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自主創新 打造大型高爐競爭力 ——湛江高爐工藝裝備技術特點

自主創新 打造大型高爐競爭力 ——湛江高爐工藝裝備技術特點

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  • 發布時間:2020-09-28 10:46
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【概要描述】寶鋼湛江鋼鐵基地兩座5050m3高爐,是當今全球最新、最現代化的大型高爐工程之一。該工程由國內承擔設計和部分設備成套,關鍵設備均采用了國產裝備,實現了高爐工藝、技術、設備的自主設計和自主集成,達到了特大型高爐工藝裝備技術的國際先進水平。

自主創新 打造大型高爐競爭力 ——湛江高爐工藝裝備技術特點

【概要描述】寶鋼湛江鋼鐵基地兩座5050m3高爐,是當今全球最新、最現代化的大型高爐工程之一。該工程由國內承擔設計和部分設備成套,關鍵設備均采用了國產裝備,實現了高爐工藝、技術、設備的自主設計和自主集成,達到了特大型高爐工藝裝備技術的國際先進水平。

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  寶鋼湛江鋼鐵基地兩座5050m3高爐,是當今全球最新、最現代化的大型高爐工程之一。該工程由國內承擔設計和部分設備成套,關鍵設備均采用了國產裝備,實現了高爐工藝、技術、設備的自主設計和自主集成,達到了特大型高爐工藝裝備技術的國際先進水平。

  高爐于2013年3月開展設計,同年5月動工建設,1號高爐于2015年9月25日建成投產,2號高爐于2016年7月投產。

  湛江高爐順利投產,標志著我國特大型高爐技術又邁上一個新臺階。本文全面總結了湛江高爐工程設計、高爐工藝裝備技術特點,以有效推進我國煉鐵技術的發展。

  1 湛江高爐工藝及裝備主要特征

  寶鋼湛江高爐的工藝及裝備的主要特征具體體現在以下幾個方面。

  1)兩座高爐的礦、焦槽合并平行布置,焦炭采用分散篩分、集中稱量,燒結礦、塊礦采用分散篩分、分散稱量的工藝流程?;厥詹巯滦K焦,與礦石混裝入爐。設置有中間斗,可提高上料能力和裝料靈活性。

  2)采用串罐無料鐘裝料設備,減小了布料偏析對爐況的影響,為高爐操作穩定打下良好的基礎。采用了完全國產化BCQS布料器,設置了均壓煤氣回收裝置。

  3)高爐內型采用三段式爐身結構,有利于控制氣流分布。采用全鑄鐵冷卻壁,配合良好的操作技術,使高爐的適應能力更強。采用了純水串聯的密閉循環冷卻系統。爐缸采用了橫行鑄鐵冷卻壁,超微孔大塊炭磚。設置了完善的檢測系統,爐體設計壽命22年。

  4)出鐵場采用了緊湊型平坦化布置,設置了全國產化的液壓泥炮、開口機、移蓋機;鐵口上方風口平臺寬敞,設置上出鐵場高架道路。

  5)水渣系統采用轉鼓工藝,兩個出鐵場各設置一套轉鼓系統和干渣坑,水渣蒸汽采用80m煙囪高空排放。

  6)4座頂燃式熱風爐,采用兩燒兩送交錯并聯的送風制度,設計風溫1300℃。設置煙氣余熱回收,并配置前置預熱爐進一步提高助燃空氣溫度。圖1為湛江1號高爐頂燃式熱風爐。

  

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  7)噴煤系統采用了并罐、總管加爐前分配器的噴吹方式,設計煤比220kg/t,制粉能力250kg/t。

  8)煤氣凈化設施采用干法布袋除塵工藝,采用大直徑除塵器,上進上出的布置工藝,既有利于煤氣均勻分布,也方便了設備操作維護。

  9)TRT是國內5000m3級特大型高爐上首套全國產化設備,采用了多項新技術,大大提升了特大型高爐TRT國產化技術水平。

  10)鼓風站配置了 3臺AV-100軸向進氣靜葉可調式軸流壓縮機組,其中1號和2號鼓風機為MAN公司制造,3號鼓風機為陜鼓制造,配套55000kW電機均為日本TMEIC公司制造。

