炼铁高炉机械设备的技术性研究

2020-03-27刘鑫

中国金属通报 2020年20期

刘鑫

（山东钢铁集团莱芜分公司型钢炼铁厂，山东济南 271104）

近年来，随着国民经济的持续稳步增长，社会各领域对钢铁产品的需求量与日俱增，在这一背景下，我国的钢铁企业不断对炼铁高炉设备性能进行改善，对各项技术参数进行调整和优化，在确保现有炼铁高炉设备满足正常生产作业需求的前提下，使钢铁生产效率与钢铁产品质量得到大幅提升。尤其在进入二十一世纪后，我国钢铁行业的炼铁高炉逐步向大型化、集成化、智能化方向过渡，并在积极响应国家“节能降耗，绿色环保”号召的同时，为企业创造了更多的经济效益与社会效益。

1 炼铁高炉设备结构组成

炼铁高炉是集机械化、自动化、电气化作业于一身的大型技术装备，炉体呈竖式圆筒形。工艺原理主要借助于焦碳、煤粉以及助燃溶剂，将烧结矿、球团等原料炼制成铁水，进而生产出钢铁产品。其中，高炉设备的本体结构主要包括炉喉、炉身、炉腰、炉腹以及炉缸五个部分，附属结构包括供料系统、送风系统、煤气除尘系统以及渣铁处理系统。炼铁高炉设备结构组成如图1所示。

图1 炼铁高炉设备结构组成

1.1 外部炉壳

炉壳位于高炉炉体的最外层，既能够起到保护炉体内壁的作用，同时，也能够降低炉内的运行温度，炉壳除了承受炉顶载荷外，也会直接受到内部煤气压力与热应力的冲击，因此，在炉壳设计队伍，应当首先考虑煤气爆炸的危险性与冲击力，进而设计出高强度炉壳，以有效抵抗崩料的侵害。

1.2 炉喉与炉喉护板

炉喉是炼铁高炉设备本体最顶层结构，一般呈圆筒形，在炼铁生产中，炉喉主要作为炼铁原料的进料口，也是导入煤气等助燃燃料的入口，当原料与煤气进入炉体后，处于炉体顶层位置的原料与煤气受到炉喉的调节与控制，进而保证原料与煤气等燃料的充足供应，使炼铁流程能够顺利展开。而炉喉护板是保护炉喉壁的一种防护装置，由于在进料阶段，炼铁原料与炉喉壁频繁撞击，加之高温煤气流的冲击，导致炉喉壁极易受损，为了延长高炉的使用寿命，需要在利用铸铁等原材料在炉喉结构上面安装一个块状、条状或者直径大小不同的保护外板，对于大型高炉来说，炉喉护板的厚度介于100mm ～150mm 之间，以保护炉喉壁免受破坏[1]。

1.3 炉身与炉衬

炉身的外部结构呈现圆锥形，是铁矿石发生间接还原反应的主控区，自下至上，炉身的形状逐渐缩小，这一设计原理主要防止炼铁原料在加热升温后由自身体积膨胀而导致的料拱现象的发生，而炉身角的大小亦可以直接影响炼铁原料的下降速度以及煤气燃料的均匀分布。炉衬是由耐火材料制成的贯穿于整个炉体内部的防护结构，炉衬的大小决定着炉体空间的大小，而且，能够保护炉体外壳，防止热应力与化学侵蚀作用给炉内金属结构造成的破坏。

1.4 炉腰

炉腰位于炉身与炉腹之间，是整个炉体当中直径最大部位，也是衔接炉身与炉腹的过渡段，炼铁原料在炉身区域被高温还原并进入炉腰部位后，将产生一部分炉渣，由于在此区域形成的炉渣具有一定的粘结度，以至于给炉料的透气性造成严重影响，因此，为了增加炉料间的间隙，在设计阶段，需要扩大炉腰直径，以改善炉内煤气流的运行环境，提高炼铁效率。

1.5 炉腹

炉腹是炼铁原料熔化为铁水的重要部位，同时，也是炉渣量最大的区域，该结构一般呈倒锥台形，在炼铁生产中，由于炉料在高温作用下，自身体积缩小，因此，炉腹直径从上至下也逐渐变小，并构成一个炉腹角，该部位能够均匀调节空气气流，使炼铁原料能够充分燃烧，进而生产出高质量的钢铁产品。

1.6 炉缸

从图1 中可以看出，炉缸位于整个炉体的最下端，是渣铁反应与炉渣排放的关键部位，从外观结构看，一般呈圆筒形。在炼铁生产时，出铁口、出渣口以及风口都位于炉缸部位，同时，炉缸也是化学反应类型最多的部位，本身需要承担巨大的化学反应冲击力，因此，对炉缸材质要求较高。

1.7 炉底与炉基

炼铁过程中，炉内温度将达到1000℃以上，炉底作为连接炉体的坚固砌体，不仅承受炉料、渣液以及铁水的静压力，同时，必须承受1400℃～4600℃的高温，因此，对炉底砌体质量提出了严格要求，可以说，炉底砌体质量直接决定着高炉设备的使用寿命。而炉基作为高炉设备的基础，承载着高炉施加的竖向静压力，炉基形状自上至下逐步扩大，并呈圆形或者多边形。其中炉基与高炉总重通常为高炉容积的10 ～18 倍，炉基倾斜值应当小于0.1%～0.5%，并且需要具有足够大的强度与耐热能力，因此，对炉基的稳定性要求较高，高炉设备运行过程中，不容许炉基出现下沉现象，而且在热应力、压应力的侵蚀下，炉基本身不会出现裂缝。

