双钟炉顶与无钟炉顶设备

目录
一、前言 (1)
1. 炉顶装料设备的发展与改良过程 (1)
2. 炉顶装料设备的发展与改良的意义 (1)
二、双钟炉顶 (2)
1. 双钟炉顶结构 (2)
2. 双钟炉顶装料过程 (2)
三、无钟炉顶 (3)
1. 并罐式无料钟炉顶 (3)
2. 并罐式无钟炉顶布料过程 (4)
3. 并罐式无钟炉顶结构特点 (5)
4.串罐式无料钟炉顶 (6)
5. 无钟炉顶的布料方式及特点 (6)
四、双钟炉顶和无钟炉顶设备优缺点 (7)
1. 双钟炉顶设备 (7)
2. 无钟炉顶设备 (8)
五、相关问题的探讨 (9)
六、结论 (12)
参考文献 (13)
致谢 (13)
高炉双钟炉顶和无钟炉顶设备优缺点探讨
摘要：高炉炉顶装料设备结构和工作性能的好坏直接关系到高炉生产的连续性和高炉产品的质量。

从最初简单的高炉炉顶装料设备到现在，
随着高炉设备的大型化和炉顶压力的提高,炉顶装料设备也日趋庞
大和复杂。

为适应高炉冶炼技术进步的要求,相继出现了多种形式的
炉顶，单钟式、双钟式、多钟式、钟—阀式、无钟式的串罐式和并
罐式，先后经历了从有钟到无钟的过程。

在此过程中自动化控制水
平不断提高。

现在的大型高炉多采用无钟型炉顶，将密封和布料完
全分开，实现高炉在密封状态下的持续运转，高压操作,从而大大提
高了生产效率和产品质量。

关键词：双钟炉顶无钟炉顶密封布料分开高压操作
一、前言
1、炉顶装料设备的发展与改良过程
装料设备从一开始就兼有布料和密封陆顶回收煤气两个重要作用。

早期的钟式炉顶是巴利式和布朗式，是单钟结构，密封炉顶的作用不佳，而且布料也达不到均匀的目的。

20世纪出现了马基式双钟炉顶设备，利用双钟双斗克服加料时煤气漏出的缺陷；利用旋转布料器将小钟小斗连同装入的炉料一起旋转，按6站把料放到大钟斗内，使炉料在小料斗内形成的堆尖和粒度偏析比较均匀地分布在大料斗上。

它较好地解决了常压高炉的密封和布料问题，一时成为广泛使用的装料设备。

随着高炉炼铁的发展，特别是高压炉顶的应用和高炉容积的扩大，马基式双钟炉顶设备就不能满足密封和布料的要求了，大小钟及钟杆磨损严重，炉子中心布矿过少，中心和边缘料面高度差增大，这就不能适应现代高炉生产需要。

