太钢4 350 m3高炉热风炉的设计

2019-03-11 19:03:00
摘要在新建的太钢 4350m3 高炉新日铁外燃式热风炉的设计中,围绕高风温长寿命采取了一系列措施:蓄热室\燃烧室、混风室内墙体与拱顶的拱角相接处,采用迷宫式结构, 防止独立砌体间窜风;在开孔部位采用组合砖,以提高这些关键部位的气密性和结构稳定性;蓄热室内采用带凹凸槽的小孔径七孔高效格砖,提高加热面积;采用分离型余热 回收装置预热助燃空气和煤气等。 关键词高炉热风炉高风温长寿 1 概述 太钢现在拥有 4 座高炉,1 号高炉炉容 324m3,2 号高炉炉容 296m3,3 号高炉炉容 1200m3,4 号高炉炉容 1650m3。为了适应太钢不锈钢发展规划的需要,满足炼钢工序每年 560 万 t 铁的要求,太钢决定对 3 号高炉进行易地大修,将炉容扩大到 4350m3,而后 3 号高炉原地大修,炉容扩大到 1 650m3,淘汰 1、2 号高炉,炼铁厂最终形成 2 座 1 650m3 和 1 座 4350m3 高炉生产的局面。 太钢 4350m3 高炉设计年产生铁 320 万 t,利用系数 2.1,工艺技术装备水平达到国际先进,国内领先,高炉寿命 15 年(一代炉龄不中修),热风炉寿命 25 年。 太钢 4350m3 高炉配置 4 座新日铁外燃式热风炉。采用定风量交错并联的送风制度,设计最高风温为 1 310 ℃,最高拱顶温度为 1450℃,高温区采用硅砖。设置烟气余热回 收装置预热助燃空气及高炉煤气。热风炉系统自动控制包括燃烧控制、送风温度控制和换炉控制。热风炉设计参数见表 1,主要技术性能见表 2。 2 热风炉砌体结构设计 新日铁外燃式热风炉的特点:蓄热室上部有一段锥体,使蓄热室拱顶缩小到和燃烧室拱顶尺寸相同,从而提高了结构的稳定性,并使高温烟气在蓄热室中分布均匀;蓄热室和 燃烧室等径半球拱顶之间的连接管上设置通用型伸缩管,用于吸收蓄热室和燃烧室的不均匀膨胀和连接管的轴向膨胀。为使热风和混入的冷风混合均匀,在每个热风炉燃烧室 热风出口处设有一个混风室,在混风室与燃烧室之问的连接管上亦设有通用型伸缩管,以吸收两者的不均匀膨胀和连接管的轴向膨胀。热风炉结构构如图 1 所示。 2.1 热风炉温度分布的计算 采用稳态及非稳态热工计算程序,进行详细、全面的比较计算,得出热风炉蓄热室温度分布曲线(如图 2 所示)。 此温度分布曲线反映的是在气流分布均匀的情况下,格子砖高度方向的温度变化,是砌体结构设计及选用耐材的重要依据之一。 2.2 热风炉本体结构 (1)热风炉拱顶及连接管。热风炉蓄热室和燃烧室的拱顶由两个内半径 3790mm 的半球顶和两段圆筒组成,并由内径 4600mm 的连接管连通。 砖衬采用 4 层不同材质的砖砌筑,由内向外分别为硅砖、硅质隔热砖、高铝质隔热砖和粘土质隔热砖,砖层总厚度为 844 mm,钢壳内表面喷涂一层耐酸喷涂料,砖与喷涂层 间充填陶瓷纤维,以吸收拱顶砌体的热膨胀。 连接管与两球顶接口处采用组合砖砌筑,其余部分的上部内层砖衬采用带凹凸槽的异型砖砌筑,增加了拱顶结构的稳定性,有效地防止了掉砖现象。 拱顶所有的砖衬由设置在炉壳上的 3 层砖托支撑,与大墙砌体脱开,荷重由炉壳承受,成为一独立的稳定结构。 (2)热风炉砌体。热风炉砌体分为蓄热室、燃烧室、混风室三部分,均采用了保温性能好、寿命长的砌体结构。为了有效地吸收高温部位硅质耐火砖和硅质隔热砖的热膨胀, 硅质砖和隔热砖之问填充了高温下易挥发的填充物,并且在硅质砖层内部也设置了膨胀缝,有效地解决了硅质砖膨胀量大的问题。蓄热室、燃烧室、混风室墙体与拱顶的拱角 部位相接处,采用迷宫式结构,防止了独立砌体问窜风。 ①蓄热室砌体。蓄热室锥体部及其上部圆筒大墙由内向外分别采用硅砖和高铝质隔热砖砌筑,砖衬与耐酸喷涂料之间充填隔热纤维板,硅砖和隔热砖之间填充高温下易挥发 的填充物,以吸收锥段砌体的热膨胀。