浅谈本钢5号高炉技术进步

 引言
本钢炼铁厂五高炉1972年建成，设计炉容2000m3，当时采用卷扬无触点控制、液压炉顶、旋转布料器、外燃式热风炉等。随着炼铁技术的不断进步以及对高炉冶炼工艺的要求，高炉装备水平明显落后，炼铁厂于2001年7月开始扩容大修，炉容扩大到2600m3，同时引进了国内外的新工艺、新技术、新装备，主要有：卢森堡PW公司的串罐无料钟炉顶、在炉腹、炉腰以及炉身下部的B2和S1两段国内首次引进由卢森堡PW公司设计超长壁体、芬兰奥德昆普生产的连铸扁圆孔型的轧制铜冷却壁、高炉控制“三电一体化”等。2005年10月27日，B2和S1两段铜冷却壁水管开始出现漏水，利用中修再次对五号高炉进行技术更新改造，将二段冷却壁改为四段铸铜冷却壁，新增焦炭预筛分系统、冷却壁检漏系统和水温差系统，同时改造了冷风放风阀，经过不断的技术优化，目前五号高炉高产高效，经济技术指标优良，为本钢创造了可观的经济效益。
1 新技术的应用
1.1 串罐无料钟炉顶及布料规律的探究 5号高炉在扩容大修时，炉顶装料采用了PW公司的串罐无料钟炉顶，这套设备由两个相同轴线垂直串联的料罐，两个半球状料流控制阀，侧向移动的上下密封阀，水冷齿轮箱、旋转溜槽、均压系统等组成。旋转料罐为辊轮支承式以提高使用寿命。
1.1.1 串罐无料钟炉顶布料形式。由于旋转溜槽既能旋转运动又能倾斜运动，从而实现四种布料方式：①螺旋布料。布料时以定中心倾角在17°-50.5°之间进行环形螺旋式布料。②扇形布料。在6个预选角中任意选2种进行往复运动（可预选角度0°、60°、120°、180°、240°、300°），用于处理煤气流失常。③环形布料。料罐中的炉料以定中心环形布料，与螺旋布料区别在于倾角间距不等。④定点布料。可在11个倾角，每个倾角6个预选角度中任意一角进行布料，以阻塞高炉管道行程。无料钟炉顶的特点是利用旋转布料溜槽倾角的变化优化高炉布料。通过旋转受料罐，下落物料的冲击点和粒度不变，形成旋转对称，从而可获得有利于高炉最佳操作的对称气流。其优点是炉顶高压操作，布料灵活，可实现中心加焦，避免炉料偏西，控制煤气流分布。
1.1.2 布料规律的探究。高炉炉顶炉料分布直接影响着高炉内的煤气流状态，合理的煤气流分布对于高炉内煤气能量利用及稳定运行意义重大。因不同钢铁厂高炉炉料的粒度组成、堆比重等众多因素不同，无料钟炉顶的布料参数也是不同的。为避免出现炉喉圆周方向布料不均匀，径向料流轨迹落点不准确等问题，开炉时进行参数测量获得行之有效的规律，来指导高炉操作者制定开炉后的装料制度。本钢5号高炉实测首先对料罐容积进行了标定，然后利用网架装置对料流轨迹和料面形状的测定。利用在一定的节流阀开度区域内，排料速度与节流阀开度线性相关原理，确定该区域为该炉料的最佳料流特性区。在其他区域内，它们则是非线性关系。有数理统计学的知识，对任意一个函数均可采用多项式逼近的方法，所以我们采用多项式回归来处理实测数据。多项式回归是在最小二乘法意义上，将数据y（i）=p[x（i）]拟合成次数为n的多项式：P（X）=p1Xn+p2Xn-1+……+pnX+pn+1。我们将实测数据进行阶次为2的多项式拟合，得到料流调节阀开度与焦炭料流速度关系曲线见图1。我们还对料流调节阀开度与矿石料流速度（吨/秒）实测数据进行阶次为2的多项式拟合，得到料流调节阀开度与矿石料流速度的关系（FCG）曲线见图2。
料流在下降过程中，是一条有宽度的料带，越向下散的越开，在实际生产中，我们所需要的是一条无宽度的轨迹曲线。对实测数据进行了多项式拟合的方法，处理不同高度主料流点得到的焦炭的料流轨迹曲线及矿石的料流轨迹曲线见图3、图4。开炉实测为高炉迅速达产、达效创造了有利的条件。开炉后对5号高炉布料规律的研究也经历了下面6个演变过程：
C121112765432，O22226543——C121112765432，O1122276543——C1211265432，
O2221176543——C1211265432，O1221276543——C1211265432O22226543——C2121265432
O22226543。（C代表焦炭，O代表矿石，右上角数字代表布料档位，右下角数字代表该档位布料圈数）通过不断的调整布料器的档位和布料圈数，使边缘气流得到发展，中心气流也不过旺，整个断面煤气流分布稳定合理，充分提高煤气的利用率。通过计算表明，煤气利用率达到46.63%，高炉顺行，焦比低，得到了较合理布料规律。当然在实际操作中，要根据不同的装料制度下的炉喉十字测温个点温度、炉喉各点煤气CO2含量的变化以及炉料透气性指数和煤气利用率变化而摸索不同生产条件下的合适的装料制度，同时与上下部调剂相配合。