为解决出现的问题就要将装料设备的两大作用分开，做到布料的不密封，密封的不布料。

在解决密封问题方面出现了三钟、双钟双阀式炉顶等多种结构。

在解决布料问题方面则出现了变径炉喉。

这些新的炉顶装料设备在一些高炉上使用效果较马基式双钟装料设备要好。

但是设备复杂，炉顶高度增加，没有完全去掉钟斗，变径炉喉又增加了炉料粉碎的机会，所以它们并没有得到广泛的应用。

20世纪70年代出现的无钟溜槽装料设备解决了密封和布料完全分开的问题：利用上下密封阀密封，利用溜槽布料。

因此它一出现就受到普遍欢迎，现在无钟装料设备已在全世界推广，不仅新建的大中型高炉普遍采用，而且原有高炉大修时也都将钟式改为无钟式。

无料钟炉顶自从问世以来，很快被世界上许多国家采用。

我国在上世纪70年代中期就开始研究这一新技术装备，1979年底出现了我国自制的第一座无料钟炉顶高炉。

近日，由首钢国际工程公司自主研发，具有完全自主知识产权的首钢京唐钢铁厂5500m3高炉并罐无料钟炉顶设备1：1模拟试验工作圆满完成。

2、炉顶装料设备的发展与改良的意义
高炉炼铁是一项对生产连续性要求极为严格的生产过程，这就对设备的结构和工作性能提出了更高的要求。

特别是炉顶装料设备，它是把高炉所需的原料、燃料按数量合理装入炉内的重要设备，它运转状况的好坏直接决
定整体生产过程的顺利与否。

综合考虑，炉顶装料设备必须要满足如下条件：1、布料均匀，调剂灵活；2、密封好，能承受较高的炉顶压力；3、设备简单，便于维修；4、运行平稳，安全可靠；5、寿命长。

从单钟炉顶发展到现在的无钟炉顶，实现了布料和密封的完全分开，既满足了密封的要求，又保证了炉顶连续装料。

特别是无料钟炉顶采用溜槽旋转布料，可以实现炉顶多种形式的布料，满足了炉顶合理布料的要求。

同时，它采用密封阀密封，使炉顶密封更加可靠，可以使高炉炉顶实行超高压操作。

无料钟炉顶的重量也比钟式炉顶大大减轻，制造运输和维护检修的费用大大降低。

据悉，并罐无料钟炉顶装料设备是炼铁过程中实现炉料合理分布控制、提高高炉煤气利用率、降低燃料消耗的关键设备，其核心技术一直被国外大型设备制造企业垄断。

首钢京唐钢铁厂5500m3高炉是目前国内在建的最大高炉，并罐无料钟炉顶装料设备的研制成功，将极大提高高炉炼铁的技术水平。

首钢国际工程公司作为国内最早研究并完全掌握高炉无料钟技术的企业，同时也是首钢京唐工程的总体设计单位，义无反顾地承担起了5500m3高炉并罐无料钟炉顶设备的研制任务。

从2007年3月开始，首钢国际工程公司就组织了强有力的技术团队对5500m3特大型高炉无料钟设备进行了技术攻关，通过科学的三维设计、有限元分析、程序开发等方法，解决了众多特大型高炉无料钟设备设计、制造、使用维护中可预见的技术难题。

历时一年多，终于完成了试验装置的设计、制造和安装，并从今年3月开始进行了1：1模拟试验。

根据试验数据初步分析显示，5500m3高炉并罐无料钟炉顶设备各项性能指标达到了设计要求。

此项目的开发成功，可以为首钢节约大量工程投资和高炉投产后的设备运行成本。

二、双钟炉顶
1、双钟炉顶结构
钟式炉顶装料设备不论其是双钟一室炉顶、三钟两室炉顶还是四钟三室炉顶均有固定料斗、布料器、小料斗、小钟（或加一中料斗和中钟）、大料斗、大钟及其传动装置等组成在高压操作的高炉上还设有均压设施。

2、双钟炉顶装料过程
炉料由小车（或皮带）按一定程序和数量倒入小钟漏斗，根据布料器工作制度旋转一定角度，打开放散阀，打开小料钟，把小钟漏斗内炉料装入大
钟料斗内。

料钟工作4-6次大钟料斗集齐一批料。

炉喉料面下降到预定位置时，提起探料设备，发出装料指示，打开均压阀后打开大钟（小钟关闭），一批炉料装入炉喉料面。

进入下一次的循环。

三、无钟炉顶
无料钟炉顶是卢森堡发明的，国外的无料钟炉顶绝大部分都采用卢森堡的技术。

上世纪70年代是发达国家钢铁工业发展的顶峰时期。

上世纪80年代以后，发达国家的高炉逐渐减少，无料钟炉顶的推广也就停滞不前。

惟独我国和少数几个发展中国家，随着钢铁工业的发展，新建和改建了许多高炉，无料钟炉顶的应用一直是有增无减。

到目前为止，估计全世界具有无料钟炉顶的大型高炉约有200多座。

其中，以我国无料钟炉顶高炉的数量为最多，几乎所有新建或大修改造的大高炉都采用无料钟炉顶。

近年来，国内地方钢铁业蓬勃发展，兴建许多中小型高炉，这些高炉大部分也采用了无料钟炉顶。

以料罐的布置形式区分，我国的无料钟炉顶大体上可分为并罐式、串罐式和串并罐式三种。

早期的无料钟炉顶以并罐式居多。

由于并罐式布料时偏置料罐对布料有不利影响，近年来，串罐式或串并罐式的应用逐渐增多，并罐式逐渐减少。

我国无料钟炉顶技术除了引进卢森堡的早期专利技术外，还有自己研发的专利技术。

置于高炉炉头上的无料钟炉顶传动箱是无料钟炉顶装料设备的心脏，它不仅要有巧妙的机构来满足高炉布料的工艺要求，同时由于传动箱处在高温、高压、多灰尘的存在高炉煤气的环境中工作，必须解决好冷却和密封的问题。

