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热风炉改造系列篇:外燃式热风炉如何大修改造?
信息来源:世界金属导报      时间:2018-03-28 16:54:21


(一)

看日本4300m3高炉外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程

王长春、姜曦

一、高炉用热风炉技术发展历程和项目概述

在现代炼铁工业,高炉用热风炉的形式主要有三种,内燃式、外燃式和顶燃式。内燃式热风炉是应用最久的一种热风炉结构,20世纪60年代,工程技术人员在内燃式热风炉的基础上开发了外燃式热风炉,并迅速推广应用在大中型高炉上。外燃式热风炉的类型有科珀式(Copper)、新日铁式、马琴式和帝德式(Didier)四种(附图1)。外燃式热风炉最主要特点是燃烧室独立于蓄热室之外,燃烧室和蓄热室通过拱顶(如帝德式)或连接管(如科珀式、新日铁式、马琴式)相连接。外燃式热风炉克服了内燃式热风炉隔墙易损、气流偏析等缺点,在热风炉相同直径的条件下,外燃式热风炉的蓄热室面积比内燃式增大25%~30%,实际热风温度能达到1200-1250但却使热风炉的构造更加复杂、占地面积增加,设备投资也有较大幅度提高

国内在大中型高炉上应用的外燃式热风炉形式主要为帝德式、新日铁式、马琴式三种,尤以新日铁式外燃式热风炉居多。

自上世纪90年代,卡卢金顶燃式热风炉(卡卢金热风炉)开始迅速地得到推广应用,同样地以内燃式热风炉为研究基础,但卡卢金热风炉并不关注对燃烧室结构、布置方式的改进,而是直接取消了燃烧室,在拱顶上部设置了带有空煤气喷射涡流式供气系统的预燃室,空煤气在进入蓄热室之前已充分燃烧。卡卢金认为,取消了燃烧室,就彻底消除了内燃式、外燃式热风炉因为燃烧室而带来的一系列结构缺陷。卡卢金热风炉最初应用在内燃式热风炉改造工程中并取得了巨大成功,到2009年,卡卢金热风炉已经在俄罗斯、中国、印度、乌克兰等国家得到推广应用,并已经成功应用在俄罗斯、中国的3000m3以上大高炉工程中。

日本JFE公司福山工厂3号高炉原配置4座Copper形式的外燃式热风炉,热风炉长期受到晶间应力腐蚀困扰,热风炉风温一直在1100-1150之间徘徊,尤其是3#热风炉的燃烧室和蓄热室之间的连接管补偿器腐蚀损坏最为严重,在2009年,正值该高炉扩容(由3223m3扩容到4300m3)工程,JFE公司决定首先对3#热风炉进行大修改造,并最终确定采用卡卢金顶燃式热风炉技术,改造工程于2011年完成并顺利投产。改造后的卡卢金热风炉风温长期稳定在1200以上,,NOx排放远低于设计要求。

历经5年运行考核后,JFE公司于2016年与卡卢金公司签署合同,对3号高炉余下的3座外燃式热风炉逐一进行改造,其中4#热风炉已经在2017年底完成改造即将投产。

这项令业界瞩目的大高炉外燃式热风炉改造工程自正式启动、建成、运行考核、继续改造已经历时7年,并将于2020年全部完工。该工程在高炉炼铁用热风炉技术发展中具有重要的里程碑作用,主要是首先确定了卡卢金热风炉具有取代外燃式热风炉的明显优势,其次是通过深入的技术合作,带动卡卢金热风炉提高到一个新的技术水平。 

二、日本JFE公司3号高炉外燃式热风炉改造工程基本内容

日本JFE公司3号高炉配置4座Copper形式的外燃式热风炉,热风炉的高温区炉壳全部采用外保温,但仍然不能避免炉壳受到晶间应力腐蚀损害,主要表现在燃烧室和蓄热室拱顶炉壳焊缝腐蚀开裂、连接管补偿器波纹管腐蚀开裂,另外,混风室的混风支管也一直受到晶间应力腐蚀,需要频繁对焊缝进行修补,热风炉风温长期低于1150。随着高炉扩容(由3223m3扩容到4300m3)工程,JFE公司决定首先对故障率最高的3#热风炉进行大修改造,大修技改方案只有两种选择,即原型重建和技术改型,但当时的卡卢金热风炉尚未应用到4000m3级别大高炉上。

