天钢3200m3高炉设计概况

1、全强张建梁李学金 王泽慜中冶京诚工程技术有限公司（原北京钢铁设计研究总院）摘 要：本文介绍了天钢新建3200m3高炉设计占地省、技术装备水平高、节能环保措施充分等主要特点，着重论述了高炉本体、热风炉及出铁场系统的设计理念和设计特色。关键词：3200m3高炉 工厂设计 特点 DESIGN OF 3200M3 BF AT TIANSTEELQUAN Qiang ZHANG Jianliang LIXuejin WANG Zemin Capital Engineering Research Incorporation Limited （Beijing central engineering and

2、researchincorporation of iron and steel industry）ABSTRACT The article introduces the mainfeatures of the new 3200m3BF in TIANJINSTEEL, such as less land occupying area,high level of technologies and equipments, andsufficientenergy-saving and environment-protecting measures. It mainly describes the d

3、esign concept and characteristics of blast furnace proper, hot stove and cast house system.KEY WORDS 3200m3BF(Blast furnace), design,characteristic天钢3200m3高炉是天钢东移二期工程的重要组成部分，设计高炉年产量为255万吨，加上一期工程所建2000m3高炉产量，天钢炼铁工序形成了年产430万吨铁水规模，从而彻底解决了天钢延续多年化铁炼钢的落后工艺以及对天津市区环境污染的问题；改变了天津钢铁工业布局分散和结构不合理的状况，为天津钢铁工业向高技术、

4、高附加值、高科技钢铁工业的发展奠定了良好基础。天钢3200m3高炉设计的突出特点：占地省，技术、装备水平高，环境保护措施充分。1.高炉占地省高炉建设的现场条件3200 m3高炉布置在原计划兴建的1000m3高炉区域内，该区域四周被已有铁路、公路所包围，位置极其狭小；原来计划建设的高炉基础等已经施工，主要设施如高炉中心、上料主皮带机、槽下供料系统和供返料接口的位置等已经定位。1.2节省占地的技术措施为在上述仅有的狭小空间内布置一座3200 m3高炉及其相应的公辅设施，设计采取了如下措施：-维持上料主皮带机水平长度不变、皮带机角度不12°，上料主皮带机的传动室与中间称量机械室架空，地平标

5、高为+12m，主皮带机水平长度263.5 m。-矿、焦中间称量料斗有效容积与炉顶料罐有效容积相同为72m3，仍保留两个焦炭中间称量料斗和一个矿石中间称量料斗，矿石皮带机、焦碳皮带机头轮平台标高+。-粉矿仓设于槽上皮带运输机主传动及检修室框架结构下，槽下筛下物即粉状料采用大倾角皮带运输机、垂直皮带运输机把粉状料输送到粉料仓内。-采用占地省的顶燃式热风炉。1.33200m3高炉平面布置如图1所示，高炉占地8公顷（200m×400m）；炼铁厂1座2000m3和1座3200m3高炉及公辅设施（包括铸铁机系统）共占地 26公顷（650m×400m），与国内外部分炼铁厂高炉占地相比（见

6、表1）较省。图1 3200m3高炉平面布置Layout drawing of 3200m3BF表1国内外部分炼铁厂高炉占地表TableLand occupying area of inside and outside Ironworks厂名建设年份高炉座数及容积（m3）布置形式炼铁厂地面积（公顷）平均占地面积（公顷/座）日本福山1961年1973年1×20041×28231×30161×41971×4617半岛式罗马尼亚格勒拉西2×27002×3500平行独立半岛式日本大分1969年1976年1×41581

7、5;5000岛式日本扇岛1968年1978年2×4000半岛法国福斯1971年1980年2×21751×4000半岛法国敦刻尔克1959年1973年2×18001×20001×4615半岛苏联西西伯利亚2×20001×3000岛式宝钢1979年1985年2×4063半岛式442223200m3高炉技术装备简况槽下供料系统采用烧结矿、球团矿分散筛分，分散称量（减重法）；焦炭分散筛分，集中称量并设有焦丁回收系统。2.2采用带导料器的固定受料罐串罐无料钟炉顶装料设备。2.3高炉本体100%冷却（包括炉喉钢砖）；

