宝钢1号高炉改进性大修的设计

宝钢1号高炉改进性大修的设计王泽(北京钢铁设计研究总院)摘要介绍了宝钢1号高炉改造性大修设计的主要内容，着重论述了高炉一代炉役设计寿命由8年提高到12年并争取达到15年时在炉体各部位结构设计中，如炉体耐材砌筑、冷却结构、冷却水系统、炉体检测及炉体辅助设备等方面采取的一些改进措施。关键词高炉大修炉体设计改进IMPROVEMENTSINRELININGDESIGNOFNO.1BLASTFURNACEATBAOSTEELWANGZemin(BeijingCentralEngineeringandResearchIncorporationofIronandSteelIndustry)ABSTRACTThearticledealswiththemainimprovementsinreliningdesignofNo.1BFatBaosteel.Thesemeasurementsinclude:BFlining,coolingstructure,coolingwatersystem,monitoringofBFliningandauxiliaryequipmentforincreasingcampaignfrom8yearsupto12years,even15years.KEYWORDSBF(blastfurnace)relining,furnacebody,designimprovement1概况宝钢1号高炉是我国第一座4000m3级的巨型高炉，1985年9月15日投产，至1996年4月2日停炉，一代炉役10年6个多月，累计出铁量3229.7万t［1］，达到了世界先进水平。1号高炉经过改造性大修之后，又于1997年5月25日顺利投产，开始了第二代炉役。开炉后6天，日产合格铁水约7500t，利用系数为1.85t/(m3*d)。大大超过其他3座高炉(包括原1号高炉)的同期水平。为确保1号高炉在第二代炉役期间内各项生产指标仍然处在世界先进水平之列，针对1号高炉的实际情况，大修设计主要作了如下改进。(1)改进炉体结构，高炉一代炉役的设计寿命由8年提高到12年，争取达到15年。炉体在大修前后结构演变参见图1。(2)出铁场尽量平坦化，缩短渣铁沟长度，改造出铁场除尘系统以改善生产操作环境，最大限度利用机械设备，减轻炉前工的劳动强度，改善劳动条件。(3)改进热风管道系统波纹补偿器的设置，合理安排管道系统中的固定点、滑动点位置，以消除原系统中布置不合理导致热风短管频频烧毁的弊病。(4)增设喷吹法炉前脱硅设施，为提高后续工序炼钢生产的质量与产量奠定基础。(5)高炉以喷煤代替喷油，喷煤量200～220kg/t，以大幅度降低焦比。(6)更新三电自动控制设施，实现三电一体化。本文着重论述炉体各部位在大修设计中的主要改进。2炉底、炉缸结构高炉一代炉役的长短，在一定程度上取决于炉底、炉缸的使用寿命。1号高炉大修设计在该部位采取以下改进措施。2.1减薄炉底、加深死铁层五六十年代，高炉设计为水冷炉底的前提下，炉底厚度与炉壳内径之比约为1/4。近几年来，国内外研究普遍认为，炉底、炉缸“蘑菇形”侵蚀是由铁水环流加速内衬磨损造成的。仅当炉缸以下有较大空间可使铁水环流速度降低时，才能减缓铁水对炉底、炉缸的侵蚀作用。所以，目前倾向于减薄炉底厚度以增加死铁层的深度。另外，随着碳砖质量的大幅度提高，并出现了微孔、超微孔等高档次的碳砖，为减薄炉底厚度提供了可靠基础。宝钢1号高炉大修设计炉底厚度由原来的4085mm减薄到3285mm，使死铁层的深度由原来的1800mm加深到2600mm，该深度为炉缸直径的19.5%。2.2采用典型的“陶瓷杯”结构国内外新建及新近大修的大型高炉炉底、炉缸结构形式主要有以下几种：(1)在炉底4层碳块上砌2层陶瓷材料；炉缸采用热压小块碳砖；(2)典型的“陶瓷杯”结构：炉底碳砖上砌2层莫来石砖；炉缸靠炉壳侧为优质碳砖，内侧为刚玉质大型预制块；(3)炉底、炉缸耐材主要采用大块碳砖，关键部位采用微孔或超微孔碳砖，炉底碳砖上砌1～2层陶瓷砖。