高爐長壽及環保節能技術在大型高爐大修中的實踐應用

天津鋼鐵 2 號高爐公稱容積 3200m3，于 2006 年 5 月 2 日投產。該高爐采用了當時國際上大型高爐的先進工藝技術及設備，如卡盧金頂燃式熱風爐、銅冷卻壁、UCAR 炭磚、TMT 泥炮及開鐵口機、PW 串罐無料鐘爐頂、環保 INBA 渣處理、煤氣環縫清洗和芬蘭的高爐專家系統等。

由于爐體銅冷卻壁破損嚴重、爐缸側壁溫度高，該高爐于 2012 年 2 月 16 日進行了一次中修。更換了第 6、7、8 段全部及第 9、10 段部分銅冷卻壁。于 4 月 1 日重新開爐^[1]。

該高爐于 2019 年 11 月 1 日停爐大修，一代爐役 13 年零 6 個月。一代爐役單位爐容產鐵量 9500 噸。本次大修主要對本體系統、熱風爐系統、節能環保設施（均壓煤氣回收，出鐵場、礦槽除塵）進行了升級改造。

高爐主要技術經濟指標見表 1。

表 1 高爐主要技術經濟設計指標

2 號 3200m3 高爐本體的改造原則是充分利用高爐現有設施，高爐本體框架、高爐基礎、高爐爐殼、爐體平臺、爐頂法蘭均考慮利舊，爐底封板及水冷管、爐殼內部所有耐材及設備均考慮更換。改造后高爐有效容積仍維持 3200m3，鐵口中心線、風口中心線及爐頂法蘭頂面標高均維持不變。

本次大修爐容維持基本不變，爐型優化了爐腹角；取消了原有爐腹、爐腰及爐身下部的銅冷卻壁，使用中冶京誠專利產品-新型爐體冷卻結構：高爐本體全部采用鑄鐵冷卻壁，爐腹、爐腰高熱負荷區采用鑲嵌銅冷卻條的組合式冷卻結構；爐缸應用導熱設計理念，采用大塊炭磚結合導熱質陶瓷杯形成的完全導熱爐缸體系，爐缸關鍵部位采用 SGL 超微孔炭磚，陶瓷墊外環及陶瓷杯采用碳復合磚。

2.1 高爐內型

根據中冶京誠多年設計經驗，發展出薄壁爐型風口帶與爐腹區的合理過渡銜接技術（定義為 α  法則），即爐腹區冷卻壁熱面頂點與風口中套上沿連線與冷卻壁熱面要保證合適的角度 α，從而保證爐腹冷卻壁能夠穩定掛渣，并形成支撐，同時遠離風口回旋區，使得爐腹角具有一定的自然調整范圍，保證冷卻設備壽命。

高爐本體在原 3200m3 高爐爐型基礎上，爐缸直徑縮小 190mm，爐腹角由 78.156°調整為 76.715°，死鐵層深度加深 146mm。改造前后高爐內型尺寸對比見表 2。

表 2 改造前后高爐內型尺寸對比表

2.2  爐體冷卻結構

爐缸到風口區域第 1~5 段仍采用光面灰鑄鐵冷卻壁。

原高爐爐腹、爐腰及爐身中下部第 6~10 段使用的是銅冷卻壁，結合該高爐的生產實踐，認為雖然銅冷卻壁是一種無過冷的冷卻設備，其冷卻強度大，掛渣迅速，但是銅冷卻壁的結構不利于渣皮的穩定，渣皮的頻繁脫落，容易造成冷卻壁機械磨損^[2]，這也是該高爐銅冷卻壁沒有達到理想壽命的重要原因。

針對銅冷卻壁掛渣易脫落的弊端，本次大修采用了新型爐體冷卻結構：將銅冷卻壁全部更換為球墨鑄鐵冷卻壁，并且在爐腹、爐腰區域采用鑲嵌銅冷卻條的組合式冷卻結構（見圖 1），它繼承了板壁結合和薄壁爐襯的優點，并且充分發揮了銅冷卻效果好的優點，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，渣皮更加穩定，克服了銅冷卻壁過度冷卻以及平面結構帶來的渣皮頻繁脫落、影響高爐穩定操作的問題^[3]。此外，由于銅冷卻條間距可根據設計選擇，因此它不會過度冷卻，渣皮波動小，適應操作變化性強，且投資大大低于銅冷卻壁^[4]。

