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大型高炉经济炉型设计的应用
臧向阳 罗力
（日照钢铁控股集团有限公司）
摘 要:本文从经济炉型的设计理念出发，改变国内传统高炉炉型设计中存在的高径比过大、对原燃料条件要求高等典型问题，明确大型高炉经济冶炼炉型设计的基本原则及理念。通过日钢3000m³高炉经济炉型设计实践成果总结，为大型高炉经济炉型的设计及应用指明方向。
关键词：经济炉型 3000m³高炉 高径比 煤气停留时间
1 前言
高炉炼铁生产实践总结出了“高产、优质、低耗、长寿”的“八字”方针。在现时期“高产”改成了“高效”，增加了“环保”，成为了“十字”方针[1]。随着钢铁行业成本意识的提升，高炉大型化与优质资源不断减少矛盾突出，其中对高效的理解，已经不再是追求高炉利用系数的提高，而是产能与成本的平衡，即经济炼铁。高炉设计之初必须结合自身原燃料条件，在降低高炉冶炼对原燃料条件依赖程度的同时，以经济指标的优化为目标。 日照钢铁根据国家和山东省规划，对落后产能进行减量置换，新建3000m³高炉及其辅助设施。根据目前原燃料条件和技术经验总结，本着炉型设计即经济炉型的原则，创新性地对各系统先进技术进行集成应用。高炉开炉投产以来，采用低成本运行模式,炉况长期稳定顺行，取得了很好的效果，为大型高炉经济炉型的设计及应用提供了成功典范。 2 经济炉型的设计
传统的炉型设计参数，是以大量的统计数据分析得出各尺寸之间的关系，并定型，为新的高炉设计提供指导，其中较大的缺陷就是未能有效地指出改进方向及逻辑。所谓经济炉型设计就是在确保合适的煤气炉内停留时间的同时，降低高炉有效高度，降低炉内煤气流速，从而放宽高炉对原燃料质量的要求达到低成本经济炼铁的目的[2]。 经济炉型的设计方向要抓住ΔP和τ两个基本要素，由欧根方程简化公式有： 
式（1）中ω为煤气流速，可由（2）式表示： 
式中ΔP-压差，kpa；H-料层高度，m；k-系数；VB-煤气量，m³/min；D-炉腰直径，m。 2.1 高径比
由式（1）（2）可以看出，ΔP与D4成反比，D的微小变化会引起ΔP的大幅变化。高炉的高径比由H/D表示，高炉的矮胖重点在胖，不在矮，即重点是扩大横向的直径D。 根据卡曼阻力损失方程和欧根公式可知[3]，炉料所受阻力与高炉的有效高度成反比关系。适当降低高炉有效高度H，可以减少高炉对原燃料质量的高要求。 2.2 Vu/A
为了直观分析Vu/A与τ（煤气停留时间）的关系，工作容积设定为有效容积的84%，则有下式： 
式（3）中Vu-高炉有效容积，m³；-孔隙度，取值0.36；A-炉缸断面积，㎡；XBG-炉腹煤气量指数，m/min .㎡；-炉缸以上区域煤气温度平均值，℃；P0-标准大气压，0.1Mpa；炉内炉缸以上区域煤气压力平均值，MPa。 从式（3）中可以得出，煤气炉内停留时间取决于4个参数，其中Vu/A为设计中确定的值，XBG、、为生产中确定的操作参数。当炉腹煤气指数确定后，选定Vu/A，τ就基本确定了。合适的τ，既保证炉内气体还原充分，又不会浪费炉容，降低生产效率。 2.3 炉身角（β）与炉腹角（α）
炉身角79º-83º,d1/D=0.6-0.7。β角大边缘气流抑制，β角小边缘气流发展。β角小于76º边缘气流不受控制。 炉腹角72º-76º，D/d=1.20-1.30。生产过程中，通过调整风口深入炉内长度，可以调整有效炉腹角，正常运行在70º左右。 2.4 炉缸形状系数
h/d≥0.45向瘦高发展。深炉缸，有利于保证回旋区在高度上有宽松空间，不受渣铁排放影响。瘦炉缸，有利于在较低风速、动能条件下，保证活化区比例的提高。 3 经济炉型的应用
3.1主要设计指标
根据日钢生产操作经验和同级别高炉的主要技术指标，结合日钢现有的原燃料条件，确定高炉的主要设计指标见表1。 
3.2 日钢3000m³高炉炉型设计
