1350m-3高炉炉体设计_王洪.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期1350m3高炉炉体设计王洪王璐王振虎(北京中冶设备研究设计总院有限公司北京 100029)摘要以某公司新建 1350m3高炉炉体系统为例，从炉型设计、框架及平台设计、冷却系统设计、耐火材料系统、炉体监测等几方面阐述了 1350m3级别高炉的设计特点，从设计角度为 1350m3级别高炉稳定、高产、顺行提供技术支持。关键词高炉炉体设计中图法分类号TF57文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.006Design of 1350m3BF StackWangHongWang LuWang Zhenhu(Beijing Metallurgical Equipment Research Design Institute Co，Ltd，Beijing 100029)ABSTRACTThis paper takes 1350m3BF in Haicheng Hengsheng Casting Ltd as an example，summarizesdesign features of 1350m3BF from furnace design，frame and platform design，cooling system design，refractorymaterial design，furnace monitoring system design Technical support is provided for stabilization，high yeild andproduction of 1350m3BF from designationKEYWORDSBlast furnaceStackDesign1前言某公司通过产能置换、产业结构升级，淘汰现有落后的小高炉，新建 1 座 1350m3高炉。主要建设内容包括:原料供应、矿(焦)槽、主皮带上料、炉顶、炉体、风口平台出铁场、粗煤气除尘、热风炉、炉渣处理、煤粉制备及喷吹、煤气布袋除尘、BPRT 鼓风机、主控楼、高炉中心循环水泵房、空压站、出铁场矿槽除尘以及相关生产生活等设施。本设计本着“实用、经济、环保、可靠”的原则，贯彻大冶强、高风温、高顶压、安全长寿等技术方针，以实现高炉高效、长寿、顺产、稳定、环保的目标。本次高炉设计采用的主要先进技术有:紧凑全封闭单排带矿丁焦丁回收矿槽、串罐炉顶放散煤气回收的无料钟炉顶、高产长寿高炉本体、冷水底滤法水渣、燃烧器喷口采用大块组合砖拱脚砖采用大块重质砖的顶燃高风温热风炉、平坦化全封闭出铁场、浓相输送富氧大喷煤、电机风机透平机三机同轴的 BPRT 高炉风机、节能节水的软水密闭循环水系统、气力输送的高炉煤气布袋除尘、高炉煤气脱硫，完全按照绿色制造超低排放要求执行。特别是该 1350m3高炉高度仅为 63m，为全球首创，完全实现了轻量化设计，对传统高炉设计理念具有颠覆性影响。高炉炉体设计的目标是在强化冶炼的条件下实现高炉一代炉役寿命 10 年以上。根据国内外大量研究成果以及不同炉体冷却结构的发展、演变资料，实现一代炉役寿命的目标，炉体结构设计原则如下:(1)根据国内外高炉内型的发展趋势，参考具有良好操作指标的同类高炉内型，结合本工程62作者简介:王洪，男，1986 年出生，硕士，邮箱:wanghong0531126 com的具体条件，确定合理的高炉内型;(2)以保证高炉冷却可靠，采用软水和高压水，对炉体进行 100%水冷;(3)炉腹、炉腰和炉体下部等关键部位的冷却设备采用球磨铸铁冷却壁。以传热学理论为依据，通过冷却器温度场计算对其结构进行优化，达到既满足强化冷却，保证高炉的正常生产，又节约材料消耗的目的;(4)采用薄壁炉身结构，铸铁冷却壁之间具有可靠的衔接;(5)以高质量的炭砖与良好冷却相结合的理念进行炉缸炉底结构设计，达到延长炉缸、炉底寿命的目的。