马钢2 号2 500 m3 高炉本体设计

孙华平，高成云，赵奇强

（中冶华天工程技术有限公司，江苏210019）

0 引言

马钢2 号2 500 m3高炉第一代炉役于2003 年10 月建成投产，至2017 年 5 月停炉，已生产 13 年零7 个月。本世纪以来，我国高炉工艺及装备技术有了重大提升，为满足高效、长寿、绿色、智能化高炉生产新时代要求，马钢决定进行第二代炉役大修。

此次大修由中冶华天EPC 总承包，经过总包方、业主和各协作方齐心协力，历时156 天完成大修任务。高炉大修汲取了国内高炉设计经验以及当今高炉炼铁的发展趋势，在高炉炉型、内衬结构与材料、冷却系统结构、冷却水系统、检测与监控系统等等方面进行了优化设计，采用了多项新技术、新工艺、新材料。

1 高炉大修项目的主要内容

本次大修主要包括：高炉本体、循环冷却系统改建、出铁场平坦化改造、煤气湿法除尘改干法并更新TRT、渣处理系统改造、增设均排压煤气回收和炉顶除尘设施、出铁场除尘系统改造、热风管系与热风炉燃烧系统改造、设备维修及局部更新、增加煤气除盐系统、三电系统更新等。

高炉本体系统在维持炉顶钢法兰、铁口标高及夹角不变、炉体平台维护外，炉壳及以内全部更新，本体冷却由原来的工业循环水系统改为软水密闭循环系统。

2 高炉大修设计的主要优化内容

2.1 高炉内型的优化

马钢2 号2 500 m3高炉设计于本世纪初，从该高炉内型看，与当今高效生产高炉内型要求相比存在差距，主要体现在炉缸直径偏小、安全容铁量偏低、高径比偏高。因此，第二代炉役大修，需在维持炉顶钢法兰和铁口标高不变的情况下，如何确保炉型设计成功就成为关键。

炉型的好坏对生产的稳定顺行、一代炉役寿命和煤气利用等都产生重大影响，因此，生产者对炉型设计均非常看重。高炉内型设计虽有经验公式参考，学者们对炉型的研究甚多[1-2]，但事实上，不同大小的高炉、不同的外在条件，几乎不可能完全照搬照套。本次设计为了取得成功炉型，我们对近三年同类型高炉生产指标数据库、同类型高炉炉型数据库进行对比分析，并结合2 号高炉已有的操作经验，最终确定了2 号高炉的二代炉型。高炉内型示意图见图1，一代、二代炉型对比见表1。

图1 高炉炉型示意图

表1 2 号2 500 m3 高炉两代炉役内型对比

2.2 内衬结构与材料的优化

当今高炉本体内衬结构主流设计均采用薄壁内衬，炉腹、炉腰及炉身中下部基本采用冷却壁全覆盖，镶嵌氮化硅结合碳化硅砖，炉身中上部采用磷酸盐浸渍黏土砖，然后内部覆盖喷涂层。高炉一代炉役寿命的关键取决于炉底炉缸，因此，炉底炉缸结构设计和材料选用尤为重要。国内对此的研究很多[3-6]，就炉底炉缸内衬结构而言，归结起来有“炭砖加陶瓷杯方案”、“炭砖加陶瓷垫方案”。炭砖加陶瓷杯方案又可分为“炭砖加自由杯”和“炭砖加镶嵌杯”；炭砖炉缸有模压小炭块方案和大炭块方案。不同的炉底炉缸结构均有实现长寿的实例，也有炉缸烧穿的案例，长寿型炉底炉缸必须是设计、施工和操作的综合作用结果。

本次2 号2 500 m3高炉大修要求一代炉役寿命超过15 年。马钢2 号高炉第一代炉役的炉底炉缸结构和材料配置方案已经过近14 年的安全运行，充分证明了这种炉底炉缸结构设计是完全成功的。因此，此次2 号高炉大修的炉底炉缸结构保留了原来的形式，针对现在高炉强化冶炼下的高寿命要求，对炭砖材质、冷却壁与炉壳缝隙浇注料进行提升。一、二代炉役炉底炉缸结构选材对比见表2。

