王 冰 张向国 陈 诚
（山东省冶金设计院股份有限公司炼铁室）
摘 要：山钢日照钢铁厂5100m³高炉工程由山钢集团-山冶设计自主设计，并建成投产，是目前国内采用“EPC”总承包模式建成的最大容积的高炉。该工程的设计和建设在山钢现有4000m³级大高炉设计及生产经验积累的基础上，充分研究并借鉴吸收国内外同级别特大型高炉的设计和技术装备特点，取得了多项设计创新成果，这些成果在山钢日照钢铁厂2座5100m³高炉工程中得到了成功应用，使山钢日照钢铁厂5100m³高炉的技术装备水平和主要技术经济指标均达到了国际先进水平，为山钢集团日照精品基地实施“精品制造、智能制造、高效制造、绿色制造”战略，建成绿色智能化梦工厂目标的实现打下了坚实的基础。
关键词：特大型高炉；高效长寿；技术创新；绿色低碳
近年来，国内外高炉炼铁技术在大型、高效、长寿、低耗、环保方面取得了长足的进步，特别是高炉长寿、高风温、富养喷煤、煤气全干法除尘以及炉顶余压余能等单项技术的成功应用。高炼铁技术的进步主要体现在能耗和效率两方面，这些进步与高炉大型化发展密不可分。我国在高炉大型化、淘汰落后产能等方面取得了有效进展。
山钢日照2座5100m³高炉工程由山东省冶金设计院股份有限公司（一下简称山冶设计）总体规划、自主设计并采取“EPC”总承包的模式建成投产，是目前国内、外采用“EPC”总承包模式建成的最大容积的高炉。该工程的设计和建设在山钢集团现有大型高炉设计及生产经验积累的基础上，研究并借鉴了国内外同级别特大型高炉的设计和技术装备特点而完成的，在项目完成过程中形成多项创新型技术，这些技术的应用，使山钢日照5100m³高炉的技术装备水平和主要技术经济指标均达到了国际先进水平，为山钢集团日照精品基地实施“精品制造、智能制造、高效制造、绿色制造”战略，建成绿色智能化梦工厂目标的实现奠定了基础。
1 山钢日照5100m³高炉高效长寿综合技术
山钢日照5100m³高炉突破传统静态设计思维，积极研究探索新的设计理念，充分研究了国内外5000m³以上特大型高炉的设计及技术装备特点，结合山钢发展战略，坚持引进消化吸收、集成创新，强调自主研发、自主创新，发挥后发优势，形成了一系列先进实用、成熟可靠、绿色低碳、清洁环保的综合性技术，为实现高炉“高效、优质、低耗、长寿、环保”的目标打下了坚实的基础。
1.1 紧凑型铁钢界面技术
山钢日照钢铁厂总图布置以因地制宜，整体规划，分步实施，集约用地为原则，运用冶金流程工程和系统工程的原理，对铁钢界面物质流、能量流和信息流的协同问题进行分析，以及考虑近、远期发展等各种因素，经过多次的研究对比分析及专家论证，最终确定采用“PBC-380型超大型汽车运输铁水”紧凑型铁钢界面技术。该技术具有占地少、投资省、低耗、低成本以及生产组织灵活可靠、物流管理先进智能等显著优点。
同时，铁水物流智能管控技术的应用实现了铁包智能组配与调运，为“一包到底”汽车运输技术的成功应用提供技术支撑。
1.2 “联合矿焦槽”及“无人值守”全自动控制技术
山钢日照2×5100m³高炉的矿焦槽系统采用“联合矿焦槽”整体布置工艺，该工艺的应用不仅减少了物料中转和运输路径，同时降低矿槽建筑物高度和设备数量，不仅节省了项目占地和投资，而且节约大量人力资源和生产成本。
