特大型高爐高效長壽綜合技術在首鋼京唐鋼鐵廠的成功應用
高爐煉鐵技術的發展與進步集中體現于高爐高效與長壽兩方面的綜合競爭力。在更加注重社會責任與可持續發展的氛圍下，高效不是簡單的生產強化，更要重視其經濟效益、環境效益和社會效益；長壽不是簡單的高爐使用壽命長，更要重視其技術領先性、可持續發展的生存能力。基于對高爐高效長壽概念的全新理解，北京首鋼國際工程技術有限公司（以下簡稱首鋼國際工程公司）圍繞高效技術與長壽技術，不斷開展高爐精料布料、高爐本體優化、高風溫、煤氣凈化等高爐煉鐵先進技術的研究，取得一系列創新成果，其成果在首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐的生產實踐中得到成功應用。
1 特大型高爐技術發展背景
首鋼國際工程公司作為首鋼京唐項目的總體設計單位，承擔起了建設21世紀示范鋼鐵廠的重大任務，首鋼國際工程公司作為設計主體充分發揮多年高爐煉鐵設計的整體優勢，以“三高、四個一流”為指導，自主設計，完成了具有自主知識產權的首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐煉鐵工程設計，并投入正常生產運行。
目前世界上正常運行的5500m3以上高爐共14座，世界5500m3以上高爐技術裝備比較見表1, 首鋼京唐5500m3高爐設計技術參數與生產指標比較見表2。
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2 首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐高效長壽綜合技術特點
在首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐設計過程中，首鋼國際工程公司利用依托首鋼與生產緊密結合的優勢，積極開展產、學、研創新研究，采用了當今國際煉鐵技術領域的十大類68項先進技術，其經濟效益、環境效益、社會效益、技術領先性及可持續發展性，體現在以下幾個方面。
2.1 高爐精料和爐料分布控制技術
精料和合理布料是高爐生產操作的關鍵，首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐的原燃料貯運、上料和裝料系統工藝設計以實現分級入爐和中心加焦、提高原燃料利用率、提高操作靈活性為核心，以達到入爐原料高、穩、勻、凈精料為目的。采用并罐無料鐘爐頂裝料設備和無中繼站上料工藝，上料主膠帶機直接上料，不設中間稱量罐，以減少物料的倒運次數，減少物料倒運粉碎；采用無料鐘爐頂設備多環布料、扇形布料、定點布料、往復式布料功能實現爐料分布控制；采用燒結礦焦炭分散篩分、分散稱量實現燒結礦大、中、小分級入爐和焦炭分級入爐工藝；設置礦丁、焦丁回收系統以提高原燃料利用率。采用燒結礦、焦炭在線取樣分析技術及時跟蹤分析和控制入爐原燃料粒度。
2.2 高爐高效長壽技術
高爐本體是整個煉鐵、整個鋼鐵廠的核心，首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐設計以高效、長壽、低耗、穩定順行為宗旨，高爐一代爐役設計壽命25年，一代爐役單位爐容達到2萬t/m3，焦比290 kg/t、煤比200kg/t、燃料比小于490kg/t，技術經濟指標居世界前列。設計采用合理“矮胖爐型”技術路線，充分發揮下部調劑功能，有效控制爐腹煤氣分布，以實現中心活躍、邊緣煤氣適當抑制的合理煤氣分布，提高噴煤比和煤氣利用率，達到高效順行低耗的生產目的。高爐本體結構采用無過熱冷卻體系＋無應力砌體結構技術相結合，爐缸爐底采用高導優質炭磚＋陶瓷墊綜合爐缸爐底技術，爐底爐缸“象腳狀”侵蝕區域、鐵口區域、爐腹、爐腰、爐身下部采用銅冷卻壁技術，爐體采用全冷卻結構（包括爐喉鋼磚），爐腹以上采用磚壁一體化爐襯結構技術，高爐冷卻采用純水密閉循環冷卻技術。同時采用水冷固定測溫、爐頂高溫攝像、爐身靜壓（壓差）測量、爐底在線測溫監控、貫流式長壽風口等先進設備和檢測技術實時跟蹤分析高爐侵蝕運行情況，為高爐專家系統提供基礎保障。