8、炉体关键部位选用铜材冷却器；软水密闭循环冷却及综合判断、逐级检漏设施；选用适合高炉不同部位、不同工况的内衬结构，如炉缸采用热压小块炭砖(NMA), 内侧砌陶瓷材料保护的长寿结构；设置完善的自动化检测系统；一代炉役设计寿命20年以上，一代炉役单位炉容累计产量>12000t/ m3。2.4采用矩形双出铁场，设有汽车上出铁场的引桥；出铁场采用平坦化设计以最大限度地实现炉前操作机械化，最大限度地改善炉前劳动环境。2.5炉前采用贮铁式固定主沟，矮液压泥炮与开口机同侧布置，增大铁口间夹角，改善炉前操作条件。2.6采用新INBA炉渣处理系统。设计100%炉渣冲水渣以利于环保和综合利用，干渣作为事故备用

9、。2.7设有4座顶燃式热风炉，用单一高炉煤气实现高风温即采用燃烧炉烟气混合部分热风炉废气来预热助燃空气和高炉煤气实现1250以上的送风温度；热风炉寿命与高炉两代炉役同步。2.8喷煤系统采用三罐并列上出料浓相输送、总管加分配器以实现均匀直接喷吹。2.9三电一体化，完善的自动化检测控制系统并采用高炉专家系统以适应现代化高炉的生产操作。以下着重介绍高炉本体、热风炉和出铁场系统的设计特点。3.高炉炉体设计3.1 高炉内型近20年来，炼铁技术研究、开发的成果使高炉生产在产率、节能、长寿等方面取得了巨大进步。高炉技术进步的同时高炉内型亦有相应变化，大型高炉内型设计充分注意了炉缸高度、炉腹角与死铁层深度等几

10、个关键尺寸。- 精料已深为现代高炉生产所重视。在高炉采用合理优化的炉料结构、燃料质量及炉料品位提高的前题下，吨铁渣量大大减少即单位入炉料产铁量增加，与此同时，炉内间接还原反应区可以缩小，高炉内型设计亦应相应降低炉身高度并同时加高炉腰到铁口的距离，尤其是炉缸高度。- 国外研究提出高炉炉腹与风口前“死料柱”间存在着漏斗状的松散充填床，角度稳定在79°80°；另外，高炉停炉解剖调查研究报告指出：炉腹部的侵蚀角为68°80°。上述研究结果对内型设计炉腹角是个重要参考。- 对高炉炉底、炉缸侵蚀机理的研究指出：保持一定的死铁层深度，可减小铁水环流对炉缸耐火材料的冲刷

11、、有助于防止炉底、炉缸处的蘑菇型侵蚀。所以，为适应高炉长寿需要，必须加深死铁层。根据经验和计算机数模计算，死铁层深度以炉缸直径的20为宜。天钢3200m3高炉内型尺寸以及与同级别其他高炉炉型的对比如下表2所示。高炉在一代炉役生产中，实际炉容变化与炉体结构密切相关。据日本大型高炉生产实践经验总结：采用厚壁炉体结构如铜冷却板结构的高炉炉役后期实际炉容为初始炉容的1.13倍以上，而薄壁炉体结构如采用日本第四代冷却壁结构的高炉炉役后期实际炉容仅为初始炉容的1.05倍。天钢3200m3高炉炉体设计采用薄壁全冷却壁结构，所以，设计高炉内型尺寸接近于工作内型。表2 天钢3200m3与同级别其他高炉内型尺寸表

