宝钢4号高炉设计采用新技术及其特点(A).doc

宝钢4号高炉设计采用新技术及其特点摘要 简要介绍了宝钢新建4号高炉设计中所采用的炼铁工艺新技术，以及说明这些新技术的特点和设计原理，并结合国内外的相关情况对一些新技术的应用做了总结和分析。 关键字 高炉 串罐无料钟炉顶 炉体系统 高炉喷煤 炉渣处理 煤气清洗 热风炉 The characteristics and new technologies applied in design of No.4 blast furnace in BaosteelAbstract The paper introduces the new technologies of iron-making applied in construction of No.4 blast furnace in Baosteel, and explaines the characteristics of the new technologies and the principle of the design, in the same time, the new technologies have been summarized and analyzed which combine with the correlation situation of domestic and oversea.Key words blast furnaces bell less top with central charging hopper the system of BF body pulverized coal injection for BF slag treatment gas cleaning hot stove 1 前言由于宝钢分公司原有三座高炉将相继进入末代炉龄，为了减少高炉大修时对公司后段工序的影响，同时解决铁水不足对宝钢持续发展所带来的瓶颈制约效应，分公司在原有三座4000m3级特大型高炉的基础上，筹建了4号高炉（4BF）。新高炉在设计过程中，吸收前几座高炉的各方面的经验，跟踪国际大型高炉先进技术和发展趋势，以高产、长寿为目的，采用先进、成熟的工艺技术、设备和材料，优化设计，使高炉综合技术水平世界领先。新建的4BF炉容4350m3，于2005年4月27号顺利点火投产，六天后利用系数就达到2.27，超过了设计指标，30天内煤比突破200kg/t，为宝钢历次开炉最好水平，从半年的生产情况来看，高炉各项指标反映良好。表1 2005年宝钢4BF部分生产指标项目单位5月6月7月8月9月10月利用系数t/(m3d)2.2962.2202.3022.4182.4082.273焦比kg/t328.5267.3251.68240.7243.02260.18煤比kg/t154.70210.10225.98235.64234.14220.73小块焦比kg/t10.88.516.818.2413.2216.72燃料比kg/t494.0494.9494.5494.58490.39497.63Si%0.460.360.350.320.330.35S%0.0250.0210.0230.0230.0220.022一级品率%90.5999.0196.9998.899.3897.00工序能耗kg/t413.10404.87399.00384.23385.05396.402 主要设计特点概述针对宝钢原有高炉一些实际操作中的问题，结合国内外的炼铁技术进展，在4BF的设计过程中，采用了41项新技术。主要有：紧凑的总图布局、旋转布料器加固定料罐的串罐中心卸料式无料钟、炉缸高挂渣性能的热压小炭砖耐材、冷却壁、板结合的全炉身冷却型式、国内集成的喷煤技术、新英巴法转鼓水渣处理工艺、环缝洗涤煤气系统、平坦化出铁场等新型实用技术。