印度JSPL 445 m3高炉工艺设计与改进

孟淑敏，陈　凌，王　冰

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）



印度JSPL 445 m3高炉工艺设计与改进

孟淑敏，陈凌，王冰

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）

印度JSPL公司445 m3高炉升级改造后将炉容扩大至686 m3。利用现有445 m3高炉基础及框架，高炉本体重新设计，采用长寿综合技术：矮胖操作炉型；炭砖+陶瓷杯炉底炉缸结构；冷却壁全覆盖薄壁内衬；炉腹到炉身中部高热负荷区域采用4段铜冷却壁；软水密闭循环系统；水冷炉底结构；完善的炉体检测。高炉投产后取得了良好的技术经济指标，平均日产量达到2 100 t/d，利用系数达到2.77 t/（m3·d），燃料比为530 kg/t，煤比为180 kg/t，风温为1 200℃。

高炉升级改造；薄壁炉衬；铜冷却壁

印度JSPL公司在现有445 m3（有效容积）高炉基础和框架不变的前提下，高炉本体全部重新设计，高炉扩容至炉容686 m3（有效容积），设计经济效益指标：年有效工作日350 d（8 400 h），平均日产量约1 900 t，年产炼钢铁水66.5万t，焦比350 kg/t，煤比180 kg/t，风温1 200℃，炉顶压力0.18 MPa，高炉一代炉龄＞10 a。高炉于2014年7月15日建成投产，高炉投产后生产稳定顺行。

1　高炉炉型

高炉炉型设计历来为炼铁工作者的研究重点，通过研究总结高炉破损机理和高炉反应机理，优化高炉炉型设计的基本理念已经形成［1］。

根据JSPL现有的原燃料条件和生产操作制度，以适应高炉强化冶炼操作为准则，利旧现有高炉基础和框架，同时，选取部分国内外同级别高炉的炉型进行对比分析，着重研究了诸如死铁层高度、炉缸、炉腹角等高炉炉型的关键要素，最终确定了高炉的矮胖炉型。高炉主要炉型尺寸见表1。

炉型特点如下：

（1）增加了死铁层高度。

实践表明，在日常高炉生产中，铁水的渗透及铁水环流的机械冲刷易使炉缸炉底的炭砖脆化变质，形成“象脚”状异常侵蚀区域。所以，适当加深死铁层，避免死料柱直接沉降在炉底，有利于增加铁水流通空间，减小铁水环流，改善炉缸透液性，促进高炉的稳定顺行。考虑到以上因素，此次改造后高炉适度增加死铁层高度至1 400 mm，约为炉缸直径的21.54%。

表1　炉体内型尺寸

（2）合理的炉腹角度。

炉腹角度是高炉内型设计的重要参数之一：降低炉腹角度有利于顺畅排升炉腹煤气，减小炉腹的热流冲击，从而在炉腹形成稳定渣皮，保护冷却设备，延长炉腹区域生产使用寿命，故炉腹角度的选取需以适应现代高炉的冶炼操作为前提。现代高炉的炉腹角呈明显的减小趋势，特别是采用铜冷却壁的薄壁内衬高炉，炉腹角一般低于80°，此次JSPL高炉在炉腹处采用铜冷却壁薄壁内衬、碳质+陶瓷杯复合炉缸炉底砌筑和水冷炉底，综合考虑各种因素后，扩容后高炉炉腹角设计为78.89°。

（3）优化炉缸结构设计。

在高风温、富氧、大喷煤等强化冶炼操作条件下，炉缸风口回旋区结构、形状及其特性受到国内外炼铁工作者的关注，控制合理的风口回旋区是现代高炉操作的重点要素，是使高炉煤气流获得合理分布的根本所在，也是现代高炉下部调剂的关键［1］。适当增加高炉炉缸高度，有利于煤粉在风口前的燃烧，为风口回旋区提供了足够的燃烧空间，并增加炉缸存铁量，另外，高炉有效容积与炉缸截面积的比值Vu/A也是目前业内普遍关注的一个参数，该值表征的是高炉单位炉缸面积所对应的有效容积，该值越大表示高炉单位炉缸面积所具有的高炉有效容积越大，对比国内外同级别高炉炉缸高度取值范围，JSPL高炉炉缸高度取值为3 500 mm，Vu/A值为20.67。

