大型高炉集成技术及装备的应用实践

于欣淼，王 冰，李庆洋

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 271104）

1 高炉大型化概述

高炉大型化有利于实现集约化生产、节能降耗、提高智能化水平和提高环保水平。高炉大型化发展是国内炼铁技术的发展趋势，近年来我国在高炉大型化、淘汰落后产能等方面取得了有效进展。

高炉大型化的关键技术和装备是实现高炉提高生产效率、降低能耗和成本、改善环境、提高智能化水平的保证[1]。在高炉工程设计过程中，积极创新设计思路和设计方法，在紧凑型铁钢界面、炉顶均压煤气回收、高炉长寿、特大型高炉顶燃式热风炉、全干法布袋除尘、现代化出铁场、高富氧大喷煤等方面集成创新了多项先进的技术及装备。

2 主要先进技术和装备

2.1 铁钢界面技术

山东省冶金设计院股份有限公司（全文简称“山冶设计”）在山钢日照精品基地总图布置方面，优化工序衔接和总图布置，深挖大型高炉集约化潜力。运用冶金流程工程和系统工程的原理，对铁钢界面物质流、能量流、信息流的协同问题进行分析论证，以实现低成本生产，由此开发了新型铁-钢界面技术，该技术具体包括炼铁-炼钢“零”界面布置技术、铁水“一罐到底”的超大型汽车运输技术及汽车运输铁水智能化调运系统。

该技术具有占地少、投资省、低能耗、生产组织灵活可靠、物流管理先进等优点[2]。该技术首次在行业内应用，日照精品基地实现吨钢0.665 m2的超低用地，铁水最远运输路程不超过350 m，铁水运输时间短，大大降低了铁水温降。

2.2 特大型高炉长寿综合技术

大型高炉长寿目标：一代炉役单位炉容产铁量15 000 t/m3。设计过程中，首先将现有长寿先进技术进行集成，实现合理的高炉内型、科学的内衬结构、强化高炉冷却、完善监测系统的有机结合。在此基础上创新设计思路和设计方法，重点解决限制性环节的长寿问题。

针对高炉长寿的限制性环节，提出了“隔离”和“引导”的长寿设计理念，并采用以下四项技术措施，有效解决限制高炉长寿的突出问题。

1）建立合理的炉缸传热体系：保证炉缸长期稳定形成自保护性渣铁凝滞层，将渣铁与耐材“隔离”。

2）“自适应操作型炉缸炉底”结构：采用“引导”的理念，引导炉底炉缸侵蚀向“锅底状”发展，引导炉芯温度保持在合理的范围。

3）“平滑型”炉缸铁口区过渡技术：通过合理增加铁口区域炭砖厚度和采取“平滑型”过渡的措施，引导炉缸铁水流向，减少铁水对铁口区耐材的冲刷侵蚀。

4）安全可靠的炉缸炉腹过渡衔接技术：改进炉缸炉腹衔接部位的冷却壁结构形式，将炉缸炉腹衔接部位“隔离”在漏斗状侵蚀线以外，解决炉缸和炉腹冷却壁衔接部位烧损的问题。

2.3 高炉出铁场综合技术

高炉出铁场设计具有操作平台平坦化、机械设备自动化、环境绿色美化等特点。

1）高炉出铁场主沟采用山冶设计自主研发的“智能化长寿主铁沟”技术，为提高主沟寿命，配合完善的主沟耐材侵蚀监测系统，对主沟安全形成有力保障。自然风冷主沟示意图如图1 所示。

图1 自然风冷主沟

2）采用创新型的落地旋转式移盖机，能够实现平移、提升、旋转三种动作，大大提升了炉前工人的操作维护空间，该设备为国内首创。

3）渣铁沟采取全封闭除尘，采用嵌入式迷宫密封铸钢盖板，防止盖板受热变形，杜绝粉尘外泄，同时达到美观、实用、环保的目的。

4）渣铁自动连续测温系统、铁水计量自动化监测系统、主沟温度实时在线监测系统、渣铁自动取样及风动送样系统的应用，进一步提高了出铁场的自动化水平。

2.4 炉顶均压煤气回收技术

炉顶均压煤气回收一直是炼铁界节能减排的一项重要课题，为积极响应国家节能减排的产业政策[3]，山钢日照5 100 m3高炉采用炉顶均压煤气自然回收技术。在山冶设计总承包的山钢莱钢新旧动能转换项目中，将3 800 m3高炉升级采用炉顶均压煤气全回收技术。该技术的核心单元为强制回收器，采用引射器形式，依靠高压流体流经引射喷嘴而形成的高速射流，引射另一种低压流体。