2主要设计指标该 1350m3高炉的主要设计指标见表 1。表 11350m3高炉主要技术经济指标序号指标名称单位数值备注1高炉有效容积m313502年工作日d3503年平均利用系数 t/(m3d)2.594日平均产铁量t/座35005焦比kg/t3806煤比kg/t1707燃料比kg/t5508熟料率%909富氧率%3最大:510送风温度1200最大 125011炉顶压力MPa0.22最大 0.2512年产铁水104t/座1203炉型设计炉型对高炉冶炼至关重要，合理的炉型是高炉稳定、顺行、高产的基础。该 1350m3高炉采用全铁基冷却壁薄炉衬结构，因此设计原则为使设计炉型最大程度接近于操作炉型，根据上述确定高炉内型的原则，通过对国内同级高炉内型的分析比较，对高炉的高径比、炉腹角及各主要参数进行分析，确定高炉内型尺寸见表 2。为达到高炉高产、顺行、长寿的目标，本次炉型设计有以下特点:(1)高炉设 20 个风口，2 个铁口，不设渣口。(2)高炉适当矮胖，有利于高炉强化冶炼和低耗生产。表 2高炉炉型主要尺寸表序号项目单位符号数值1公称容积m3Vu13502炉缸直径mmd85003炉腰直径mmD98004炉喉直径mmd162005炉身高度mmh4142006炉喉高度mmh518007有效高度mmHu24700(3)较小的炉腹角，为煤气流提供充足的扩散空间，减轻对炉腹耐材和冷却壁的冲刷，均匀分布煤气流，有利于炉腹渣皮的稳定生成。(4)适度加大了炉缸高度，保证了炉缸活跃的同时，扩大了风口回旋区和风口燃烧带，有利于煤粉的充分燃烧机改善下部焦柱的透气性，有利于改善煤气的气体动力学条件;进一步提高了渣铁容积，为高炉的强化冶炼提供了空间。(5)较大的死铁层深度，1800mm 的死铁层在同级别高炉中较深，实践证明，适度加深死铁层深度有利于高炉生产调剂，同时可以减轻铁水环流对炉底炉缸耐材的冲刷侵蚀，减轻炉缸处的“象脚”状侵蚀，保证高炉安全生产和一代 炉 伇寿命。1 4炉体框架及平台设计该 1350m3高炉炉体钢结构框架为自立式结构。从满足高炉围管布置、有利于炉前机械设备布置和方便冷却设备维护操作出发，同时考虑节省工程造价，确定高炉炉体框架尺寸为 15!14m。炉体框架与高炉本体完全脱开，与各层平台、炉顶框架、煤气上升管等连成一体，这部分纵向载荷和热风围管、炉体平台及其上面设备、管道、检修等荷载全部通过 5 根框架柱传给混凝土基础。炉体上部框架平台分为 5 层(包括炉顶大平台)，热风围管以上平台用于炉体冷却设备及冷却系统的检修，平台间设有双路走梯，走梯设置充分考虑操作人员走行方便和安全。高炉炉壳在冶炼过程中不仅承受无料钟炉顶设备、炉料、炉体设备、耐材、炉料、渣铁的垂直负荷，还承受热应力、炉内气体、炉料横向压力等的72王洪等:1350m3高炉炉体设计2022 年 12 月第 6 期作用，同时兼顾经济性，设计采用强度高、焊接性能好的 Q355 B 钢板制作炉壳。在开孔多或大的部位(如风口区、铁口区、炉顶封罩)，为弥补开孔造成的强度减弱，炉壳厚度适当加厚，并做必要补强。炉底板铺在工字钢上，炉底板承受炉壳的部位做加厚处理。同时，两层工字钢与炉基用一圈环板密封，从而保证了炉底的强度和密封性。6冷却系统设计冷却系统的好坏直接关系到冷却元件的寿命，从而关系整个高炉的寿命。软水密闭循环冷却系统凭借一定的系统工作压力，使冷却水在一定的欠热度下工作，保证足够的冷却强度前提下允许可使用较高的水温升，同时系统回水压力得到利用。因此，软水密闭循环冷却系统具有高效、节能、不结垢、无污染、冷却强度高、自动化程度高、运行安全可靠等诸多优点，所以在国内外大中型高炉上得到了广泛应用2。高炉炉体采用全软水密闭循环冷却工艺。从高炉软水泵站出来的软水供高炉炉体，供高炉炉体冷却的软水由三部分组成:炉底冷却 340m3/h，从炉底出来的软水与风口大套串级使用。冷却壁冷却 2540m3h，冷却水管以竖向方式自下而上串接，一直到喉砖下部的冷却壁。风口中套冷却 400m3/h。