大型化、高效化是近年来以及未来高炉设备的主要发展特点和趋势。目前,世界上5000立方米以上的大型高炉主要集中在日本。在过去的20年中,日本高炉的平均容积已从2570立方米增加到4200立方米。其中,新日铁大分制铁所拥有世界上最大的高炉,容积为5775立方米,日均产铁13500吨。为了进一步提高产量和效率,日本各大钢厂不断进行技术创新,使高炉寿命、大修时间、开炉操作以及稳定顺行都得到全方位的优化。新日铁大分制铁所2号高炉和JFE仓敷制铁所2号高炉在大修、开炉以及保持高炉高效稳定顺行等方面是典型代表。

新日铁 全球最大高炉优化过程

近10多年来,新日铁不断通过高炉大修、扩容增加了铁水产能。2004年2月,新日铁大分制铁所2号高炉实施停炉大修,历时79天,内容积从5245立方米扩大到5775立方米,成为世界上最大的高炉。大分制铁所2号高炉于2004年5月点火,开炉过程非常顺利,1个月后产量达到12500吨/天,5个月后产量即超过第二代炉役的13000吨/天的水平,实际产量稳定在13500吨/天。

停炉操作和大修

大分制铁所2号高炉在整个炉役期都保持了稳定顺行,一代炉龄平均利用系数达到2.13吨/立方米·天,平均日产量达11168吨,最高日产量达到13368吨(1997年8月8日达到过这一产量),创造了一项新的世界纪录。

大分制铁所2号高炉停炉操作历时17个小时左右,料面降至风口水平(零料线以下25.6米)。停炉时,若大量铁水留在炉内,则增加残铁的清除时间,延误大修进度。为缩短大修周期,新日铁实施了放残铁作业,以减少炉内残铁量。放残铁作业共进行了4小时19分钟,排出铁水1560吨,炉内残铁仅剩100吨,为缩短大修周期创造了条件。换衬作业采用“大环件施工法”:第一,沿高度方向将旧高炉砌体分割成4段,连同冷却壁一起移出;第二,将每段新炉体组装成环形模块;第三,再将模块整体推入高炉框架内。对于炉底残留物的清除,采用将渣铁、耐材连同炉壳整体移出的方法,将作业周期缩短8天左右,几乎不需要爆破作业,从而更加安全。大分制铁所2号高炉大修后,高炉内容积由5245立方米扩大到5775立方米,增加了风口和铁口数量;高炉炉体采用铜冷却壁,以延长高炉寿命。

开炉和提产

新日铁大分制铁所2号高炉开炉和提产分为以下几个阶段并相应采取一些措施:

炉内升温阶段(点火后48小时)。开炉操作需将炉内温度快速提升,同时保证软熔带形成期间的高炉透气性。对于前者,积极增加风量,以增加鼓风带入的物理热。对于后者,采取提高矿石高温性能,特别是降低烧结矿中三氧化二铝含量的措施,改善烧结矿的熔滴性能。

稳定操作阶段(点火48小时后,产量达12000吨/天)。这一阶段,高炉从点火、增加风量过渡到稳定操作状态,炉体和炉底温度上升。这一阶段的操作难点是如何调剂热量,使高炉炉热保持平衡。为此,基于Mn-C-O平衡的假设,建立了一个“炉渣温度预测”监视指标,作为优先操作控制指标来调剂炉内热量平衡,使开炉过程平稳进行。

提高产量阶段(日产量从12000吨增加到13500吨)。特大型高炉高利用系数操作易产生炉热不足和还原条件恶化。因此,需要通过优化风口调剂,使高炉下部制度合理。当热流比过高时,炉墙侧温度难以升高。但当热流比过低时,煤气流分布状况变差,一氧化碳利用率显著下降。因此,必须进行风口调剂,使热流比维持在0.81~0.83。

改进布料制度。大分制铁所2号高炉采用钟式炉顶和MA(可调炉喉护板)。当焦炭休止角较大时,矿石装入时产生的焦炭坍塌程度增大,炉墙侧焦炭滞留量减少。为了获得适当厚度的边缘焦炭层,将装入焦炭的MA档位调小。另外,将球团比从0增加到7%,降低炉料内摩擦角和休止角,以减少矿石层厚度,改善高炉炉墙周边矿石的还原条件。

连续稳定13500吨/天的生产操作阶段。众所周知,特大型高炉采用高利用系数操作时,炉墙侧温度难以升高。而且,从高炉内顺利地排出大量的渣铁是非常重要的。因而,根据高炉安装的探测器进行炉况判断和操作调剂。对于该阶段的布料调剂,调整了MA档位,以防边缘矿焦比过高并维持稳定的中心气流。在下部调剂方面,进行高湿度鼓风,促进氢还原,并注重降低直接还原反应发生量。对于炉前作业,采用3个铁口轮流出铁方式,以促进渣铁排放;合理控制出铁时间,优化钻头尺寸和铁口直径,稳定出铁作业,满足13500吨/天高产量下的稳定排放需要;使用5号新铁口(备用铁口),改善炉底铁水流动性,这样延长了渣铁排放时间,增加了炉缸中心热负荷,使炉缸的透气性和透液性保持在良好的活跃状态。[NextPage]