JFE公司独立地对当时的卡卢金热风炉技术进行了长期、详细的考察,并经过与卡卢金进行了多次技术讨论,最终决定在福山工厂3号高炉3#热风炉改造工程中采用卡卢金顶燃式热风炉技术。 

1、不同结构的热风炉特性比较如下表

特性名称

热风炉结构形式

内燃式

外燃式

卡卢金顶燃式

1. 隔墙易短路

2.   “香蕉(隔墙弯曲)”现象

3.   燃烧室砌筑内衬变形和损坏

4.   脉冲燃烧

5.   格子砖面燃烧产物分配的不均匀度%

12~15

8~11

3~5

6.   无大修长期运转的热风温度оC

1150~1200

1200~1250

1250~1300

7.   热风炉造价

1.0

1.3

0.5~0.7

2、将带连接管的外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉的基本技术方案:

  取消外燃式热风炉燃烧室结构和连接管结构,拆除外燃式热风炉蓄热室内衬,利用外燃式热风炉蓄热室的部分直段炉壳结构(+17.00米以下)改建为卡卢金热风炉本体,热风支管的水平段与现有热风管道在同等标高上对接,如附图2;

  蓄热室高温区采用硅质格子砖,采用φ30毫米孔径格子砖取代φ43毫米孔径格子砖,采用卡卢金设计的无托梁独立支撑的耐热铸铁炉箅子;

  新建卡卢金热风炉空煤气支管;

  热风支管带混风室结构,将原来的顶部接入混风管方式改为侧面接入混风管方式,如附图3;

  取消热风炉外保温设施,现有阀门设备利旧。

3、热风炉改造工程主要技术指标和技术特点

  冷风风量由5000nm3/min提高到7100-7400nm3/min;

  蓄热面积提高约8.5%,单位风量蓄热面积达到41.1-42.8m2nm3/min,送  

风时间由1.0小时提高到2.0小时,风温1200

  利用现有外燃式热风炉蓄热室部分直段炉壳,从而使基础利旧,冷风管道、烟道利旧,空煤气主管利旧,因此大幅度减少了热风炉改造工程量;

  现场高炉煤气入炉压力较低(5.5Kpa),这要求卡卢金热风炉燃烧器和蓄热室的设计充分满足煤气燃烧工况条件,在提高热风炉供热能力的同时,要在技术上保障热风炉长期稳定工作;

  充分利用原外燃式热风炉现有的混风室结构,从而使热风支管与现有热风主管直接对接;与用户充分讨论后将混风室顶部接入混风管方式改造为侧面接入,事实证明这种改进可以彻底解决了混风管钢壳晶间应力腐蚀问题;

  接受来自日本大型钢铁公司的先进工程经验,重新修改了卡卢金热风炉无托梁炉箅子的设计,尤其是边缘格子砖技术,与早期的六角边砖形式相比,在没有增加蓄热室截面积的情况下,多孔边缘格子砖增加了约7-8%的通孔数,同时保证边缘格子砖具有至少两个锁扣,因此增加了边缘格子砖的稳定性,也取消了现场切割格子砖工作量;

  这次技术合作还促使卡卢使全面修改了炉箅子、格子砖等设备和材料的质量验收规范;

  热风炉改造工程完工后历经5年运行考核,NOx排放全面低于设计指标,实际上,改造后的卡卢金热风炉炉壳也从未出现过晶间应力腐蚀(附图4)。

三、总结与效益

1.    该项工程,以及同时进行的JFE公司福山工厂4号高炉(5000m3)4#外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程,在世界高炉炼铁业界首次完成了大高炉(带连接管式的)外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉的工业实践,根据JFE公司测算,与原型重建相比,工程投资降低20-25%。