12、表Comparison ofFurnace Profile for TIANSETEEL &threshesBF项 目鞍钢新1号武钢5号/6号新利别茨克6号德国不来梅2号大修*1澳大利亚BHP6号天钢2号有效容积m3实际有效容积m3有效高度mm炉缸直径mm炉腰直径mm炉喉直径mm炉缸高度mm炉腹高度mm炉腰高度mm炉身高度mm炉喉高度mm死铁层深度mm炉腹角炉身角炉缸面积m2高径比风口数目铁口数目3200330930200124001370090004900350020001780020002400°81.278°32432003233/340730600/3080

13、012200/1240013400/139009000/90004800/50003500/35002000/200017900/179002400/24001900/2500°°°°/32/324/43200331632200120001330089004600340019002000023001200°°3243143*2 3664 (3699)*331430(31930)*31200014150950054603670235019050 900 (1400)*32450°° 2.22 ()*332232083

14、1942967011800138328764480039502350164702100250081.49°°2.15283320036033050012690142009300490036002800172002000260078.155°81.893°324*1 除炉缸直径、炉腹角、炉身角、工作容积数据为公开发表资料外其他数据是根据发表资料的推测值。*2 为工作容积。*3带（）数据为计算到炉喉顶沿的数值；不带（）数据为计算到到料线零位的数值3.2炉体结构根据国内外不同炉体结构的发展、演变资料及传热计算的研究成果，一代炉役20年寿命的炉体结构设计原则：-

15、 高炉炉体采取100%冷却，包括炉喉钢砖部分；- 炉腹、炉腰、炉身下部冷却设备采用铜材，冷却器，单体结构设计要合理并满足强化冷却目的；- 炉体内衬依不同工况部位而选取耐材材质、厚度并要与冷却结构相互适应、相互匹配；- 冷却系统设计要求安全、可靠，检修维护方便。3 炉底、炉缸结构炉底设计5层炭块，3层“D”大炭块上砌2层优质炭块，炭块上砌1层质陶瓷垫；在炉底易形成蘑菇状侵蚀的区域，采用UCAR热压小块炭砖NMA,外侧采用NMD。炉缸采用热压小块炭砖NMA, 内侧砌陶瓷材料保护。在铁口区域，外侧采用热压小块炭砖NMA, 加厚部分靠冷却壁侧采用NMD以加强冷却效果。风口区采用刚玉质大块组合砖。采用水

16、冷炉底，冷却介质为软水，设置44根60x7冷却水管于炉底密封板下，冷却水速1.22m/s。炉底、炉缸部位采用5段（包括风口段）光面普通铸铁冷却壁冷却。每段冷却壁分48块，每块冷却壁4根70x6冷却水管，水管内冷却水速度1.8m/s，风口段64块冷却壁，每块冷却壁3根水管。通过炉底、炉缸传热计算软件对上述结构进行计算，其计算结果有较合理的温度场分布，可以适应高炉长寿目标的要求。3.2.2 炉腹、炉腰、炉身下部结构炉腹、炉腰、炉身下部是实现高炉长寿的关键部位。实践证明，建立一个在高炉工况条件下该部位难以烧毁的冷却体系，保证冷却设备长期正常工作，实现炉体下部的长寿就有了可靠的保证。为建立这种冷却体系

17、，设计在该部位采用铜冷却壁。铜冷却壁热阻小，壁体工作温度低，正常工作温度<100；它有利于形成能够保护冷却壁自身的渣皮并且渣皮稳定，一旦出现渣皮脱落，能在热面上迅速建立起新的渣皮，建立新渣皮的时间不超过15分钟；热承载能力大，能够短期承受热流密度达到300kW/m2的热冲击。炉腹、炉腰、炉身下部设计5段带贯通肋的铜冷却壁，壁体厚度120mm，每块冷却壁有4个进出水流通道，水流通道为复合孔结构。由于铜冷却壁保证了强化冷却，可形成稳定渣皮造衬 - 最好的内衬，既廉价又安全，又可减薄内衬厚度、选用档次低、容易挂渣的普通耐材。设计炉腹、炉腰和炉身下部采用砖壁一体结构，冷镶150mm厚赛隆结合的碳

