉。上罐固定式串罐无料钟炉顶克服了上罐旋转式无料钟炉顶的缺点，通过上罐内设置分配溜槽，使物料在上罐内均匀布置，从而达到减少物料粒度偏析。通过多座高炉几年来的生产实践证明，上罐固定式串罐无料钟炉顶是成功的。因此，建议今后若要采用串罐式无料钟炉顶就采用上罐固定式，而不要采用上罐旋转式。

    具有自主知识产权的国内BG型、SS型等无料钟炉顶，应积极完善推广，应在国内大型高炉上发挥积极作用，不但要在已有的1000m³级、2000m³级、2500m³级高炉上更广泛地推广使用，而且要在3200m³级高炉上有所突破。炼铁界同行要积极支持国内自主创新的大型装备的完善推广。

    料流调节阀的精度控制仍需加强，开度±2⁰的精度易使炉料在炉内产生较大的偏料，宜采用伺服或比例调节系统使料流调节阀开度精度控制在±1⁰之内。布料流槽的倾动角控制精度应控制在±0．5⁰，旋转角控制精度应控制在±l⁰。

    要加强串罐无料钟上下罐间的除尘，为防止细物料被吸出，宜采用双迷宫密封形式。对并罐无料钟炉顶移动受料斗宜改为固定受料斗，在固定受料斗内设料流分配阀，以改善其除尘效果。

    无料钟的料罐有效容积应以满足最大矿批重加上最大小块焦批重为原则。最大矿批重宜取正常矿批重的1．27倍，正常矿批重宜为最小矿批重的1．17倍。最小焦批重宜采用0．08443D²(D为炉腰直径，m)来计算。合理的料罐有效容积，可减少炉顶高度，减少钢结构用量，减少均压用气量，不仅降低了投资，而且降低了生产运行成本。

5高炉炉体系统的改进

    薄壁炉衬结构的高炉实际有效容积比理论有效容积有6％～8％的扩大，为统一有效容积的提法，建议将在铁口中心线和零位料线之问的，由炉腹和炉身冷却设备内型线以及炉腹和炉缸内衬线所包含的容积称为有效容积。这样，有效容积将与炉腰和炉身的耐材厚度无关。

    炉缸容积与有效容积之比应保持合适的比例范围，建议按V1=(0．075～O．087)Vuμ_v来计算。Vu有效容积，μ_v有效容积利用系数。

    在采用铜冷却壁的薄壁结构时，要注意在炉腹中下部的过渡。建议采用几层铜冷却板过渡，不宜采用铸铁冷却壁过渡。炉腹中上部冷却壁内型构成的炉腹角不宜大于83⁰，否则易造成软熔带根部不稳定。

    炉腹采用薄壁结构时，还需重视风口循环区对炉腹下部的影响。建议炉身下部冷却设备内型线与风口小套中心线前端垂直高度上1．0m的位置的距离不宜小于1．0m。

    随着人炉焦比的降低和炉腹采用薄壁结构，风口小套伸入炉内的长度应有所增加。建议1000～2500m³高炉风口小套伸人炉内的长度为炉缸直径的5．5％～6．0％，2500m³以上高炉为炉缸直径的5％～5．5％。风口小套伸人炉内的长度增加，有利于活跃炉缸中心，减轻对炉腹下部冷却设备的热冲击，从而延长冷却设备的寿命。

    为保证铁口深度不小于炉缸直径的24％，铁口孔道的耐材厚度也应不小于炉缸直径的24％。铁口耐材厚度过浅，对炉缸的寿命会带来严重的隐患。

    高热负荷区的冷却设备抗热负荷冲击能力将直接影响冷却设备的使用寿命，冷却设备和冷却水量至少应满足在滑料时的峰值热流强度270kw／m²的要求。建议冷却壁要满足400 kW/m²的峰值热流冲击，铜冷却板要满足500 k W／m²的峰值热流冲击。

    风口大套伸人炉缸砖衬的长度应严格控制，伸入过长，易引起由于砖衬上涨顶靠大套而使炉底板上翘开裂并泄漏煤气。风口大套伸入炉缸内衬长度宜控制在50mm左右。大中套下方与砖衬的间隙不小于40mm，宜取50～60 mm，间隙内填入在500℃时体积收缩率不小于15％的缓冲填料。

    要加强进风弯管的结构研究，目前的进风弯管不仅散热大，而且使用寿命也不够长。

    炉底炉缸侵蚀推定模型，对延长炉底的寿命有重要的指导意义，软熔带位置和形状推定模型，对稳定高炉生产有重要指导意义，这2个模型在大高炉上应积极推广使用。

    高炉专家系统是操作经验的知识库，应当建立，并及时修正，只有经验积累到一定程度和管理上严格要求时，才能发挥其作用。因此，宜采用国内自主开发的高炉专家系统。

6出铁场系统的改进

  要积极开发全液压紧凑式开铁口机。现有的气液复合式开口机因功率小，不能完全满足大高炉的要求。开口机应设有自动记录开口深度的功能。

  要努力完善全液压矮身泥炮的功能，提高其打泥力，增加打泥量自动记录功能。

  铁口局部的除尘仍需加强。应在铁口左右两侧尽量设置防风墙，尽量减少抽风范围。固定上吸罩结构和临近铁口上方侧吸联合采用，可有效的防止烟尘弥漫。

  适当加大贮铁式主沟断面积，使铁水在主沟中的流速不大于1．7 m／rain，则有利于延长主沟工作衬寿命。主沟浇注工作衬底部和侧面厚度不应小于350mm。

  风口平台面与出铁场渣铁沟附近的工作面，宜采用厚度100～150 mm耐火浇注料，出铁场其余工作面可采用100～150iYln]的耐热混凝土。风口平台与出铁场平台工作面做成如水泥地面一样，便于清扫，不易成凹坑，有利场面平坦化。