2.    改造后卡卢金热风炉供热能力大幅度提高,风温实质性地得到提高(50-100),取消了热风炉炉壳外保温后的卡卢金热风炉运行稳定,没有发生晶间应力腐蚀问题,大幅度降低了热风炉维护费用,综合效益显著。

3.    日本JFE公司外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程采用了不停产改造方式,这为大中型高炉外燃式热风炉大修技改开拓了减损增效的新模式。该工程已经历经多年运行考核,为国内大中型高炉外燃式热风炉大修技改提供了新的技术方向。 (全文完)

 

附图1,外燃式热风炉的主要四种形式,自左至右为科柏式、新日铁式、马琴式、帝德式

 

附图2 外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉

附图3 混风室由顶部接入混风管改为侧面接入

 

附图4JFE外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉

 

  

(二)

看俄罗斯5580m3高炉外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程

王长春、姜曦  

一、项目概述

俄罗斯最著名钢铁企业之一---SEVERSTAL北方钢厂5号高炉(5580m3)配置4座帝德式didier(外燃式)热风炉,其中3#热风炉在2008年拱顶发生事故,经过反复讨论,用户最终决定采用卡卢金技术建设新3#热风炉,新3#卡卢金热风炉于2010年投产,经过运行考核后,2011年北方钢厂与卡卢金签署了另外三座外燃式热风炉(1#、2#、4#)改造合同,最后一座新2#卡卢金热风炉于2017年投产运行,意味着卡卢金在全世界首次完成了外燃式(帝德式)热风炉组改造为卡卢金热风炉组的样板工程,改造后的卡卢金热风炉组采用交错并联模式运行,设计风温1300(风量9500nm3/min)。 

这一令人瞩目的全俄罗斯和全欧洲最大高炉热风炉改造工程的另一特色,是首次在5000m3以上级别的特大高炉热风炉组中全面采用20毫米孔径(37孔)格子砖,这种小孔格子砖技术把其节省投资的优点表现到相当突出的程度,蓄热体高度由原来的43.3米降低到19.12米,单位鼓风蓄热面积达到47.82m2/nm3/min(如图1)。

除了原3#热风炉是因为旧炉损坏、用户不得不立即改造以外,原1#、4#、2#热风炉改造则是用户主动计划进行改造,目的就是要尽快完成热风炉组改造升级、取得技术升级后的巨大经济效益。

从2009年到2010年,JFE公司福山工厂3号高炉(4300m3)、4号高炉(4300m3)、俄罗斯北方钢厂5号高炉(5580m3)的外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程相继投产,经过长期的稳定运行考核,在提高热风温度、减少炉体故障、降低能源消耗等多方面取得显著改善,在世界钢铁工业领域,这些里程碑式的重大工程确定了卡卢金热风炉具有取代各种形式的外燃式热风炉的明显优势

二、俄罗斯北方钢厂5号高炉3#外燃式热风炉改造工程基本内容

俄罗斯北方钢厂(SEVERSTAL)5号高炉的炉容为5580m3,是当时俄罗斯乃至全欧洲最大的高炉,5号高炉配置4座DIDIER帝德式(外燃式)热风炉(图2),这种外燃式热风炉的最典型特点,是蓄热室和燃烧室共用一个大小连体的拱顶,为保证这种一体式拱顶的安全性,技术人员在拱顶外围采用了相当复杂的设计,以防护拱顶受到腐蚀损坏,但原3#热风炉事故的主要原因之一就是拱圈腐蚀损坏,频繁的压力波动逐渐释放出累积的不稳定结构应力和晶间腐蚀应力,最终导致大拱顶沿周边开裂

1、5号高炉帝德式热风炉与改造后卡卢金热风炉的结构、风温比较

特性名称

热风炉结构形式

帝德式(外燃式)