  11)高爐本體冷卻采用了純水密閉循環冷卻系統,其二次冷卻采用板式換熱器,高爐生產新水消耗量270m3/h,新水單耗量約0.56m3/t鐵水。

  12)出鐵場和礦焦槽采用了布袋除塵器,還設置了一套屋頂除塵裝置,有效改善了出鐵場的環境。礦槽和焦槽分別設置除塵系統,便于除塵灰的有效回收利用。

  13)自動化系統從生產全局出發,根據生產工藝的連貫性、分布位置及控制要求,對控制系統分區域、分級進行配置,采用網絡技術,構成生產工藝對象的三電自動化控制系統。該系統由基礎自動化系統L1、過程控制系統L2和生產制造執行系統MES共三級組成。

  14)本工程的爐頂設備、熱風爐、煤氣凈化、鼓風脫濕系統為國內成套供貨。

  2 湛江高爐主要工藝設計參數

  湛江高爐的主要工藝設計參數見表1。

  

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  3 優化設計,降低成本,提升高爐競爭力

  高爐是一個復雜的冶煉系統,對工藝、裝備、控制技術等有著很高的要求。多年來,由于國外領先供貨商的技術壟斷,中國大型高爐的關鍵核心裝備還是依賴于引進,增加了鋼鐵企業建設和運營成本,影響了產品的競爭力。國內設計單位與寶鋼共同努力,在湛江鋼鐵高爐工程集中采用了大量自主研發的最新技術,極大地降低了工程投資,主要技術指標達到國際一流水平,使中國大型高爐技術競爭力走在了世界前列。

  3.1 總體設計優化打造低成本高效率的高爐

  湛江鋼鐵作為寶鋼“二次創業”的項目,對成本控制十分嚴格,我國設計單位發揮一流的總體設計能力,在設計過程中始終以高效生產為準繩,讓低成本、高效率、具備競爭力的高爐成為現實。

  從設計初期起,堅持成熟、可靠、適用的設計理念,采用仿真等技術手段優化工程設計。比如鐵水運輸通過仿真分析,將鐵水魚雷罐車平均運輸距離縮短到了900m,創造了國內大型魚雷罐車短距離鐵水運輸的紀錄,大大減少了物流成本、能耗成本和運營成本。通過大量的優化,使湛江高爐單位爐容的投資做到了最低,同時,結合湛江地區地質復雜、臺風雷雨多、潮濕腐蝕性氣候等特點,充分研究海邊建廠的經驗,組織專家團隊進行論證,綜合研究復雜地基處理的各種技術,采用抗臺風、防腐蝕的先進技術,確保工程施工的高效性、實用性和安全性。

  為控制工程投資,設計方和投資方開展了多版可行性研究與初步設計,在確保工藝方案可行的前提下,并結合寶鋼4座高爐建設、生產運行經驗,進行大量工藝方案優化。如通過反復對比設計,將出鐵場面積減少1000多平方米;將銅、鑄鐵冷卻壁結合的配置方式改為全鑄鐵冷卻壁,有效降低了工程總投資。這些優化不是想當然的決定,而是經過了反復論證才得出的結論。

  3.2 高爐爐型的優化

  消化吸收寶鋼3號高爐經驗,對內型設計進行了充分研究,采用雙爐身角設計,使氣流與爐料的運動更相適應,使爐身適應操作氣流變化的能力更強,爐況穩定性更好。目前,湛江1號高爐投產后,經受了“彩虹”臺風休風和幾次定休的考驗,爐子恢復生產較快,鑄鐵冷卻壁和雙爐身角發揮了重要作用。

  3.3 高爐冷卻系統設計的優化

  基于寶鋼3 號高爐采用全鑄鐵冷卻壁安全運行19年的實績,以及全鑄鐵冷卻壁高爐自身的優勢,如全鑄鐵冷卻壁更容易操作,即使出現爐況不順,也容易恢復等;目前鑄鐵冷卻壁制造質量和維護技術也有了較大提升,即便是爐役后期有損壞,也可通過計劃休風快速修復;高爐操作實踐發現,銅冷卻壁容易導致爐墻結厚,渣皮易脫落導致邊緣氣流難于控制,高爐操作對各種影響因素更加敏感、調控難度加大;因此,經過反復研究,決定采用全鑄鐵冷卻壁配置,有利于操作,同時也有效降低了工程投資。