整个砖衬由设置在炉壳上的砖托支撑,与拱顶及蓄热室直筒部砌体完全脱开。 蓄热室直筒部砖衬分为上、中、下三部分,上部属于高温区,由内向外分别采用硅砖、硅质隔热砖、高铝质隔热砖和粘土质隔热砖,砖衬总厚度为 630mm;中部中温区分别 采用高铝砖和高铝质(或粘土质)隔热砖,砖层总厚度为 620 mm;下部低温区分别采用粘土砖和粘土质隔热砖,砖衬总厚度为 580mm。炉壳内中、上部喷涂粘土质喷涂料,下部 喷涂普铝纤维。 ②燃烧室砌体。燃烧室大墙上、中部区域由内向外分别采用硅砖、硅质隔热砖、高铝质隔热砖和粘土质隔热砖砌筑,砖衬总厚度为:上段 692 mm,中段 742mm;热风出口 段由内到外分别采用 2 层高铝砖和 3 层隔热砖砌筑,砖衬总厚度为 896 mm;陶瓷燃烧器大墙内外层分别采用高铝砖和粘土砖砌筑,砖衬总厚度为 896 mm。炉壳内表面喷涂粘 土质喷涂料。 ③混风室砌体。混风室由上、下各自独立的拱顶及大墙组成,拱顶及大墙由内向外分别采用高铝砖、高铝质隔热砖和粘土质隔热砖砌筑,上、下部砖衬总厚度分别为 470 mm 和 480 mm。炉壳内表面喷涂粘土质喷涂料。 (3)热风炉陶瓷燃烧器砌体。由于太钢能够提供充足的焦炉煤气供热风炉燃烧,因此采用成熟可靠的三孔式陶瓷燃烧器,其优点是燃烧稳定,能够降低燃烧室大墙温度,防止 局部过热。燃烧器采用异型耐火砖砌筑,上部为耐剥落性能良好的堇青石砖、致密粘土砖和高铝砖,下部为致密粘土砖。 在燃烧器高炉煤气通道的表面涂有一层防水涂料,并设置金属保护板,有效地防止了高炉煤气中的水汽粘附在砖的表面。 (4)热风炉各孔口砌体及高效格砖。调查表明,热风炉各孔口砌体的稳定性也是制约热风炉整体寿命的重要环节。本次设计在开孔部位(拱顶联络管端口、燃烧室热风出口、混 风室热风出入口、热风管道上各三岔口等)采用组合砖技术,以提高这些关键部位的气密性和结构稳定性,从而提高砌体寿命。 蓄热室采用带凹凸槽的小孔径七孔高效格砖(H=180mm),其加热面积比传统的孔径为 43mm 的格砖增加了约 5.9%。 (5)热风炉管道砌体。热风主管和围管采用高铝砖和高铝质隔热砖砌筑,砖衬厚度均为 420mm 热风支管采用热震稳定性好的莫来石质堇青石砖和高铝质隔热砖砌筑,砖衬厚 度为 420mm。管壳内表面喷涂一层粘土质喷涂料和一层隔热喷涂料,上部砖衬与喷涂料之间喷涂一层陶瓷纤维。 烟道主支管不砌砖,管壳内表面浇注或喷涂一层不定型耐材。 2.3 热风炉耐火材料 选用高质量耐火材料的目的是为了防止在长期高温或高荷载工作条件下,砌体变形、下陷、扭曲等不良现象的出现,是保证热风炉高风温长寿命的重要条件。 为适应将来热风温度最高 1 310℃,满足热风炉 25 年寿命的要求,热风炉耐火材料采用硅砖、高铝砖和粘土砖。蓄热室中部、燃烧室热风出口部及混风室采用高档低蠕变高 铝砖,蓄热室中温区采用中档低蠕变高铝砖,这两种砖对 K,Na 氧化物含量还有严格的要求。蓄热室和燃烧室下部低温区采用高档、中档低蠕变粘土砖。高温下硅砖具有较好 的特性,为适应长期高温、高荷载的环境,蓄热室拱顶、锥段、上部墙砖及格子砖,燃烧室拱顶、上部墙砖均采用硅砖。陶瓷燃烧器上部采用热膨胀系数小,热震稳定性好的 堇青石砖,下部采用防水性好的致密粘土砖。 炉壳与各部位耐火材料之间的隔热层,根据使用条件的不同,选用了与其相适应的隔热砌体组成,分别采用了硅质隔热砖、高铝质隔热砖、粘土质隔热砖以及陶瓷纤维等隔热 材料,加强了砌体隔热性能。 2.4 热风炉管道系统 随着近年来热风炉设备的不断发展更新,高温密封式蝶阀技术越来越成熟可靠,该阀结构简单,动作灵活,密封可靠,且结构小巧,重量轻,已经为广大用户接受。