2　高炉耐材

炉底、炉缸承接冶炼的最终产品，是燃料燃烧生成还原气体的发源地，是高炉工作条件最严酷的部位。炉底、炉缸长期受到高温热流的侵袭，铁水流动的机械冲刷，热应力和化学侵蚀等，炉底、炉缸部位的工作可靠性对于生产和安全至关重要。生产实践经验表明，延长炉底、炉缸寿命的基本设计理念应该是采用优质炭砖和合理的冷却相结合。只有采用具有良好导热能力的炭砖和合理的冷却相结合，才能在炉缸工作表面形成稳定的渣铁凝结层，为炉底、炉缸长期稳定工作提供可靠的保证［2］。

JSPL高炉炉缸炉底的耐材采用 “碳质+陶瓷杯复合炉缸炉底”结构，具体方案如下。

（1）炉底

炉底满铺4层碳砖，从下往上依次为第一层中国产石墨砖，第二层中国产半石墨碳砖，第三层德国西格里微孔碳砖，第四层德国西格里超微孔炭砖。第四层碳砖上部砌筑两层法国圣戈班小块刚玉砖作为陶瓷垫，整个炉底厚度为2 400 mm，在刚玉砖之上立砌一层高炉粘土保护砖。

（2）炉缸

炉缸环砌大块德国西格里碳砖，炉底、炉缸交界处即“象脚状”异常侵蚀区，环碳砌筑6层高导热、抗铁水渗透性好的德国西格里超微孔碳砖，超微孔碳砖上部砌筑3层德国西格里微孔碳砖，至风口组合砖下沿。炉缸大炭块内壁砌筑法国圣戈班刚玉砖，组成“碳砖+陶瓷耐火材料”的陶瓷杯结构。炉缸最内侧环砌高炉粘土保护砖。砌筑详图见图1。

炉缸铁口区域采用德国西格里大块碳砖整体砌筑，铁口通道处采用大炭块钻孔；铁口框内采用法国圣戈班大块刚玉砖。

风口区域采用法国圣戈班大块刚玉砖。

通过合理的冷却系统，结合优质耐材的选用，较好地控制炉底炉缸1 150℃等温线分布，使其基本分布在渣铁保护层内，确保碳砖远离800～1 100℃脆变温度区间，有效地保护碳砖。

3　冷却系统

根据首钢多年的实践经验得出结论：炉缸炉底在关键部位选取高导热、抗侵蚀优质碳砖的同时要注重强化高炉冷却效果，充分发挥高导热优质碳砖的作用，并加强监测与监控；所以在冷却水量的选择上要节约而不要制约，在冷却水量的设计能力上要考虑充分的调节能力，而不能在设计能力上以冷却水量小，说明设计先进，从而导致冷却能力不足。

图1　JSPL炉底炉缸砌砖图

鉴于此，考虑到JSPL高炉炉缸炉底选用了“碳质+陶瓷杯复合炉缸炉底”的耐材结构，故在冷却系统的设计上选择了 “软水密闭循环系统与工业水系统相结合的方案”。

3.1软水密闭循环冷却系统

软水密闭循环系统是一个完全密闭的系统，以软水或纯水作为冷却介质，能够有效改善冷却水质，消除冷却壁结垢，提高冷却可靠性，水量消耗低，系统运行稳定，动力消耗低，管道系统流程优化、管道腐蚀小，水质不受污染［3］，是目前高炉冷却技术的主流发展趋势。JSPL高炉软水密闭循环系统由冷却设备、供回水管路、脱气罐、膨胀罐组、循环水泵组、热交换器、控制阀组及自动化检测系统等构成。冷却水回水进入脱气罐脱气后回至软水泵房，由热交换器换热冷却后送至循环水泵组，循环使用。JSPL采用2套独立的软水密闭循环系统，系统流程图如图2、图3所示。