3 设计采用的新技术及其特点3.1 总图布置由于建设场地的限制，4BF厂区用地面积仅为13.96万平方米，单位产量用地面积达到0.0399m2/tPig。为了不影响现有生产设施，保证物流顺畅，为一代炉龄后的大修留出施工通道，设计时采用了如下方法：1） 结合场地条件，采用半岛式布置，同类成组紧凑安排；2） 管线尽量平行于建筑物和道路布置；3） 场地狭窄和管网密集地段采用管廊。3.2 炉顶装料系统宝钢2、3高炉采用了当时最先进的带旋转罐的串罐中心卸料式无料钟炉顶，这是PW的第一套该型装置。该装置在实际使用过程中由于积灰引起旋转料罐减速机同旋转大齿圈之间损坏并导致经常不转，润滑及维护困难。针对上述问题，4BF采用了旋转布料器加固定料罐的型式（如图1），该方式可解决上部料罐固定时炉料在料罐内的偏析问题及料罐旋转机构的维护问题。上部料罐固定式结构并支撑在炉顶大框架上的方式，简化炉顶结构布置，取消制造难度大、加工要求高、安装不便的炉顶料罐支撑环梁，平台布置宽敞，为操作维护带来方便。图1 上部料罐结构图同时将固定罐中导料锥直接固定在料罐下锥体上，避免了导料锥吊架的折断。上料闸封闭，油缸放在箱体外，避免灰尘侵入，改善上料闸的工作环境。上料闸与上部料罐分段独立设置，并在箱体外设置如下阀箱类似的检修梁，检修时可将上阀箱沿检修梁移出高炉中心线进行整体更换（如图2）。上部阀箱悬挂于上料罐下部，与称量罐采用波纹管连接，罐间为全密封，上阀箱采用悬挂移出式结构，可彻底解决上料闸的整体检修及罐间除尘问题，炉顶环境大为改善。该方案同时解决了罐间除尘及上料闸检修问题。图2 上阀箱示意图与此同时，对溜槽传动齿轮箱采用闭路循环水冷的方式进行冷却，为减少齿轮箱进水口堵塞现象，在炉顶水冷站增加采用工业净循环水直接冷却齿轮箱的措施。为减少炉内煤气及粉尘窜入齿轮箱内，减少积灰，向齿轮箱中连续通入N2进行密封。3.3 炉体系统4BF在炉体系统设计上具有如下几个特点：1）设计矮胖化的高炉内型，增加死铁层深度，减缓炉缸铁水对炉缸底薄弱部位的侵蚀；根据宝钢原有三座高炉的操作情况来看，内型矮胖化的高炉具有适应性强、强化冶炼好和较高的煤比、较低的焦比。因此4BF保持了内型矮胖化的特点（见表2）。同时根据经验发现，高炉长寿的关键部位炉缸的蒜头状侵蚀，与炉缸内料芯所处的状态有关；若料芯下沉坐落在炉底上，出铁时铁水只能沿料芯与炉缸墙之间的环行通道流动，增加了对炉缸的冲刷损坏作用，并且铁水流动不畅，不易放尽。增加死铁层的深度，能使料芯在铁水的浮力下上升，增加铁水流动区域，缓解炉缸的侵蚀。表2 不同高炉内型尺寸表项目代号单位福山5(2)艾莫伊登7(3)千叶6(1)宝钢2（2）宝钢3（1）宝钢4(1)开炉日期85.12.1291.02.2877.06.1791.06.2991.09.2305.04.27有效容积Vum3460945404500406343504350高炉高度Hum30.5032.4231.0532.1031.5031.80死铁层高度hom1.501.812.01.802.953.00炉缸高度h1m4.755.34.95.45.4炉腹高度h2m4.34.3924.14.04.04.2炉腰高度h3m2.31.912.73.12.62.4炉身高度h4m17.020.11517.118.117.517.8炉喉高度h5m2.01.01.842.02.02.0风口数目个403840363838铁口数目个344444高径比Hu/D2.0452.0752.0032.0722,0722.0652）对比不同大型高炉耐材使用情况，炉缸炉底耐材选择抗渗透性好、高导热、抗变形能力强的热压小块炭砖；目前国内外在炉缸炉底耐材的选择上出现了两种不同的认识：即综合炉底和全炭炉底，从传热学角度来看，综合炉底是绝热与导热的结合，全炭炉底是完全的导热基础。