在与宝钢各方面专家多次讨论后确定大修设计炉底、炉缸结构采用典型“陶瓷杯”结构，见图1。水冷炉底板上用碳素捣打料找平，层厚为85mm。找平层上平铺4层普通碳砖，碳砖上砌2层莫来石砖作为陶瓷垫，设计陶瓷垫厚度约占整个炉底厚度的30%；炉缸环形碳砖从炉底第4层碳砖周边开始到铁口砌砖上缘的关键范围内采用微孔碳砖，其余仍为普通碳砖，环形碳砖的内侧以及风口带为刚玉质大型预制块。2.3取消铁口冷却板，改进铁口砌筑1号高炉在第1代炉役期间，铁口周围是高炉生产中重点维护的部位，如铁口冒煤气、铁口区域砖衬松动、突出等问题。从理论上分析，这些问题是由铁口区域的砌体结构不合理造成的，带铁口冷却板冷却的小块高铝质耐材插在碳砖中使用，高炉在休风、复风过程中，两种材质间以及耐材与冷却单元之间不同的热膨胀量导致不同材质间接口处产生缝隙，缝隙加大进而开裂，进一步发展则产生上述问题。大修设计中，铁口区域(图1)在碳砖壁上采用大块超微孔碳砖紧贴炉皮研磨砌筑，陶瓷壁上采用图11号高炉大修前后炉体比较Fig.1No.1BFbeforeandafterrelining与周围相同材质即大型预制块砌筑，取消铁口冷却板。这从根本上消除了第1代炉役中铁口区域问题产生的根源。2.4改善冷却系统1号高炉南、北出铁场各有两个铁口，铁口之间夹角仅有40°，这两个区域的内衬受铁水侵蚀比较严重。高炉停炉后拆炉发现在铁口最薄处的内衬为0.55m，而其他部位最薄处为0.7m［1］，强化冷却这两个区域势在必行。大修设计把铁口深度加大到2800mm，并在上述两个区域内沿炉缸高度方向增加5层喷水环管以加强冷却。此外，改进挡水板结构设施以消除喷水不均匀、增强冷却效果。2.5改进温度检测系统为确保1号高炉大修后一代炉役的设计寿命，及时准确地预测炉底、炉缸侵蚀状况非常重要。炉底、炉缸温度检测系统改进如下：(1)炉底、炉缸温度检测点数由原来70几点增加到116点；(2)每个铁口在铁口中心线以下有规律地布置14个温度检测点以重点检测铁口部位侵蚀状况；(3)改进炉底、炉缸温度检测点的布置，如图2所示。不论是炉底还是炉缸，在同一检测位置上设有前后2个温度测点。从而把复杂的传热计算简化为稳定态传导传热问题。根据傅立叶定律：q＝-λ*t/nkJ/(m2*h)已知炉底、炉缸材料的导热系数(λ)与温度测点间距离，可利用温度实测数据计算出热流强度值，进而计算出铁水凝固点(1150℃)与温度测定点间的距离，推测出炉底、炉缸的残余厚度。无疑，这对原来的炉底、炉缸侵蚀模型计算是个重要补充。图2炉底、炉缸温度检测点布置图Fig.2Arrangementplanofthermocoupleatfurnacebottomandhearth3炉腹、炉腰、炉身下部结构宝钢1号高炉第1代炉役在炉腹、炉腰、炉身下部结构设计与其样板——新日铁君津3号高炉第1代相比虽有些改善，但从第1代炉役的生产实绩看，仍显不足。为了满足设计寿命12年以上，大修设计对该部位作了较大的改进。3.1冷却结构及冷却水系统1号高炉为原地大修，原有炉壳保留，炉顶设备沿用第1代的钟阀式，所以，炉体大修方案确定为以冷却板为主的炉体冷却结构方案。在炉体冷却结构、水系统方面作了如下改进。(1)改进炉体关键部位的冷却板结构1号高炉第1代炉役所采用的冷却板在结构设计上有两点明显的不足：冷却水流速度低；水流通道结构不能保证新水首先流经冷却板的前端。高炉投产后一年九个月出现冷却板破损，炉腹为破损的易发部位［1］。大修设计在现有单进、单出给排水管和炉壳安装、密封结构基础上，把炉体1～12段铜冷却板改为单进、单出水式6通道铜冷却板，其结构如图3所示。冷却水首先流经冷却板前端通道，并大幅度地提高水流速度。炉腰、炉身下部13～37段冷却板仍沿用4通道结构，炉役中期以后，炉体热负荷加大，在更换冷却板时，亦可以改为合理的结构。(2)增加冷却水量1号高炉炉体冷却水量偏低，这已为国内、外同级高炉的生产实践所证实。