表2 2 号高炉两代炉役炉底炉缸结构和材料选用对比

2.3 冷却结构的优化

本次大修结合炉体改为软水冷却，冷却壁和炉壳全部更新。冷却壁配置方案见表3。此次冷却结构设计的主要特点有：

（1）炉体采用全冷却壁结构；

（2）重点部位的炉腹、炉腰和炉身下部采用铜冷却壁；

（3）炉身中部采用双层水管加强冷却；

（4）铁口区域采用异型冷却壁，以满足配管和维护要求；

（5）在遵循炉壳开孔规范的条件下，对冷却强度要求高的地方，尽可能增加冷却比表面积。

表3 冷却壁结构特征

2.4 冷却水系统的优化

该高炉上代炉役全部采用工业净环水冷却系统，本次大修设计对高炉本体冷却壁、炉底水冷管、直吹管、风口中套和热风炉阀门采用软水闭路循环冷却系统。软水系统分一次循环和二次循环：高炉本体冷却壁、炉底水冷管为一次循环，总水量为5 200 m3/h；一次循环回水分流一部分再次加压供热风炉阀门和风口中套进行冷却为二次循环，总水量1 400 m3/h。二次循环水回到炉顶大平台处与一次剩余循环水合流，再经脱气罐、膨胀罐进主循环泵房冷却后循环使用。冷却壁软水冷却通过供水环管直接接入第一段冷却壁的进水管，一直串接到第17 段冷却壁，然后分别接入四个分区的16 根回水集管，再汇合到回水总环管。

本次大修设计风口大套不进行冷却，风口中套、小套进行冷却。30 个风口小套仍然采用高压净循环水，这是基于如下考虑：一是保证高炉本体冷却系统的稳定性，考虑到风口小套易于损坏造成漏水，导致软水系统补水波动频繁，对软水系统的检漏带来干扰；二是简化冷却系统，作为大型高炉，通常情况下高压冷却水系统是必不可少的，如十字测温、炉顶气密箱、炉顶摄像及炉顶液压站等，均需提供高压工业净环水，在满足生产要求的情况下，将所有的高压水纳入到一个净循环系统，可以使得冷却系统简单化。

2.5 检测与监控系统的优化

为实现对高炉“可视化操作”要求，本次大修设计配置了炉缸侵蚀模型、热负荷模型和布料模型，并配置了完善的检测仪表和一次检测元件，形成了对炉体全方位的监控。

（1）配置有炉顶红外成像和每个风口的红外成像，炉喉配置“十字测温装置”。

（2）炉底炉缸炭砖配置12 层计416 点温度检测，不仅可以显示炭砖生产状态下的温度，而且还可为炉底炉缸侵蚀模型提供基础数据。

（3）炉腹到炉喉钢砖之间配置10 层12 方位冷却壁温度检测。

（4）炉腰与炉身配置3 层6 方位炉身静压检测。

（5）从炉底到炉身中部每层每块冷却壁设置1点出水温度检测。

（6）每根直冷管的最终回水配置流量检测和现场压力计，可以实现快速检漏和为热负荷模型提供基础数据。

（7）三个铁口区域特增加炉壳温度和冷却壁水管温度检测。

3 结语

马钢 2 号2 500 m3高炉第二代炉役于2017 年10 月10 日投产，一个星期达产，十天后主要技术指标达到：利用系数2.36 t/m3.d、焦比367 kg/t、煤比134 kg/t、燃料比501 kg/t、风温 1 141 ℃、富氧2.5%、顶压212 kPa、铁矿入炉品位58%。从现场操作反馈，本体运行一切正常，新的炉型在稳定顺行方面显现了良好的可操控性。该高炉本体的高规格配置和完备的监控手段，加之马钢丰富的操作经验，可以预期马钢2 号2 500 m3高炉新一代炉役生产必将成为“高效、长寿、低耗”的新标杆。