18、化硅砖。2.2.2.2炉身中、上部结构炉身中、上部采用6段球墨铸铁冷却壁，其中在炉喉钢砖下采用1段光面 型水冷壁，壁内表面沿高炉内型布置，不砌耐火材料，以维持高炉布料的初始料面分布，其余各段为带贯通肋的球墨铸铁铸铁冷却壁。炉喉钢砖分两段，下段亦采用水冷结构形式。炉身中上部主要的侵蚀因素是碱金属的化学侵蚀和炉料磨损，因此选择氮化硅结合的炭化硅砖。3.3 炉体冷却系统高炉冷却除风口小套采用高压工业水外，炉体冷却采用软水密闭循环系统，其中炉底与风口大套采用串级冷却。设计炉体冷却水量3550m3/h，冷却壁上每个水流通道的冷却水量18.5 m3/h，水流通道内冷却水速约1.8m/s；炉体最大热负荷13

19、6.2 GJ/h，最高温升12。4 热风炉系统设计4.1热风炉结构形式的选择内燃式热风炉把功能不同的燃烧室、蓄热室采用隔墙砌体分开，纵向平行置于同一壳体内；燃烧室占据了很高的纵向空间并在温差很大的条件下运行，从而导致内燃式热风炉的许多弊端：如燃烧室一侧向格子砖室倾斜的“香蕉”效应；燃烧室与蓄热室之间的“短路”现象以及脉动燃烧引起较大振动等，这些弊端进一步发展造成砌体塌陷等问题。所以，外燃式、改进型内燃式、顶燃式热风炉应运而生。4.改进型内燃式热风炉以DANIELI CORUS（原霍高文公司）的改进结构较为合理、完善。改进的关键技术是使砌体结构有可靠的高温稳定性，其要点：热风炉拱顶砌砖形状为悬链

20、线形，改善了砌体的受力条件，增强了结构的稳定性，同时，有利于高温烟气流在蓄热室端面上的均匀分布；拱顶与大墙砖脱开，其载荷由炉壳承受，使两者的膨胀互不影响，从而改善了拱顶砌体的受力状态；采用矩形陶瓷燃烧器可确保煤气与空气充分混合均匀，消除燃烧脉动并提高了蓄热室的有效面积；通过合理设置的膨胀缝和滑动节点，使墙体成为独立的板块结构，既保持砌体的独立性和密封性，又不产生破坏性应力。在隔墙砌体的中下部设置高性能的隔热砖，以降低隔墙两侧的温度梯度，并在隔墙冷面设置特殊结构的不锈钢板，提高隔墙的结构稳定性与气密性；另外，在砌体开孔部位广泛采用组合砖，以提高易破损部位的砌体结构稳定性和气密性，蓄热室采用带凹凸

21、槽的高效格砖。4.外燃式热风炉把功能各异的燃烧室与蓄热室分开、纵向平行配置在两个壳体内，从而出现了外燃式热风炉结构。外燃式热风炉起初按燃烧室与蓄热室间的连接结构不同有DIDER式、M&P式、Koppers式；后来，日本新日铁在M&P和Koppers式基础上又开发了新日铁式。随着国外企业间重组，企业专有技术相互渗透，外燃式热风炉的结构形式演变到现在主要有两种：DME式和新日铁式。它们的结构设计特点简单比较如下：表3. 外燃式热风炉结构设计特点比较TableComparison of Main features of external combustion type hot sto