  湛江高爐采用了一串到頂的冷卻水系統配置,總水量減少,但單管水量卻增加,效率更高,投資和成本降低。

  純水I系統冷卻爐底水冷管、爐缸橫形冷卻壁、爐腹至爐喉冷卻壁,經爐頂脫氣罐脫氣后返回泵站,在高度上分為三段,三段串聯,便于系統進行熱負荷檢測和系統檢漏。

  純水II系統為純水I系統的回水增壓系統,該系統分為三個支路并聯,分別冷卻風口中套、直吹管、熱風爐閥門。

  該系統的最大特點是純水II增壓系統的入口水全部是經過了爐頂脫氣罐脫氣的,有效減少了增壓系統帶氣運行的風險。實踐證明,在脫氣后增壓循環會導致增壓系統水溫升高太多的擔心是不必要的,純水II系統的排水溫度比純水I系統僅高約2-3℃。

  3.4總圖布置的優化

  1)半島式布置,比一般情況下鐵水運距縮短,高爐到煉鋼的平均距離縮短到了900m,大大減少了鐵水溫降;

  2)為進一步控制鐵水罐運輸過程中的溫降,在出鐵場的罐口區域增加防雨設施。

  兩座高爐的中控室合并布置在兩座高爐之間,通過高架通道連接兩座高爐。這種布置形式具有布置緊湊、占地面積小及土建投資省的優點,以及人員操作崗位也可以減少、生產維護人員進一步集中,便于生產管理。

  兩座高爐礦焦槽系統、循環水系統和噴煤系統也合并布置,有效節省了投資和占地。

  4 自主創新實現大型高爐主要裝備的自主集成

  4.1 全國產化環保無料鐘爐頂打破國外技術封鎖

  大型高爐無料鐘爐頂技術以往長期被國外公司壟斷,2009年,成立了湛江鋼鐵高爐大型無料鐘爐頂聯合攻關小組,瞄準國際一流水平,開發具有國內自主知識產權和核心競爭力的高爐無料鐘爐頂設備。

  在4年多時間里,研發團隊歷經理論研究、樣機制造、試驗研究,1:1試驗裝置開展冷態、熱態及模擬布料測試,通過布料器的液壓復合控制等創新思路和關鍵技術突破,終于研發出具有自主知識產權的大型無料鐘爐頂設備,如圖2。

  

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  BCQS無料鐘爐頂較進口設備具有結構簡單、故障率低、投資低等特點,主要體現在:

  ◇ 創新性開發布料器液壓復合控制技術,布料器α角控制精度±0.1°以內,達到國際領先水平;

  ◇ 布料器采用新型水冷及密封結構,設備冷卻強度提高,密封可靠,冷卻水消耗10-15t/h,氮氣耗量在800Nm3/h以下,降低了設備運行成本;

  ◇ 采用卡掛式布料溜槽安裝結構,拆卸安裝方便,更換時間可控制在4h以內,溜槽更換時間較國外同類產品減少1/2以上;

  ◇ 改進布料器導軌結構,將整體式導軌改為裝配式結構,并增加潤滑措施,配合布料器三缸液壓同步控制技術,克服導軌磨損問題,延長布料器整體使用壽命。

  湛江1號高爐投產以來,爐頂裝料設備運行情況良好,主要性能指標達到國際先進水平,成功替代進口產品,完全滿足大型高爐的使用要求。

  4.2 自主創新頂燃式熱風爐,高溫長壽效果顯著

  頂燃式熱風爐由于其高風溫、低投資、結構穩定等特點,已成為目前熱風爐技術發展的方向,但寶鋼的外燃式熱風爐結構形式和操作方式也有自身特色。設計吸取了寶鋼經驗,對湛江頂燃式熱風爐進行了改進,集成渦流噴射燃燒技術和寶鋼外燃式熱風爐管系技術,使湛江頂燃式熱風爐技術更臻完善。其主要技術優勢有:

  1)依據外燃式混風室的成熟設計理念,為4座頂燃式熱風爐配置4座獨立混風室,改善熱風出口爐殼及耐材的工作條件,解決頂燃式熱風出口容易出現管殼發紅等問題;同時還降低了熱風主管和支管的風溫,有利于提高管系的結構穩定性和壽命;

  2)各孔口采用自鎖式組合磚技術,有效改善各孔口的受力狀況,提高砌體的結構穩定性;

  3)根據熱風管系的布置,采用分析軟件優化波紋管、拉桿配置,并設計與管系相適應的耐材砌體結構,確保熱風管道耐材在1300℃的風溫下長期安全運行;

