特大型高爐高效長壽綜合技術(shù)在首鋼京唐鋼鐵廠的成功應(yīng)用
高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展與進步集中體現(xiàn)于高爐高效與長壽兩方面的綜合競爭力。在更加注重社會責(zé)任與可持續(xù)發(fā)展的氛圍下，高效不是簡單的生產(chǎn)強化，更要重視其經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益；長壽不是簡單的高爐使用壽命長，更要重視其技術(shù)領(lǐng)先性、可持續(xù)發(fā)展的生存能力；趯Ω郀t高效長壽概念的全新理解，北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司（以下簡稱首鋼國際工程公司）圍繞高效技術(shù)與長壽技術(shù)，不斷開展高爐精料布料、高爐本體優(yōu)化、高風(fēng)溫、煤氣凈化等高爐煉鐵先進技術(shù)的研究，取得一系列創(chuàng)新成果，其成果在首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐的生產(chǎn)實踐中得到成功應(yīng)用。
1 特大型高爐技術(shù)發(fā)展背景
首鋼國際工程公司作為首鋼京唐項目的總體設(shè)計單位，承擔(dān)起了建設(shè)21世紀示范鋼鐵廠的重大任務(wù)，首鋼國際工程公司作為設(shè)計主體充分發(fā)揮多年高爐煉鐵設(shè)計的整體優(yōu)勢，以“三高、四個一流”為指導(dǎo)，自主設(shè)計，完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐煉鐵工程設(shè)計，并投入正常生產(chǎn)運行。
目前世界上正常運行的5500m3以上高爐共14座，世界5500m3以上高爐技術(shù)裝備比較見表1, 首鋼京唐5500m3高爐設(shè)計技術(shù)參數(shù)與生產(chǎn)指標比較見表2。
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2 首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐高效長壽綜合技術(shù)特點
在首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐設(shè)計過程中，首鋼國際工程公司利用依托首鋼與生產(chǎn)緊密結(jié)合的優(yōu)勢，積極開展產(chǎn)、學(xué)、研創(chuàng)新研究，采用了當(dāng)今國際煉鐵技術(shù)領(lǐng)域的十大類68項先進技術(shù)，其經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益、技術(shù)領(lǐng)先性及可持續(xù)發(fā)展性，體現(xiàn)在以下幾個方面。
2.1 高爐精料和爐料分布控制技術(shù)
精料和合理布料是高爐生產(chǎn)操作的關(guān)鍵，首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐的原燃料貯運、上料和裝料系統(tǒng)工藝設(shè)計以實現(xiàn)分級入爐和中心加焦、提高原燃料利用率、提高操作靈活性為核心，以達到入爐原料高、穩(wěn)、勻、凈精料為目的。采用并罐無料鐘爐頂裝料設(shè)備和無中繼站上料工藝，上料主膠帶機直接上料，不設(shè)中間稱量罐，以減少物料的倒運次數(shù)，減少物料倒運粉碎；采用無料鐘爐頂設(shè)備多環(huán)布料、扇形布料、定點布料、往復(fù)式布料功能實現(xiàn)爐料分布控制；采用燒結(jié)礦焦炭分散篩分、分散稱量實現(xiàn)燒結(jié)礦大、中、小分級入爐和焦炭分級入爐工藝；設(shè)置礦丁、焦丁回收系統(tǒng)以提高原燃料利用率。采用燒結(jié)礦、焦炭在線取樣分析技術(shù)及時跟蹤分析和控制入爐原燃料粒度。
2.2 高爐高效長壽技術(shù)
高爐本體是整個煉鐵、整個鋼鐵廠的核心，首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐設(shè)計以高效、長壽、低耗、穩(wěn)定順行為宗旨，高爐一代爐役設(shè)計壽命25年，一代爐役單位爐容達到2萬t/m3，焦比290 kg/t、煤比200kg/t、燃料比小于490kg/t，技術(shù)經(jīng)濟指標居世界前列。設(shè)計采用合理“矮胖爐型”技術(shù)路線，充分發(fā)揮下部調(diào)劑功能，有效控制爐腹煤氣分布，以實現(xiàn)中心活躍、邊緣煤氣適當(dāng)抑制的合理煤氣分布，提高噴煤比和煤氣利用率，達到高效順行低耗的生產(chǎn)目的。高爐本體結(jié)構(gòu)采用無過熱冷卻體系＋無應(yīng)力砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，爐缸爐底采用高導(dǎo)優(yōu)質(zhì)炭磚＋陶瓷墊綜合爐缸爐底技術(shù)，爐底爐缸“象腳狀”侵蝕區(qū)域、鐵口區(qū)域、爐腹、爐腰、爐身下部采用銅冷卻壁技術(shù)，爐體采用全冷卻結(jié)構(gòu)（包括爐喉鋼磚），爐腹以上采用磚壁一體化爐襯結(jié)構(gòu)技術(shù)，高爐冷卻采用純水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)。同時采用水冷固定測溫、爐頂高溫攝像、爐身靜壓（壓差）測量、爐底在線測溫監(jiān)控、貫流式長壽風(fēng)口等先進設(shè)備和檢測技術(shù)實時跟蹤分析高爐侵蝕運行情況，為高爐專家系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障。