日本君津3号高炉在第1代炉役的中、后期，为延长炉龄，采取措施加大炉体关键部位冷却水量、减少冷却元件的串联个数以强化冷却［2］。在日本其他一些同级高炉上也以水量加倍方式强化炉体冷却。韩国浦项3号高炉大修把炉体冷却用水量翻了一番［3］。据上述同级高炉的生产实践以及宝钢1号高炉大修时改进的炉体冷却结构、扩大冷却范围以及大修实施中因种种原因对设计做的重大修改，将炉体冷却用水量在不同炉役阶段调整如下：正常生产情况下炉体冷却用水量为4182m3/h(其中已有冷却用水量2310m3/h)，水量分配要保证炉体1～12段6通道冷却板每串水量0.118m3/min，以使板内第1通道水速在1.45m/s左右；其余各段冷却板每串水量0.1m3/min，板内冷却水速约提高1.5倍；炉役后期高炉强化冷却时，炉体冷却水量为5310m3/h(其中包括原炉体冷却用水量2310m3/h)，水量分配应保证炉腹1～12段6通道冷却板每串水量0.133m3/min，板内前端第1通道水流速度1.65m/s，其余各段冷却板每串水流量为0.133m3/s，板内水流速度约提高2倍。图3六通道铜冷却板Fig.3Coppercoolingplateswith6coolingchannels3.2关键部位内衬选用优质耐材炉腹、炉腰及炉身下部内衬结构对炉体寿命影响颇大。内衬选材时，一方面要依高炉冶炼所采用的炉料结构以及该部位的工况，还要兼顾该区域的冷却结构形式。宝钢1号高炉第1代炉役与君津3号高炉第1代一样，采用刚玉砖外砌粘土砖，君津3号高炉大修时把此区域的刚玉砖改为氮化硅结合的碳化硅砖。后者虽有较好的抗压、抗碱、抗一氧化碳、抗磨、抗氧化性能和较高的导热系数，但其抗铁水侵蚀性能还远不如粘土砖。笔者认为炉腹部位不宜选用碳化硅砖。针对宝钢1号高炉投产后所采用的炉料结构以及炉体冷却结构形式，大修设计在炉腹、炉腰及炉身下部采用赛隆结合的刚玉砖外砌粘土质砖。赛隆结合的刚玉砖有优秀的抗碱、抗氧化性能，有较好的抗热振、连续抗氧化、抗碱、抗磨及抗铁水侵蚀性能，且导热系数低(3.5W/(m*k))，炉体冷却后备能力强、热损失少、对炉壳的热应力小。它用于该区域是较为理想的。此耐材的主要性能见表1。表1塞隆结合的刚玉砖主要性能Table1MainpropertiesofSialonbondedcorundumbrick性能(代表性)数值检验标准或方法化学成分Al2O3/%84.5SR.方法氮/%5.25SR.方法物理性能体积密度/g*cm-33.2ISO5017显气孔率/%14ISO5017抗压强度/MPa150AFNORNFB40322抗折强度/MPa20℃12SFC.方法1350℃，氮氛下15SFC.方法重烧线变化率/%0AFNOR1500℃，5h，氮氛下NFB40325导热系数/W*m-1*K-1激光方法(1000℃)3.5热膨胀系数/10-6K-15.2(20～1500℃，氮氛下)抗一氧化碳/等级AASTMC2884炉喉、炉身结构1号高炉大修对炉喉、炉身结构也作了相应改进，以便与炉体下部结构相配合，实现一代炉役的设计寿命。4.1强化冷却炉身炉身中部37～46段冷却板中各段间中心距为624mm，是炉体下部各段间中心距的2倍，该区域实为原炉体结构中的薄弱环节。高炉大修后生产工艺由原来的喷油改为喷煤，炉身中、上部破损有加剧趋势。所以，炉身冷却结构采取强化措施十分必要。韩国浦项3号高炉(3795m3)于1988年大修，炉体冷却结构沿用全冷却板，但炉身中部冷却板间中心距由624mm减少到468mm［3］。日本君津3号高炉第二代炉役没有强化该区，投产6年7个月后，炉身中部冷却板、内衬破损严重，被迫于1992年11月1日休风，历经280h，拆除了33～48段冷却板800块，利用原有冷却板开孔位置更新为3段冷却壁。宝钢1号高炉大修施工图设计中强化该部位措施，维持37～46段冷却板间中心距624mm不变，其间插入9段小块冷却壁。冷却壁设计为镶砖结构，壁体材质为铁素体基球