正是这些冷却和密封问题，使无料钟炉顶的发展分为三个阶段：一是气冷气封型无料钟炉顶，这是上世纪70年代初卢森堡的专利技术。

二是水冷气封型无料钟炉顶，这是上世纪80年代中期卢森堡对气冷气封改进后的专利技术。

三是水冷水封型无料钟炉顶，这是上世纪80年代末我国首创的专利技术。

1、并罐式无料钟炉顶
典型的PW型并罐式无料钟炉顶由受料漏斗（包括上部闸门）、料罐（包括上下密封阀及下部闸门）、叉形管和中心喉管、旋转溜槽及其传动以及均压、冷却系统等组成。

（1）受料漏斗
受料漏斗的形式有两种，一种是料车上料的漏斗，一种是胶带上料的漏斗。

受料漏斗应把炉料迅速地漏给料罐内。

受料漏斗放料口的大小为以所接受的炉料迅速漏给料罐为原则。

漏斗外壳为钢板焊接而成，内衬为含铬25%的高铬铸铁衬板。

受料漏斗的移动和隔板的换向均采用液压传动。

它不起贮料而起过料的作用。

（2）料罐
并罐式无料钟炉顶有两个并列设置的料罐，两个料罐交替使用。

料罐起贮存炉料和均压室的作用。

每个料罐的有效容积为最大矿石批重或最大焦炭批重所占容积的1.0—1.2倍。

在料罐上部装有上密封阀，下部装有下密封阀，在上密封阀的上部设有调节料流用闸门。

密封阀和调节料流闸门的启闭均采用液压传动。

（3）叉形管和中心喉管
中心喉管是料罐内炉料入炉的通道，它上面设有一叉形管，与上面两料罐相连。

中心喉管和叉形管内均设有衬板，其材质与料罐衬板相同。

为减少料流对中心喉管衬板的磨损及防止炉料将中心喉管磨偏，在叉形管下部焊一定高度的挡板使形成死料层以保护衬板。

（4）旋转溜槽及传动装置
旋转溜槽也叫布料溜槽，它用于炉内的合理布料。

溜槽由本体和衬板组成。

溜槽传动装置通常叫传动齿轮箱，由主传动齿轮箱、上部齿轮箱、倾动齿轮箱、中间齿轮箱、中心喉管、布料溜槽、水冷却系统、氮气密封及机电元件等组成。

PW型布料溜槽及传动装置采用行星差动齿轮传动的方式，分别实现溜槽的旋转与倾动。

行星差动齿轮箱体设置于溜槽传动齿轮箱上部，其第一级传动为平面二次包络蜗轮副，较原有的普通蜗轮副的承载能力大。

下部的传动齿轮箱中设有溜槽倾动齿轮箱，并将扇形齿轮由原来的外齿啮合改为内齿啮合，增大了传动扭矩，同时减小了倾动齿轮箱所占有的空间。

传动齿轮箱采用水冷气封形式，将箱内温度控制在50℃左右.尤其设置了对溜槽传动耳轴的冷却,将耳轴的温度控制在50℃左右,避免了耳轴因受热而产生变形,提高了耳轴的可靠性。

