高炉长寿及环保节能技术在大型高炉大修中的实践应用

天津钢铁 2 号高炉公称容积 3200m³，于 2006 年 5 月 2 日投产。该高炉采用了当时国际上大型高炉的先进工艺技术及设备，如卡卢金顶燃式热风炉、铜冷却壁、UCAR 炭砖、TMT 泥炮及开铁口机、PW 串罐无料钟炉顶、环保 INBA 渣处理、煤气环缝清洗和芬兰的高炉专家系统等。

由于炉体铜冷却壁破损严重、炉缸侧壁温度高，该高炉于 2012 年 2 月 16 日进行了一次中修。更换了第 6、7、8 段全部及第 9、10 段部分铜冷却壁。于 4 月 1 日重新开炉^[1]。

该高炉于 2019 年 11 月 1 日停炉大修，一代炉役 13 年零 6 个月。一代炉役单位炉容产铁量 9500 吨。本次大修主要对本体系统、热风炉系统、节能环保设施（均压煤气回收，出铁场、矿槽除尘）进行了升级改造。

高炉主要技术经济指标见表 1。

表 1 高炉主要技术经济设计指标

2 号 3200m³ 高炉本体的改造原则是充分利用高炉现有设施，高炉本体框架、高炉基础、高炉炉壳、炉体平台、炉顶法兰均考虑利旧，炉底封板及水冷管、炉壳内部所有耐材及设备均考虑更换。改造后高炉有效容积仍维持 3200m³，铁口中心线、风口中心线及炉顶法兰顶面标高均维持不变。

本次大修炉容维持基本不变，炉型优化了炉腹角；取消了原有炉腹、炉腰及炉身下部的铜冷却壁，使用中冶京诚专利产品-新型炉体冷却结构：高炉本体全部采用铸铁冷却壁，炉腹、炉腰高热负荷区采用镶嵌铜冷却条的组合式冷却结构；炉缸应用导热设计理念，采用大块炭砖结合导热质陶瓷杯形成的完全导热炉缸体系，炉缸关键部位采用 SGL 超微孔炭砖，陶瓷垫外环及陶瓷杯采用碳复合砖。

2.1 高炉内型

根据中冶京诚多年设计经验，发展出薄壁炉型风口带与炉腹区的合理过渡衔接技术（定义为 α  法则），即炉腹区冷却壁热面顶点与风口中套上沿连线与冷却壁热面要保证合适的角度 α，从而保证炉腹冷却壁能够稳定挂渣，并形成支撑，同时远离风口回旋区，使得炉腹角具有一定的自然调整范围，保证冷却设备寿命。

高炉本体在原 3200m³ 高炉炉型基础上，炉缸直径缩小 190mm，炉腹角由 78.156°调整为 76.715°，死铁层深度加深 146mm。改造前后高炉内型尺寸对比见表 2。

表 2 改造前后高炉内型尺寸对比表

2.2  炉体冷却结构

炉缸到风口区域第 1~5 段仍采用光面灰铸铁冷却壁。

原高炉炉腹、炉腰及炉身中下部第 6~10 段使用的是铜冷却壁，结合该高炉的生产实践，认为虽然铜冷却壁是一种无过冷的冷却设备，其冷却强度大，挂渣迅速，但是铜冷却壁的结构不利于渣皮的稳定，渣皮的频繁脱落，容易造成冷却壁机械磨损^[2]，这也是该高炉铜冷却壁没有达到理想寿命的重要原因。

针对铜冷却壁挂渣易脱落的弊端，本次大修采用了新型炉体冷却结构：将铜冷却壁全部更换为球墨铸铁冷却壁，并且在炉腹、炉腰区域采用镶嵌铜冷却条的组合式冷却结构（见图 1），它继承了板壁结合和薄壁炉衬的优点，并且充分发挥了铜冷却效果好的优点，在铜冷却条周围形成牢固的渣皮相当于“锚固钉”，起到了“软板”作用，渣皮更加稳定，克服了铜冷却壁过度冷却以及平面结构带来的渣皮频繁脱落、影响高炉稳定操作的问题^[3]。此外，由于铜冷却条间距可根据设计选择，因此它不会过度冷却，渣皮波动小，适应操作变化性强，且投资大大低于铜冷却壁^[4]。

