马钢4号高炉热风炉系统工艺设计特点探讨

2020-10-26侯玉伟王海鹏周庆子

工程技术研究 2020年17期

侯玉伟，王海鹏，周庆子

（马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

随着高炉冶炼的强化及大喷吹的需要，高炉对高风温越来越迫切。提高高炉入炉风温是增加喷煤量，降低焦比，提高铁水产量最有效、最经济的节能措施。2019年1月—10月，中国钢铁工业协会会员单位高炉热风炉平均温度为1149℃。

1 设计概况

马钢4号高炉（年产铁水270万t，以下简称“4号炉”）是马钢优化资源配置、淘汰落后产能、提升企业综合竞争力的重点工程，于2016年9月20日举行了投产仪式，为其配套的热风炉为3座顶燃式热风炉（预留第4座热风炉位置），采用纯高炉煤气（预留转炉煤气接口）作为热风炉烧炉用燃料。4号炉热风炉系统配置如下：3座顶燃式热风炉（预留第4座热风炉位置）；设有A、B框架，主要设备及管道均布置在框架内；设置烟气余热回收系统，预热热风炉燃烧用助燃空气和高炉煤气；助燃风机系统集中送风，2台风机1用1备；热风炉本体区主要阀门为液压传动，设有集中液压站；余热回收系统主要阀门为电传动，高炉主控室远程控制；设置80m高烟囱、热风炉管路系统。受场地限制，4号炉热风炉系统布置在高炉东西出铁场两条铁路线所夹的狭长地带。4号炉热风炉设计参数见表1，主要技术性能参数见表2。

表1 4号炉热风炉设计参数

2 热风炉设计特点

2.1 喷射涡流式燃烧器

喷射涡流式燃烧器位于拱顶顶部，以迷宫式的连接方式单独支撑在炉壳上，与下部的弧段拱顶隔离开来，上下两层设置若干个带有一定角度的喷射口。此种燃烧器确保空气和高炉煤气在进入蓄热室之前充分混合，使燃烧更加安全、稳定，最大限度地避免了燃烧时的爆震及脉动，并使燃烧产物沿着格子砖分布更加均匀。

表2 4号炉热风炉主要技术性能参数

2.2 拱顶结构

拱顶结构依靠自身的质量和砌体之间的锁紧结构，使拱顶处于整体压紧状态，消除了向外的推力。拱顶与热风炉墙体完全脱离，使得墙体能够自由膨胀，不影响拱顶结构。

2.3 组合砖及格子砖

在砌体开孔（如人孔、点火孔等）、热风出口、主支管三岔口、主围管三岔口部位采用组合砖形式，以提高这些部位砌体的结构稳定性和气密性，防止热风炉生产过程中这些部位的砌体发生破损、脱落现象。

热风炉蓄热室根据温度分布的不同，上部为硅砖，下部为黏土砖，在结合面采用逐渐过渡、花砌的办法以消除两种不同材质耐火砖因性能差异而出现的问题。设计采用19孔格子砖，直径为φ30mm，带凹凸槽。

2.4 无托梁独立支撑炉箅子

采用独立支撑的无托梁式炉箅子，材质为RQTSi-4Mo。这种炉箅子的优势在于在提高废气温度的基础上，消除了炉箅子间的热应力影响，防止炉箅子在温度波动和热膨胀过程中损坏。另外，分流板可以保护下层格子砖避免受损，并在较高温度下运行。

2.5 合理的热风管道系统

（1）热风支管采用独特的垂直管+水平管方式。热风支管垂直管与本体内衬采用迷宫滑缝连接，同时在垂直管上设置波纹补偿器，当热风炉加热升高时，这种内衬及结构设计可以消除热风炉本体升高对热风支管内衬的损坏。独特的热风支管设计使得热风总管高度始终与热风围管保持同一标高，减少了A、B框架钢结构体量。