图2　软水系统（一）流程图

图3　软水系统（二）流程图

冷却水通过水泵送至炉体各冷却设备进行冷却，并利用余压回至热交换器进行换热降温以循环使用，此外设置柴油机备用来保证停电时启动供水泵的安全供水，柴油机未启动前将闸阀打开系统利用余压自循环供水。

3.2工业水冷却系统

高压工业水系统主要为高炉炉顶打水供水，供水由常压水经过加压泵二次加压后供炉顶打水使用。常压工业水系统主要为高炉炉喉钢砖、气密箱冷却水、炉壳溜槽检修孔用水、炉顶液压站、高炉后期喷淋、炉顶附属设备、炉前液压站、热风炉高压风机、热风炉液压站、出铁场除尘风机、煤气净化、矿槽系统和喷煤系统等用户提供用水，供水方式为开式循环冷却水系统。冷却水供水系统由3台常压水泵经冷水池吸水加压供至上述用户，回水余压自流至热水池，经冷却塔冷却后，循环使用。常压水系统流程图见图4。

图4　工业水系统流程图

4　冷却设备的选择

炉体的冷却结构好坏，直接影响冷却设备的寿命，而冷却设备的寿命是决定高炉寿命最关键的环节之一，根据高炉内纵向各个区域不同的工作状况，JSPL 686 m3高炉的冷却结构和材质选择情况见表2。

表2　高炉炉体冷却设备规格

JSPL 686 m3高炉冷却结构和材质选择主要有以下特点：

（1）炉缸炉底

在整个炉役过程中，此部位的温度波动较小，热负荷值相比炉腹及以上区域也要偏低，靠近冷却壁的碳砖砖衬能得到较好的保存，保证了冷却壁避免遭受渣铁侵蚀。JSPL 686 m3高炉在炉缸炉底区域采用光面耐热铸铁冷却壁，可以承受约400℃的工作稳定，这种特性正好适用于炉缸炉底的冷却器工作环境［3］。

（2）炉腹、炉腰及炉身下部

高炉炉腹、炉腰及炉身下部是冷却设备易发生异常破损的薄弱区域，且该区域具有较高的热负荷，强化该区域的冷却已成为国内外炼铁工作者的共识。为了进一步延长高炉寿命，在高炉炉腹、炉腰及炉身下部共设计4段铜冷却壁，该铜冷却壁采用轧制无氧铜板（TU2）钻孔而成，热阻小，工作温度低。轧制铜板的导热率较高，为380 W/（m·K），约比球墨铸铁高10倍。

（3）炉身中上部

该区域热负荷值略高，冷却壁主要受到煤气流冲刷、炉料磨损及碱金属化学侵蚀等多重作用，故设计时采用砖壁合一薄内衬的结构形式，冷却壁镶砖采用燕尾槽连接，从结构上加强了砖衬的稳定性。砖壁合一薄炉衬技术取消了冷却壁凸台，容易形成稳定而平滑的操作炉型，设计炉型即为操作炉型。炉喉采用光面条形水冷钢砖。在其下方安装l段C型水冷壁，以维护合理炉型。

（4）炉底水冷管

炉底水冷管设置于炉底封板上方，埋于炭素捣打料找平层以内，管径Φ60 mm×6 mm，间距600 mm，共设14组U型水管。

5　检测系统

为确保高炉的稳定生产操作，降低原燃料消耗，延长高炉寿命，JSPL 686 m3高炉进一步加强和完善炉体检测系统，设置了必要的检测点，配置适用的高炉操作计算和分析模型，为操作人员提供准确可靠的参数和信息。