图 1 中冶京诚组合式冷却结构

图 2 铜冷却条布置示意图

本次大修在炉腹、炉腰第 6~9 段冷却壁共设置了 6 层铜冷却条，具体布置见图 2。高炉投产后，各段冷却壁的壁体平均温度见表 3。显而易见，安装有铜冷却条的炉腹、炉腰冷却壁温度偏低，甚至低于炉身中部冷却壁温度，说明新型炉体冷却结构能够在冷却设备热面形成稳定渣皮，有利于冷却设备长寿。

表 3 各段冷却壁壁体平均温度

2.3  高炉内衬

内衬设计时要充分考虑高炉各部位不同的工作条件和侵蚀机理，有针对性的选用耐火材料，并在结构上加强耐火砖衬的稳定性。

原炉底封板及封板下水冷管不动，炉底水冷管用压浆料灌死，原封板上表面拼接处考虑加强焊接密封， 保证不漏煤气。在炉底封板上重新铺设炉底水冷管，水冷管采用 φ70x6 不锈钢无缝钢管，水管间距 300mm。炉底水冷封板上满铺 1 层国产高导热炭砖，第 2 层为国产微孔炭砖，第 3、4 层为进口超微孔炭砖，炉底共砌 4 层大块炭砖，总厚度~2003mm。

炉底满铺炭砖上砌 2 层陶瓷垫，两层陶瓷垫外环材质采用碳复合砖，内环采用刚玉莫来石砖。

铁口及炉缸异常侵蚀区环砌进口超微孔炭砖，高度~4400mm。铁口上部至风口组合砖下沿砌筑炭复合砖，炉缸炭砖内侧陶瓷杯使用碳复合砖，炉底炉缸冷却壁与炭砖（碳复合砖）之间留有 80~100 mm 填料缝， 充填炭素填料。整体炉缸形成完全导热炉缸体系，见图 3。

风口区采用氮化硅结合碳化硅质组合砖，铁口框内采用微孔刚玉砖。

炉腹、炉腰与炉身中下部冷却壁冷镶氮化硅结合碳化硅砖，炉身上部冷却壁冷镶磷酸盐浸渍粘土砖。

图 3 完全导热体系复合炉缸结构

2.4  炉体冷却系统

炉体冷却设备、铜冷却条、炉底、风口大、中套采用全软水密闭循环冷却系统，设计正常水量为 6000 t/h。为便于软水系统的查水和改工业水，在第 6~11 段冷却壁的进出水管上设置两通球阀，并采用软连接。铜条之间连管设置三通球阀。

风口小套、炉喉钢砖、十字测温、炉顶打水等采用高压开路净环水冷却系统。新高炉高压循环设计水量为 1510 t/h。

2.5 炉体检测技术

（1） 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，并可以推断炉缸炉底的侵蚀状况及冷却壁损坏状况。

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。高炉软水密闭循环冷却系统设有完善的温度、压力、流量、液位等检测。

（2） 设置高炉炉底、炉缸内衬烧蚀状况自动化诊断与报警系统。

（3） 设置高炉冷却壁水温差检测与热流强度检测系统。

（4） 设置炉顶热成像系统，其主要任务是观察溜槽工作情况及炉顶料面煤气发展情况，通过图象处理技术显示炉顶料面温度。

（5） 设置风口成像系统，在线显示各个风口前的焦炭运动情况、煤粉枪的喷煤流股，以及风口前下生料、涌渣、风口结焦等情况，为工长提供及时、完整的高炉圆周方向的炉况信息。