卡卢金顶燃式

1. 垂直燃烧室

有,底部有液压支撑

2.   燃烧器

格栅式燃烧器

带预燃室的涡流喷射式燃烧器

3.   拱顶

整体拱顶,连接燃烧室和蓄热室,由大小两个1/4球状组成,拱顶砌体与大墙分开

整体锥形拱顶,拱顶上部是燃烧器,拱顶砌体与大墙分开

4.   格子砖格孔孔径

40毫米

20毫米

5.格子砖高度

43.33

19.12

6.长期运转的热风温度/风量

1250оC/10000nm3/min

1300оC/9500nm3/min

2、将带外置燃烧室的帝德式热风炉改造为卡卢金热风炉的基本技术方案

  取消帝德式热风炉的外置燃烧室结构和大拱顶结构,拆除热风炉蓄热室内衬,利用帝德式(外燃式)热风炉蓄热室的部分直段炉壳结构(+13.30米以下)改建为卡卢金热风炉本体,热风出口和水平布置的热风支管与现有热风管道在同等标高上对接,如附图3;

  蓄热室高温区采用硅质格子砖,下部则采用低蠕变粘土格子砖和粘土格子砖,采用φ20毫米孔径格子砖取代φ40毫米孔径格子砖,采用卡卢金设计的无托梁独立支撑的耐热铸铁炉箅子取代原带托梁炉箅子;

  新建卡卢金热风炉空煤气支管;

  现有阀门设备利旧。

根据设计,改造后的卡卢金热风炉蓄热室材料用量仅为原帝德式热风炉的50%,热风出口与原帝德式热风炉热风出口同样标高(+25.200m),阀后热风支管可以利旧,因此大大降低了改造工程量(附图4)。

3、热风炉改造工程主要技术指标和技术特点

  改造后的卡卢金热风炉全部采用20毫米孔径(37孔)格子砖,由4座卡卢金热风炉组成的热风炉组设计风温1300(富化燃料,风量9500nm3/min);

  利用现有外燃式热风炉蓄热室部分直段炉壳改造为卡卢金热风炉炉壳,从而使基础利旧,阀后热风支管、热风主管、冷风管道、烟道利旧,空煤气主管利旧,因此大幅度减少了热风炉改造工程量;

  相对于原热风炉结构,卡卢金热风炉燃烧器效率高,燃烧烟气沿垂直布置的拱顶更均匀地加热蓄热体,有效地提高了热风炉供热能力,改造后卡卢金热风炉运行状况优于旧炉型。

三、俄罗斯北方钢厂5号高炉其余3座外燃式热风炉改造工程

鉴于原帝德式热风炉已历经近2代炉龄,设备故障率提高,在3#热风炉改造成功后,用户即拟定了其余3座热风炉的改造计划,并于2011年开始逐步实施,热风炉改造在不停产条件下进行,按设备运行状况确定旧热风炉改造顺序,2012年完成旧4#外燃式热风炉改造,2014年完成旧1#热风炉改造,2017年底,最后的旧2#热风炉完成改造、烘炉后顺利投产(如图5),目前4座卡卢金热风炉已经联组运行(采用交错并联模式)。

四、总结与效益

 1.这项5580m3高炉帝德式(外燃式)热风炉改造工程,是世界高炉炼铁业界首次完成的大高炉外燃式热风炉组改造为卡卢金热风炉组的工业实践,根据用户测算,与原型重建相比,工程投资降低超过30%,仅耐火材料用量就降低50%。

2.热风炉改造工程采用了不停产改造方式,并顺利完成了4座热风炉改造,改造后卡卢金热风炉在运行稳定性、供热能力方面都有较大幅度提高,实际运行风温(单烧高炉煤气)1250,为世界各地的大中型高炉外燃式热风炉大修技改开拓了降低投资、增加效益的新模式。  (全文完)

图1俄罗斯北方钢厂5580m3高炉外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉

 

图2,帝德式热风炉(外燃式)

 

3 俄罗斯北方钢厂5580m3高炉外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉内衬图

 

 4 俄罗斯北方钢厂5580m3高炉3#热风炉改造为卡卢金热风炉,2010年投产。

   

5 俄罗斯北方钢厂5580m3高炉帝德式(外燃式)热风炉组改造为卡卢金热风炉组

 

 

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