布料溜槽悬挂在传动齿轮箱的耳轴上,拆卸方便.这种溜槽传动方式虽然结构复杂,但传动可靠,使用寿命长.
2、并罐式无钟炉顶布料过程
并罐式炉顶设备的装料顺序如下:装料前将受料斗移至对应罐上,打开该罐放散阀,开启上密封阀,装完一批料后,关上密封阀和放散阀,此时如果料罐
电子称发出超重信号,将不允许关上密封阀,只能在非连锁状态下放料,处理后再向料罐内均压.
当料线下降到需装料位置时,探尺提起至安全破位位置,同时流槽起动旋转,料罐均压阀打开,均压好后打开下密封阀.待布料溜槽转到预定的布料起始位置时,控制系统使料流调节阀打开到规定的开度,炉料按规定的卸料时间通过中心喉管经布料溜槽布入炉内.当料仓卸空后由测力仪发出信号,先关闭料流节流阀,再关闭下密封阀,然后打开放散阀,溜槽回到原等待位置.
当第一个罐往炉内装料时.第二个料罐可以接受装料,两个料罐交替工作,使炉顶装料具有足够的能力.
在工作中要求联锁的装置有:探料尺提升到最高位置才允许溜槽启动;下密封阀没关闭,上密封阀不能打开;下密封阀没全部打开,料流调节阀不能打开;当料仓有料时,不能打开该料仓的上密封阀,以免重复装料.炉顶装料设备主要由受料漏斗,布料器(由小料钟和小料钟漏斗等组成),装料器(由大料钟,大钟漏斗和煤气封罩等组成),料钟平衡和操纵设备(也有采用液压控制的,从而取消
平衡装置,探料设备等部分组成.
3、并罐式无钟炉顶结构特点
1、上料闸是由两个同心的球形阀板组成，中心卸料式料流调节阀
的阀板由两个半球形闸板构成，球形闸板其排料口为方形。

排
料口的中心始终与高炉中心线相吻合，料流总是对准高炉中心。

2、α角和β角的传动分别由电机驱动,可实现环形、定点、扇形和
螺旋布料，但结构复杂，要求加工精度高，检修维护方便。

3、溜槽采用卡挂式防脱落安装，倾动耳轴设有水冷设施，工作可
靠，容易更换。

4、齿轮箱采用闭路循环水冷却系统，动力消耗小，冷却效果好，
并使通入齿轮箱的氮气量减少。

5、在料罐槽内设置锥形导料器和分料圆盘，使得料罐在排料时形
成质量料流（非漏斗料流），改善了料罐排料时的料流偏析现
象。

6、料罐以下的全部设备呈抽屉式布置，易于安装、检修、维护。

7、密封阀阀座采用蒸汽加热技术，延长了密封圈的使用寿命。

4、串罐式无料钟炉顶
串罐式无料钟炉顶的各部件与并罐式相似,有受料斗、旋转料罐、料流调节阀、下密封阀、传动齿轮箱、中心喉管、旋转溜槽、均压设施、冷却设施及测量元件等组成。

