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山东泰钢1780m3高炉炉体长寿设计与实践
作者：何士义等
来源：《中国科技纵横》2014年第04期
【摘 要】 本文介绍了山东泰钢1780m3高炉炉体设计特点，针对影响高炉一代寿命的薄弱环节，在设计上采取了一系列的关键技术。高炉投产以来，炉况稳定顺行，生产指标良好，炉体冷却设备无破损，炉底炉缸工作状态良好。 【关键词】 炉体 设计 长寿 炉型
山东泰山钢铁公司在淘汰其南区5座小高炉的基础上新建2座1780m3高炉，由中冶京诚工程技术有限公司设计，2座高炉设计年总产量303万吨，分别于2011年12月和2012年3月投产。高炉以“先进、实用、长寿、高效”为设计原则，大量采用国内外高炉先进、成熟技术。目前2座高炉在入炉矿综合品位57.4%，风温1210℃的情况下，平均利用系数在2.4t/（m3·d）以上，入炉焦比369kg/t，煤比158kg/t，煤气利用率49.5%。开炉至今高炉生产指标良好，炉体冷却设备运行稳定无破损，炉底炉缸工作状态良好。 1 高炉本体设计特点
为满足高炉高效、长寿的要求，在设计方面采用了一系列成熟、可靠的技术，同时又充分考虑泰钢的操作习惯，最终确定炉体的设计方案，其主要特点如下：
（1）采用砖壁合一的薄壁炉衬结构，并在高热负荷区采用铜冷却壁解决炉腹、炉腰至炉身下部区域冷却设备易损坏的难题[1]；（2）采用成熟的、适当矮胖炉型，同时考虑薄炉衬与厚炉衬高炉炉型设计差异，适当加大炉腰直径，减小炉身和炉腹角，适当加深死铁层等，其目的是改善料柱透气性，延长高炉寿命；（3）炉腹铜冷却壁与风口带铸铁冷却壁合理衔接技术[1]的运用，极大的提高了冷却壁挂渣的稳定性，降低了冷却设备的损坏几率；（4）采用优质耐火材料和可靠的结构设计来提高炉底炉缸的寿命；（5）软水密闭循环系统以及合理的冷却结构是长寿的重要保障；（6）采用了完善、可靠的高炉检测系统。 2 合理的高炉内型
高炉内型设计不但要确定砌筑内型的合理性，而且要与生产后的操作内型相适应。砖壁合一的薄壁高炉炉型基本上就是操作炉型，在一代炉役内其操作炉型基本维持不变，因此在设计时就应该考虑炉型对高炉顺行、稳定、高产和煤气利用率的影响，为此，在总结同类容积高炉内型尺寸的基础上，结合泰钢的操作习惯和原燃料条件，确定了本高炉的炉型尺寸。 从炉型来看，考虑了薄炉衬与厚炉衬高炉炉型设计差异，适当加大炉腰直径，减小炉身和炉腹角；考虑泰钢的操作习惯和原燃料条件，对炉型进行了适当矮胖处理，其目的是改善料柱
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透气性，有利于实现高产；适当加深了死铁层深度，本次死铁层深度是炉缸直径的21.5%，有利于减轻铁水环流对炉缸耐火材料的冲刷，减轻炉缸处的“蒜头状”侵蚀。 3 炉体冷却结构
3.1 炉腹、炉腰至炉身下部区域铜冷却壁的应用
炉腹、炉腰、炉身下部是实现高炉长寿的关键部位。此区域处于软熔带区，炉料磨损冲刷、渣铁化学侵蚀、软融带根部反复上下移动产生的热震等破坏同时存在，是高炉工况最恶劣的区域之一。实践证明采用铜冷却壁是解决该区域长寿的最有效手段。此高炉在炉腹、炉腰、炉身下部设计4段带肋铜冷却壁，壁体厚度115mm，冷镶150mm厚微孔铝炭砖。 3.2 炉腹铜冷却壁与风口铸铁冷却壁的合理衔接
砖壁合一的薄炉衬高炉，铜冷却壁与铸铁冷却壁的厚度以及砌砖要求的差别较大，因此出现了二者的衔接过渡问题[2]，尤其是炉腹铜冷却壁与风口冷却壁之间的衔接。过分追求炉腹铜冷却壁砖衬的热面与高炉内型线一致，以及炉腹区铜冷却壁的安装角度与设计的炉腹角保持一致容易导致衔接不合理，造成冷却壁结合部的烧损。
