淺談本鋼5號(hào)高爐技術(shù)進(jìn)步

 引言
本鋼煉鐵廠五高爐1972年建成，設(shè)計(jì)爐容2000m3，當(dāng)時(shí)采用卷?yè)P(yáng)無(wú)觸點(diǎn)控制、液壓爐頂、旋轉(zhuǎn)布料器、外燃式熱風(fēng)爐等。隨著煉鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步以及對(duì)高爐冶煉工藝的要求，高爐裝備水平明顯落后，煉鐵廠于2001年7月開(kāi)始擴(kuò)容大修，爐容擴(kuò)大到2600m3，同時(shí)引進(jìn)了國(guó)內(nèi)外的新工藝、新技術(shù)、新裝備，主要有：盧森堡PW公司的串罐無(wú)料鐘爐頂、在爐腹、爐腰以及爐身下部的B2和S1兩段國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)由盧森堡PW公司設(shè)計(jì)超長(zhǎng)壁體、芬蘭奧德昆普生產(chǎn)的連鑄扁圓孔型的軋制銅冷卻壁、高爐控制“三電一體化”等。2005年10月27日，B2和S1兩段銅冷卻壁水管開(kāi)始出現(xiàn)漏水，利用中修再次對(duì)五號(hào)高爐進(jìn)行技術(shù)更新改造，將二段冷卻壁改為四段鑄銅冷卻壁，新增焦炭預(yù)篩分系統(tǒng)、冷卻壁檢漏系統(tǒng)和水溫差系統(tǒng)，同時(shí)改造了冷風(fēng)放風(fēng)閥，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)優(yōu)化，目前五號(hào)高爐高產(chǎn)高效，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，為本鋼創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1 新技術(shù)的應(yīng)用
1.1 串罐無(wú)料鐘爐頂及布料規(guī)律的探究 5號(hào)高爐在擴(kuò)容大修時(shí)，爐頂裝料采用了PW公司的串罐無(wú)料鐘爐頂，這套設(shè)備由兩個(gè)相同軸線垂直串聯(lián)的料罐，兩個(gè)半球狀料流控制閥，側(cè)向移動(dòng)的上下密封閥，水冷齒輪箱、旋轉(zhuǎn)溜槽、均壓系統(tǒng)等組成。旋轉(zhuǎn)料罐為輥輪支承式以提高使用壽命。
1.1.1 串罐無(wú)料鐘爐頂布料形式。由于旋轉(zhuǎn)溜槽既能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又能傾斜運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)四種布料方式：①螺旋布料。布料時(shí)以定中心傾角在17°-50.5°之間進(jìn)行環(huán)形螺旋式布料。②扇形布料。在6個(gè)預(yù)選角中任意選2種進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)（可預(yù)選角度0°、60°、120°、180°、240°、300°），用于處理煤氣流失常。③環(huán)形布料。料罐中的爐料以定中心環(huán)形布料，與螺旋布料區(qū)別在于傾角間距不等。④定點(diǎn)布料?？稍?1個(gè)傾角，每個(gè)傾角6個(gè)預(yù)選角度中任意一角進(jìn)行布料，以阻塞高爐管道行程。無(wú)料鐘爐頂?shù)奶攸c(diǎn)是利用旋轉(zhuǎn)布料溜槽傾角的變化優(yōu)化高爐布料。通過(guò)旋轉(zhuǎn)受料罐，下落物料的沖擊點(diǎn)和粒度不變，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，從而可獲得有利于高爐最佳操作的對(duì)稱氣流。其優(yōu)點(diǎn)是爐頂高壓操作，布料靈活，可實(shí)現(xiàn)中心加焦，避免爐料偏西，控制煤氣流分布。
1.1.2 布料規(guī)律的探究。高爐爐頂爐料分布直接影響著高爐內(nèi)的煤氣流狀態(tài)，合理的煤氣流分布對(duì)于高爐內(nèi)煤氣能量利用及穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。因不同鋼鐵廠高爐爐料的粒度組成、堆比重等眾多因素不同，無(wú)料鐘爐頂?shù)牟剂蠀?shù)也是不同的。為避免出現(xiàn)爐喉圓周方向布料不均勻，徑向料流軌跡落點(diǎn)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，開(kāi)爐時(shí)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量獲得行之有效的規(guī)律，來(lái)指導(dǎo)高爐操作者制定開(kāi)爐后的裝料制度。本鋼5號(hào)高爐實(shí)測(cè)首先對(duì)料罐容積進(jìn)行了標(biāo)定，然后利用網(wǎng)架裝置對(duì)料流軌跡和料面形狀的測(cè)定。利用在一定的節(jié)流閥開(kāi)度區(qū)域內(nèi)，排料速度與節(jié)流閥開(kāi)度線性相關(guān)原理，確定該區(qū)域?yàn)樵摖t料的最佳料流特性區(qū)。在其他區(qū)域內(nèi)，它們則是非線性關(guān)系。