同时为满足实际生产中精确供给料，真正实现矿焦槽“无人值守”全自动控制，在原燃料供应系统采用了以下自动控制技术：分散称量以及称量误差自动补偿技术、焦炭设水分及重量自动测量补偿技术、物料称量斗在线自动校称技术、槽上卸料小车自动精准定位技术、转运站全自动化取样等创新型技术和设备，这些先进技术和设备的使用为实现矿、焦槽及供料系统“无人职守”提供强有力技术支持。
1.3 改进型串罐无料钟炉顶设备
无料钟炉顶装料设备是现代高炉高压化操作不可或缺的核心设备。山钢日照钢铁厂5100m³高炉炉顶采用PW公司改进型串罐无料钟炉顶设备，炉顶设备设计压力0.33MPa，料罐容积100m³，溜槽长度4500mm。“改进型串罐无料钟炉顶设备”的技术优势在于：在溜槽悬挂轴中增加了冷却通道，是的气密箱的冷却更加均匀，冷却效果较传统结构有很大的提升，因此降低了轴套的温度，保证干油润滑的效果，同时加压水冷齿轮箱S-杯的特殊结构实现了水路密闭循环，密闭循环水路系统冷却水不存在由于接触高炉煤气和灰尘或者过量的润滑油脂进入上/下水槽造成冷却水路污染问题，该密闭循环水路可以采用工业软水作为冷却水介质，进而避免了冷却水结垢的对冷却效果的影响，与传动齿轮箱相比，改进型加压水冷齿轮箱的使用寿命得到很大的提升。
1.4 高炉长寿综合技术
高炉高效长寿的关键是合理的高炉内型和冷却设备、科学的炉缸炉底内衬结构、安全高效冷却系统、完善的自动化检测控制体系和可视化技术的有机结合。山钢日照5100m³高炉系统完成过程中，将以上几方面进行深入细致的研究，同时在材料的选取以及施工过程提出了更高的要求。
1.4.1 合理的高炉炉型
合理的高炉炉型是高炉煤气流合理稳定分布的基础，是实现高炉“稳定、顺行、高产、低耗、长寿”的前提条件。山钢日照5100m³特大型高炉炉型是结合山钢集团多年来在高炉生产操作中积累的丰富经验，同时参照国内外炉容相近、原料条件和操作条件相似、生产指标先进的高炉炉型，采用经验公式计算综合确定。其主要设计特点有：
（1）炉腰部位是软熔带形成区域，孔隙度最低，透气性最差，因此在炉腰区域需要将煤气流速控制相对低一些；从生产实际看，炉腰直径越大，高炉越容易接受风量，透气性越好。因此，炉腰直径大一些更有利，选择为16.8m。
（2）适当矮胖，煤气通过能力强，有利于改善高炉的透气性，减缓高炉对焦炭质量的依赖。设计有效高度Hu=32.000m，D=16.8m，Hu/D=1.905。
（3）较小的炉腹角α=74°37′25″，利于改善煤气流分布，稳定渣皮，延长炉腹寿命。同时改善料柱透气性，降低煤气流速，减少炉料膨胀对内衬和渣皮的摩擦力，同时改善风口冷却壁的工作环境。
（4）炉缸高度5.4m，保证风口前有足够的回旋区，利于燃料的充分燃烧和改善高炉下部中心焦的透气性，利于改善气体动力学条件。
（5）炉缸直径14.6m，设40个风口，炉缸内相邻风口之间弦长1146mm，从而保证燃烧带的连续。设置4个铁口，铁口之间夹角81°。
（6）合理、较深的死铁层深度。死铁层深度3600mm，与炉缸直径比为24.7%，利于减轻铁水环流对炉缸耐材的侵蚀。死铁层深度过大，会造成铁水渗透侵蚀加剧、增加炉缸下部和炉底形成稳定保护层的难度。
1.4.2 科学的炉缸炉底结构