以鞍钢11号高炉（V=2580m3）为例。

（1）旋转料罐
在料罐内设置防止炉料偏析的插入件，插入件固定在料罐内壁上部，同料罐一起旋转，旋转料罐有两台P=18.5KW电动机驱动。

（2）上部料闸和上密封
上部料闸由两个半球形闸门组成，用耐磨材料或衬有耐磨衬板制作。

上部料闸用两个液压缸同时驱动一个半球形闸门，通过连杆传动机构带动另一个半球形闸门使料阀开闭。

上密封阀在称量料罐上部罐头内，D=1600mm。

阀的壳体焊在罐头上，由堆焊硬质合金的阀座、带硅橡胶密封圈的阀板及传动装置组成。

密封阀用两个液压缸驱动完成两个动作，压紧缸完成阀门的垂直方向的动作、回转缸完成阀板的旋转动作。

当关闭阀板时，首先回转缸动作，阀板回转到位后，由限位开关连锁压紧缸动作式阀板压紧密封，开启时则相反。

（3）称量料罐
称量料罐既起称量作用也起钟式炉顶中的均压室作用，设有均压管和均压放散管。

罐内上部装有上密封阀，罐中心设有防止炉料偏析改善下料条件的插入件（导料器）固定在料罐壁上，它可以上下调整高度。

料罐下部设有三个防扭转装置、两个抗震装置和三个吊挂装置并用三个电子秤称量料罐重量。

内有耐磨材料铸造衬板。

（4）料流调节阀和下密封阀
料流调节阀和下密封阀装在阀箱内，箱内设有耐磨椎形漏斗。

阀箱是属压力容器用压力容器钢板焊接而成。

阀箱上装有称量用的压力传感器和测温用的温度传感器等。

料流调节阀为方形开口，其开口度大小决定其布料器和布料时间，并且与旋转溜槽配合实现合理布料。

开口度由液压比例阀控制。

下密封阀由两个液压缸完成两个动作使阀们开闭，动作原理同上密封阀。

（5）水冷式传动齿轮箱
水冷式传动齿轮箱是由主传动齿轮箱、上部齿轮箱、倾动齿轮箱、旋转溜槽、水冷设施、密封以及机电元件等组成。

（6）均压设施
鞍钢11号高炉无料钟炉顶均压系统采用两次均压，一次均压用半净煤气，二次均压为氮气。

一次均压阀和均压放散阀直径为500mm，采用液压传动。

二次均压阀直径为250mm，其结构同一次均压阀，二次均压用氮气由两台40m3氮气罐供给。

次氮气罐供二次均压和齿轮箱用氮气。

（7）炉顶液压站
炉顶液压站设有炉顶平台。

上料闸、上下密封阀、料流调节阀、眼睛阀、一二次均压阀等的油缸均由本站供压力油。

5、无钟炉顶的布料方式及特点
无钟炉顶由旋转溜槽代替大钟，溜槽可以绕高炉中心线旋转，也可以上下摆动，还可以旋转和摆动同时进行，所以布料灵活手段多。

1、定点布料：高炉截面某一点或某一个部位发生管道或过吹时，采
用定点布料。

在操作时溜槽α角和定点方位由手动控制。

2、环行布料：类似于钟式布料。

环行布料因为能自由选择溜槽倾角，
可在炉喉任一部位做单、双、多重环行布料。

随着溜槽倾角的改
变可将矿石和焦炭布在高炉中心不同的部位上，借以调整边缘或
中心气流。

3、扇形布料：因为溜槽可在任意半径和角度向左右旋转，所以在产
生偏析或局部崩料时可采用这种方式布料。

4、旋转布料：这种布料是溜槽做匀速的回转运动，同时做径向运动
而形成的变径螺旋形炉料分布。

其径向运动是溜槽由外向里改变
倾角而获得的，摆动速度由慢变快。

这种布料方式能把炉料分布
到炉喉截面的的任何部位，也可以调整料层的厚度。

由于无料钟炉顶的布料方式灵活多样，能够根据工艺操作的要求进行布料，从而充分利用煤气的热能和化学能，起到了稳定、增产节焦的作用。

四、双钟炉顶和无钟炉顶设备优缺点
1、双钟炉顶装料设备
双钟炉顶装料设备已有上百年的历史，目前仍然占多数。

但随着高压操作的推广和高炉容积的扩大，已经越来越不能满足生产的要求，它存在的主要问题有：
1、布料器旋转漏斗的密封不可靠，不是摩擦阻力大就是容易漏气，
并且维护工作量大。

2、大小钟拉杆之间的极易漏气，不易维护。

在安装调整上如何保证
大小钟拉杆之间的同心度也有困难。

3、小钟寿命短，一般不到一年，小钟漏斗的接触面也和小钟一样，
很容易被含尘煤气吹坏。

4、大钟和大料斗的寿命随着炉顶压力的提高显著缩短，一般只有一
年多一点。

随着高炉容积的增大，大钟和大料斗的尺寸越来越大，
4000m3高炉的大钟直径超过8m，大钟和大料斗的总重达120t，
只有少数重型机械制造厂能够制造，制造出来的大钟和大料斗也
难以长途运输。

