武钢8号高炉炉体系统设计特点.doc

第 2 1 卷第 7 期 2 01 1 年 7 月 中国冶金Ch i na M et al lu rg y Vo l. 21 , N o. 7J u ly 2 01 1武钢 8 号高炉炉体系统设计特点薛维炎1 , 闫彩菊1 , 欧阳龙1 , 杨佳龙2 , 迟建 生2 , 邓 棠2( 1 . 中钢集团工程设计研究院 有限公司, 北京 1 000 80 ; 2 . 武钢炼铁总厂, 湖北 武汉 43 00 83 )摘 要: 对武钢 8 号高炉炉体系统的设计进行总结, 根据武钢现役高炉的设计和生产经验, 对现役高炉存在的问题 和原因进行了分析, 对 8 号高炉炉体系统的设计方 案及特 点进行 了论述。主 要针对 高炉内 衬、冷 却壁的 结构形 式 及材 质的选择进行了详细分析、多方案比较, 其中对炉缸 冷却壁 与耐材 的结合 形式、炉缸冷 却壁、风口带 冷却壁 的 材质选择、风口组合砖上部至炉腹下部区域内衬 结构形式等几个方面的优化获得了业主的 认可并取 得了良好的 实 际生产效果。关键词: 高炉; 炉体; 设计; 特点中图分类号: T F 57 2 文献标志码: A 文章编号: 1 00 6- 9 356 ( 2 01 1) 07- 00 13- 05Furnace Body System Design of WISCO s BF No. 8X U E W e-i yan1 , Y A N Ca-i ju1 , O U Y A N G Lo ng1 , Y A N G Jia- lon g2 ,2CH I J ian- s h en g , DEN G T an g2( 1. S ino s t eel E ng in eeri ng Des ig n an d R es ear ch In s t it u t e C o. , L t d. , B eiji ng 10 00 80 , C h in a;2 . W uh an Iro n an d S t eel Gr ou p Co . , Wu han 43 00 83 , H u bei, C h ina)Abstract: T h e des ig n of W IS CO s bl as t f u r nace No . 8 b od y s ys t em is bei ng su m m ar ized . In co ns id erat ion of pr od uc- t i on exp eri ence and p ro bl em o f s erv ice b las t f u rn ace of WIS C O , t he d es ig n s ch em e an d ch aract eri st ic o f B F N o. 8 bo dy sy s t em is dem o ns t r at ed. An al yz in g an d com par in g b las t f u rn ace inn er lin in g, cool in g s t av es s t r uct u re an d m a- t er ial , t h e com b in in g f o rm o f h eart h cool in g s t aves an d r ef ract or y, h eart h co ol in g s t aves , t uy ere co ol in g s t aves m at e- r ial sel ect ion , i nn er lin in g s t r u ct u r e f o rm o f t u yere com b in at io n br ick s up s id e t o u n der si de w ere op t im iz ed and r at -i f i ed b y o w n er. T h e BF No . 