炉底炉缸是高炉生产和安全最为重要的部位，山钢日照5100m³高炉炉缸炉底结构的设计主要有以下几方面显著特点: （1）按照“传热型”设计理念，炉底炉缸采用全炭砖结构形式，通过设置高导热、低渗透、耐冲刷、抗铁水侵蚀性能好的超优质炭砖，并匹配合理高效的冷却系统，使炭砖热面易于形成“自保护渣铁壳”，从而达到高炉长寿的目的；（2）为避免炭砖与冷却壁之间产生“气隙”热阻，设计选用了与引进炭砖配套的优质高导热炭捣料，并严格规范了施工工艺和方法；（3）针对铁水环流侵蚀的理念，为避免炉缸产生异常“象脚”侵蚀，采用了炉底陶瓷垫“梯级布砖”的设计理念，通过对炉底陶瓷垫不同区域刚玉砖的材质和结构形式进行精准设计，以期待可以引导炉底向正常锅底状侵蚀趋势发展；同时，炉壳和炭砖冷面轮廓线设计为向下倾斜结构，以适应“象脚”侵蚀线特征，同时，考虑增大炉底水冷的冷却能力，最大程度上提高炉底、炉缸寿命，避免炉底、炉缸烧穿事故的发生。（4）炉底炉缸炭砖全部采用德国引进，干砌的砌筑方式，严格规定了施工质量和要求，砌筑砖缝全部达到≤0.5mm要求，最大程度的避免砌筑砖缝对耐材寿命的影响；（5）针对高炉炉缸异常侵蚀多发生在铁口区域下方部位的情况，炉缸铁口区炭砖适当进行了加厚，且平滑过渡，同时为强化铁口及下方区域的冷却效果，采用了铸铜冷却壁。
为确验证炉缸炉底结构的科学性，借助数值模拟软件，分别对开炉初期、炉役中期不同状态，炉缸炉底结构温度分布进行了模拟计算，其对应炉缸炉底结构温度分布如下图2、3。
从以上计算结果可以看出，在炉役初期因有粘土保护砖以及陶瓷杯的存在，1150℃等温线和870℃等温线均处于陶瓷杯内，因此该阶段炉缸炉底碳砖是安全的，不会出现脆化和碱金属侵蚀的情形，具备高炉长寿、稳定生产的条件；在炉役中期，假定保护粘土砖消失后，且侧壁炉缸侧壁剩余碳砖厚度约为800mm、炉底陶瓷垫被侵蚀完的情形下，图3的结果显示炉缸炉底基本可达传热平衡以形成自保护渣铁壳，即1150℃侵蚀线可被推至砖衬热面，且在炉缸区域800℃碳砖脆化线也可被推出碳砖，在其热面形成稳定的渣铁保护壳，符合“传热型”炉缸炉底结构的设计理念，满足高炉长寿的基本要求。
1.4.3 合理炉体冷却设备
高炉冷却的目的是导出内衬的热量，改善砌体的工作条件，延长炉衬的使用寿命，维持合理内型，以及保护冷却设备和炉壳。
如何确保高炉炉体各部位无冷却盲区，选择合理冷却设备和冷却系统，是实现炉体各部位的同步长寿的关键。
山钢日照5100m³高炉炉体冷却设备借鉴国内外高炉长寿经验，炉体采用全覆盖冷却壁结构，实现炉体无冷却盲区，同时根据高炉不同部位的工作条件和热负荷大小不同，采用了不同的结构和材质的冷却设备，具体体现在以下几点：为强化高炉炉腹、炉腰和炉身下部的冷却效果，在该区域采用导热效果显著的轧制钻孔铜冷却壁，在冷却壁结构设计过程中，对冷却壁冷却通道进行了优化，炉体冷热面积比（冷却水管比表面积）达到1.15，确保满足该部位高热负荷的要求；在炉身中、上部采用球墨铸铁镶砖冷却壁；在铁口区域采用了铸铜冷却壁；炉缸其它区域和风口区采用光面耐热铸铁冷却壁；炉喉钢砖采用一段式水冷结构，材质选用优质耐磨合金铸钢件。
1.4.4 安全高效的炉体冷却系统
安全高效的炉体冷却系统是高炉长寿的保障，山钢日照5100m³高炉采用联合软水密闭循环冷却系统，联合软水密闭循环冷却系统冷却系统具有不结垢、冷却强度高、冷却效果好、运行费用低的优点。山钢日照5100m³高炉炉体冷却系统的显著特点有：