从设计角度来看，综合炉底和全炭炉底分别是“现代耐火材料法”与“导热法”两种理论的产物。宝钢原有三座高炉分别采用了三种不同的炉缸耐材结构形式：其中大块炭砖结构和热压小块炭砖结构属于全炭炉底；大块炭砖加陶瓷杯结构属于综合炉底。实践证明，这三种耐材结构均能满足宝钢高炉生产需要，但也各有优缺点（如表2）。宝钢4BF在设计方案的选择过程中，考虑各种因素，如投资、建设周期的要求，选择了热压小块炭砖方案。表2 三种炉缸炉底耐材配置方案对比情况表类别使用实绩投资施工量特点大块炭砖宝钢2BF、1BF第一代高少优良的抗渣铁侵蚀能力、抗碱侵蚀能力、耐铁水渗透能力、高导热能力；但由于热应力的破坏有炭砖环裂的隐患大块炭砖陶瓷杯宝钢1BF第二代高大保温性能较好，炉缸热损失小，可得到较高的炉缸温度，耐铁水冲刷能力强，有利于节能、降硅和稳定操作。热压小块炭砖宝钢3BF低少较强的耐铁水渗透性、抗炉渣侵蚀性、较高导热性，易在炉缸、炉底形成稳定的渣铁凝固保护层；与冷却设备之间无需捣料层，减小砌体热阻，炉缸壁薄；砖的单块体积小，在炉缸形成多层环状配置，在特制胶泥配合下，有效吸收炭砖自身的热膨胀，使作用于每块炭砖上的温度应力大大减小，有效避免了炉缸砌体环裂现象的发生。3）采用板、壁结合的冷却形式，在关键部位使用铜冷却壁，提高炉缸炉底的冷却效果。炉体冷却设备的选择对高炉长寿至关重要，选择合适的冷却设备及合理的配置能保证各部位拥有合适的冷却强度，能够保持合理的高炉操作内型，有利于高炉的强化冶炼和稳定操作。宝钢4BF在炉底采用近含铜无缝钢管或不锈钢管作为冷却设备，风口以下使用冷却壁，其中蒜头状侵蚀等区域采用冷却强度大的铜冷却壁；风口四周冷却设备布置如图3所示。图3 风口区域冷却设备布置图炉腹到炉身中部采用密集式六通道铜冷却板，同时为防止炉壳在炉役后期开裂，在该部冷却板空隙处设置光面小铸铁冷却壁；炉身下部到炉身中部设置小块铸铁冷却壁，炉身上部设置镶砖球墨铸铁水冷壁；为了保持高炉内型，在炉喉部位，设计采用了复合炉喉钢砖。3.4 高炉喷吹煤粉设施与原有几座高炉不同的是，宝钢4BF的煤粉喷吹系统设计完全是宝钢自主知识集成，主要由供煤系统、煤粉制备系统、煤粉喷吹系统等组成，设计正常喷煤量为220kg/t-p，最大喷煤量为250 kg/t-p，喷煤能力世界领先。3.4.1煤粉制备系统的设计特点煤粉制备系统主要包括磨煤设备、烟气升温炉及收粉装置，其设计特点为：1）采用3个制粉能力达60t/h的大型磨煤机和3个700m2的原煤仓，煤粉制备能力强，投资较省；2）利用含氧量低、显热高的热风炉废气作制粉干燥气主要介质，既节能，又安全；3）采用负压制粉，系统压力波动小，工艺和设备较简化，阻损低，生产能力高；制粉工艺流程如图4。图4 制粉工艺流程图3.4.2煤粉喷吹系统的设计特点4BF的煤粉喷吹系统设计采用的是三罐并列，一根输煤主管加分配器方式。三个喷吹罐交替向一个混合器输送煤粉，然后通过输送主管送至分配器，从分配器引出的38根具有同长、同径、同形状的喷吹支管，由于其阻损相同，保证了均匀分配煤粉；同时该系统还有控制煤粉流速、堵塞检测报警、自动清扫和测量的功能，自动化程度高。3.5 出铁场系统为了改善炉前操作环境，提高机械化程度，方便操作和维护，出铁场系统的设计主要特点有：加宽风口平台，缩小出铁场面积，平坦化出铁场，固定贮铁式主沟，缩短渣铁沟，汽车可直上出铁场，DDS大推力泥炮和全液压开口机，液压移盖机，强化铁口区除尘，设置炉前集中液压站和集中控制室等。