8 bo dy s ys t em is w o rk in g w el l n ow .Key words: b l ast f ur nace; f u r nace b od y; d es ig n; ch ar act eris t ic1 概述和设计原则1. 1 概述武钢 8 号高炉为武钢第一座4 00 0 m3 级的特大 型高炉, 该高炉从 200 7 年 5 月 1 8 日正式开工建设,2008 年末已具备投 产条件, 但由 于金融 危机的 影 响, 一直到 2 009 年 8 月 1 日才正式点火投产。现就该高炉炉体系统的设计作一个较为全面的 总结, 以便同行在同类型高炉设计中加以借鉴和参 考。高炉炉体系统设计的好坏直接影响到高炉操作和高炉寿命, 而炉体内衬和冷却系统的设计又是高 炉炉体系统设计的关键, 本高炉炉体内衬和冷却系 统设计采用了目前国内外普遍接受和认可的 薄壁 炉衬配联合软水密闭循环冷却 系统 的设计方案。 与武钢现役高炉的不同之处在于风口带冷却壁采用了铸铜冷却壁, 并且对风口组合砖上部至炉腹下部区域的内衬结构作了一些改进和优化。根据武钢 1 号、4 号、5 号、6 号、7 号高炉 1 以及 国内外很多 其他 高炉的 生产 实践, 证明 薄壁 炉衬 ( 5 0 15 0 m m ) 高 炉 完全 能取 代 传统 的 厚 壁炉 衬 ( 5 75 805 mm) 高炉。但是随着高炉冶炼强度的不 断提高, 薄壁炉衬高炉也暴露出一些问题, 例如风口 组合砖上部至炉腹下部区域, 经常出现开炉后 3 个 月左右的时间便有大量的耐火材料脱落, 且风口带 冷却壁水管出现渗漏的现象。一旦出现这些问题, 处理起来非常棘手, 轻则需对破损的管路进行处理, 例如用穿软管的办法来代替漏损的管路 2 , 重则需 进行内衬修补和对冷却壁进行更新改造。导致这些 问题出现的原因综合起来有三大方面: 一是设计原 因, 二是冷却设备制造方面原因, 三是实际生产操作 方面原因。本文重点对薄壁炉衬高炉暴露出的以上作者简介: 薛维炎( 1963- ) , 男, 大学本科, 教授级高工; E- mail: x ue w y sino st e el. c om ; 收稿日期: 2010- 08- 0914 中国冶金 第 2 1 卷问题进行分析论证, 进而对武钢 8 号 高炉炉体系统最终方案的优化和选定加以说明。1. 2 设计原则武钢 8 号 高炉是迄今为止武钢最大的高炉, 在 世界范围内也属特大型高炉之列, 为此确定了以下 设计原则: 不能把本高炉视作武钢其他高炉的简单重复, 而要以 先进、实用、可靠、经济、环保 为设计原则, 采用国内外特大型高炉一流的先进技术和 设备材料, 充分考虑先进技术的发展趋势; 该高炉 建成后能起到提高企业竞争力的作用, 采用精料、高 温、高压、富氧、大喷煤的冶炼工艺, 实现高产、低耗、 长寿、环保和优质的目标, 高炉一代寿命 20 a( 不中 修、不喷补、不更换冷却壁) , 高炉一代寿命单位炉容 产铁量 15 00 0 t 。2 高炉炉体内衬和冷却系统的方案分 析论证及选择2. 1 炉缸炉底结构分析炉缸炉底长寿技术的发展经历了一个漫长的阶 段, 综合炉底和全炭炉底是 现代耐火材料法 和 导热法 的杰出代表。而 炭质炉缸+ 综合炉底 结构和 炭质+ 陶瓷杯复合炉缸、炉底 结构是整个炉缸 炉底结构的两种主流模式, 在国内各大钢铁公司广 为应用, 且有 10 年以上的长寿业绩, 并在生产实践 中不断创造新的长 寿纪录。