（2）热风管道系统考虑了热风炉炉壳、管道钢壳及管道砌体热膨胀所引起的各方向上的变化，并据此设置波纹补偿器和大拉杆装置，采用合理的支座形式及波纹管布置方式，充分吸收热膨胀引起的位移，保证热风管道的稳定性。沿热风总管轴向方向设置两段大拉杆装置。热风支管水平段不设置大拉杆装置，在热风总管支座处设置安全限位装置，允许热风支管和总管沿支管轴向方向在一定范围内自由滑动。

（3）热风管道砌体采用了更加合理的砌体结构。热风支管垂直管上部内衬与本体内衬采用迷宫滑缝连接，与热风炉本体脱开并吸收内衬膨胀位移。热风支管水平管隔热衬耐火砖设置一条膨胀缝，缝隙中填入硅酸铝陶瓷纤维毯，与水平支管波纹补偿器的一条膨胀缝形成迷宫膨胀缝。热风支管水平管工作衬耐火砖设置2条膨胀缝，其中一条缝隙中填入硅酸铝陶瓷纤维毯，另一条设置在热风阀出口法兰外侧两块耐火砖砌成的迷宫形砖缝之间（耐火砖设计为L型，并带有公母槽，砌筑成型后呈迷宫形）。合理的膨胀缝设计，使吸收膨胀量增大，并有效防止了热风冲刷、反复热膨胀引起的砌体破损以及纤维毯掉落。另外，所有热风管道水平段工作衬耐火砖均带有公母槽。

通过配置合理的耐火材料，将热风管道的钢结构管壳温度控制在合适的温度范围，既有效减少了热量损失，又防止了管壳内壁形成结晶水产生晶间应力腐蚀。

2.6 独立的混风管道系统

（1）在每座热风炉的热风支管垂直管上侧配独立的混风系统，混风管上设置电动调节阀。此种混风方式与传统总管混风方式相比，有如下优点：①基本消除了传统混风方式混风点前后热风总管内热风温度差。②热风支管混风方式使得热风总管温度整体降低。以送风温度1200℃（热风围管三岔口处温度）为例，传统混风方式混风前的热风总管内热风温度比热风支管混风方式高70℃左右。热风总管温度的整体降低，一是有利于减少热量损失；二是改善总管内砌体工作环境，减少热风管道发红以及耐材破损、掉砖等现象的发生。③电动调节阀的设置，使入炉风温得到精确控制，实现精细化操作。

（2）混风阀后的混风管道内衬设计4层耐火材料，从里至外分别为低蠕变高铝砖、黏土砖、纤维毯、喷涂料。

2.7 热风炉砌体

根据顶燃式热风炉的结构特点，4号炉热风炉在高温区（拱顶、大墙、格子砖）采用硅砖（SiO2≥95%），中温区采用低蠕变黏土砖（Al2O3≥42%），低温区采用黏土砖（Al2O3≥42%）。

2.8 主要阀门

4号炉热风炉主要阀门的选型，遵循以下原则：（1）根据阀门工况条件，不同部位选择不同类型的阀门。（2）经过生产实践检验的、安全可靠、运行稳定的阀门。（3）设备成本低、占用空间小、操作和检修方便的阀门。

热风炉本体区主要阀门采用液压传动，余热回收系统、助燃风机系统主要阀门采用电传动。考虑到热风阀、倒流休风阀、混风阀是热风炉系统工况温度最高的阀门，工作状态下，设备各部位要经受高温化学腐蚀、材料的高温蠕变及疲劳的作用，故选择采用液压水冷闸阀。热风阀设计双片水冷法兰。本设计中，热风阀、倒流休风阀、混风阀冷却采用软水密闭循环系统，与高炉本体冷却共用膨胀罐、脱气罐等设置。煤气燃烧阀、煤气切断阀、助燃空气燃烧阀、冷风阀、烟道阀采用液压连杆蝶阀。蝶阀的优点在于，体积和重量小、阀杆旋转运动，容易实现少泄露或无泄漏，低压时也能保证良好的密封性。