3.5.1 出铁场布置出铁场的设计特点主要体现在两个方面，其一是出铁场采用无填沙层全平坦化钢结构，不但减轻了出铁场平台的负荷和结构重量，节省了投资，同时也方便了机械化操作，改善了渣铁沟区域的操作检修条件，美化了工作环境。其二，结合总图布置，出铁场布置紧凑合理，在满足出铁场操作需要的前提下尽量减小出铁场面积。高炉共设有四个铁口，采用矩形双出铁场，两出铁场分南北对称布置，增加铁口间夹角，同时采用双边出渣的布置方式，不但防止了因铁口夹角过小引起炉缸温度过高，与3BF相比，2BF的铁沟还减少了22m，渣沟减少了15m，减少了铁水温度的损失和耐材的消耗。3.5.2 泥炮由于4BF需要高压操作和较长时间出铁，从操作维护方便的角度出发，要求泥炮设备简单，动作稳定准确，可显示打泥量等。因此，过去长期采用的电动泥炮逐渐被性能更好的矮身液压泥炮所取代。目前国内外使用的矮身液压泥炮主要有IHI式、MHG式、PW式和DDS式。宝钢4BF设计采用新型大推力DDS泥炮，其特点是没有专门的压炮机构和锁炮机构，炮嘴的压紧动作依靠旋转机构来完成，机构简单，动作可靠性高。当泥炮接近铁口面时，炮嘴直线运动并保持压紧力稳定。该泥炮在接近铁口面时的减速系统采用计算机控制，当炮口接近铁口至100150mm时，其行进速度立即降低，当炮嘴轻柔接触铁口后随即增压，并且具有记录压入铁口泥量的测量系统。3.5.3 开口机考虑到未来发展的方向并结合出铁场布置，4BF设计采用DDS全液压机强力开口机。该开口机具有顺序控制功能，并具有检测和记录开口进程、扭矩值等参数的功能，开口机可以在炉前集中控制室操作和无线遥控操作，并在炉前设置现场操作装置。该开口机为落地式，与泥炮同侧布置，可缩小开口机旋转时的工作范围，有利于主沟沟盖布置和风口平台加宽，并使炉前设备布置较为紧凑，同时也有利于开口机液压管路系统的检查和维护。另外，该类型开口机自动化程度高，检测和控制完备，有利于铁口的维护。3.6 英巴法炉渣处理英巴法水渣处理工艺具有工艺成熟，系统布置灵活，可实现连续冲渣，水渣质量好等优点，同时PW公司在原英巴法水渣工艺基础上又开发出带蒸汽冷凝装置的新英巴法水渣工艺。新英巴法水渣工艺解决了冲制熔渣时产生的大量有害蒸汽对环境的污染，环保条件得到了很大的改善。宝钢4BF采用该种工艺，并在南北出铁场各设置一套独立的水渣设施。水渣处理系统主要由水渣粒化装置、水渣过滤装置、水渣输送及贮存装置、粒化循环水系统、补充水系统、事故供水系统、清洗水系统及压缩空气系统组成。其工艺流程是：高温液态渣经熔渣沟进入炉渣粒化区，水渣冲制箱喷出高速水流使熔渣水淬冷却，形成颗粒状的水渣。渣水混合物经水渣沟、水渣槽和水渣分配器送入转鼓过滤器进行渣水分离。过滤后的水渣由水渣胶带运输机送至成品槽贮存和进一步脱水并用汽车外运，滤出的水经集水槽溢流进入粒化循环水系统，冷却后再送入水渣冲制箱循环使用。由于设计过程中将水渣过滤和冲渣水的循环冷却设施靠近布置，节省了大量的耐磨管，减少了水渣系统的维护工作量。3.7 粗煤气除尘和洗涤工艺3.7.1粗煤气除尘系统高炉粗煤气除尘系统由煤气导出管、上升管、五通球、下降管、重力除尘器及检修设施等构成。其中上升管顶部设计采用“球形节点”的连接方式。该方式与宝钢现有的连接型式比较，其炉顶总高度可以降低将近12m左右，降低投资，并便于炉顶结构及均排压设备的布置等。图5 球形节点示意图3.7.2比肖夫环缝洗涤煤气清洗系统粗煤气从环缝洗涤塔顶部进入，在预洗涤段被若干层大流量单向和双向洗涤水雾化冷却，较大直径的尘粒雾化后分离出来，汇集在水槽后送至水处理厂。之后部分半净煤气返回至高炉作为一次均压煤气，其余进入环缝洗涤塔环缝段被最终冷却和除尘。其工艺流程如图6。图6 4BF煤气清洗系统环缝洗涤塔的关键部件是3个环缝洗涤器（Annular Gap Scrubbe，既AGS），适当控制A