2.3 熱風(fēng)爐高風(fēng)溫、長壽技術(shù)
采用4座具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BSK頂燃式高風(fēng)溫、長壽熱風(fēng)爐，設(shè)計風(fēng)溫1300℃，設(shè)置煙氣余熱回收裝置用于預(yù)熱助燃空氣及高爐煤氣，單燒高爐煤氣實現(xiàn)，最高拱頂溫度1420℃和1300℃的設(shè)計風(fēng)溫。采用交錯并聯(lián)的送風(fēng)制度，自動燃燒控制技術(shù)和換爐自動控制技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)耐火材料（高溫區(qū)采用硅磚）和合理熱風(fēng)爐爐體結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)熱風(fēng)爐壽命達到30年以上為目標。
2.4 爐前出鐵場平坦化、機械化、“一包到底”鐵水運輸
設(shè)計采用矩形平坦化雙出鐵場和出鐵場公路引橋，采用大型鐵水包車運送鐵水的“一包到底”技術(shù)。采用泥炮與開口機和天車遠程遙控控制技術(shù)，液壓泥炮與液壓開口機采用同側(cè)布置，增大鐵口間夾角，以最大限度地實現(xiàn)爐前操作機械化、自動化操作。設(shè)計采用風(fēng)冷貯鐵式主溝，延長主溝壽命和渣鐵有效分離；采用全封閉一次、二次高效除塵，改善爐前作業(yè)環(huán)境。
2.5 環(huán)保型螺旋法渣處理系統(tǒng)
采用國產(chǎn)環(huán)保型螺旋爐渣處理技術(shù)，實現(xiàn)蒸汽全回收，沖渣水循環(huán)使用，減少二氧化硫、硫化氫排放量和水量消耗，渣中含水小于12％。設(shè)計按熔渣全部水淬；，干渣僅作為事故備用，有利于環(huán)保和水渣綜合利用。水渣用作生產(chǎn)水泥或進行水渣超細磨。
2.6 富氧大噴煤技術(shù)、煙氣余熱回收技術(shù)
采用氧煤槍富氧濃相噴吹技術(shù)，噴煤系統(tǒng)設(shè)計采用3并罐、噴吹總管加分配器的直接噴吹工藝，采用連續(xù)計量、測堵分析和噴吹自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)均勻噴煤、全過程自動噴吹技術(shù)。噴煤量為200kg/t，設(shè)計能力為250kg/t，富氧3.5％～5.5％。制粉系統(tǒng)采用大型中速磨制粉和一級布袋煤粉收集短流程工藝，采用熱風(fēng)爐煙氣余熱干燥煤粉技術(shù)，實現(xiàn)廢氣余熱再利用。
2.7 煤氣干法除塵技術(shù)與粗煤氣高效旋流除塵技術(shù)
高爐粗煤氣采用高效旋流除塵系統(tǒng)，除塵效率達85%，干灰的排放和運輸采用密閉罐車運輸工藝，直接運送至燒結(jié)廠配料倉，減少二次粉塵污染。高爐煤氣凈化除塵完全自主設(shè)計，采用全干式低壓脈沖布袋除塵技術(shù)，凈煤氣含塵量在5mg/m3以下，基本無耗水，TRT發(fā)電提高30％，噸鐵發(fā)電達到50kW?h/tFe。實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、提高TRT發(fā)電出力和環(huán)保。除塵灰的排放和運輸采用氣力輸送和密閉罐車運輸工藝，直接運送至燒結(jié)廠配料倉，減少二次粉塵污染。
2.8 采通風(fēng)除塵、降噪和節(jié)水等環(huán)保技術(shù)
采用完備的通風(fēng)除塵、降噪和節(jié)水等環(huán)保技術(shù)設(shè)施。實現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)過程粉塵全部回收利用，利用污水處理后的中水作為渣處理系統(tǒng)的補充水，提高水的循環(huán)使用率。除塵灰集中收集，全部回收使用，充分回收和利用資源，降低資源消耗。除塵灰輸送采用低速密相氣力輸送新技術(shù)，節(jié)省能源，保障工廠清潔環(huán)境，粉塵排放控制在≤20mg/m3，熱風(fēng)爐噴煤煙氣SO2≤10mg/Nm3。生產(chǎn)廢水無外排。
2.9 大型高爐鼓風(fēng)機和TRT發(fā)電技術(shù)
采用全靜葉可調(diào)軸流式大型高爐鼓風(fēng)機和脫濕鼓風(fēng)技術(shù)，滿足高爐定風(fēng)量、定風(fēng)壓、穩(wěn)定濕度的操作要求；采用高爐煤氣余壓發(fā)電技術(shù)（TRT），充分回收和利用余熱余壓，實現(xiàn)節(jié)能降耗。
2.10 自動化控制與人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)
全廠采用四級網(wǎng)絡(luò)控制，煉鐵采用完善的自動化檢測與控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過程全部采用計算機進行集中控制和調(diào)節(jié)，主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用工業(yè)電視監(jiān)控和管理。采用人工智能高爐冶煉專家系統(tǒng)以滿足現(xiàn)代化高爐高效生產(chǎn)操作的要求。
