沙钢1号高炉大修改造炉体设计特点_李雷

炉腹、炉腰及炉身下部是高炉设计的关键部位，从循环区逸
出的超高温煤气和渣铁流对该部位形成剧烈的冲刷，将耐火材
料烧蚀，同时还要经受高温和多变的热流冲击以及锌和碱金属
等的破坏。一代炉役中，这些部位绝大部分时间依靠冷却设备
维持工作，因此，这一部位的寿命取决于冷却设备是否能长期可
靠的工作[1]。本设计在炉腹、炉腰及炉身下部采用 4 段高导热的
作者简介： 李雷（1981.9---）男，黑龙江人，工作于中冶南方工程技术 有限公司炼铁事业部，工程师。
（2）炉体冷却壁温度监测。从炉腹至炉身上部的冷却壁共 设置了 8 层 152 点热电偶，测量冷却壁温度，用来监测炉衬的侵 蚀状况和冷却壁的工作环境。全部进入主控楼计算机，有画面显 示，作为判断炉况的依据之一，同时具有辅助冷却壁检漏功能。
（3）炉体冷却系统温度监测。在整个软水系统和风口工业 水冷却系统中，共布置了温度检测点 191 点、流量检测点 164 点、 压力检测点 459 点，其中全部温度检测、流量检测及部分压力检 测进入主控楼计算机，有画面显示，并具有超工作范围自动报警 功能，采用的高炉冷却壁冷却水热负荷与水温差远程监测系统， 能够实时、连续地监测高炉冷却壁冷却水管道的瞬时流量、进出 管道的水温差，并据此计算出热负荷值，同时便于判断冷却壁的 破损情况。
1 主要设计指标 沙钢 1 号高炉的主要设计指标见表 1。
表 1 沙钢 1 号高炉主要设计指标
指标名称
单位 指标
高炉有效容积 m3 2500
年平均日产生铁 t/d 6000
燃料比
kg/tFe 515
其中：焦比kg/tFe
≤315
煤比
kg/tFe ≥200
炉顶压力
MPa 0.23
热风温度
℃ 1200
富氧
轧制铜冷却壁，铜冷却壁热面采用特种喷涂料喷涂。该喷涂料
与液态渣铁有着优异的亲和力，能够在铜冷却壁的热面形成稳 定的渣皮，不但可以有效抵抗煤气流和液态渣铁的冲刷，而且能 够降低热损失，为高炉操作降低燃料比创造条件。
炉身中上部采用 5 段球墨铸铁冷却壁。第 9、10 段为双层水 冷镶砖铸铁冷却壁，冷却壁壁体厚度 340mm，第 11、12 段为单层 水冷镶砖铸铁冷却壁，冷却壁壁体厚度 230mm，第 13 段为倒扣 式镶砖铸铁冷却壁，壁体内侧面为高炉内型，冷却壁壁体厚度 240mm。炉身上部和中部温度相对较低，无炉渣形成和渣蚀危 害。这个部位主要承受炉料冲击、炉尘上升的磨损或热冲击，或 者受到碱、锌等的侵入和碳的沉积而遭到破坏。因此，第 9 至 13 段冷却壁镶砖采用耐剥落性和耐磨性都很优异的 Si3N4-SiC 砖， 镶砖厚度均为 150mm。Si3N4-SiC 砖具有良好的抗渣、抗碱侵蚀 能力，同时也具有一定的抗热震能力，并且其导热性能好，易结 渣皮。
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3.2 炉底冷却系统 89 根φ607mm 冷拔无缝钢管平行排列布置在炉底封板之 上，钢管间距 150mm，炉底冷却系统耗水及走向布置，充分考虑了 炉底全面冷却效果的均匀性，以确保炉底具有足够的冷却强度。 3.3 风口及热风阀冷却系统 风口小套、中套及热风炉系统阀门的冷却系统利用原有泵 组，采用工业净化水循环冷却，总循环水量 2255m3/h； 4 科学选择耐材 高炉内各部位的工作环境差别很大，要保证高炉的正常生 产、保护炉体的安全，耐材的选择必须与各部位的热流强度和侵 蚀破损机理相适应。炉底、炉缸是高炉长寿的关键部位，特别是 铁口及铁口以下的异常侵蚀区，越来越成为制约高炉长寿的最 重要因素。因此选择合理的炉底、炉缸结构型式对整个高炉长 寿具有非常重要的意义。 本设计采用陶瓷杯加水冷炭砖薄炉底结构。不但节省大量 内衬材料，关键是大大增强了炉底的冷却能力。陶瓷材料的保 温性能较好，炉缸热损失少，可得到较高的炉缸温度，有利于节 能、降硅和稳定操作。同时由于陶瓷材料耐铁水冲刷能力强，完 全侵蚀需要一定的时间，可以在几年内保护炭砖免遭渣铁的直 接侵蚀，又降低了炭砖的工作温度，将 1150℃铁水凝固线控制在 陶瓷杯以内，防止铁水的侵蚀。