JFE仓敷制铁所 对二号高炉的优化

JFE西日本仓敷制铁所2号高炉自1979年3月20日点火,至2003年8月29日停炉,在第三代炉龄期间已经生产了24年零5个月。为了最大限度地降低高炉大修期间的铁水短缺,仓敷制铁所通过在所有可能的地方进行预先施工,以及采用“大环件施工法”,将第四代炉龄的大修时间压缩到了最短,包括高炉内容积扩容、更换热风围管、安装现代化的3罐式并罐无料钟炉顶装入系统在内的大修工程在75天内完成。随着大修工程的竣工,2号高炉于2003年11月13日投产。开炉后该高炉产能直线上升,确保了铁水的尽快供应,并降低了生产成本。目前,该高炉持续生产未发生任何问题。

2号高炉组成设备

JFE仓敷制铁所2号高炉主要由以下设备组成:

炉身。该高炉的炉容在原来的基础上扩充到最大,从2857立方米扩大到4100立方米。热风围管全部进行更换,整个炉身都安装了炉体冷却设备,冷却壁一直安装到炉喉。炉缸应用了高耐腐蚀低空隙度的碳砖,风口数目从33个增加到38个。

炉顶装入设备。安装了3罐式并罐无料钟炉顶装入系统,以提高布料控制的自由度,适合更大范围的操作需求,包括使用廉价的低等级原燃料和进行低燃料比操作。

出铁场设备。出铁场作业采用了如下改进,以提高效率:安装远程受铁(操作)/出铁场脱硅(操作)装置,并在高炉中控室监控;在出铁场和地面之间架设斜坡通道和出铁场平台,并设置了摆动溜嘴驳转器实现“无接触”更换摆动溜嘴;通过增加出铁场通道,拓展铲车的使用范围。

控制系统。电气和仪表系统集成在一起,高炉中控室安装了CRT集成操作系统。

辅助设备。通过改变煤气清洗系统把VS+EP改为环缝洗涤器,提高了除尘能力;扩容余压回收透平发电设备(TRT),提高了发电能力;炉喉设置了夜视摄像机和微波料面机。

高炉大修

该高炉大修主要包括以下两个方面:

高炉解体。JFE采取了如下措施缩短高炉拆除时间:有效使用开孔机等设备,加速了拆除和排空高炉缸内残余死铁层的工作;通过在炉底钢壳设置大型开孔并有效运用重型机械,极大地加快了排空炉缸残铁的工作;采用“大环件施工法”,即炉身垂直划分为3段的分段施工法,将庞大的炉身移出。

大修方式。由于实际能用的施工建设空间有限,3段炉身耐材在靠近干渣坑的地方进行组装。所有的冷却壁和内衬的浇筑工作都是在这3段炉身上完成,并且炉底板的耐材砌筑和部分炉底周围的冷却水管也预先安装到位,因此缩短了实际建设周期。在实际的工程施工作业中,这3段预先准备好的炉身按照“大环件施工法”进行组装,实际建设在75天内完成。

开炉操作

该高炉开炉操作有两大目标:一是通过降低铁水中的硅含量,尽早过渡到低成本生产;二是尽早实现稳定生产,在此基础上设定了原燃料的参数,制订了操作计划。

原燃料参数。高炉开炉操作的特别关注之处在于开炉初期的炉内温度偏低,要防止开炉初期低温黏度溶液难以滴落,导致炉内透气性变差。从JFE西日本福山制铁所3号高炉和2号高炉的开炉操作实践来看,提高入炉焦炭强度可以确保炉内焦炭粒度,使高炉操作更快地达到稳定状态。确切地说,对原燃料有以下两个相应指标要求:提高焦炭强度,提高烧结矿强度。

虽然随着炉腹煤气量的增加,压损也在上升,但是可以认为开炉后立即滴落,使尽快提高风量成为可能。烧结矿性能参数的影响基本与预测的一样,在提高风量并保持良好的透气性方面起着重要作用。

操作方针。仓敷制铁所2号高炉于2003年11月13日18:30开始送风,稳定的煤气流加热了炉缸,第一炉铁水(温度达1431摄氏度)按计划于11月14日12:00出铁成功,此后送风顺利,11月15日达到设计风量。需要说明的是,因为一次煤气流不稳定,而实施了必要的临时减风一次,通过采取适当的措施达到了基本稳定送风的操作要求。JFE仓敷制铁所2号高炉创造了日本钢铁公司历史上最快的开炉纪录,同时铁水硅含量也很快降低,实现了低成本生产。到目前为止,该高炉运行状态良好。