此高炉炉腹区域采用一段反凸台铜冷却壁和特殊设计的风口区铸铁冷却壁相衔接，凸台本身也有冷却功能，相当于在风口区铸铁冷却壁上面安装一环冷却板。该结构能很好地保护与之相接的风口区铸铁冷却壁。为了保持必要的风口带砖衬厚度，炉腹区域铜冷却壁的安装角度（82°）大于设计的炉腹角，此种结构已在多座高炉上成功应用并取得了良好的使用效果。 4 炉底炉缸结构 4.1 炉底炉缸耐材结构
炉底炉缸寿命是高炉长寿的限制性环节之一，此高炉采用了大块国产优质炭块+陶瓷杯这种复合炉底炉缸结构，同时设计了与之相适应的炉底炉缸传热体系，具体方案为：
炉底设置5层400mm厚的满铺炭砖，从下往上依次为：1×400mm石墨砖+1×400mm半石墨炭砖+2×400mm微孔炭砖+1×400mm超微孔炭砖；炭砖上再砌筑2×400mm厚小块刚玉莫来石陶瓷垫。
炉缸采用国产优质大块炭砖+小块微孔刚玉陶瓷杯结构，其中铁口及铁口以下区域，由于铁水环流冲刷侵蚀比较严重，容易形成“蒜头状”侵蚀，因此采用了超微孔炭砖；铁口以上采用微孔炭砖。
这种复合炉底炉缸结构设计，充分利用了陶瓷杯保温性能好，抗铁水侵蚀能力强的优点，在炉役初期既能起到良好的保温作用，降低冶炼能耗；又能抵御高炉操作磨合期的异常炉况带
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来的热冲击。在陶瓷杯损坏后，炉缸转变为“导热型”结构，又能充分发挥炭砖导热性能良好的优势，同时在炉缸关键区域采用了综合性能更加优良的超微孔炭砖，确保炉缸寿命。 根据以上炉底炉缸结构以及耐材的特性，计算得到炉底炉缸温度场见图2。计算表明1150℃和800℃等温线位于陶瓷杯内，所有炭砖均在800℃以下的温度区间工作，从传热方面来看，炉底炉缸耐材结构是合理的。 4.2 炉底炉缸水冷结构
炉底炉缸冷却系统的设计必需与耐材的特性相适应才能确保高炉的长寿。考虑到炉底耐材较厚，炉底水冷管设计在炉底封板以下，既满足了炉底冷却要求，又有利于炉底煤气的密封。炉缸采用灰铁光面冷却壁，冷却壁和炉底水冷管管径均为φ76×6mm，炉底炉缸均采用软水密闭循环冷却，冷却壁为4进4出一串到顶的连接方式，具体冷却参数如下：
从计算来看，炉底水冷管在炉役前期的水温升～1.07℃，炉役后期水温升～4.13℃；炉缸第1～5段冷却壁在炉役初期和后期的水温升分别约0.50℃和1.43℃，炉底与炉缸冷却能力均能满足整个炉役阶段的冷却要求。 5 软水密闭循环冷却技术
泰钢1780m3高炉炉体采用软水密闭循环冷却工艺。从高炉软水泵站出来的软水送到炉前，分成两部分供给高炉炉体：①炉底冷却用水375m3/h，从炉底出来的软水与风口大套串级使用。②冷却壁冷却水3250m3/h，水速1.8m/s，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。③风口中套冷却水520m3/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，经过换热器冷却再循环使用。设计全炉水温升在3～6℃左右，换热器的换热能力按照水温升12℃设计。 6 完善的炉体检测
完善的炉体检测系统是高炉安全生产和长寿的重要保障。本高炉在炉底炉缸设置炉衬测温热电偶、冷却壁热电偶，用以检测炉底炉缸部位的温度分布、推断炉底炉缸的侵蚀状况；炉体冷却壁设置了测温热电偶用于判断冷却壁的损坏状况和挂渣厚度；设置炉身静压（压差）测量装置，以计算料柱阻损，指导高炉的布料操作；在炉顶采用红外线摄象仪，配合炉顶布料操作；软水密闭循环冷却系统内设有温度、压力、流量、液位等检测系统以保证水系统安全运行。
7 高炉目前运行状况
目前1#高炉入炉矿综合品位57.36%，风温1204℃的情况下，利用系数2.34t/（m3·d），入炉焦比371kg/t，煤比158kg/t，燃料比529 kg/t，煤气利用率49.6%；高炉本体冷却壁运行水量3300t/h，总水温升4.4℃；高炉基础温度50℃，炉底封板处温度103℃，炉缸第2、3段冷