随着陶瓷材料的侵蚀，炭砖将直 接与铁水接触，为保证炉底炉缸寿命，炭砖的性能尤其关键。 炉底满铺砖第 1 层采用超高导热石墨砖，高度 400mm；第 2、 3 层采用超微孔炭砖，总高度 1200mm；第 4、5 层采用陶瓷垫，总 高度 800mm；整个炉底砌体高度 2400mm。炉缸第 4～11 层侧壁 外侧采用超微孔炭砖，总高度 4400mm，炉缸第 12～14 层侧壁外 侧采用微孔炭砖，总高度 1170mm，炉缸侧壁内侧采用大块陶瓷 杯结构。风口区全部采用大块组合砖砌筑，以加强结构的稳定 性。铁口区采用浇注料浇注，可以有效阻止铁口区域煤气的泄 漏。炉底炉缸耐材详细配置见图 1。
（4）炉体静压力监测。在炉腹至炉身中部设置 4 层共 12 点 压力测量点，用于检测煤气的压力变化，可反应高炉内煤气流的 压力变化，指导并预报异常炉况的出现。
（5）软水冷却系统的自动控制系统。本系统具有自动排汽、 水位监控、自动补水、破损报警、自动稳压功能。
（6）其他监测点还有炉喉十字测温、炉顶红外摄像、风口摄 像、高炉透气性指数测量等。
沙钢 1 号高炉于 2011 年 1 月 10 日停炉大修。由中冶南方工 程技术有限公司承担设计，设计以先进、实用、可靠、经济、环保 为原则。结合沙钢实际生产情况和原燃料条件，利用原高炉基 础、炉身框架和高炉炉壳，降低工程总投资，对落后的工艺技术 和装备进行改造，采用国内外大型高炉先进、可靠的技术和装 备。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。
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沙钢 1 号高炉大修改造炉体设计特点
李 雷 1 刘行波 1 钱兴南 2 刘 涛 2 （1.中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223；2.沙钢集团有限公司，江苏 张家港 215625） 摘 要：对沙钢 1 号高炉大修改造炉体设计特点进行了总结分析。沙钢 1 号高炉采用全冷却壁结构型式，薄壁内衬，陶瓷杯加水 冷炭砖薄炉底、炉缸结构，冷却系统采用软水密闭循环冷却，并装备了完善的监测系统。 关键词：高炉长寿；全冷却壁结构；薄壁内衬；软水密闭循环冷却系统 Abstract: The paper summarizes the design features of No.1 BF stack Relining in Shagang. Some advanced technologies are adopted as follow: full stave structure, thin lining brick, ceramic lining integrated with water cooled thin bottom and hearth carbon brick structure, the soft water closed loop circulation system for cooling, and developed observation system. Key words: blast fumace long campaign；full stave structure；thin lining brick；closed loop soft water cooling system 中图分类号：TF573 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2013）06-0047-02