22、ve热风炉形式结 构 特 点优 缺 点DME式1. 拱顶结构由两个不同半径的1/4球体通过1/2的截头圆锥体连接的结构；燃烧室下部设有液压浮动装置，以补偿燃烧室与蓄热室间在热风炉运行期间的膨胀差异2. 采用平行流式即栅格式陶瓷燃烧器3. 高温区采用内、外综合防晶间应力腐蚀措施1. 总体高度相对较低，占地较小2. 解决两室之间膨胀差异技术比较完善3. 球体与筒体过渡连接方式应力集中小；晶界应力腐蚀问题解决较好4. 拱顶结构庞大，气流分布稍差新日铁式1. 蓄热室上部有一段锥型缩口，使蓄热室拱顶缩小到和燃烧室拱顶尺寸相同，形成两个半径相同、互相对称的半球体，两个半球顶由一个圆柱形联络管连接；联络管上

23、设有波纹伸缩管以补偿热风炉运行期间燃烧室与蓄热室间的膨胀差异2. 采用三孔套筒式陶瓷燃烧器3. 采用以外保温为主的综合防晶间应力腐蚀措施1. 拱顶对称，尺寸小，结构稳定；气流分布好2. 总体结构较高，占地稍大；钢材、耐材量稍高4.顶燃式热风炉顶燃式热风炉可以理解为外燃式热风炉的一种特殊形式即把燃烧室缩短到极点后把燃烧器倒置的结构。顶燃式热风炉既无内部燃烧室，也无外部燃烧室，结构对称、纵向温度区分明、占地小、投资少，是一种好的、有发展前途的热风炉结构形式。一般顶燃热风炉的热风出口和燃烧器、高温燃烧区都集中在拱顶，其结构较大而复杂、薄弱环节多；热风炉的主要设备也都布置在拱顶周围，使热风炉拱顶周边更

24、加复杂化并给操作带来困难。国内顶燃热风炉就没有解决好上述顶部结构强度差、炉壳温度高的问题；运行风温也不高，一般在1100，拱顶温度也只有1200。然而，新近出现的（俄）卡卢金式顶燃式热风炉较好的解决了这些问题，使高风温有了保证。卡卢金顶燃式热风炉（第二代）的技术核心：在热风炉拱顶上部设置空气煤气预混室（不在此处燃烧），预混室砌体结构独立支撑在炉壳上；煤气与助燃空气以最佳角度、最佳速度、涡流喷射方式进入预混室，煤气流与空气流在预混室内旋流、混合，保证可燃气体在进入格子砖前与助燃空气均匀混合、完全燃烧并保证燃烧产物在格子砖断面上分布均匀；热风出口置于预混室以下，格子砖砌体以上，这使热风炉拱顶即预燃

25、室不论运行在燃烧期还是在送风期，砌体温度工作在900左右，从而避开了高温恶劣工况。卡卢金顶燃式热风炉（第二代）的其他专有技术：独特的炉篦子及炉篦子支柱结构，与格子砖配套的小块分流板技术；19孔（目前已用37孔）高效格子砖技术等。4.几点分析- 外燃式热风炉燃烧室外置，采用联络管与蓄热室相连接，工程量大，仅炉体内部的砌筑量增加15；内燃式热风炉燃烧室与蓄热室纵向平行设置在一个壳体内，大墙内用于蓄热的断面积仅为67；顶燃式热风炉没有外置燃烧室，大墙内断面积可100用于蓄热。显然，顶燃式热风炉壳体内面积有效利用最高、工程量小、占地少、投资也是低的。-（俄）卡式顶燃热风炉技术解决了一般顶燃式热风炉的燃

26、烧器问题，保证了煤气与空气混合均匀、燃烧完全；保证了燃烧产物在格子砖断面上均匀分布。-（俄）卡式顶燃式热风炉下部结构技术保证了冷风气流在格子砖断面上分布均匀，同时，采用了加热面积高的19孔（目前已用37孔）格子砖，所以，传热效率高。-（俄）卡式顶燃式热风炉可把一些主要阀门等设备布置在下面的平台上，解决了一般顶燃式热风炉操作不变的问题。根据上述分析，天钢3200m3高炉采用了（俄）卡卢金式顶燃式热风炉方案。4.2热风炉系统设计高炉实现高风温操作除受自身的接受能力外，热风炉系统中每个环节：热风炉结构、外部各种管道、装置等必须都能适应高风温工况的要求才行。天钢3200m3高炉热风炉系统在引进（俄）卡

