柳钢1号高炉球式热风炉设计特点.docx
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柳钢1号高炉球式热风炉设计特点
柳钢1号高炉球式热风炉设计特点
1 前 言
由于具有投资省,风温高的显著优点,球式热风炉从70年代开始在我国的小高炉上成功使用后就迅速得到推广。
从1987年成钢300m3级高炉采用球式热风炉至今,相继有威(远)钢、涟钢、汉钢、南昌钢厂等300m3级高炉采用了球式热风炉。
据资料统计,风温在1050~1150℃,最高达1200℃(短时间);但在使用过程中也暴露出球床寿命(清球周期)短(长的3~4年,短的1年)、耐火球材质不合理,高温区炉壳保温不太理想、炉壳热损失较大、拱顶热电偶易烧坏等不足。
柳钢1号高炉球式热风炉设计时,在充分吸收兄弟厂球式热风炉优点的基础上,针对这些问题,结合柳钢自身的特点,设计作了相应改进。
2 工艺参数及主要技术性能
2.1 工艺参数
(1)高炉有效容积:
350m3
(2)热风炉座数:
3
(3)利用系数:
η=2.8~3.0t/m3·d
(4)入热风炉风量:
~1100m3/min
(5)设计风温:
1100~1150℃
(6)每座热风炉煤气耗量:
18900~28700m3/h
(7)每座热风炉助燃空气耗量:
13100~19700m3/h
(8)高炉煤气压力:
~7.84kPa
含尘量:
≤5~8mg/m3
3.2 主要技术性能
1号高炉球式热风炉主要技术性能见表1。
表1 主要技术性能
项 目
数量
备 注
热风炉全高,m
21.45
热风炉炉壳外径(上/下),mm
7926/7020
蓄热室断面积,m2
24.454
燃烧室断面积,m2
28.834
球床高度,m
6
φ60镁铝铬球2m
每座热风炉装球量,t
271
其中镁铝铬球92.4t
鼓风占有球量,kg/m3·min
246
高炉有效容积占有球量,t/m3
2.32
热风炉加热面积,m2/座
12325
热风炉温度,℃
1100~1150
废气温度,℃
200~300
3 热风炉设计
3.1 热风炉型式
本设计热风炉采用架空式结构,与落地式结构相比,该结构便于卸球,同时简化了热风炉下部结构,有效地解决了热风炉底板变形漏风的问题;此外,该结构利于冷风均布。
3.2 热风炉拱顶
采用悬链线y=a·ch(x/a)拱顶,和以往采用的圆锥台形、半球形、锥球形等拱顶相比,悬链式拱顶结构稳定、气流分布均匀。
本次设计热风炉拱顶峰顶高度与峰顶开度一半之比为:
9.2:
7。
有些铁厂球式热风炉拱顶热电偶经常被烧坏,我们分析认为:
这主要是热风炉拱顶燃烧空间不够所致,因此,本次设计除加大拱顶内径外,还将拱顶直段加长~770mm,目的是:
(1)扩大球床上方的燃烧空间,以保证煤气燃烧在球床上方完成;
(2)若日后高炉少量扩容,球床还有加球的余地。
3.3 炉顶测温点
拱顶顶部设有测量球床上表面温度的红外线测温装置,在热风出口附近另设有一支水平安装、测量拱顶煤气燃烧温度的热电偶。
两点测温的目的是保证拱顶区域测温准确可靠,同时亦可检测煤气是否在拱顶完全燃烧。
从目前生产看,拱顶燃烧温度较球床上表面温度高40~60℃。
这说明进入球床前,煤气已燃烧完毕,即拱顶燃烧空间合适。
3.4 燃烧装置
采用较成熟的、目前国内普遍使用的水平陶瓷燃烧器,每座球式热风炉采用2个燃烧器,相向侧装,烧嘴角度β=25°,烧嘴切圆直径3700mm。
燃烧器参数:
(1)燃料种类:
高炉净煤气
(2)煤气耗量:
2.63~3.99m3/s
(3)助燃空气耗量:
1.81~2.74m3/s
3.5 球床结构
球床直径5580mm,高度6m,采用两段式耐火球。
上部采用60镁铝铬球(镁铝球),加热面积63m2/m3,高2m;下部采用40高铝球(铝铬球),加热面积94.5m2/m3,高4m。