（1）合理的冷却水流速。根据冷却壁的材质及热负荷不同，选择合理的水速。炉缸、炉身中上部的铸铁冷却壁水管水速2.0m/s；炉腹、炉腰、炉身下部的铜冷却壁，冷却通道水速2.65m/s，以强化高热负荷区域的冷却。
（2）系统压力、阻损的合理匹配。详细计算各并联支路的水头损失，并采取措施优化管路配置，保证并行冷却回路阻损基本相当，既利于系统正常运行，又使水泵升压值不致偏高，避免能耗浪费。
（3）完善的安全措施。主要安全措施：供水水泵均设置两路独立电源，供水水泵组均设置备用泵组，中压软水供水泵组和高压软水供水泵组实现互为保安，冷却壁供水主泵设置备用柴油机泵，并且停电事故时柴油机泵可带动全系统冷却水循环运行。
1.4.5 完善的自动化监测和可视化技术
山钢日照5100m³高炉配备了完善的自动化检测系统，采用了先进的可视化设施，建立了精准、全面、稳定、实时的在线安全监测预警系统，主要包含：炉底、炉缸侵蚀在线监测预警系统、冷却壁热电偶在线监测系统、水温差热流强度在线监测预警系统、炉体静压力在线监测系统、炉喉十字测温检测系统等完善的监控预警系统；同时配备了先进的炉顶高清夜视“热”成像、风口摄像等可视化设备。这些技术的采用，为优化高炉操作，保障高炉安全稳定顺行，提高高炉寿命，减少劳动定员和人员工作强度创造了有利条件。
1.5 现代化出铁场综合技术
山钢日照5100m³高炉采用了现代化大型高炉出铁场设计理念，具有平台结构平坦化、设备机械自动化、设备机械自动化、环境绿色友好化等特点。（1）高炉出铁场主沟设计采用山冶设计自主研发的“新型自然风冷贮铁式主沟”技术，其具体结构采用预制块组合砌筑结构，可以使得主沟寿命提高，实现通铁量20万吨，该技术的使用可以有效避免热应力、热震对主沟耐材引起的机械性破坏，提高了主沟寿命，同时，设置的主沟温度在线监测系统，可以有效监测主沟耐材侵蚀情况，提高了主沟安全性。（2）创新型的落地旋转式移盖机能够实现平移，提升，旋转三种动作，大大提升了炉前工人的操作维护空间，该设备为国内首创；（3）渣铁沟全封闭除尘，渣铁沟及摆动溜槽盖板采用创新改进的嵌入式迷宫密封环保型铸钢盖板，防止盖板受热变形，杜绝粉尘外泄，同时达到美观、实用、环保的目的；（4）渣铁自动连续测温系统，铁水计量自动化监测系统，主沟温度实时在线监测系统，渣铁自动取样及风动送样系统的应用进一步提高了出铁场的自动化水平。
1.6 特大型高炉顶燃式热风炉技术
高风温是现代高炉冶炼的重要技术特征，是高炉降低焦比，提高喷煤量，提高产量的重要技术途径。山钢日照5100m³高炉热风炉系统设计采用4座特大型顶燃式热风炉，采用两烧两送的送风制度，具备自动烧炉功能。热风炉烧炉采用纯高炉煤气，设计风温1260℃（能力1300℃），拱顶最高温度1420℃。预热系统采用前置预热炉（烧高炉煤气）+板式换热器的方式，将助燃空气预热至500℃，煤气预热至200℃，热风炉寿命30年。
1.7 高效粗煤气除尘技术
山钢日照5100m³高炉粗煤气除尘采用国产高效螺旋筒式旋风除尘器技术，直径φ7800mm，具有除尘效率高，占地小，投资省，寿命高，环保效果好等特点。旋风除尘器除尘效率可达85%，是传统重力除尘器占地面积的1/2。该技术的应用，降低了布袋除尘灰量，提高了布袋灰的含锌量，从而提高了布袋灰的使用价值（回转窑提锌），避免了锌的循环富集对高炉寿命的损害。
1.8 INBA法渣处理技术