3 高爐高效長壽技術(shù)的研究與設(shè)計應(yīng)用
首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐采用了多項創(chuàng)新技術(shù)，首鋼國際工程公司緊密圍繞生產(chǎn)操作，與生產(chǎn)操作一線和科研院校緊密合作，取得多項研究成果，在5500m3特大型高爐上得到設(shè)計應(yīng)用，并成功地付諸于實踐。
3.1 高爐爐料分布與煤氣流控制研究
主要進行爐料粒度、爐料分布、焦炭負荷、中心加焦對煤氣在上升過程中的流動路徑、料柱局部透氣性差、中下部煤氣流分布(軟熔帶、回旋區(qū))對上部煤氣分布影響的分析研究，進行爐型、爐料粒度和布料設(shè)計的分析和優(yōu)化。
3.2 高爐出鐵過程流動分析與控制
主要進行高爐爐缸鐵爐底無焦空間層對爐缸內(nèi)鐵水的環(huán)流影響、鐵水形成水平環(huán)流和壁面垂直流狀態(tài)、爐缸角部流速、流動粘性切應(yīng)力、鐵口局部區(qū)域的流場分析研究，通過定性比較，進行爐型、爐缸結(jié)構(gòu)、鐵口夾角、鐵口結(jié)構(gòu)、死鐵層高度設(shè)計的分析優(yōu)化。
3.3 高爐爐墻的熱負荷分析研究
主要進行特大型高爐爐缸爐底、爐腹以上各區(qū)域的熱負荷、溫度場數(shù)值模擬分析計算，形成分析軟件，自動建立爐墻熱負荷數(shù)學(xué)模型，分析不同爐墻結(jié)構(gòu)條件下和不同冷卻參數(shù)條件下爐墻熱負荷溫度場，通過定性比較分析，進行爐型、高爐本體砌體結(jié)構(gòu)和冷卻配置的設(shè)計優(yōu)化。 3.4冷卻壁的溫度場應(yīng)力場分析研究
主要進行安裝方式對冷卻壁的熱應(yīng)力分布影響、溫度對冷卻壁應(yīng)力影響、冷卻壁定位銷和固定螺栓設(shè)置對冷卻壁應(yīng)力影響、冷卻壁冷卻水管設(shè)計、燕尾槽、鑲磚結(jié)構(gòu)對冷卻壁溫度場應(yīng)力場的影響，通過分析比較優(yōu)化冷卻壁設(shè)計。
3.5 高爐爐殼應(yīng)力場分析研究
高爐爐殼設(shè)計是高爐設(shè)計重要組成，特別是5500m3高爐，在高爐壓力、爐料負荷整個爐殼承載體系大幅增加的情況下，同時考慮爐殼板材料規(guī)格性能，必須做到量化設(shè)計，通過開展爐殼有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力分析研究，達到爐殼精準化設(shè)計。
3.6 高爐三維仿真設(shè)計
工程設(shè)計要建立美感，要嚴格細節(jié)量化，特別是管系設(shè)計要統(tǒng)籌施工建設(shè)，管系長度量化節(jié)約化，同時避免碰撞，減少不必要的施工損耗，在多管系區(qū)域以及設(shè)備布置密集的復(fù)雜區(qū)域開展三維仿真設(shè)計，做到布置順暢、精準量化、視覺美化。
4 首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐高效長壽綜合技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景
根據(jù)我國“十一五”鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策，縱觀發(fā)達國家鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程，特別是日本鋼鐵工業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，大型、高效、低耗、長壽、環(huán)保是將來高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的主流，我國也相繼建設(shè)5000m3以上高爐，5500m3高爐高效長壽綜合技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。
5 高爐高效長壽綜合技術(shù)成功應(yīng)用是團隊智慧的結(jié)晶
首鋼國際工程公司以“三高、四個一流”為宗旨，積極汲取、消化國內(nèi)外先進技術(shù)，與大學(xué)、科研院所緊密合作，形成了研究、設(shè)計、生產(chǎn)操作的合作團隊，自主設(shè)計完成了首鋼京唐鋼鐵廠高爐工程設(shè)計，成功投入生產(chǎn)，達到設(shè)計指標。設(shè)計團隊在首鋼國際工程公司副總經(jīng)理、教授級高級工程師張福明的帶領(lǐng)下，組成以教授級高級工程師錢世崇、毛慶武、姚軾、唐振炎和倪蘋等專家為核心，以李云、戴建華、劉永、時壽增、李林及結(jié)構(gòu)設(shè)計師王兆村、給排水設(shè)計師馬昕等為骨干設(shè)計力量的高爐設(shè)計團隊。
首鋼國際工程公司將再接再厲充分發(fā)揮多年來積累的技術(shù)成果，充分發(fā)揮與生產(chǎn)操作密切結(jié)合的優(yōu)越條件，將高爐高效長壽綜合技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。
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