2.3 熱風爐高風溫、長壽技術
采用4座具有自主知識產權的BSK頂燃式高風溫、長壽熱風爐，設計風溫1300℃，設置煙氣余熱回收裝置用于預熱助燃空氣及高爐煤氣，單燒高爐煤氣實現，最高拱頂溫度1420℃和1300℃的設計風溫。采用交錯并聯的送風制度，自動燃燒控制技術和換爐自動控制技術，采用優質耐火材料（高溫區采用硅磚）和合理熱風爐爐體結構，以實現熱風爐壽命達到30年以上為目標。
2.4 爐前出鐵場平坦化、機械化、“一包到底”鐵水運輸
設計采用矩形平坦化雙出鐵場和出鐵場公路引橋，采用大型鐵水包車運送鐵水的“一包到底”技術。采用泥炮與開口機和天車遠程遙控控制技術，液壓泥炮與液壓開口機采用同側布置，增大鐵口間夾角，以最大限度地實現爐前操作機械化、自動化操作。設計采用風冷貯鐵式主溝，延長主溝壽命和渣鐵有效分離；采用全封閉一次、二次高效除塵，改善爐前作業環境。
2.5 環保型螺旋法渣處理系統
采用國產環保型螺旋爐渣處理技術，實現蒸汽全回收，沖渣水循環使用，減少二氧化硫、硫化氫排放量和水量消耗，渣中含水小于12％。設計按熔渣全部水淬粒化，干渣僅作為事故備用，有利于環保和水渣綜合利用。水渣用作生產水泥或進行水渣超細磨。
2.6 富氧大噴煤技術、煙氣余熱回收技術
采用氧煤槍富氧濃相噴吹技術，噴煤系統設計采用3并罐、噴吹總管加分配器的直接噴吹工藝，采用連續計量、測堵分析和噴吹自動化控制技術，實現均勻噴煤、全過程自動噴吹技術。噴煤量為200kg/t，設計能力為250kg/t，富氧3.5％～5.5％。制粉系統采用大型中速磨制粉和一級布袋煤粉收集短流程工藝，采用熱風爐煙氣余熱干燥煤粉技術，實現廢氣余熱再利用。
2.7 煤氣干法除塵技術與粗煤氣高效旋流除塵技術
高爐粗煤氣采用高效旋流除塵系統，除塵效率達85%，干灰的排放和運輸采用密閉罐車運輸工藝，直接運送至燒結廠配料倉，減少二次粉塵污染。高爐煤氣凈化除塵完全自主設計，采用全干式低壓脈沖布袋除塵技術，凈煤氣含塵量在5mg/m3以下，基本無耗水，TRT發電提高30％，噸鐵發電達到50kW?h/tFe。實現節水、節能、提高TRT發電出力和環保。除塵灰的排放和運輸采用氣力輸送和密閉罐車運輸工藝，直接運送至燒結廠配料倉，減少二次粉塵污染。
2.8 采通風除塵、降噪和節水等環保技術
采用完備的通風除塵、降噪和節水等環保技術設施。實現煉鐵生產過程粉塵全部回收利用，利用污水處理后的中水作為渣處理系統的補充水，提高水的循環使用率。除塵灰集中收集，全部回收使用，充分回收和利用資源，降低資源消耗。除塵灰輸送采用低速密相氣力輸送新技術，節省能源，保障工廠清潔環境，粉塵排放控制在≤20mg/m3，熱風爐噴煤煙氣SO2≤10mg/Nm3。生產廢水無外排。
2.9 大型高爐鼓風機和TRT發電技術
采用全靜葉可調軸流式大型高爐鼓風機和脫濕鼓風技術，滿足高爐定風量、定風壓、穩定濕度的操作要求；采用高爐煤氣余壓發電技術（TRT），充分回收和利用余熱余壓，實現節能降耗。
2.10 自動化控制與人工智能專家系統技術