武 钢现役高炉都 采用 炭质+ 陶瓷杯复合炉缸、炉底 结构, 且寿命在国内 处于领先地位, 例如: 武钢 5 号 高炉一代炉龄 达到16 a, 虽然该结 构投资 相对 较高 些, 但 有其 独到 优势, 主要在炉役初期陶瓷杯保护了炭质内衬, 有利于 炉缸、炉底逐步从动态期过渡到稳态期, 达到高炉长 寿的目的。基于以上原因, 武钢 8 号 高炉炉缸炉底 仍采用 炭质+ 陶瓷杯复合炉缸、炉底 结构。其创 新技术如下:1) 炉缸 2 3 段冷却壁采用铸铜冷却壁大大加 强了冷却能力; 过去炉缸全部用灰铸铁冷却壁, 铸铁 的导热系数只有 35 45 W / ( m K ) , 铸铜冷却壁的 导热系数可达到 260 300 W / ( m K ) , 为强化冷却 采用铸铜冷却壁在武钢是一项创新。2) 炉缸炉底都采用了优质超微孔炭砖, 炭砖的 导热 系 数 室 温 大 于 16 W/ ( m K ) , 600 大 于20 W / ( m K ) , 为强化冷却提供了很好的条件。所 用炭砖平均孔径 1 m , 1 m 孔容积大于 80% ,透气度 1 mD a, 因此具有很好的抗铁水和 K 、N a、Zn 等有害物的渗透侵蚀能力。而且所用炭砖抗碱性优良, 抗氧化、抗铁水溶蚀性好, 为高炉长寿提供了很好的条件。3) 8 号高炉的炭砖以上风口区及 风口组合砖 和陶瓷杯壁砖都采用微孔刚玉砖, 该微孔刚玉砖的 抗渣铁侵蚀性, 抗碱性十分优良。硅铝质耐火材料 具有微气孔性能属国内外首创, 其性能( 见表 1) 很适合用作高炉陶瓷杯壁砖, 远远优于国内常用的陶 瓷结合棕刚玉砖。表 1 8 号高炉陶瓷杯 耐火砖理化性能指标 Tabl e 1 The physi cal and chemical perf ormance of cerami c cup fi rebrick of BF N o. 8验收保证值 指标微孔刚玉砖( 杯壁) 莫来石砖( 杯底)A l2 O 3 / % 83 70SiO 2 / % 7. 0 - Ca O / % 0. 2 -F e2 O 3 / % - 1. 0N a2 O+ K 2 O / % - 0. 5 常温耐压强度/ M P a 150 100 体积密度/ ( g c m- 3 ) 3. 3 2. 65显气孔率/ % 12 160. 2M Pa 荷重软化开始温度/ 1 650 1 650重烧线变化( 1 500 3 h) / % 0. 2 0. 3平均孔径/ m 0. 2 - 直径 1 m 孔容积率/ % 70- 抗碱性 U- 渣侵蚀性能/ % 10 -铁水熔蚀性能/ % 1. 5 1. 0 4) 将铜冷却壁内的炭砖炉衬设计为紧贴铸铜 冷却壁砌筑, 砌筑一层厚 2 00 mm 的高导热微孔模 压炭砖, 其导热系数 60 0 大于 20 W / ( m K ) , 砖 缝小于2 mm , 这样便将武钢传统炉缸结构的大炭砖 与冷却壁之间的炭素捣料层向炉内推移了 200 mm, 生产中炭素捣料层的温度可提高到 1 50 以上, 将 显著提高炭素捣打料的导热系数。该炉缸 结构将 炭素捣料层向炉 内移动 2 00 m m, 是国内外尚没有 的新型结构, 是大 胆创新。高 导热 炭素 捣打料 性 能见表 2, 导热 系数 30 0 时 可 达 到 20 W / ( m K ) 。5 ) 所采 用的铸铜冷却壁、高导热 模压微孔炭 砖、大块超微孔炭砖、微孔刚玉砖、高导热炭素捣打 料等 5 种新产品用于高炉炉缸, 是高度重视和大胆 采用新技术、新材料的具体体现, 根据各项材料的性 能和应用原理, 预计这种新型炉底、炉缸结构能达到 使用 20 a 的高炉长寿目标。