原热风炉系统设计四座卡卢金式顶燃热风炉；高温区选用硅砖，设计送风温度 1200~1250℃，最高拱顶温度 1450℃。

具体改造内容如下：

(1) 拆除外置燃烧炉，采用板式换热器对助燃空气及煤气进行双预热，预热后温度按≥190℃（烟气温度按 290℃），换热器性能见表 4。

表 4 换热器性能表

（2） 热风炉格子砖顶部约 1 米高更新，更换热风出口组合砖。

（3） 热风支管、热风炉本体区域热风主管管壳拆除重新制作，管道内耐材重新设计；热风主管联络管下部管道内耐材重新设计。热风主管、支管重新砌砖部分采用带有锁扣的“Z” 型砖砌筑，各三岔口采用上部浇注（约 120°），下部组合砖形式砌筑。

4.1 炉顶均压煤气回收系统

增加炉顶均压煤气干式回收系统，对料罐排压放散的煤气进行回收，回收效率在 75-80%，极大减少了排压煤气、粉尘及噪音对环境的污染，回收煤气接入常压煤气主管网。

为减少高炉休风时炉顶大放散煤气排放，在旋风除尘器煤气切断阀前设置与均压煤气回收系统连通管道，并设置电动休风放散煤气回收阀、止回阀、电动蝶阀、电动盲板阀及相关阀门。高炉休风时，将炉内压力降低至约 30~40KPa 后，打开休风放散煤气回收阀，通过均压煤气回收系统对放散煤气进行除尘并回收， 待炉内压力降低至净煤气管网压力，再打开炉顶放散阀对炉内剩余的少量低压残余煤气进行放散。

4.2 出铁场、矿槽除尘系统改造

高炉共 4 个出铁口，设有 2 套除尘系统，原有除尘管路满足使用要求全部利旧，为改善渣沟除尘效果， 渣沟增加一路除尘管道，就近接入原有除尘管道中。为满足排放浓度，电除尘器改造为布袋除尘器。

原矿槽设有 1 套除尘系统，各除尘点密封不严，本次采用中冶京诚的自降尘导料密封技术皮带转运自降尘技术可以改善现场环境，原有电除尘改为布袋除尘。

含尘烟气（或含尘气体）经袋式除尘器净化后，除尘器出口排放浓度：矿槽≤10 mg/Nm³，出铁场≤ 10mg/Nm³。

高炉自 2020 年 4 月份投产以来，高炉顺行、稳定，生产指标较好，日均产量为 8885t，燃料比 505kg/t， 详见表 5。通过本次大修改造，高炉的各项指标均得到了大幅改善。

表 5   改造后高炉生产技术指标

通过本次大修改造，采用了多项长寿、节能、环保技术，投产后取得了良好的社会和经济效益：

1） 高炉炉腹、炉腰关键部位采用了镶嵌铜冷却条的组合式冷却结构，壁体温度长期低位运行，表明形成的渣皮稳定可靠，有利于冷却设备的长寿；

2） 炉缸耐材符合完全导热设计理念，采用大块炭砖结合导热质陶瓷杯形成的完全导热炉缸体系；

3） 采用干式炉顶均压煤气回收技术，环境友好，并且能够创造经济效益；

4） 出铁场、矿槽除尘系统由电除尘改造为布袋除尘，达到超低排放要求；

5） 热风炉采用高效节能板式换热器，对助燃空气和煤气进行双预热。

参考文献：

[1] 汪玉来. 天钢 3200 m³ 高炉中修开炉达产实践[J].天津冶金，2013，S1.

[2] 邓勇，焦克新，等.高炉铜冷却壁损坏的原因及解决对策[J].炼铁，2017，36（4）：10-15.

[3] 索延帅，全强，等.  新型炉体冷却结构在高炉上的应用[J].天津冶金，2020，226（2）：42-45.

[4] 王春龙，祁四清，等.新型冷却结构在 1080m³ 高炉上的应用[J].炼铁，2019，38（1）：26-28.