300m3级高炉的球式热风炉球床以前多采用“上部60硅球+下部40高铝球”;由于硅球热容量较小,后来改用“上部φ60镁铝球+下部φ40高铝球”;但这种配合也存在某些不足,如镁铝球抗水性较差。
最近,国内某大学和某耐火球生产厂试验表明:
镁铝球与高铝球配合使用时,“分界处”的耐火球会发生化学反应而导致该区域耐火球表面粉化、粘结,从而影响球床寿命。
用镁铝铬球替代镁铝球可以有效地阻止这种化学反应,而且镁铝铬球抗水性优于镁铝球,因此,使用镁铝铬球要优于镁铝球。
在柳钢1号高炉球式热风炉设计审查会上,西安冶金建筑学院杜森林教授、国家冶金局高清举等专家学者都鼓励我们采用“镁铝铬球+铝铬球”的配合(两者不发生化学反应),以期打破近年来球式热风炉耐火球技术发展停滞不前的局面,使耐火球材质、生产有质的飞跃,为球式热风炉向中型高炉推广做出贡献。
因此,为便于比较,本次设计一座热风炉球床采用上部φ60镁铝铬球(2m)+下部φ40铝铬球(4m)。
一座热风炉球床采用上部φ60镁铝铬球(2m)+下部φ40高铝球(4m)。
另一座热风炉球床采用上部φ60镁铝球(2m)+下部φ40高铝球(4m)。
但在跟踪耐火球生产时,发现φ40铝铬球实际耐压强度只有7000~7500N/球,难以满足设计要求,故只好用φ40高铝球替代铝铬球。
目前,装球情况为:
1号炉上部φ60镁铝球(2m)+下部φ40高铝球(4m),2号、3号炉上部φ60镁铝铬球(2m)+下部φ40高铝球(4m)。
耐火球理化指标见表2。
表2 耐火球理化指标
项 目
高铝球
镁铝球
镁铝铬球
铝铬球
成分
Al2O3≥75%
Mg≥80~85%
MgO≥55%
Cr2O3≥2.5%
Al2O3≥60%
Cr2O3≤2.0
(100N/球)荷重软化开始温度,℃
≥1480
1530~1550
1530~1550
≥1440
耐火度
≥1790℃
≥1790℃
≥1790℃
1770℃
常温耐压力,N/球
≥10000
≥10000
9000~10000
7000~9000
显气孔率,%
≤25
≤19
≤22
≤28
体积密度,g/cm3
2.3~2.4
2.8~3.0
2.8~2.9
2.3~2.35
3.6 炉墙的砌筑
(1)热风出口、燃烧口、燃烧器分布帽、热风管三叉口等部位均采用材质为低蠕变高铝质的、小块“花瓣式”结构的整圈组合砖砌筑,以确保在高温状态下该区域砌体稳定可靠。
(2)考虑到生产时拱顶和直线段膨胀不一样,设计时将球床大墙和拱顶直段大墙分离,其间有10mm迷宫式滑动缝,内填硅酸铝耐热纤维。
(3)球床大墙采用单层耐火砖砌筑。
目前300m3高炉的球式热风炉球床区域的大墙均采用双层耐火砖砌筑。
由于场地狭小,热风炉难以按常规布置,热风炉上部间距只有~560mm,而且为防止因气体空腔速度太快而导致阻损增大(本设计为~0.75m/s),球床直径就不能太小(本设计为φ5580mm);因此,本设计球床大墙只能采用单层耐火砖砌筑(大墙砖外还有~350mm厚的高强度轻质粘土砖)以保证燃烧区直径和球床直径;考虑大墙的稳定性以及减少球对大墙的压力,大墙上部砖设计为上下层带凸凹槽的互锁砖,下部内侧设计有一层厚230mm的耐火砖。
3.7 炉体保温
为减少炉壳散热,设计增加保温层厚度。
(1)高温区(拱顶及球床上部):
采用两层高强度轻质粘土砖做保温层,厚度为230+230mm(以往为230+114)。
(2)中温区(球床上、中部):
采用高强度轻质粘土砖,厚度为230+114mm(采用高强度轻质粘土砖,也可提高该区域大墙的稳定性)。
(3)低温区(下锥体处):
采用高强度轻质粘土砖,厚度为114mm。
(4)保温砖与炉壳间:
高温区:
炉壳内侧喷涂σ=50mm的FN-130喷涂层,喷涂层与保温砖间填充厚度为50~130mm的硅酸铝耐热纤维毡(愈往上愈厚)。
中温区:
填充~130mm的干水渣。
低温区:
采用σ=20mm石绵板。