第 7 期 薛维炎等: 武钢 8 号高炉炉体系统设计特点 1 5表 2 高导热炭素捣打料的技术指标Table 2 The technical i ndex of high conductivi ty thermal carbon ra mmi ng charging序号 性能指标要求1 固定碳/ % 852 模子容重/ ( g cm- 3 ) 1. 653 耐压强度( 110 24 h) / M Pa 104 施工性能良好5 导热系数( 110 24 h) / 室温 18 ( W m- 1 K - 1 )100 19300 202. 2 炉腹、炉腰、炉身下部结构分析炉腹、炉腰及炉身下部处于高温和熔融区, 该区 域的热负荷大, 化学侵 蚀严重, 热应力破损作 用较 大, 工作条件差, 是影响高炉寿命的重要部位和限制性环节。因此, 要解决这个问题, 主要从冷却和耐火材料两个方面入手, 而高效冷却又是关键。目前大 型高炉主要采用铜冷却壁和铜冷却板或板壁结合的 炉腹、炉腰、炉身下部结构。主要对铜冷却壁和铜冷却板进行比较, 这两种冷却结构都有高炉长寿的实 绩, 同时各有其明显的优点和缺陷( 见表 3) 。铜冷 却板为点式冷却, 其优点是热流密度大, 插入到砖衬 中, 可以实现 深度 冷却, 也可以对砖衬提供有效的 支撑, 砌体寿命长, 铜冷却板便于更换; 但缺点是铜 冷却板多用于厚壁炉墙, 侵占炉容, 炉衬侵蚀后高炉 内表面不光滑, 阻碍炉料运动。冷却壁为面式冷却, 与冷却板相比更有利于保护炉壳, 有利于维护光滑 的操作内型, 炉墙相对较薄, 在相同炉 壳尺寸条件 下, 高炉的容积较大, 故冷却器总体发展趋势为立式 冷却壁。表 3 铜冷却壁和铜冷却板的对比Tabl e 3 The contras t of co pper stave and copper cool ing pl ate铜冷却板 铜冷却壁1) 对砖衬提供高效冷却;2) 有利于支撑砖衬;优点 3) 更换简便、快捷;4) 设计成多通道结构, 提高冷却效率;5) 采用密集式布置, 增强冷却效果。1) 高炉热损大;2) 不能对炉壳提供均匀、全部冷却;3) 高温状态下易弯曲变形;缺陷4) 炉壳开孔大, 炉壳设计复杂;5) 不利于形成稳定的操作炉型;6) 厚壁炉墙, 要求匹配高级耐火材料( 如石墨、半石墨、碳化硅等) 。1) 冷却全部炉壳;2) 高炉热损失少;3) 冷却均匀, 操作炉型合理;4) 炉壳开孔小, 减少炉壳热应力破损;5) 砖壁一体化, 减少砖衬厚度, 使施工安装简化。1) 对砖衬支撑效果差;2) 不易于更换维修。 近 10 年来, 铜冷却壁 3 得到迅猛发展, 世界上已有约 100 多座高炉采用了铜冷却壁, 主要应用在 炉腹、炉腰、炉身下部, 大大提高了高炉的使用寿命, 其先进性毋庸置疑, 所具有的优越性有如下几个方 面。1) 钻孔铜冷却壁导热率高( 导热系数 34 0 3 85W / ( m K ) ) , 是铸铁冷却壁的 11 12 倍( 如果考虑 铸铁冷却壁的壁体和冷却水管间气隙、渗碳涂层引 起的巨大热阻, 则铜冷却壁的综合导热率是铸铁冷 却壁的 45 倍) 。由于铜冷却壁 具有很高的导 热性 能, 使得液态渣牢牢地粘在铜冷却壁热面, 从而形成 稳定的渣皮, 稳定的渣皮无疑是最好的保护层, 能实 现炉身下部的无过热结构体系。2) 散热 损失少。表面上看, 铜冷 却壁导 热率高, 热阻小, 冷却能力强, 似乎带走的热量多, 但是也 正是因为其高导热性使得液态渣牢牢地粘在铜冷却 壁热面, 形成稳定的渣皮, 渣皮的导热系数很低, 约1. 2 W / ( m K ) , 因 此, 稳 定的渣皮 具有很高 的热 阻, 能降低炉壁的热损失。因此安装铜冷却壁的高 炉热量损失不但未增加, 反而降低了, 特别是在高热 负荷区安装铜冷却壁的效果更明显。