这三部分的软水回水进入冷却壁回水总管，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。炉体系统软水总循环水量为 3280m3/h。本设计炉体采用 100%冷却，各区域冷却设备主要特征见表 3。表 3各区域冷却设备特征序号部位冷却壁结构砖衬材质11 5 段光面铸铁冷却壁26 9 段铸铁冷却壁氮化硅结合碳化硅砖3 10 11 段球墨铸铁冷却壁微孔铝炭砖4 12 14 段球墨铸铁冷却壁磷酸盐浸渍粘土砖515 段倒扣球墨铸铁冷却壁粘土质浇注料冷却设备布置为，炉底炉缸采用光面灰铸铁冷却壁，圆周分 30 块，每块设 4 根 70 6 冷却水管。炉腹、炉腰、炉身下部采用镶砖铸铁冷却壁，每块设 4 根 70 8 冷却冷却水管。炉身中上部设 4 段球墨铸铁镶砖冷却壁，每块设 4 根 70 6冷却水管。炉身上部即炉喉钢砖下部设 1 段倒扣光面冷却壁，在保证光滑的内型的同时，承受生产中低料线时炉料的冲击。炉喉部位设 1 段水冷炉喉钢砖。7耐火材料设计高炉耐材直接与高温炉料、渣铁接触，工作环境恶劣，耐火材料的选择和设计，尤其是炉腹、炉腰、炉身下部区域，设计不合适就容易导致冷却壁烧穿，制约高炉操作，直接影响高炉的一代炉伇。本次设计充分考虑高炉各部位的不同工作条件和侵蚀机理，有针对性的选用耐火材料，并对耐火材料结构进行了优化设计。(1)炉底炉缸耐材。炉底、炉缸耐材设计为炉底水冷封板上满铺 2 层半石墨炭砖，1 层微孔炭砖，1 层超微孔炭砖。炉底共砌 4 层大块炭砖，厚度1700mm。再上砌2 层刚玉莫莱石陶瓷垫，每层厚度为 400mm，总厚度 800mm。炉缸异常侵蚀区和炉缸侧壁环砌超微孔炭砖。死铁层和铁口区域的炭砖局部加厚，炉缸炭砖内侧砌小块陶瓷杯。铁口区、风口区采用刚玉莫来石组合砖，提高了砌体的稳定性和寿命，并有利于保护铁口通道和风口设备3。(2)炉腹、炉腰、炉身耐材。炉腹、炉腰、炉身下部是热流强度最大的部位，该部位受热流冲击和热负荷等的叠加影响，高炉热侵蚀和化学侵蚀机理见图 14，而且该部位以炉腹的工作条件最为恶劣，炉腹除了承受热流冲击外，还频繁承受渣铁滴落，渣皮脱落等瞬间高温工况。图 1高炉热侵蚀和化学侵蚀机理本次设计中，炉腹部位的镶砖全部为异形砖，并采用上短下长的布置，使炉腹部位耐材平滑过渡，利于煤气流往上扩散。同时该段耐材采用长822022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备短错台式布置，利于挂渣，形成稳定渣皮，有效保护炉腹冷却壁。该段冷却壁热面也与风口冷却壁热面实现平滑过渡，防止形成错台，减轻煤气流的冲刷。炉腹部位耐材结构见图 2。炉腹、炉腰、炉身下部采用冷镶氮化硅结合炭化硅砖，炉身中部采用冷镶磷酸盐浸渍粘土砖，炉身上部喷涂炉体喷涂料，与炉身中部和炉喉钢砖形成平滑过渡，利于煤气流上升。图 2炉腹部位耐材(3)炉顶封罩炉顶封盖采用 CMG BF 喷涂料喷涂，喷涂厚度 150mm。8炉体监测高炉的稳定顺行除了考虑炉型、冷却、耐材等因素外，还需要在高炉的实际运行中，密切监测高炉冷却设备、耐材、冷却水系统、风口、炉顶等的运行状况。为高炉稳定运行提供可靠依据。炉体设置完善的温度、压力、流量检测，以及炉顶红外线摄像仪等检测项目。本次设计设置大量温度、流量、压力等常规监测点，同时还考虑炉顶红外摄像、风口成像等影像采集设备，还增加了炉缸侵蚀模型、水温差监测等辅助手段，使操作人员能够更全面地掌握高炉状况。(1)常规温度、压力、流量监测炉缸炉底在炉衬和冷却壁上设置热电偶，用以检测炉缸炉底部位温度分布、推断炉缸炉底的侵蚀状况及冷却壁损坏状况，热电偶数量满足数学模型要求。炉腹以上冷却壁设置热电偶，用于检测炉衬侵蚀状况和冷却壁损坏状况。(2)炉顶红外摄像仪设置炉顶红外摄像仪 1 台，其主要任务是观察炉顶料面煤气发展情况和布料溜槽工作情况，通过图象处理技术显示炉顶料面温度。(3)高炉炉底炉缸侵蚀检测及热负荷