圖 1 中冶京誠組合式冷卻結構

圖 2 銅冷卻條布置示意圖

本次大修在爐腹、爐腰第 6~9 段冷卻壁共設置了 6 層銅冷卻條，具體布置見圖 2。高爐投產后，各段冷卻壁的壁體平均溫度見表 3。顯而易見，安裝有銅冷卻條的爐腹、爐腰冷卻壁溫度偏低，甚至低于爐身中部冷卻壁溫度，說明新型爐體冷卻結構能夠在冷卻設備熱面形成穩定渣皮，有利于冷卻設備長壽。

表 3 各段冷卻壁壁體平均溫度

2.3  高爐內襯

內襯設計時要充分考慮高爐各部位不同的工作條件和侵蝕機理，有針對性的選用耐火材料，并在結構上加強耐火磚襯的穩定性。

原爐底封板及封板下水冷管不動，爐底水冷管用壓漿料灌死，原封板上表面拼接處考慮加強焊接密封， 保證不漏煤氣。在爐底封板上重新鋪設爐底水冷管，水冷管采用 φ70x6 不銹鋼無縫鋼管，水管間距 300mm。爐底水冷封板上滿鋪 1 層國產高導熱炭磚，第 2 層為國產微孔炭磚，第 3、4 層為進口超微孔炭磚，爐底共砌 4 層大塊炭磚，總厚度~2003mm。

爐底滿鋪炭磚上砌 2 層陶瓷墊，兩層陶瓷墊外環材質采用碳復合磚，內環采用剛玉莫來石磚。

鐵口及爐缸異常侵蝕區環砌進口超微孔炭磚，高度~4400mm。鐵口上部至風口組合磚下沿砌筑炭復合磚，爐缸炭磚內側陶瓷杯使用碳復合磚，爐底爐缸冷卻壁與炭磚（碳復合磚）之間留有 80~100 mm 填料縫， 充填炭素填料。整體爐缸形成完全導熱爐缸體系，見圖 3。

風口區采用氮化硅結合碳化硅質組合磚，鐵口框內采用微孔剛玉磚。

爐腹、爐腰與爐身中下部冷卻壁冷鑲氮化硅結合碳化硅磚，爐身上部冷卻壁冷鑲磷酸鹽浸漬粘土磚。

圖 3 完全導熱體系復合爐缸結構

2.4  爐體冷卻系統

爐體冷卻設備、銅冷卻條、爐底、風口大、中套采用全軟水密閉循環冷卻系統，設計正常水量為 6000 t/h。為便于軟水系統的查水和改工業水，在第 6~11 段冷卻壁的進出水管上設置兩通球閥，并采用軟連接。銅條之間連管設置三通球閥。

風口小套、爐喉鋼磚、十字測溫、爐頂打水等采用高壓開路凈環水冷卻系統。新高爐高壓循環設計水量為 1510 t/h。

2.5 爐體檢測技術

（1） 爐缸爐底在爐襯和冷卻壁上設置熱電偶，用以檢測爐缸爐底部位溫度分布，并可以推斷爐缸爐底的侵蝕狀況及冷卻壁損壞狀況。

爐腹以上冷卻壁設置熱電偶，用于檢測爐襯侵蝕狀況和冷卻壁損壞狀況。高爐軟水密閉循環冷卻系統設有完善的溫度、壓力、流量、液位等檢測。

（2） 設置高爐爐底、爐缸內襯燒蝕狀況自動化診斷與報警系統。

（3） 設置高爐冷卻壁水溫差檢測與熱流強度檢測系統。

（4） 設置爐頂熱成像系統，其主要任務是觀察溜槽工作情況及爐頂料面煤氣發展情況，通過圖象處理技術顯示爐頂料面溫度。

（5） 設置風口成像系統，在線顯示各個風口前的焦炭運動情況、煤粉槍的噴煤流股，以及風口前下生料、涌渣、風口結焦等情況，為工長提供及時、完整的高爐圓周方向的爐況信息。