有數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)，對(duì)任意一個(gè)函數(shù)均可采用多項(xiàng)式逼近的方法，所以我們采用多項(xiàng)式回歸來(lái)處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。多項(xiàng)式回歸是在最小二乘法意義上，將數(shù)據(jù)y（i）=p[x（i）]擬合成次數(shù)為n的多項(xiàng)式：P（X）=p1Xn+p2Xn-1+……+pnX+pn+1。我們將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次為2的多項(xiàng)式擬合，得到料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與焦炭料流速度關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。我們還對(duì)料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與礦石料流速度（噸/秒）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次為2的多項(xiàng)式擬合，得到料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與礦石料流速度的關(guān)系（FCG）曲線見(jiàn)圖2。
料流在下降過(guò)程中，是一條有寬度的料帶，越向下散的越開(kāi)，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們所需要的是一條無(wú)寬度的軌跡曲線。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合的方法，處理不同高度主料流點(diǎn)得到的焦炭的料流軌跡曲線及礦石的料流軌跡曲線見(jiàn)圖3、圖4。開(kāi)爐實(shí)測(cè)為高爐迅速達(dá)產(chǎn)、達(dá)效創(chuàng)造了有利的條件。開(kāi)爐后對(duì)5號(hào)高爐布料規(guī)律的研究也經(jīng)歷了下面6個(gè)演變過(guò)程：
C121112765432，O22226543——C121112765432，O1122276543——C1211265432，
O2221176543——C1211265432，O1221276543——C1211265432O22226543——C2121265432
O22226543。（C代表焦炭，O代表礦石，右上角數(shù)字代表布料檔位，右下角數(shù)字代表該檔位布料圈數(shù)）通過(guò)不斷的調(diào)整布料器的檔位和布料圈數(shù)，使邊緣氣流得到發(fā)展，中心氣流也不過(guò)旺，整個(gè)斷面煤氣流分布穩(wěn)定合理，充分提高煤氣的利用率。通過(guò)計(jì)算表明，煤氣利用率達(dá)到46.63%，高爐順行，焦比低，得到了較合理布料規(guī)律。當(dāng)然在實(shí)際操作中，要根據(jù)不同的裝料制度下的爐喉十字測(cè)溫個(gè)點(diǎn)溫度、爐喉各點(diǎn)煤氣CO2含量的變化以及爐料透氣性指數(shù)和煤氣利用率變化而摸索不同生產(chǎn)條件下的合適的裝料制度，同時(shí)與上下部調(diào)劑相配合。
1.2 五號(hào)高爐長(zhǎng)壽技術(shù) 5號(hào)高爐經(jīng)過(guò)大修改造后，延長(zhǎng)高爐壽命方面采取了如下措施：
1.2.1 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。過(guò)去本鋼高爐采用敞開(kāi)式工業(yè)水冷卻，循環(huán)水和新水不經(jīng)任何處理，懸浮物多、有機(jī)油脂含量高，結(jié)垢多，冷卻效果差。冷卻壁進(jìn)水溫度高，對(duì)高爐威脅嚴(yán)重。夏季水溫35.7-38.8度，超出設(shè)計(jì)允許值。為消除弊端，對(duì)5號(hào)高爐進(jìn)行軟水密閉循環(huán)改造，改造后的軟水冷卻特點(diǎn)：高爐冷卻壁采用軟水密閉循環(huán)冷卻，風(fēng)口及以下冷卻壁單獨(dú)供水，爐腹及以上冷卻壁為另一段供水，冷卻效果明顯，延長(zhǎng)了冷卻壁的壽命。
1.2.2 采用UCAR小塊石墨化炭磚砌筑爐缸爐底。5號(hào)高爐第三代壽命只有二年十一個(gè)月，短壽原因主要是爐缸、爐底侵蝕嚴(yán)重。通過(guò)破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，侵蝕為典型的“蒜頭”型侵蝕。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高爐破損調(diào)查結(jié)果，這種侵蝕是近年來(lái)高爐強(qiáng)化冶煉后最常見(jiàn)的也是最致命的爐缸—爐底侵蝕形式。針對(duì)爐缸壽命問(wèn)題，1992年本鋼4號(hào)高爐引進(jìn)使用了美國(guó)UCAR熱壓小塊石墨化炭磚，達(dá)到了長(zhǎng)壽目的，因此，5號(hào)高爐改造，爐缸也采美國(guó)UCAR熱壓小塊炭磚和陶瓷杯技術(shù)。此磚導(dǎo)熱性好、透氣率極低，抗堿性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度很高，配以C34膠泥，可有效調(diào)節(jié)熱差引起的膨脹，避免熱應(yīng)力產(chǎn)生的環(huán)形裂縫和異常侵蝕。同時(shí)小炭磚在砌筑時(shí)緊貼冷卻壁，可提高高爐爐缸整體熱導(dǎo)性。