3) 耐高热流冲击性能好。由于铜冷却壁具有 很高的导热性能, 使得壁体实际最高温度与允许最 高温度 之 比 不到 0. 6 5, 而铸 铁 冷 却 壁 此 值高 达0. 8 0 . 9, 因此, 铜冷 却壁能够承受更高的热流冲 击。它正常能 承受的热 流强度约 为 75 k W / m2 , 短16 中国冶金 第 2 1 卷期 30 min 内能够承受的 热流峰值 强度达 45 0 k W /2 4m。4) 抗热震性能好。铜冷却壁热面能形成稳定的渣皮, 渣皮脱落和重新生成的周期次数就少, 这使 得冷却壁热疲劳得到抑制, 根据有关资料: 渣皮脱落 后, 壁体热面在9 m in 内就能达到最 高温度 1 70 , 再用 17 分钟渣皮又能重新完全形成, 壁体恢复到正 常温度 50 60 , 整个周期只需 2 0 m in , 而铸铁冷 却壁则需要几个小时。5) 耐火材料投资少。由于铜冷却壁热面能形 成一层稳定的渣皮, 对铜冷却壁起到了自保护作用, 这样铜冷却壁不会受到高温作用( 相对于铸铁壁而 言) , 所以铜冷却壁不必砌很厚的耐火材料, 节省了 大量的价格昂贵的耐火材料费用。6) 硬度低和晶相组织致密, 加工性能好, 可以 在轧制厚铜板上钻孔、焊接。7) 由于铜冷却壁厚度薄, 所以重量轻; 由于其加工易于控制, 所以壁体外形尺寸、固定位置及进出 水管的尺寸偏差都能严格控制在要求的范围内, 累 计误差较少, 提高安装精度, 有利于避免因冷却壁公 差而造成的安装难度。8) 冷却稳定、均匀。铜冷却壁凭借其强冷却特 性, 热面能形成稳定的渣皮, 渣皮不易脱落、存在的 周期长, 并且脱落后重新生成的时间短, 有利于维持 一个稳定的高炉操作炉型和高炉工况条件, 有利于 高炉长期稳定顺行。鉴于铜冷却壁以上诸多优点以及武钢现有高炉 的操作实践, 武钢 8 号 高炉在高热负荷区域的设计 中除在炉腹, 炉腰和炉身下部继续采用轧制铜板钻 孔冷却壁外, 在以下两方面进行了改进: 将风口带 冷却壁由球墨铸铁冷却壁改为铸铜冷却壁, 解决了 风口组合砖上部至炉腹下部区域经常出现开炉后 3 个月左右的时间便开始有大量的耐火材料脱落, 且 风口带冷却壁水管出现渗漏的问题。 在内衬设计 上对风口组合砖上部至炉腹下 部区域也进行 了改 进, 一是对该部位的耐材砌体厚度做出调整, 武钢原 来的 薄壁高炉这一区 域的耐材厚度 一般在 200 300 mm 之间, 本次设计调整为 46 6 mm ; 二是对耐材 砌筑结构形式也作了改变, 取消了耐火砖与冷却壁 之间的捣打缝, 改为砖直接紧贴冷却壁砌筑, 且在砖 型设计上进行了局部优化, 将过渡砖局部加高至两 块冷却壁的接缝之上, 防止了因灌浆区域密封不严 气流从通缝中串进灌浆区域而造成炉壳温度升高以 及过渡区域的砖衬过快损坏脱落缺陷的发生。通过生产单位、冷却壁制造单位、设计单位的大量调查分析, 一致认为冷却壁水管出现渗漏的原因 除了设计方面原因, 还有冷却壁制造方面原因和实 际生产操作方面原因。冷却壁制造方面的原因如下: 风口带冷却壁 水管长, 空间弯曲复杂, 弯制过程中未能严格执行冷 弯要求; 铁水质量不稳定, 硫、磷控制不严格, 致使 冷却壁理化指标达不到设计要求, 检验也未能严格 按图纸要求执行, 如心部伸长率等指标达不到设计 要求值。实际生产操作方面的原因如下: 盲目追求超短 的达产期和超高的冶炼强度, 不按设计要求操作等 原因。合理的操作应该是开炉时采用高硅冶炼, 使 炉渣有良好的流动性, 并有一定的脱硫能力; 有利于 铁水里的石墨 尽快沉积在耐火材料的 砖缝或其表 面, 保护炉衬; 强化速度也不宜太快, 最好视炉况逐 步打开全部风口送风, 1 3 个月主要技术经济指标 达到正常水平。