该技术实现均压煤气零排放，不仅避免了大气污染，而且回收了能源，是降本增效、节能降耗、环保减排的有效措施。

2.5 高炉顶燃式热风炉设计

2000 年，山冶设计设计了中国第一座高风温顶燃式热风炉——莱钢3 号750 m3高炉热风炉。此后，山冶设计一直致力于该技术的研发、推广。

山钢日照5 100 m3高炉热风炉系统采用4 座特大型顶燃式热风炉，采用两烧两送的送风制度。热风炉烧炉采用纯高炉煤气，设计风温1 260 ℃（能力1 300 ℃），预热系统采用前置预热炉（烧高炉煤气）+板式换热器的方式。

针对此次5 100 m3高炉顶燃式热风炉技术的开发，做了大量的理论研究工作，应用了多项先进技术：热风炉高效燃烧器、“带中间隔热层”的燃烧器技术、炉壳高效防晶间应力腐蚀技术、碟形炉底结构、稳定可靠的热风管系补偿及砌筑结构、热风管壁在线测温和自动烧炉控制技术等。

2.6 “洁净型”转鼓法渣处理技术

高炉渣处理系统在传统冷印巴法的基础上进行了优化和改进，形成了“洁净型”转鼓法渣处理技术。

1）采用脱渣水细渣分离技术，对转鼓下方集水池内转鼓无法过滤的细渣进行分离，提高冲渣水洁净度，降低整个渣处理系统的磨损。系统循环水质得到极大改善，水中细渣含量大为降低，实现了渣水系统的清洁生产。

2）对转鼓装置的易侵蚀部件的结构和材质进行了优化和提升，以适应浓盐水工况条件，提高设备寿命。

3）改进传统印巴法集水池和热水池集中相邻布置在转鼓下方的设计方案，将热水池从转鼓下方移出，对水泵房的冷水池和热水池采用立体布置，方便热水池的清理和水泵的检修维护。

2.7 高炉煤气净化综合技术

高炉煤气净化采用高效螺旋筒式旋风除尘器和全干法布袋除尘器相结合的煤气净化综合技术[4]。实际运行时的煤气含尘质量浓度在2 mg/m3左右，大大优于≤5 mg/m3的标准要求。

采用国产高效螺旋筒式旋风除尘器技术，避免了PW 型旋风除尘器结构复杂、磨损严重和达涅利型旋风除尘器衬板易脱落的问题，除尘效率可达到75%～80%。具有除尘效率高、占地小、投资省、寿命高、环保效果好等特点。

自2002 年山冶设计将煤气全干法除尘技术首次在国内（莱钢3 号750 m3高炉）成功应用以来，此技术在国内得到推广应用，现已成为现代高炉炼铁设计首选技术。针对本项目，还采用了高炉净煤气气力输灰技术、筒体智能恒温伴热保温技术、带煤气放散功能的干法除尘技术等创新型技术，并取得了良好效果。

2.8 全自动精准喷煤技术

采用旋转给料喷煤工艺，避免了传统压差式流化床喷煤工艺的缺点。喷吹精度由失重传感器和旋转给料器转速的闭环控制来实现，主管喷吹精度达到±1%。采用喷吹支管等阻损设计，通过三维设计实现喷吹支管等阻损设计，大大提高了分配器后各支管的分配精度，提高了风口喷吹煤粉的均匀性。设置自动清堵装置，系统会自动识别并启动清堵程序。

全自动精准喷煤技术实现了全自动均匀、连续、准确喷吹，为富氧大喷煤操作提供了有力保障。盘式给料喷吹装置示意图如图2 所示。

图2 盘式给料喷吹装置

2.9 特大型液压铁水罐倾翻技术

采用2 台380 t 特大型液压倾翻装置（见图3），该装置是目前国内铸铁系统应用的最大的液压倾翻装置，填补了国内空白。

图3 液压倾翻装置

该装置经受住了高炉初期大量铸铁的生产需要，系统稳定运行。不但提高了铸铁机的生产能力，增强了铸铁工艺安全性，而且降低了工程直接投资。该装置不仅具有超强的自动倾翻铸铁功能、灵活可调的流量控制功能，还具有紧急情况自锁、手动调节复位的安全功能。

2.10 大型高炉智能化技术

开发了大型高炉智能化系统，该系统设计有完善的监测系统，结合高炉数字技术，实现了高炉炉况诊断和“黑箱”可视化，可有效指导生产操作。

通过高炉智能化系统的应用，可对高炉炉况进行实时诊断，实现对高炉滑料、塌料、崩悬料等下料状态，高炉稳定性、透气性、长期压损、热损失等运行状态，边缘轻重、管道等气流状态，炉缸活跃性、结瘤、炉缸堆积、炉型变化等炉体状态的实时诊断与预警。同时，结合高炉现场操作经验，形成操作参数的控制建议，有效减少高炉异常炉况的发生率，提高高炉顺行率，优化高炉操作制度，为高炉的稳定、优质、低耗提供全面保障。

3 应用生产实践

该系列技术应用于山钢日照5 100 m3高炉，1 号5 100 m3高炉于2017 年12 月投产，2 号5 100 m3高炉于2019 年4 月投产，2 座高炉投产后，均快速达产达效，炉况稳定顺行。