7炉渣处理系统的改进

    不论采用何种方法处理炉渣，都应本着炉渣“资源化”和“环境友好化”的原则。采用底滤法时，在水渣过滤池上部应设置移动式蒸汽罩，并设置蒸汽集中排放烟囱；采用搅拢法时，在渣池上方宜设置闭密罩，并设蒸汽集中排放烟囱；采用轮法时，应加强炉渣的二次水淬，防止产生黑渣和大量的渣棉。由于水淬炉渣产生的蒸汽有较强的腐蚀性，因此在蒸汽集中排放烟囱中宜采取蒸汽冷凝措施。为了防止水淬炉渣产生大量的渣棉，宜采用冷水法，不宜采用热水法。

8热风炉系统的改进

    燃烧器的设计要以理论为依据，并辅以模型流体分析和冷态或热态模型试验，这样才能得出在煤气量的调节范围内空气煤气混合均匀、无脉动燃烧的燃烧器结构。

    应加强拱顶砌体结构在冷热态下的受力分析，以有效防止拱顶砌体的过早损坏。

    要重视高温区域的热风炉炉壳的防晶问应力腐蚀的设计。欧洲一些大高炉，在热风支管和热风主管以及热风围管上都采用了防晶间应力腐蚀。炉壳的防晶间应力腐蚀的方法是：在炉壳内侧先涂200μm的防腐漆，漆未干时喷一层细沙，之后再涂一层1．5 mm厚的STELLATAR—D防腐涂料，该涂料未干时又喷一层细沙，之后再涂一层1．5mm厚的防腐涂料，之后再贴一层不锈钢泊板。

    为防止炉箅子上部格子砖因炉箅子受热膨胀位移，带动格子砖位移而被损坏，宜采用一层高度80～100 mm的铸铁格子块作为过渡，铸铁格子块与格子砖断面相同。铸铁格子块上用2～3层格子砖对砌作为固定砖，周边留约30mm的吸收缝(为防串风，该缝填可塑料)，在固定砖上面再错砌格子砖.

    为加强格子砖垛的稳定性和提高蓄热面积,应采用单块格子砖高度为180～200mm、高温区孔径为30mm(底Ø28mm顶Ø32mm)、中低温区孔径为35 mm(底Ø33 mm顶Ø37 mm)的格子砖。

    为加强炉箅子支柱的稳定性，宜在支柱中下部设置混凝土灌入孔，使混凝土充实支柱底部，防止支柱倾斜。

    为防止燃烧室热风出口短管砌体的过早破损，应加大短管直径，建议采用增加二层砖的过渡方式。

    所有热风管道在上部120⁰范围内宜采用锁砖结构，在下部60⁰范围内不宜采用软性材料，宜采用硬质隔热不定形材料，防止砌体下沉而引起砌体开裂。热风管道上工作衬的膨胀缝不宜采用直通缝，宜采用弓形缝，并在弓形缝的冷面采用三环重质砖压缝，可有效防止因串风引起壳体发红或烧坏波纹补偿器。

    提高烟气温度即增加蓄热量，是提高风温的有效手段。而炉箅子及支柱一般采用球墨铸铁制造，因此，一般控制烟气温度为不大于350℃。铸铁的耐热性主要由抗氧化性和抗生长性来衡量，只要这两个性能好，抗开裂性就强。球墨铸铁在600 ℃时的抗氧化性为2．41g／(m²·h)，抗生长性为0．31％，因此，球墨铸铁在600℃时属于次耐热级。中硅耐热铸铁在900 ℃时的抗氧化性为3．6～8．7 g／(m²·h)，抗生长性为0．2l％～0．84％，因此，中硅耐热铸铁在900℃时属于弱耐热级，但可长期在不高于850℃的空气中使用。建议炉箅子和支柱采用：RQTSi4Mo材质，这样可把热风炉烟气温度提高到450～500 ℃。烟气温度提高又可使助燃空气和煤气预热温度提高，从而提高热风温度。因此，提高烟气温度具有双重提高热风温度的功效。

9喷煤系统的改进

    现有中速磨有锥形辊式、腰形辊式和球形辊式之分，前述两种为大众共知，后一种为新近产品。球形辊式中速磨具有磨损均匀、噪音低、维修简单方便、寿命长等优点，应积极推广采用。

    为确保喷煤的安全，宜在每根喷煤支管上设声波式检堵装置，在每个风口窥视孔处设风口堵塞检测装置。

    煤粉干燥气兑入热风炉烟气，虽然安全性较高，但占地大，投资高，应推广采用自循环技术。

    从工艺链上关键设备的可靠性尽量相配的原则出发，喷吹系统采用一个系列，即一个煤粉仓、一个中间罐、一个喷吹罐的工艺是完全满足要求的。中间罐采用均排压控制，喷吹罐采用稳压控制，完全能满足连续喷吹。

lO煤气清洗系统的改进

    重力除尘器与轴向旋流除尘器相比，虽然除尘效果要差些，但维护工作量少，作业率高，因此，仍是大型高炉的首选。轴向旋流除尘器的衬板材质和结构的可靠性，还需从理论上加以研讨。

    采用湿法清洗煤气现在主要有文丘里式和环缝式，从除尘效果和安全可靠出发，宜采用三个锥体式的环缝洗涤装置。

    大高炉煤气干法除尘是今后的发展方向，近几年来国内也有几座大高炉采用了布袋除尘器，为防止煤气温度过高烧坏布袋，采用了纵向二片翅片的热管式换热器。

11  结语

    大型高炉设计优化仍有许多课题，笔者只对部分课题作了阐述。要做好设计优化，需要在真正了解工况条件下，从理论上加以研究，才能达到目的。