高炉进入稳定生产期后操作的核心 是控制煤气流合理分布: 将高炉横向断面分为中心 区、边缘区和中间区。采用中心加焦法以稳定疏通 中心煤气流, 从而减少焦炭熔解损失, 形成伞形软熔 带, 改善炉缸焦炭堆的透气性和透液性, 减少铁水环 流, 延长 炉缸寿 命; 采用 烧结 矿分 级 入炉, 将 5 15 mm 的小粒度烧结矿装在边缘区, 以控制边缘的煤气流, 降低炉墙的热流强度, 对炉壁进行有效的保 护; 在中间区域提高矿焦比最大限度地利用煤气的 热能与化学能, 并依次来控制煤气流的合理分布, 达 到高炉生产稳定、高效、长寿的综合目标。该区域耐火材料选择应兼顾抗碱金属性、抗氧 化性、抗热震性、耐剥落性、导热性等多项性能指标。 由于在该区域采用了铜冷却壁, 使得该区域对耐火 材料的要求并不高, 国外有些高炉仅在该区域喷涂50 10 0 mm 的喷涂料。但国内高炉的操作模式不 同于国外, 多采用高富氧、大喷煤、高冶炼强度操作, 该区域采用喷涂料的高炉在风口组合砖上部至炉腹 下部区域出现耐火材料脱落, 且风口带冷却壁水管 出现渗漏的现象较多, 因此国内大型高炉在高热负 荷区域多采用炭化硅砖, 也有一些高炉采用烧成微 孔铝炭砖, 还有些高炉采用了赛隆结合的炭化硅砖, 赛隆结合的炭化硅砖耐压强度、抗折强度、导热性等 都优于其他两种砖, 但其价格最高。通过综合分析 各项指标, 结合现阶段国内多座高炉的实际生产情 况, 本高炉在炉腹、炉腰及炉身下部区域采用了赛隆 结合的炭化硅砖。第 7 期 薛维炎等: 武钢 8 号高炉炉体系统设计特点 1 72. 3 炉身中部、上部结构分析在炉身中上部的铸铁冷却壁区域, 热负荷及化 学侵蚀较炉腹至炉身下部相对减小, 因此, 从节约投 资考虑, 采 用 Si3 N 4- S iC 砖砌筑。它具有较好 的抗化学侵蚀和抗机械冲刷能力, 同时导热性和抗热震 性也较好, 与冷却壁配合, 可大大提高冷却效果, 延 长高炉寿命。2. 4 冷却系统冷却介质是影响高炉长寿的一个重要因素。长 期的生产实践证明, 在中国大部分地区, 普通工业水或工业净化水难以满足高炉长寿要求。高炉要进一 步长寿, 冷却水质必须有一个大的飞跃。软水( 或纯 水) , 由于去掉了水中的 Ca+ 、M g + 离子及悬浮物,杜绝了水垢的形成, 大大改善了冷却效果, 是冷却系统最理想的介质。软水密闭循环系统密封性好、泄 漏少、水质稳定、管道腐蚀率低、能源消耗少, 对水资 源不足或水质不好的地区, 采用这一系统是非常必 要的。因此, 软水密闭循环冷却是现代长寿高炉冷 却的发展趋势。高炉冷却有普通工业水冷却、工业净化水冷却、 工业净化水加软水闭路循环冷却、全软水闭路循环 冷却、全软水联合闭路循环冷却等几种冷却方式 5 。 全软水联合闭路循环冷却方式是在长期的设计、生 产实践中逐步探索出来的一种最为经济、节能的冷 却系统, 该系统具有总循环水量和补充水量小、投资 省、运行费用低、管系布置简单、检修维护及检漏方 便等诸多优点, 因此该冷却方式越来越多地应用到 了新建或改造的大中型高炉设计中。全软水联合闭路循环冷却系统的具体方案是: 高炉本体( 含炉底、风口、冷却壁、炉喉钢砖) 和热风 炉热风阀( 含倒流休风阀) 采用一个循环冷却系统; 从软水泵站出来的软水在炉前一分为二, 一部分供 冷却壁直管, 一部分供炉底和炉喉钢砖, 两者回水进 入回水环管; 从冷却壁回水环管出来的软水一分为 三, 一部分经高压增压泵增压, 供风口小套使用, 另 一部分经中压增压泵增压, 供风口二套、直吹管、热 风阀使用; 两者回水与多余部分水一起回到回水总 管, 经过脱汽罐脱汽和膨胀罐稳压, 最后回到软水泵 房, 经过二次冷却, 再循环使用。3 高炉炉体设计的其他主要内容高炉炉体设计还包括炉型设计、炉体框架设计、 炉体附属设备( 红外线料面监测