全廠采用四級網絡控制，煉鐵采用完善的自動化檢測與控制系統，生產過程全部采用計算機進行集中控制和調節，主要生產環節采用工業電視監控和管理。采用人工智能高爐冶煉專家系統以滿足現代化高爐高效生產操作的要求。
3 高爐高效長壽技術的研究與設計應用
首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐采用了多項創新技術，首鋼國際工程公司緊密圍繞生產操作，與生產操作一線和科研院校緊密合作，取得多項研究成果，在5500m3特大型高爐上得到設計應用，并成功地付諸于實踐。
3.1 高爐爐料分布與煤氣流控制研究
主要進行爐料粒度、爐料分布、焦炭負荷、中心加焦對煤氣在上升過程中的流動路徑、料柱局部透氣性差、中下部煤氣流分布(軟熔帶、回旋區)對上部煤氣分布影響的分析研究，進行爐型、爐料粒度和布料設計的分析和優化。
3.2 高爐出鐵過程流動分析與控制
主要進行高爐爐缸鐵爐底無焦空間層對爐缸內鐵水的環流影響、鐵水形成水平環流和壁面垂直流狀態、爐缸角部流速、流動粘性切應力、鐵口局部區域的流場分析研究，通過定性比較，進行爐型、爐缸結構、鐵口夾角、鐵口結構、死鐵層高度設計的分析優化。
3.3 高爐爐墻的熱負荷分析研究
主要進行特大型高爐爐缸爐底、爐腹以上各區域的熱負荷、溫度場數值模擬分析計算，形成分析軟件，自動建立爐墻熱負荷數學模型，分析不同爐墻結構條件下和不同冷卻參數條件下爐墻熱負荷溫度場，通過定性比較分析，進行爐型、高爐本體砌體結構和冷卻配置的設計優化。 3.4冷卻壁的溫度場應力場分析研究
主要進行安裝方式對冷卻壁的熱應力分布影響、溫度對冷卻壁應力影響、冷卻壁定位銷和固定螺栓設置對冷卻壁應力影響、冷卻壁冷卻水管設計、燕尾槽、鑲磚結構對冷卻壁溫度場應力場的影響，通過分析比較優化冷卻壁設計。
3.5 高爐爐殼應力場分析研究
高爐爐殼設計是高爐設計重要組成，特別是5500m3高爐，在高爐壓力、爐料負荷整個爐殼承載體系大幅增加的情況下，同時考慮爐殼板材料規格性能，必須做到量化設計，通過開展爐殼有限元結構應力、熱應力分析研究，達到爐殼精準化設計。
3.6 高爐三維仿真設計
工程設計要建立美感，要嚴格細節量化，特別是管系設計要統籌施工建設，管系長度量化節約化，同時避免碰撞，減少不必要的施工損耗，在多管系區域以及設備布置密集的復雜區域開展三維仿真設計，做到布置順暢、精準量化、視覺美化。
4 首鋼京唐鋼鐵廠5500m3高爐高效長壽綜合技術具有廣闊的應用前景
根據我國“十一五”鋼鐵產業調整政策，縱觀發達國家鋼鐵工業的發展歷程，特別是日本鋼鐵工業的發展經驗，大型、高效、低耗、長壽、環保是將來高爐煉鐵技術發展的主流，我國也相繼建設5000m3以上高爐，5500m3高爐高效長壽綜合技術具有廣闊的應用前景。
5 高爐高效長壽綜合技術成功應用是團隊智慧的結晶
首鋼國際工程公司以“三高、四個一流”為宗旨，積極汲取、消化國內外先進技術，與大學、科研院所緊密合作，形成了研究、設計、生產操作的合作團隊，自主設計完成了首鋼京唐鋼鐵廠高爐工程設計，成功投入生產，達到設計指標。設計團隊在首鋼國際工程公司副總經理、教授級高級工程師張福明的帶領下，組成以教授級高級工程師錢世崇、毛慶武、姚軾、唐振炎和倪蘋等專家為核心，以李云、戴建華、劉永、時壽增、李林及結構設計師王兆村、給排水設計師馬昕等為骨干設計力量的高爐設計團隊。
首鋼國際工程公司將再接再厲充分發揮多年來積累的技術成果，充分發揮與生產操作密切結合的優越條件，將高爐高效長壽綜合技術不斷創新發展。
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