此外，炉顶吊车吨位加重，使炉顶钢结构庞大，
安装调整等都更加困难。

5、对于大型高炉来说，料钟炉顶已经不能满足炉喉颈向布料的要求。

大钟下面的广大面积不能直接加料，使中心气流过分发展，炉气
的热能和化学能不能充分利用，不便于炉喉调剂和定点布料。

2、无料钟炉顶装料设备
并罐无钟炉顶从布料的多样性和灵活性、设备本身的结构、维护等诸方面都比钟式炉顶和钟阀式炉顶优越得多。

但是，经过对布料和实际煤气利用情况的大量分析和研究发现，从理论上看并罐式无钟炉顶有以下不足：
1、由于两个罐布置在偏离高炉中心，导致炉料偏心，布料不对称。

2、由于下料口是倾斜的，料流斜向与中心喉管相撞形成“蛇形动”
现象，从而导致炉料在炉喉端面圆周方向分布不均匀。

3、当溜槽的倾斜方向与料流方向一致时炉料抛得较远，而垂直时则
较近，所以在炉喉断面实际得到的布料形状不是圆形，而是椭圆
形，矿焦两个料层的形状也不吻合。

由于以上布料不均匀现象直接影响了煤气的利用率，为克服并罐式无料钟炉顶的上述不足，在20世纪80年代初，卢森堡PW公司在并罐式的基础上开发了串罐式无料钟炉顶。

串罐式无料钟炉顶与并罐式无料钟炉顶比较有两点不同：
1、两个料罐布置形式是上下串联型的，所以叫串罐式无料钟炉顶。

2、上料罐是带旋转的，所以叫做旋转料罐，而下料罐是带称量的，
所以叫做称量料罐，料罐起贮存炉料和均压室的作用。

串罐式无料钟炉顶同罐式无料钟炉顶相比有如下优点：
1、由于料罐和下料口均在高炉中心线上，所以在下料过程中不出
现“蛇形动”现象，从而进一步改善了布料效果，同时减轻了
中心喉管磨损。

2、串罐式无料钟炉顶在胶带机头部装有挡料板，又由于在装料时
上罐旋转，从而克服了炉料粒度偏析。

旋转罐和称量罐内装有
导料器，改善了下料条件，消灭了下料堵塞现象。

3、进料口和排料口高度比并罐式低，从而降低了炉顶高度，旋转
罐为常压罐，从而节省一套上下密封阀、料流调节阀和均压放
散设施，可节省一定的设备投资。

串罐式无料钟炉顶具有结构简单、布料灵活多样、密封性能好、重量轻、维修方便、投资省等优点，但也需要进一步改进和完善，如：
1、对料流调节阀缺乏调节手段，需要建立完整的料流调节模型；
2、在环行布料时出现首尾接不上现象；
3、建立必要的完整的布料模型。

五、相关问题的探讨
气冷气封型与水冷气封型无料钟炉顶
气冷气封型无料钟炉顶的缺点如下：一是需要配备4台(两台工作，两台备用)160千瓦～500千瓦的冷气加压机及其附属设备和厂房，其投资为200万～500万元。

二是两台加压机不断地运转，其每年生产运转维持费约250万元。

三是大量炉顶密封用的氮气排入炉内要降低高炉煤气的发热值，不宜给热风炉使用，造成严重浪费。

水冷气封型无料钟炉顶比气冷气封型有了改进，减少了冷却气体的用量，但仍存在许多缺点：一是冷却水采用软化水并采用闭路循环冷却，增加了许多水冷设施，如循环泵、热交换器、补水设施和监控设备等。

二是其上、下水槽与壳体之间采用滑动式机械密封，不可避免地要存在间隙，使带有尘埃的高炉煤气进入传动箱并造成污染。

为了减少污染，必须保留气封。

三是上述间隙使闭路循环的软化水污染和蒸发，需要更新和补水，同时使维持上、下水槽内的稳定的水面高度困难，增加了探测和监控水面高度的设备。

一旦探测和监控设备失灵，会使冷却水溢入炉内或水槽排空，具有潜在危险。

四是水冷蛇形管附在旋转屏风上，其冷却面积小，冷却强度受限。

当炉顶煤气温度升高时，传动箱内的温度也随着升高。

在这种情况下，为了确保传动箱内零件在正常条件下工作，除了水冷之外，还需要气冷。

因此，水冷气封型无料钟炉顶不但不能摆脱气冷，并且增加了许多水循环系统的设施，其总投资和维护费并没有显著降低。