1.2 五号高炉长寿技术 5号高炉经过大修改造后，延长高炉寿命方面采取了如下措施：
1.2.1 软水密闭循环冷却系统。过去本钢高炉采用敞开式工业水冷却，循环水和新水不经任何处理，悬浮物多、有机油脂含量高，结垢多，冷却效果差。冷却壁进水温度高，对高炉威胁严重。夏季水温35.7-38.8度，超出设计允许值。为消除弊端，对5号高炉进行软水密闭循环改造，改造后的软水冷却特点：高炉冷却壁采用软水密闭循环冷却，风口及以下冷却壁单独供水，炉腹及以上冷却壁为另一段供水，冷却效果明显，延长了冷却壁的寿命。
1.2.2 采用UCAR小块石墨化炭砖砌筑炉缸炉底。5号高炉第三代寿命只有二年十一个月，短寿原因主要是炉缸、炉底侵蚀严重。通过破损调查发现，侵蚀为典型的“蒜头”型侵蚀。根据国内外高炉破损调查结果，这种侵蚀是近年来高炉强化冶炼后最常见的也是最致命的炉缸—炉底侵蚀形式。针对炉缸寿命问题，1992年本钢4号高炉引进使用了美国UCAR热压小块石墨化炭砖，达到了长寿目的，因此，5号高炉改造，炉缸也采美国UCAR热压小块炭砖和陶瓷杯技术。此砖导热性好、透气率极低，抗碱性强、抗压强度很高，配以C34胶泥，可有效调节热差引起的膨胀，避免热应力产生的环形裂缝和异常侵蚀。同时小炭砖在砌筑时紧贴冷却壁，可提高高炉炉缸整体热导性。
1.2.3 铜冷却壁应用。5号高炉第三代有两次中修，主要是炉腰、炉腹热负荷区冷却壁破损严重，因此第四代大修时引进了卢森堡PW公司生产的铜冷却壁，当时铜冷却壁的使用尚属首次，因此还经过了详细的调查、论证。在国外有高炉炉身下部采用铜冷却壁多年操作实践，其结果表面依然光滑，磨损极小，不出现裂纹。同时，铜的冲击性、断面收缩率、耐冷热疲劳等性能也较球墨铸铁好且有较高的延展性、塑性和韧性。尤其是铜的导热性好（385W/mK）在冷却壁上易形成渣皮，渣层绝热，使操作过程由冷却壁带走的热量损失减少。调查还发现铜冷却壁最大热负荷能力为1260-1750MJ/cm2.h）为铸铁冷却壁的3-4倍，故相应高炉寿命可超过15年达到20年甚至更长。
基于上述分析，5号高炉在炉腹、炉腰处及炉身下部配加2段冷却壁共92块。炼铁厂5号高炉四代2001年11月28号投产到2005年10月27日前，高炉B2段、S1段铜冷却壁运行良好。2005年10月27日，S1段冷却壁45#水管开始出现漏水，2010年底到2011年1月漏水加剧，直到导致高炉冻结。根本解决五炉冷却壁水管破损问题的办法是将B2段S1段铜冷却壁整体改造更换。更换方案考虑将S1段和B2段分别拆分为2段铜冷却壁，新的4段冷却壁设计每段为46块，原有炉壳里侧补焊增加强度，本次更换B2段和S1段铜冷却壁建议仍采用铸铜冷却壁。铸铜冷却壁水管为整体铸造，避免了水管的焊接部位缺陷，具有更高的抗热疲劳的能力。
1.2.4 新INBA法冲水渣系统。5号高炉炉渣处理原来采用炉前渣罐运至泡渣场方法。泡渣是上世纪50年代炉渣处理方法，工艺落后，污染严重，影响生态平衡。高炉大修后为达到优质、高产、低耗、环保目的，引进卢森堡带热蒸汽冷凝装置的INBA法水渣处理工艺，该工艺不仅水渣质量好，更主要的是彻底解决了路前冲水渣不能解决的产生大量有害蒸汽对环境严重污染的问题，环保要求达标。
1.2.5 高炉专家系统在高炉上的应用。高炉冶炼涉及气、液、固三相的交互作用，通过高炉模型来控制高炉显得力不从心，计算机作为高炉过程控制技术手段逐步应用到高炉上——专家系统技术逐渐成熟。本钢从芬兰罗德洛基引进这一系统。2002年10月7日系统给出当班工长要形成滑料孔的警示，但是工长没有按专家系统的提示操作，减风操作幅度小，没有制止大滑料孔形成，最后导致崩料，出现了操作事故。本钢5号高炉专家系统主要包含：对炉温的控制、对炉型管理的控制、对高炉顺行的控制、对炉缸渣铁平衡的控制等四部分。对提供的一系列参数，专家系统通过智能分析系统，预报高炉变化趋势，准确判断炉况，及时指导高炉操作者调整操作制度，同时专家系统不断的进行自我修正，保证预报的准确率80%以上。
2 结语
五号高炉大修改造后，采用了多项新技术、新工艺，新设备，使高炉生产达到了高产、高质、低耗、环保的目的。有如下特点：①无料钟炉顶实现了炉顶高压操作，布料灵活，可实现中心加焦，避免炉料偏西，控制煤气流分布，提高了煤气利用率。②对高炉布料规律的研究实现了整个煤气流分布稳定合理，故高炉顺行，煤气利用率达到46.63%，焦比低。③采用铜冷却壁、高炉专家系统提高了高炉寿命。④专家系统在高炉上的成功应用，为高炉操作者精确操作高炉创造了条件。