1.2.3 銅冷卻壁應(yīng)用。5號(hào)高爐第三代有兩次中修，主要是爐腰、爐腹熱負(fù)荷區(qū)冷卻壁破損嚴(yán)重，因此第四代大修時(shí)引進(jìn)了盧森堡PW公司生產(chǎn)的銅冷卻壁，當(dāng)時(shí)銅冷卻壁的使用尚屬首次，因此還經(jīng)過(guò)了詳細(xì)的調(diào)查、論證。在國(guó)外有高爐爐身下部采用銅冷卻壁多年操作實(shí)踐，其結(jié)果表面依然光滑，磨損極小，不出現(xiàn)裂紋。同時(shí)，銅的沖擊性、斷面收縮率、耐冷熱疲勞等性能也較球墨鑄鐵好且有較高的延展性、塑性和韌性。尤其是銅的導(dǎo)熱性好（385W/mK）在冷卻壁上易形成渣皮，渣層絕熱，使操作過(guò)程由冷卻壁帶走的熱量損失減少。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)銅冷卻壁最大熱負(fù)荷能力為1260-1750MJ/cm2.h）為鑄鐵冷卻壁的3-4倍，故相應(yīng)高爐壽命可超過(guò)15年達(dá)到20年甚至更長(zhǎng)。
基于上述分析，5號(hào)高爐在爐腹、爐腰處及爐身下部配加2段冷卻壁共92塊。煉鐵廠5號(hào)高爐四代2001年11月28號(hào)投產(chǎn)到2005年10月27日前，高爐B2段、S1段銅冷卻壁運(yùn)行良好。2005年10月27日，S1段冷卻壁45#水管開(kāi)始出現(xiàn)漏水，2010年底到2011年1月漏水加劇，直到導(dǎo)致高爐凍結(jié)。根本解決五爐冷卻壁水管破損問(wèn)題的辦法是將B2段S1段銅冷卻壁整體改造更換。更換方案考慮將S1段和B2段分別拆分為2段銅冷卻壁，新的4段冷卻壁設(shè)計(jì)每段為46塊，原有爐殼里側(cè)補(bǔ)焊增加強(qiáng)度，本次更換B2段和S1段銅冷卻壁建議仍采用鑄銅冷卻壁。鑄銅冷卻壁水管為整體鑄造，避免了水管的焊接部位缺陷，具有更高的抗熱疲勞的能力。
1.2.4 新INBA法沖水渣系統(tǒng)。5號(hào)高爐爐渣處理原來(lái)采用爐前渣罐運(yùn)至泡渣場(chǎng)方法。泡渣是上世紀(jì)50年代爐渣處理方法，工藝落后，污染嚴(yán)重，影響生態(tài)平衡。高爐大修后為達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、環(huán)保目的，引進(jìn)盧森堡帶熱蒸汽冷凝裝置的INBA法水渣處理工藝，該工藝不僅水渣質(zhì)量好，更主要的是徹底解決了路前沖水渣不能解決的產(chǎn)生大量有害蒸汽對(duì)環(huán)境嚴(yán)重污染的問(wèn)題，環(huán)保要求達(dá)標(biāo)。
1.2.5 高爐專家系統(tǒng)在高爐上的應(yīng)用。高爐冶煉涉及氣、液、固三相的交互作用，通過(guò)高爐模型來(lái)控制高爐顯得力不從心，計(jì)算機(jī)作為高爐過(guò)程控制技術(shù)手段逐步應(yīng)用到高爐上——專家系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟。本鋼從芬蘭羅德洛基引進(jìn)這一系統(tǒng)。2002年10月7日系統(tǒng)給出當(dāng)班工長(zhǎng)要形成滑料孔的警示，但是工長(zhǎng)沒(méi)有按專家系統(tǒng)的提示操作，減風(fēng)操作幅度小，沒(méi)有制止大滑料孔形成，最后導(dǎo)致崩料，出現(xiàn)了操作事故。本鋼5號(hào)高爐專家系統(tǒng)主要包含：對(duì)爐溫的控制、對(duì)爐型管理的控制、對(duì)高爐順行的控制、對(duì)爐缸渣鐵平衡的控制等四部分。對(duì)提供的一系列參數(shù)，專家系統(tǒng)通過(guò)智能分析系統(tǒng)，預(yù)報(bào)高爐變化趨勢(shì)，準(zhǔn)確判斷爐況，及時(shí)指導(dǎo)高爐操作者調(diào)整操作制度，同時(shí)專家系統(tǒng)不斷的進(jìn)行自我修正，保證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率80%以上。
2 結(jié)語(yǔ)
五號(hào)高爐大修改造后，采用了多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，新設(shè)備，使高爐生產(chǎn)達(dá)到了高產(chǎn)、高質(zhì)、低耗、環(huán)保的目的。有如下特點(diǎn)：①無(wú)料鐘爐頂實(shí)現(xiàn)了爐頂高壓操作，布料靈活，可實(shí)現(xiàn)中心加焦，避免爐料偏西，控制煤氣流分布，提高了煤氣利用率。②對(duì)高爐布料規(guī)律的研究實(shí)現(xiàn)了整個(gè)煤氣流分布穩(wěn)定合理，故高爐順行，煤氣利用率達(dá)到46.63%，焦比低。③采用銅冷卻壁、高爐專家系統(tǒng)提高了高爐壽命。④專家系統(tǒng)在高爐上的成功應(yīng)用，為高爐操作者精確操作高爐創(chuàng)造了條件。