  4)為熱風爐配置前置燃燒爐及煙氣余熱回收系統,在單燒高爐煤氣的條件下,實現1300℃的高風溫。

  4.3 聯合攻關實現大型高爐關鍵裝備的國產化

  4.3.1 TRT

  湛江高爐每座配套建設一座干式TRT,透平主機采用干式軸流反動式透平機,配套上水冷式無刷勵磁同步發電機,額定功率33MW。

  當高爐短期休風時,為避免頻繁啟停機,TRT發電機可轉換成電動機運行。為確保TRT機組安全運轉,所有的安保信號均與快速切斷閥聯鎖,當其中某一信號輸出時,該閥自動快速關閉,使機組停止運轉,同時配套設置的減壓閥組中的快開閥同步開啟,以保證爐頂壓力的穩定。

  目前,全球運行的5000m3級特大高爐的TRT主要由日本企業壟斷。本工程的TRT是通過聯合攻關開發的5000m3級特大型高爐首套國產化設備,采用了多項新技術,大大提升了特大型TRT國產化技術水平。

  1)改進安保系統控制,確保在極端重故障狀態下TRT及減壓閥組具有“三斷(斷油、斷電、斷信號)保護” 功能。

  2)改進關鍵零部件材料適用性。通過開發性能更好的新型TRT阻垢緩蝕劑,有效改善對設備的腐蝕和沖刷;采用改進的熱噴涂工藝,并增加噴丸工藝,進行葉片表面處理,有效提高了涂層與葉片材料基體的結合性。

  3)優化透平設備結構。開發新葉形及流道設計,改進擴壓器結構形式,以減少阻損,提高發電量。

  4.3.2 鼓風站

  鼓風站配置了3臺鼓風機,其中3#鼓風機組為國內制造,為全國產化首臺5050m3高爐鼓風機,氣動性能和機械性能等各項指標均滿足了設計要求,各主要指標與德國MAN鼓風機相當,達到了國際先進水平。該項目的試車成功,標志著我國已實現了5000m3以上高爐鼓風技術的突破。

  鼓風機組結構形式及運行特點:

  1)采用軸向進氣的結構形式,相比傳統的徑向進氣的結構形式,可減小進氣管道的損失,降低整機功耗約1%;同時該結構形式可以降低風機機組安裝平臺高度,降低基礎投資費用。

  2)風機軸承箱與機殼固定,轉子與機殼的同軸度調整更加容易。

  3)機殼由靜葉承缸、靜葉調節缸和外缸共三層組成,完整的外缸對靜葉調節結構形成有效的保護,防止灰塵的進入和噪音外泄,保持靜葉承缸和調節缸的溫度均勻,有效防止了入口空氣溫度較低時機殼前部的結露。

  4)控制系統在保護機組安全的同時,與高爐生產相結合,可實現定風量、定風壓、熱風爐充風、富氧控制等一系列高爐生產工藝控制要求。

  5 注重節能、環保,守護湛江碧海藍天

  5.1 豎直環保篩

  湛江高爐槽下燒結礦和焦炭的篩分均采用新型豎直環保篩,占地面積小,工藝布置簡潔,更換篩網及維修方便;其物料篩分充分,篩分效率高;結構緊湊,整體密封性好,避免粉末飛揚,環保效果好。

  5.2 煤氣干法除塵及噴淋塔

  高爐煤氣干法布袋除塵已取代濕法除塵得到廣泛應用,但普遍存在故障率高、運行不穩定等問題。在汲取國內各鋼廠尤其是寶鋼股份干法除塵成功運行經驗的基礎上,湛江高爐干法除塵采用了符合大高爐高效、環保的工藝技術和設備。

  主要技術特點包括:大直徑除塵器,煤氣頂進頂出,既有利于煤氣均勻分布,也便于設備維護,提高了運行的安全性;輸灰采用濃相流態化氣力輸灰技術,使輸灰系統穩定運行,并提高輸灰設備的使用壽命;在輸灰管道上設置自動排堵裝置,減輕人工維護工作量;凈煤氣管道內壁噴涂耐酸耐濕熱重防腐涂料,增加了管道的防腐性能,提高了管道的使用壽命。

  為保證高爐煤氣柜安全及降低全廠煤氣管網投資,煤氣管網溫度需控制在≤60℃。為此,在減壓閥組和TRT后,配套了一座噴淋塔。該裝置不僅能將凈煤氣溫度降至允許的溫度范圍,同時可使氯離子及酸性物質析出,溶入噴淋水中;通過塔內格柵均流裝置,使煤氣氣流均勻分布;讓降壓后的紊亂煤氣直接進入塔內緩沖;塔體外部采用多層保溫隔聲包扎。這些措施使得噴淋塔取代了原來傳統工藝中消音器的作用,節省了投資,提高了可靠性。