经济炉型设计的优化就是适应经济原料的操作炉型，实现经济炼铁。日钢3000m³高炉炉型设计优化的重点在于三个方面：①扩大炉腰直径，适当降低高炉有效高度H，降低大型高炉对原燃料质量的高要求；②缩小炉腹角，从下部控制边缘气流，延长炉腹、炉腰、炉身下部冷却壁的寿命；③增加炉缸h/d，通过渣铁自身重力，提高炉缸自清洁能力，活跃炉缸，降低对焦炭热态冶金性能的要求。 
日钢3000m³高炉在国内同级别高炉炉型尺寸对比中具有：最大炉喉、最矮炉身、最小炉腹角、最高炉腹、最高炉缸、最小炉缸直径等鲜明特点。 3.3 配套创新技术
3.3.1 新型并罐无料钟炉顶装料技术
采用PW新型并罐无料钟炉顶装料设备，采用方型布料溜槽。 3.3.2 矿焦槽合并布置技术
三座高炉矿焦槽合并布置，不设中间斗。设焦丁、小矿回收设施，振动筛采用新型自清理环保筛。 3.3.3 高风温技术
每座高炉配备三座改进型顶燃式热风炉。热风炉烧炉采用高炉煤气，空气预热采用板式换热器，送风平均温度≥1250℃，热风炉热效率达85%以上，同时配套热风炉烟气干法脱硫技术。 3.3.4电动鼓风机和脱湿及调湿鼓风技术
3座高炉配置4套电动全静叶可调轴流鼓风机，风机型号均为AV90-16，3用1备，除备机外每台鼓风机设有1台脱湿器，3台脱湿器由鼓风站外的制冷站提供冷冻水，同步设置有加湿装置，具备高炉鼓风脱湿及调湿功能。 3.3.5 软水密闭循环技术
炉体采用全铸铁冷却壁结构和软水密闭循环系统，炉底至炉喉共设16段冷却壁，冷却壁比表面积≥1.1，单管水流速≥2.3m/s，一次供水进口温度≤40℃。 3.3.6配套喷煤系统
配置一套喷煤系统供3座高炉喷煤，设计煤比170kg/tFe，煤粉制备系统设备能力≥70t/h。同时设置3座原煤筒仓，便于配煤和稳定喷吹煤粉质量。 3.3.7炉缸整体浇注技术
炉底炉缸耐材采用碳砖+浇注料方案。炉底炉缸耐材除碳砖外进行整体浇筑，分为错台式浇注，在炉缸底部采用抗侵蚀高炉炉底专利技术[4]，对铁口导管区域进行泥包喷注，有利于开炉时铁口的稳定和深度。 3.3.8其他配套技术
煤气回收系统采用重力除尘器+干法布袋除尘工艺，配套TRT发电系统，配套设置炉顶均压煤气全回收系统，煤气经除尘器除尘净化后通入低压煤气管网。 每座高炉设置2套独立的炉渣处理设施，采用转鼓法水渣工艺。 4 经济炉型的应用效果
日钢N3#新建3000m³高炉2023年投产使用，高炉设置4个铁口，30个风口总面积为0.4138 m2。开炉采用20个风口送风，送风面积0.2748 m2。开炉送风15min后风口全亮；通过高炉开炉快速引煤气专利技术[5]进行快速引煤气，加快开炉进程，送风13h5min出第一炉铁。开炉第4天产量达到7500t/d，操作燃料比降低至510kg/t，高炉顺利开炉并快速达产达效。 正常炉况的标志是：煤气流分布合理稳定，下料均匀顺畅，炉温充沛稳定，炉缸工作均匀活跃。N3#高炉开炉后炉况稳定，利用系数稳定在2.520以上，燃料比503Kg/t左右，达成预期目标。高炉炉况的稳定主要有上下部制度的匹配、原始炉型的合理设计、操作炉型的精细维护、热制度的稳定影响。 4.1煤气利用率的提高
高炉煤气利用率的稳定间接反应高炉煤气流分布合理、上下部制度匹配。一定条件下，高冶炼强度必然导致煤气停留时间缩短，也是制约煤气利用率提高的关键因素，生产中需要根据炉型设计控制适宜的炉腹煤气量指数，达到最佳的经济冶炼效果。日钢N3#高炉经济原燃料条件下控制炉腹煤气量指数70-72m/min 左右，煤气停留时间5.5-6s，取得了良好的经济冶炼效果，燃料比稳定在503Kg/t左右。 
4.2 经济冶炼的压差