3 软水密闭循环冷却系统 冷却介质是影响高炉长寿的一个重要因素。冷却壁破损的 根本原因是冷却介质在冷却通道内产生水垢和汽膜，使冷却壁 过热而烧损。软水密闭循环技术冷却效率高、能源消耗少、密封 性好、水质稳定、管道腐蚀率低，具有无可比拟的优势。 原设计中，冷却壁和炉底水冷管采用软水冷却，并联组成一 个系统。本次大修改造，根据沙钢的实际生产情况，通过详细的 冷 却 壁 热 负 荷 计 算 和 水 系 统 阻 力 计 算 ，确 定 了 系 统 的 工 艺 参 数。为了最大限度利用原有泵组等设备，本设计设有冷却壁直 冷管系统Ⅰ和炉底-冷却壁背部蛇形管系统Ⅱ两个独立系统。 冷却壁正常冷却水量 3750m3/h、最大水量 4500m3/h；炉底和蛇形 管串联正常设计水量 550m3/h，最大水量 660m3/h。设计中，将外 部管网分区及水量平衡匹配技术、系统脱汽及排汽技术、系统压 力平衡技术、自动补水及系统破损报警技术等核心技术系统集 成，可以有效保证整个系统的调试和正常运行。两套脱汽罐和 膨胀罐均设在炉顶，一旦备用电动水泵和柴油水泵同时发生事 故，两个系统都可以快速自动转化为自然循环汽化冷却系统。 3.1 冷却壁冷却系统 冷却壁采用 2 根环管供水，其中 1 根环管供冷却壁直冷管， 另 1 根环管供冷却壁蛇形管。冷却壁回水分成 4 个扇区，每个扇 区布置 5 根回水集管，对应于每块冷却壁的 4 根直冷管和 1 根蛇 形管。在每根回水集管至回水总管上设有调节阀和流量计。每 根回水支管上都设置有逆止型液流显示器，通过其玻璃仪表盘 指针，能够非常直观的看出每根回水支管冷却水流量的变化，查 漏方便、及时、快捷。
却水管 Hale Waihona Puke Baidu 进 4 出、竖直排列。
利用原有炉壳开孔，炉底至炉喉共设置 13 段冷却壁，风口以
下采用 3 段光面低铬铸铁冷却壁，风口区采用光面球墨铸铁冷却
壁。铁口区采用光面铸铜冷却壁，利用铜冷却壁优秀的导热性
能，在铁口区内衬热面冻结渣铁凝结层，把炙热的铁水和炉缸内
衬隔离开，阻止铁水对耐材的冲刷、氧化和化学侵蚀。
的检测系统，以加强对高炉的监测，所有自动采集的数据都进入 DCS 系统。主要监测项目有：
（1）高炉内衬温度监测。在炉底炉缸的砖衬里共布置了 10 层 340 点热电偶，用于测量炉底炉缸的砖衬温度。高密度、科学 合理布置的热电偶，可以使测量的温度数据更接近于真实的炉 底炉缸温度场分布，更有利于分析炉底炉缸的工作状态和侵蚀 情况。并且所有数据都进入主控楼计算机，有画面显示，并作为 炉底炉缸侵蚀模型的原始数据。
图 1 沙钢 1 号高炉炉底炉缸耐材配置图
5 先进的炉体监测系统 沙钢 1 号高炉炉体装备了各种先进的检测仪表，采用了完善
参考文献： [1]李上吉，佘京鹏，等，铜冷却壁燕尾槽结构设计的优化[J]， 炼铁，2010,29,32。 [2]项钟庸，王筱留,等，高炉设计—炼铁工艺设计理论与实 践[M]，北京，冶金工业出版社，2007,356。
m3/h 20000
渣比
kg/tFe ≤310
熟料率
% 95
综合入炉品位 % ≥58
年平均工作日 d/a 350
年产生铁量
104t/a 210
2 砖壁合一薄内衬技术
本设计采用中冶南方特色的第四代冷却壁技术，取消冷却
壁凸台，内衬直接镶嵌在冷却壁的燕尾槽中，冷却壁及内衬结构
简化，固定形式采用固定点、滑动点和浮动点相结合的形式，冷
6 结语 高炉长寿是一项复杂的系统工程，是设计、制造、施工、操 作、维护到管理的有效统一。延长高炉寿命不仅可以直接减少 昂贵的大中修费用，而且可以避免由于停产引起的巨大经济损 失。沙钢 1 号高炉大修改造采用了诸多长寿技术：（1）全冷却壁 薄壁结构型式；（2）在炉腹、炉腰和炉身下部采用轧制铜冷却壁， 炉缸铁口区采用铸铜冷却壁；（3）砖壁合一、薄壁内衬技术；（4） 陶瓷杯加水冷炭砖薄炉底、炉缸结构；（5）软水密闭循环冷却系 统；（6）炉底水冷管布置在炉底封板之上，大大提高冷却强度； （7）装备了完善的监测系统。 沙钢 1 号高炉已于 2011 年 3 月建成投产，目前利用系数达到 2.44t（/ m3· d）。高炉投产以来一直在较高冶炼强度下生产，炉况 稳定，高炉内衬和冷却壁的温度均稳定于设计控制范围之内。 长寿技术和装备已经显现出初步的使用效果，可以预计这些长 寿技术和装备可为沙钢 1 号高炉在高冶炼强度水平下实现高炉 长寿奠定坚实的设计基础。