山钢日照5100m³高炉渣处理系统尽管选取的是冷INBA法渣处理工艺，但是在实际实施过程中在以下几个方面进行了优化升级：（1）对易侵蚀部件的结构和材质进行了优化和提升；（2）优化传统INBA法热水池和集水池相邻布置方式，大大降低工程建设投资；（3）采用改进型粒化箱，提升了粒化效果；（4）为避免冲渣水蒸汽的外溢，对粒化塔结构形式进行优化，有效降低对环境污染同时可以节约水量；（5）每座高炉设有一座备用水池，用于转鼓系统检修时冲渣水的存放，紧急情况也用作底滤池，提升了系统的安全可靠性。
1.9 高炉煤气全干法布袋除尘技术
高炉煤气全干法除尘工艺不仅是节能技术，更是环保技术，是高炉实现节能减排，清洁生产的重要关键性技术，经过多年的推广和发展，该技术日臻完善，已成为现代高炉炼铁设计首选技术。该技术具有节水、节能、提高煤气温度等特点。经过多年的经验积累，在山钢日照5100m³全干法布袋除尘技术的基础上，采用了山冶设计自主创新研发的一系列新型技术，包括：煤气温度控制技术、煤气含尘量在线监测技术、布袋净煤气反吹技术、除尘灰净煤气浓相气力输送技术、筒体智能恒温伴热保温技术、荒净煤气共用点火放散技术等创新型技术，为干法除尘工艺技术生产运行的安全稳定提供了重要保障。
1.10 煤粉制备和喷吹技术
山钢日照2座5100m³高炉煤粉喷吹系统中原煤的储运储存采用“筒仓”，大大改善了传统干煤棚对环境的污染；喷吹系统采用浓相煤粉输送工艺；为满足2座高炉喷吹系统互为备用的要求，喷吹系统采用四罐并列、双主管、双分配器喷吹工艺；喷吹系统设自动称重及补偿，采用旋转给料机精确控制喷煤量，可实现全自动均匀、连续、准确喷吹；采用N2回收技术，以降低能耗和生产运行成本。
1.11 特大型液压铁水罐倾翻装置
山钢日照2座5100m³高炉采用2台380t特大型液压倾翻装置。380t特大型液压倾翻装置是目前国内铸铁系统应用的最大的液压倾翻装置，填补了国内空白。该装置不仅具有超强的自动倾翻铸铁功能，灵活可调的流量控制功能，还具有紧急情况自锁、手动调节复位的安全功能，另外，还可简捷的实现极端状态下切换为行车倾翻铸铁模式。
1.12 炉顶均压煤气回收技术
炉顶均压放散煤气回收一直是炼铁界节能减排的一项重要课题，为积极响应国家节能减排的产业政策，山钢日照2座5100m³高炉采用炉顶均压煤气回收技术。
该技术具有绿色环保，自然回收、经济实用，自动化水平高，系统安全可靠，设备性能稳定，管系布置合理等特点。该技术的应用不仅减少大气污染，改善了炉顶设备检修维护环境，而且回收了能源，具有良好的环保价值和经济价值。
2 生产实践
山钢日照1号5100m³高炉于2017年12月19日点火开炉，投产2个月后即达到设计指标，目前高炉稳定顺行，各项生产技术指标逐步提升。高炉生产指标为：最高产量达到11292.8 t/d，最高利用系数2.21 t/(m3·d)，风温最高达到1210 ℃，入炉焦比最低311 kg/t，煤比最高174 kg/t，风压最高439kPa，富氧量最高25274m3/h。表1是山钢日照1号5100m³高炉投产后主要生产技术经济指标平均值。
3 结语
山钢日照5100m³高炉工程设计和建设中，最大程度的优化集成了当今世界上一系列的高效长寿、节能降耗、绿色低碳的先进工艺技术，主要装备实现了大型化、自动化、国产化目标，山钢日照5100m³高炉投产后，主要技术经济指标均达到了国际先进水平。