原熱風爐系統設計四座卡盧金式頂燃熱風爐；高溫區選用硅磚，設計送風溫度 1200~1250℃，最高拱頂溫度 1450℃。

具體改造內容如下：

(1) 拆除外置燃燒爐，采用板式換熱器對助燃空氣及煤氣進行雙預熱，預熱后溫度按≥190℃（煙氣溫度按 290℃），換熱器性能見表 4。

表 4 換熱器性能表

（2） 熱風爐格子磚頂部約 1 米高更新，更換熱風出口組合磚。

（3） 熱風支管、熱風爐本體區域熱風主管管殼拆除重新制作，管道內耐材重新設計；熱風主管聯絡管下部管道內耐材重新設計。熱風主管、支管重新砌磚部分采用帶有鎖扣的“Z” 型磚砌筑，各三岔口采用上部澆注（約 120°），下部組合磚形式砌筑。

4.1 爐頂均壓煤氣回收系統

增加爐頂均壓煤氣干式回收系統，對料罐排壓放散的煤氣進行回收，回收效率在 75-80%，極大減少了排壓煤氣、粉塵及噪音對環境的污染，回收煤氣接入常壓煤氣主管網。

為減少高爐休風時爐頂大放散煤氣排放，在旋風除塵器煤氣切斷閥前設置與均壓煤氣回收系統連通管道，并設置電動休風放散煤氣回收閥、止回閥、電動蝶閥、電動盲板閥及相關閥門。高爐休風時，將爐內壓力降低至約 30~40KPa 后，打開休風放散煤氣回收閥，通過均壓煤氣回收系統對放散煤氣進行除塵并回收， 待爐內壓力降低至凈煤氣管網壓力，再打開爐頂放散閥對爐內剩余的少量低壓殘余煤氣進行放散。

4.2 出鐵場、礦槽除塵系統改造

高爐共 4 個出鐵口，設有 2 套除塵系統，原有除塵管路滿足使用要求全部利舊，為改善渣溝除塵效果， 渣溝增加一路除塵管道，就近接入原有除塵管道中。為滿足排放濃度，電除塵器改造為布袋除塵器。

原礦槽設有 1 套除塵系統，各除塵點密封不嚴，本次采用中冶京誠的自降塵導料密封技術皮帶轉運自降塵技術可以改善現場環境，原有電除塵改為布袋除塵。

含塵煙氣（或含塵氣體）經袋式除塵器凈化后，除塵器出口排放濃度：礦槽≤10 mg/Nm3，出鐵場≤ 10mg/Nm3。

高爐自 2020 年 4 月份投產以來，高爐順行、穩定，生產指標較好，日均產量為 8885t，燃料比 505kg/t， 詳見表 5。通過本次大修改造，高爐的各項指標均得到了大幅改善。

表 5   改造后高爐生產技術指標

通過本次大修改造，采用了多項長壽、節能、環保技術，投產后取得了良好的社會和經濟效益：

1） 高爐爐腹、爐腰關鍵部位采用了鑲嵌銅冷卻條的組合式冷卻結構，壁體溫度長期低位運行，表明形成的渣皮穩定可靠，有利于冷卻設備的長壽；

2） 爐缸耐材符合完全導熱設計理念，采用大塊炭磚結合導熱質陶瓷杯形成的完全導熱爐缸體系；

3） 采用干式爐頂均壓煤氣回收技術，環境友好，并且能夠創造經濟效益；

4） 出鐵場、礦槽除塵系統由電除塵改造為布袋除塵，達到超低排放要求；

5） 熱風爐采用高效節能板式換熱器，對助燃空氣和煤氣進行雙預熱。

參考文獻：

[1] 汪玉來. 天鋼 3200 m3 高爐中修開爐達產實踐[J].天津冶金，2013，S1.

[2] 鄧勇，焦克新，等.高爐銅冷卻壁損壞的原因及解決對策[J].煉鐵，2017，36（4）：10-15.

[3] 索延帥，全強，等.  新型爐體冷卻結構在高爐上的應用[J].天津冶金，2020，226（2）：42-45.

[4] 王春龍，祁四清，等.新型冷卻結構在 1080m3 高爐上的應用[J].煉鐵，2019，38（1）：26-28.