为确保 热风炉各阀的检修,高炉煤气、焦炉煤气、助燃空气、冷风、烟气管网上的阀门采用高温密封式蝶阀,减少了热风炉区域的框架负荷。 通过对整个管道系统完整的受力分析计算,经济、合理地配置了波纹膨胀节以及管系中固定支架、滑动支架,既吸收管道热膨胀,又便于阀门的安装、检修,使热风炉管路 系统设计合理,安全可靠,满足了热风炉高风温长寿命的要求。 2.5 分离型余热回收系统 分离型余热回收装置蒸发端与冷凝端分开,布置灵活,能够实现一种介质为多种介质换热,设备运行可靠,运转费用低。为了满足热风炉送风能力达到 l 310℃,同时达到节 约一部分焦炉煤气的目的,设计采用分离型余热回收装置,使助燃空气和高炉煤气预热到约 180℃左右,热风炉热效率达到 83%。 2.6 热风炉检测技术 为保证热风炉高风温长寿命,设计对热风炉区域关键环节进行了检测、监控。特别是硅砖,对其增设温度检测装置进行温度控制,以确保硅砖内衬的使用温度≥ 800℃。 2.7 热风阀的冷却 由于热风阀采用新型气动闸阀,为提高阀门寿命,减少运行成本,设计采用软水密闭循环冷却。 3 防止炉壳晶间应力腐蚀的措施 由于热风炉设计的最高风温为 l 310℃,最高拱顶温度为 1450℃,因此,热风炉高温区需要采取防止晶间应力腐蚀的措施。在热风炉高温区,即上部约 25m 范围内(包括蓄热 室、燃烧室拱顶、连接管及蓄热室锥体部,燃烧室直段上部)的钢壳采用耐龟裂的钢板制作,并在钢壳内表面喷涂耐酸喷涂料,同时为防止腐蚀介质在钢壳内表面结露,在钢壳 外表面铺设由纤维毡、铝板组成的保温层。 4 可以探讨的节约投资的措施 新日铁外燃式热风炉砌体结构合理,气流分布构匀,适于大风量大煤气量操作,适应高风温长寿命的要求。但是,它的结构复杂,占地面积大,钢材和耐材消耗量较大,基建 投资较高。经分析,在同等条件下,可以采取以下措施节约投资。 4.1 采用集中混风室 新日铁外燃式热风炉每座热风炉配置一个混风室,冷、热风经混风室混合后进入热风支管,送至高炉。如果在热风主管上设置一个集中混风室,取消畦热风炉上的混风室,既 能达到同样的混风效果,又可以节约投资。 4.2 采用栅格式陶瓷燃烧器 在焦炉煤气不充足的条件下,可以采用两孔的栅格式陶瓷燃烧器。圆形栅格式陶瓷燃烧器已经在国内使用多年,有成熟的使用经验,其砖型简单,加工量少,易于砌筑施工, 且具有空、煤气混合均匀,火焰短,耐火砖剥落少,燃烧稳定,燃烧能力大等优点,适应于外燃式热风炉,有利于减少制造和砌筑的费用。 4.3 减少耐材种类 新日铁外燃式热风炉墙体耐材种类繁多,而且部分耐材指标接近,既不利于施工管理,又不方便砌筑。如果将部分指标接近的耐材统一为一种,这样既方便订货,又便于施 工管理,可以减少管理费用。 5 结语 太钢 4350 m3 高炉热风炉设计和宝钢 2、3 号高炉热风炉相比做了如下改进: (1)由于煤气清洗质量提高,格砖孔径适当减小,因此,单位风量的加热面积由 42.5 m2/(m3/min)增加到 45.0m2/(m3/min)(送风量为 7200Nm3/min 时); (2)为增强保温效果,减少热量散失,蓄热室下部的喷涂料由渣棉改为普铝纤维; (3)为更好地吸收内层耐火砌体的热膨胀,改进燃烧室热风出口段膨胀缝的设置; (4)为提高热风支管砌体的寿命,不仅将内层耐火砖改为复合莫来石砖,而且内层砌体中膨胀缝的留设位置也做了改进,并增加了 1 层内层保护砖; (5)为提高热风管道的使用寿命,对整个热风管系的伸缩管、支座及热风管道拉杆做了改进; (6)扩大燃烧室的外保温范围,避免燃烧室炉壳发生龟裂。 通过采取以上措施,预期投产后将比宝钢 2、3 号高炉热风炉的生产情况有所改善,可以达到设计目标。
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