2 高炉机械设备技术性分析

2.1 高炉供料系统

供料系统主要包括贮矿槽、槽下运输与称量设备以及炉顶上料设备。贮矿槽平行于炉列线，位于高炉卷扬机一侧，并与斜桥保持垂直关系。贮矿槽主要用于贮存炼铁原料，而且能够调节所需原料使用量。贮矿槽的标高与槽体顶部的运输形式有所关联，槽体容积则与高炉容积、选择的原料品种与运输设备的稳定性能等因素有关。目前，炼铁高炉供料系统中的贮矿槽主要由钢筋混凝土结构以及混合结构组成。槽下运输设备特指胶带运输带，主要负责传送炼铁原料，称量设备主要负责计量原料的净重量，从组成结构上看，称量设备包括称量漏斗以及皮带秤。炉顶上料设备主要包括料车式上料系统以及皮带式上料机系统，料车式上料系统一般由两个料车、斜桥与卷扬机组成。而皮带式上料机系统的关键设备则是皮带传动机，主要由电动机、皮带滚筒、减速机、液力耦合器以及制动器组成。

在供料工序当中，贮矿槽内部的烧结矿原料与贮矿槽之间应当保持30° ～60°的倾斜角，供料速度需要控制在40t/h ～600t/h 之间，由于烧结矿本身呈现不规则形状，在炼铁过程中，矿体与炉衬内壁频繁撞击，极易破坏炉衬结构，因此，为了增强炉衬的耐磨性能，炉衬多采用磁性材质的衬板，磁性衬板当中永磁装置能够连续吸附烧结矿颗粒，避免槽体内部原料与炉衬直接接触，这就延长了炉衬的使用寿命，同时，也节省了大量的维修成本。另外，近年来，随着高炉设备设计技术的日渐纯熟，在选择高炉衬板时，设计人员引入了一些新型的炉衬材料，比如复合碳化硅衬板，这种新型衬板一般应用于高炉贮矿槽焦炭系统中的焦斗、焦槽等位置，能够对焦斗与焦槽起到积极的防护作用，避免烧结矿原料给炉衬造成损坏。尤其在高温、高压等恶劣生产条件下，复合碳化硅材料的高稳定性也表露无疑[2]。

由此可见，合理选择炉衬衬板材料是保证物料正常供应，确保高炉正常运转的先决条件。因此，高炉设备检修人员应当做好日常检查与维护工作，重点关注高炉衬板的使用状态，如果发现衬板粘有附着物，应当及时予以清理，避免炼铁生产进度受到影响。

2.2 高炉送风系统

高炉送风系统主要负责供给高炉炼铁工序所需的具有足够温度与数量的热风，主要由鼓风机、冷风管道、热风炉、热风管道以及进风装置构成。其中，鼓风机的正常排气压力值介于0.115MPa ～0.7MPa 之间，分为叶轮式或透平式与容积式两种类型，比如平时人们常说的多级离心鼓风机，又被称之为透平鼓风机。而热风炉作为炼铁工序中的高温热交换器，其工作原理是通过热交换的形式，将高炉鼓风预热至1200℃左右，然后借助于鼓风机的鼓吹作用向高炉内部吹入热风，以加快燃料完全燃烧速度。目前，多数钢铁企业都采用蓄热式热风炉，这种热风炉首先燃烧煤气，然后利用煤气燃料时产生的烟气对蓄热室格子砖进行加热，在这一过程中，热风炉轮流交替往复燃料与送风，使高炉炉体能够持续获得高温热风。尤其在近几年，业内专家对格子砖的结构参数进行优化和改良，将砖孔径缩小，进而增加了加热面积，这就使得格子砖的传热效率大幅提升。

2.3 高炉煤气除尘系统

在炼铁过程中一般将煤气作为燃料原料，而煤气当中含有大量的CO 等有毒有害气体以及粉尘颗粒，如果不及时予以处理，将危及作业人员的身体健康与生命安全。因此，每一座高炉设备都安装配备了煤气除尘系统，而最为常用的除尘方法是湿法除尘，通过重力除尘装置的吸附作用，能够吸附和处理大颗粒煤气粉尘，然后在高压阀门组件设备的作用下，对微小颗粒粉尘进行处理。因此，高炉煤气除尘系统的核心装置是重力除尘器与高压阀门组件。另外，当高炉运行后，高炉炉体安装的监视设备可以随时对炉壁、炉膛内温度以及煤气浓度进行监测，如果发现温度异常或者煤气浓度超标，检测系统的报警装置就会及时发出报警信号，设备检修与维护人员可以及时跟进处理。高炉煤气设备处理流程如图2 所示。

图2 高炉煤气设备处理流程

2.4 渣铁处理系统

渣铁处理系统主要包括风口平台、出铁场、开铁口机、堵铁口泥炮、铁沟与撇渣器。该系统的工作原理是将炼铁过程中喷射出的高温渣铁分离后，使其流向铁水包与渣沟。风口平台位于高炉炉体底端炉缸风口处，与风口中心线相比低1150mm ～1250mm。而出铁场则是布置铁沟、安装炉前设备、进行出铁放渣操作的工作平台。出铁口一般低于风口平台约1.5m，主铁沟区域应当布置平坦，其余部分由中心向两侧与由铁口向端部随渣铁沟走向保持一致坡度。