  噴淋塔集高爐煤氣除酸、降溫、脫水、消音等功能于一身,是世界上5000m3級特大型高爐上的首次完整運用,為解決大高爐煤氣全干式布袋除塵工藝引起的煤氣管網及設備腐蝕問題,提供了一種有效解決方案。

  5.3 均壓煤氣回收

  爐頂均壓煤氣放散是目前爐頂區域最主要的粉塵污染源和噪音源。本工程采用了中冶賽迪自主知識產權的爐頂干法均壓煤氣回收技術。爐頂均壓煤氣經旋風除塵器及均壓煤氣回收設施,在煤氣凈化系統的噴淋塔后匯入凈煤氣管網,實現廢棄能源回收、節能、減少碳排放和粉塵排放的目的,同時還降低了成本。該裝置可實現85%以上均壓煤氣回收,每座高爐減少煤氣放散2600萬Nm3/年,減少CO2直接排放約1.2萬t/年,減少粉塵排放約400t/年,實現煤氣回收效益250萬元/年,同時基本消除爐頂放散噪音,延長消音器等設備壽命,具有良好的環保和經濟效益。

  5.4 熱風爐熱均壓

  熱風爐爐內高壓氣體回收,是將熱風爐排壓釋放的高壓氣體通過充、排壓管道,充入另一座正在充壓的熱風爐中,實現對排壓氣體的回收利用。該技術能夠減少送風過程中的風量、風壓波動幅度,有利于高爐爐況穩定,同時還回收利用了熱能和壓力能。從湛江1號高爐運行效果看,風壓波動可減小到約10kPa。

  5.5 魚雷罐車加蓋

  本工程380t魚雷罐車設有加蓋裝置。魚雷罐車加蓋后,既能降低運輸過程中魚雷罐車和鐵水的溫降,又可以抑制煙氣的排放,達到節能減排的目的。生產實踐證明,魚雷罐車加蓋后,能夠大大減少煙氣的排放,鐵水溫降比未加蓋狀態下明顯減小,起到了很好的節能減排效果。

  5.6 除塵設施

  礦槽、焦槽分別設置除塵系統,捕得的礦粉被送至燒結利用,而焦粉送至配煤槽利用,大幅提高了其利用率。

  在C1、C2出鐵場各配置一套除塵設備,通過合理設置除塵點及風量分配,在不影響工藝操作前提下實現塵源封閉,優化除塵器結構,裝填國產優質覆膜濾料,在適宜濾速下實現低阻運行、高效集塵和低含塵排放,達到國家特別排放限值要求。出鐵場除塵系統表現出良好的控塵集塵效果。

  6 湛江高爐的生產效果

  高爐投產后,生產指標穩步上升,1號高爐利用系數最高2.37 t/(m3·d),燃料比最低480 kg/t,煤比最高183kg/t,風溫最高1280℃,頂壓最高0.255MPa。出鐵場鐵口、擺動溜槽等部位均取得了很好的除塵效果,主要設備運行情況良好。2號高爐投產后,在2016年10月至2017年2月,高爐產量處于波動爬升階段,2017年2月高爐利用系數達到2.32 t/(m3·d)。在高爐生產的過程中,高爐大塊焦比逐漸降低。在焦比下降的過程中,高爐煤比增加,而燃料比也有下降趨勢,基本穩定在490kg/t 左右。隨著生產的進行,2號高爐風溫也穩步增加,CO利用率穩定在50%左右,另外,2號高爐風溫還有提高潛能。湛江2號高爐各項指標優異,已處于世界大型高爐先進水平。

  7 結論

  寶鋼湛江5050m3高爐工程的建設工期28個月,其檢查后的順利投產,實現了5000m3以上特大型高爐裝備的高度自主集成和自主創新,并且主要技術指標均達到國際一流水平,每噸鐵水成本比寶鋼上海低100元以上,具有了更強的競爭力。

  在設計中,采用的自主集成技術有高爐本體工藝系統、頂燃式熱風爐、高爐粗煤氣干式除塵、高爐主工藝控制系統和軟硬件等多項核心技術;采用了自主研發的BCQS串罐無料鐘爐頂、國產大型高爐鼓風機組、國產爐前設備、國產TRT等關鍵設備。

  自主集成的技術和國產化的關鍵設備使高爐投產后實現了能耗低、物耗低、零廢棄和循環利用的環保目標,達到了清潔生產、資源節約的要求,提升了我國大型高爐的整體工藝技術水平。

  (廖建鋒 文輝正 鄒忠平 敖愛國)

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