27、式顶燃热风炉本体设计的同时，CERI依据自身积累的高风温热风炉系统的设计经验，负责热风炉系统的总体设计：完善（俄）卡式顶燃热风炉设计，外部管路、阀门装置等外围系统设计：4.热风炉座数选择：由于高炉一代炉役寿命延长到2025年以上，设计选择四座热风炉利于热风炉寿命与高炉两代炉役寿命相适应；选择四座热风炉还可利于采用二烧二送的交错并联送风制度。4.2.2为确保单一高炉煤气作为燃料，送风温度达到1250，热风炉系统采用外置燃烧炉方式预热高炉煤气和助燃空气。4.2.3为防止炉底板变形、位移和热风炉外围整体系统设计的需要，热风炉底部设置地脚螺栓固定。4.据各种管道的总图布置、工作特性，合理设置各种形式的

28、波纹补偿器及拉紧装置，以保证在高风温工况下，管道系统工作稳定。5.风口平台出铁场设计5.1风口平台出铁场主要特点：采用°。5.1.2采用固定贮铁式主沟，尽可能地缩短渣铁沟长度。5.1.3采用全液压泥炮、开铁口机；泥炮与开铁口机同侧布置。5.1.4为了最大限度利用机械设备减轻炉前工的劳动强度、方便生产操作、改善劳动环境，设计出铁场平坦化并设有直接上出铁场和出铁场上风口平台的引桥设施；设计特别注重了炉前一、二次除尘，尤其铁口处的除尘设施，满足环保更高要求。5.1.5出铁场平台取消了填沙层以减轻平台负荷，节约投资。5.2出铁场主要设备选型泥炮、开口机、揭盖机是炉前关键设备，直接影响到高炉安

29、全生产。随着高炉冶炼不断强化，尤其是大型高炉，铁口维护等就显得格外重要，生产要求用更硬炮泥维护铁口。而炮泥质量的提高，铁口深度的增加，一次出铁时间的延长，对泥炮和开铁口机的可靠性，制造质量、自动化控制水平、泥炮推力、开铁口机的开口作业时间等提出了更高的要求。为保证高炉生产安全，提高炉前操作的自动化水平，设计采用了TMT公司的全液压泥炮和开铁口机。5.2.1全液压泥炮典型TMT全液压泥炮特色：- 泥缸内表面镀硬铬，预期寿命达9年，高炉一代炉役期间内有2-3次大修。- 打泥活塞材质与结构可确保打泥过程中泥缸的最佳密封和对泥缸表面的持续环压；泥塞环预期有2000次打泥过程的使用寿命并且很容易更换。-

30、 配有一个自适应型的电子软接触系统以保护铁口表面（表面接触力可以调节），每次打泥后检测铁口的表面位置、记录并传送到控制系统以便于校正。- 配有数码打泥测量系统及“自动打泥”功能。- 作用于高炉上的压紧力和打泥位置的炮泥压力可分别单独调节。- 泥炮运行中可随时减速，能在任何位置停车以便于做泥套。- 泥炮可以在炉前集中操作室实现自动操作，也可采用无线遥控操作或手动操作。- 天钢3200m3高炉泥炮主要技术指标：泥缸容积，炮咀内径150mm，打泥压力24Mpa，压紧力45t，泥缸直径600mm。5.2.2全液压开口机TMT全液压强力开铁口机特色：- 开口机旋转、提升、对中定位、钻取等操作过程全部为液压驱动。- 液压钻取设备是开口机的核心。液压钻锤装备有“水钻技术”功能，正打与反打的打击次数可达1765/min1666次/min，转子转速可达460rpm，推进马达推进力可达4t，其锤打力、转子转速和进给力可分5级调节。- 配置有用于测量铁口深度