高炉炉内煤气流分布情况由高炉压差直接反应。压差过高，高炉炉缸与炉顶煤气流压力梯度大，炉料下降阻力增加，高炉效率下降，利用系数降低，严重时高炉顺行受破坏。N3#高炉经济冶炼条件下入炉品位56.2-57.9%，渣比360Kg/tFe左右，全压差稳定在168Kpa的较低水平（表4），为强化冶炼及喷煤比提高提供条件。 软熔带是高炉内部压力损失最大的区域，达到高炉总压损的60%以上。研究表明软熔带压差是原矿石层的8.5倍，煤气流经软熔带的阻力损失与软熔层径向宽度、焦炭层厚度、层数、孔隙度等有关[6]，N3#高炉经济冶炼的低压差与炉型的矮胖设计有直接关系。 高炉炉渣黏度为铁水黏度的39-45倍，软熔带以下至风口带区域受低品位、高铝矿的影响，压力损失也必然升高，N3#高炉在低品位高渣铁比条件下，炉身下部压差稳定在117Kpa左右，说明经济炉型扩大炉腰直径，可降低大型高炉对原料的高要求。 
4.3 操作炉型的维护
N3#高炉采用薄壁炉衬，全冷却壁结构，砖衬合一，开炉投产即预期的经济操作炉型。高炉操作炉型的维护采用角差、焦丁和小矿布料档位等进行微调。通过壁体温度趋势、全炉热负荷等测量数据进行监控。根据生产经验总结，维持软熔带壁体温度不低于50℃，允许局部小面积渣皮脱落，可以维持稳定的经济炉型，且利于冷却设备维护。 4.4 炉缸的活跃
经济冶炼采用经济原燃料，N3#高炉原料采用60%高碱度烧结矿+25%低碱度烧结矿+15%块矿的结构；焦炭结构采用25%顶装干熄焦+75%捣鼓干熄焦；经济原燃料的使用导致渣中铝长期维持在17%左右，在操作煤比保持165kg/t，外购焦炭质量波动大的条件下，保证炉缸活跃是炉况稳定、高产低耗的前提条件。 N3#高炉通过上下部制度的配合调整，气流分布合理，炉缸均匀活跃。炉缸活跃的本质是炉缸各区域焦炭空隙度的问题，从焦炭运动的角度，炉缸状态可由活化区比例判断，日本经验活化区水平投影面积占比n=50%为最佳。炉缸活化区比例n可由下式计算： 
式（4）中d-炉缸直径，m；L-风口回旋区的深度，m。 风口回旋区深度L可由下式来计算[6] 
式（5）中Ek-鼓风动能，kg·m/s；PCI-喷煤量，t/h；N-风口个数。 日钢经济冶炼条件下，高炉风速控制235-245m/s，鼓风动能控制105-115kJ/s。测算风口回旋区深度及炉缸活化区比例见表5。实际计算n值在0.55-0.59之间，通过料面形状扫描，平台占炉喉半径约1/3Rd，布料平台和炉缸活化区是相对应的，说明炉缸活跃、上下部制度相匹配。 
5 结论
（1）理论指导实践，改变传统炉型设计思路，炉型矮胖，炉缸瘦高；从设计上为高炉经济炼铁创造条件。 （2）创新采用低高径比设计，Vu/A设计控制在30左右，配合薄壁炉衬的使用，内型炉腹角69-70º。经济冶炼炉型匹配上下部制度调整，边缘气流得到有效控制，操作炉型稳定。 （3）经济炼铁使用经济料，下部参数控制采用较大进风面积，较低的风速、动能。在消耗高铝经济矿、高比例捣固焦的原燃料条件下，实现炉缸均匀活跃，高炉炉况长期稳定顺行。 （4）大矿批、厚焦层，配合原燃料前沿管理，原料分级、混矿入炉，中心加焦，出铁过程监控等技术，两股气流分布合理，在经济原料的条件下实现较低压差，冶炼强度满足工序需求，燃料比稳定在较低水平。 （5）日钢大型高炉从理论设计到实践应用，实现3000m³级大型高炉经济原燃料条件下的“高效”“低耗”运行，同级别高炉同口径铁成本领先约80元/吨铁。在落实高炉炼铁生产“十字”方针的基础上，推动炼铁技术进步。 6 参考文献
[1] 项钟庸 王筱留等.高炉设计[M]. 冶金工业出版社，2009: 8～9.
[2] 臧向阳 吕定建.大型高炉经济炉型设计的探讨 [J]. 炼铁，2012，31（3）：58～62.
[3] 邓守强.高炉炼铁技术[M]. 冶金工业出版社，1990: 105～113.
[4] 罗力.一种抗侵蚀高炉炉底结构[P].中国专利：CN219314972U，2023.07.07.
[5] 罗力.一种高炉开炉快速引煤气的工艺方法[P].中国专利：CN115820955A，2023.03.21.
[6] 王筱留.高炉生产知识问答（第2版）[M].北京：冶金工业出版社，2011：136～152.
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