3.8 烧炉用煤气
目前,1号高炉煤气采用湿法除尘,与布袋除尘的煤气相比,其含尘量、水分均较高,温度低,长期使用对球床寿命不利(本次大修1号高炉暂时只改造热风炉系统)。
为保证球式热风炉球床的寿命,设计使用2号高炉布袋除尘的煤气。
只有当2号高炉休风时,才从高炉煤气总管上引煤气,经预热后再送给热风炉使用。
考虑柳钢高炉煤气发热值较低(随着焦比进一步下降,煤气发热值以后还会降低),为确保采用高炉煤气将热风炉拱顶烧至~1300℃,设计采用将助燃空气、1号高炉湿法除尘的煤气(2号高炉休风时)预热至120~150℃,故原双预热设施(热媒式换热器)保留并加以完善。
为便于阀门操作、检修,设计采用地上架空式钢烟道(中心标高3.5m)。
3.9 主要设备
(1)阀门。
为适应高风温的要求,热风阀、燃烧阀及倒流休风阀均采用DN900新型衬里热风阀,除φ250煤气放散阀、调节阀采用电动,φ150煤气放散阀采用手动外,其余的阀门均采用液压,热风炉设有单独的液压站。
(2)助燃风机。
提高助燃空气压力有利于延长清球周期。
本设计采用9-26.14D助燃风机,一用一备(留有富余量)。
风机性能:
全压:
12.2kPa
流量:
~47000m3/h
电机功率:
250kW〖ZK)〗
(3)检修设施。
本次设计热风炉炉顶不设置检修吊装设施,日后阀门检修及耐火球吊装考虑用吊车进行,这样既可以简化炉顶结构、也减少设备维护费用及投资。
3.10 控制系统
热风炉设有燃烧自动控制、送风温度、煤气及助燃空气压力自动调节等控制手段。
热风炉各阀门动作可实现三种不同的操作制度:
(1)手动操作:
检修或试车时采用。
(2)半自动操作:
人工发出换炉信号,热风炉各阀门按规定的换炉程序动作。
(3)全自动操作:
当送风时间或风温达到规定值时,计算机系统进行全自动换炉程序动作。
3.11 安全设施
(1)煤气总管上设有水封装置,以保证检修时能安全有效地切断煤气。
(2)煤气总管和各煤气支管上均设有放散阀及蒸气吹扫装置。
4 施工与生产
(1)球式热风炉施工和设备安装、调试均比较顺利。
(2)由于工期较紧,装球过程中难免带入些球粉或尘埃,特别是镁铝铬球,由于其强度较低,装球过程中,球表面有不少球粉脱落;烘炉前送风~10分钟,尽可能将球床中的球粉或尘埃吹走。
(3)至2000年6月球式热风炉投产已将近一个月,其运行情况如下:
投产后前三天,球式热风炉使用公司高炉煤气总管内的煤气(湿法除尘),煤气质量较差、压力波动较大,压力只有5.5~6.0kPa(正常为~8kPa)。
因此,热风炉拱顶只能烧到1000~1080℃,风温也只有850~940℃。
第4天,使用布袋除尘的煤气(温度120~140℃)后,拱顶当班即烧至1250~1280℃,最高曾达到~1320℃。
在混风的情况下,风温稳定在1100~1170℃。
由此可见,煤气质量好坏对球炉影响很大。
但也存在一些问题,如送风前后拱顶温差较大(100~130℃)。
我们认为这是废气温度较低(150~190℃),球床下部的球还未充分发挥作用所致,随着废气温度的逐渐提高,预计,送风前后拱顶温差会<80℃。
另外,高炉生产正常后,随着焦比的下降,高炉煤气的热值将会降低,这对烧炉不利,设计采用球式热风炉废气来预热助燃空气(由40~50℃预热至120~130℃)的办法来确保使用低热值高炉煤气后不影响烧炉。
可见,目前提高废气温度十分必要。
此外,由于气体计量还不十分准确,热风炉各阀门“自动操作”暂时还未投入使用。
5 结语
球式热风炉投资省,风温高。
合理的设计、优质的煤气、质量上乘的耐火球是球式热风炉长寿及长期(≥5年)获得高风温的保证,加上科学的管理,柳钢1号高炉球式热风炉长期获得1150~1200℃的高风温是完全能够实现的。
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