（1）砖衬检测

在炉缸炉底设置砖衬热电偶，共计10层、229点。用以在线检测炉缸炉底耐材的温度分布情况，推断炉衬侵蚀状态，使操作人员准确掌握炉内侵蚀变化，及时采取相应的措施延长炉缸炉底寿命。

（2）冷却设备检测

设置铸铁冷却壁本体热电偶、铜冷却壁本体热电偶，共64点，其中炉缸铜冷却壁设有32点。温度检测用以推断软熔带位置、检测炉衬侵蚀状况、判断冷却壁的损坏状况等。

（3）软水密闭循环系统检测

在高炉软水密闭循环系统中，设置水系统进出口压力、流量、温度检测、记录，掌握系统各部位现场工况变化，对系统进行宏观监控，实现操作指导。

（4）水温差系统检测

在线实时检测高炉冷却壁和风口套进出水温度及相关部位流量，同时记录温度、温差和热流的数据，以便查询相应的历史曲线和热流分布变化趋势。JSPL 686 m3高炉水温差系统测量精度达到±0.05℃。

（5）其他检测

在炉顶设置炉喉一字测温装置用以推断炉身上部的煤气温度分布。设置炉身9点静压力（压差）测量装置，炉腹炉身设置12点探瘤孔，指导高炉操作。设置炉顶压力控制、炉顶红外摄像仪、炉顶煤气自动分析仪以及风口成像等炉体检测设施。

6　结语

JSPL 686 m3高炉炉体系统的设计，充分借鉴了我国高炉先进成熟的技术，结合JSPL自身的原燃料条件以及现代高炉炉型的发展趋势，确定了较为合理的炉型和内衬结构。采用了一系列先进的高炉长寿技术。如矮胖型炉型结构，适当加深死铁层深度，炉缸、炉底采用以优质耐火材料为基础的 “碳质炉缸-陶瓷杯炉底”结构，在炉腹、炉腰及炉身下部关键区域采用铜冷却壁，软水密闭循环冷却系统与工业水系统相结合，完善的检测监控系统等。2014年7月投产以来，高炉有效利用系数平均值为2.77，燃料比530 kg/t，煤比180 kg/t，风温1 200℃，高炉的各项指标基本达到了预期的设计水平。

［1］毛庆武，张福明，姚轼，等.首钢高炉高效长寿技术设计与应用实践［J］.炼铁.2011，30（5）：l-6.

［2］项钟庸，王筱留.炼铁工艺设计理论与实践［M］.北京：冶金工业出版社，2014.

［3］张福明，程树森.现代高炉长寿技术［M］.北京：冶金工业出版社，2012.

Process Design and Improvement of 445 m3Blast Furnace in India JSPL Company

MENG Shumin，CHEN Ling，WANG Bing
（Shandong Province Metalurgical Engineering Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

The furnace volume expanded to 686 m3after the upgrade of 445 m3BF in India JSPL Company.The existing 445 m3BF foundation and frame is utilized to make new design for BF with long service life comprehensive technologies，including short and stout type furnace shape，carbon brick+ceramic cup bottom and hearth structure，cooling stave full-cover thin wall liner，bosh to shaft middle part high thermal load area adopts copper cooling stave，combined soft water closed circulation system，water cooling bottom structure，and perfect furnace body detection.The BF achieved good technical and economic indexes after commissioning.The highest daily output is 2 100 t/d，the coefficient of utilization reaches 2.77 t/（m3·d），fuel ratio is 530 kg/t，coal ratio is 180 kg/t and the blast temperature is 1 200℃。

blast furnace upgrade；thin skinned lining；copper cooling stave

TF572

B

1001-6988（2016）02-0050-05

2016-01-08

孟淑敏（1980—），女，工程师，主要从事高炉工艺设计工作.