首钢国际工程公司开展首钢京唐5500立方米特大型高炉并罐无料钟炉顶系统技术创新

2006年，首钢国际工程公司启动了首钢京唐钢铁厂5500立方米高炉并罐无料钟炉顶设备设计开发项目。在设计研发过程中，技术团队围绕设备大型化、布料控制精确化、设备运行可靠性这三方面开展技术攻关，主要技术指标直指国际最高水平。经过研发团队的共同努力，技术攻关获得成功。2007年底，由首钢国际工程公司设计开发并总承包的国内第一套具有自主知识产权、完全国产化的5500立并罐无料钟炉顶设备在制造厂完成单体设备试车。2008年4月，这套设备进行了1:1模拟布料试验，获得了重要的生产操作数据。2008年8月，设备在京唐一号高炉安装完毕。2009年5月，第四代首钢型并罐无料钟炉顶在首钢京唐钢铁厂1号高炉投入使用。通过近半年的运行情况表明，这套无料钟炉顶的各项主要技术指标均达到国际先进水平。

（首钢京唐钢铁厂5500立方米高炉炉顶设备雄姿）

1首钢型并罐无料钟炉顶技术研究背景

1979年12月，首钢新2号高炉（1327立方米）点火投产。在这座新投产的高炉上使用了37项新技术，其中并罐式无料钟炉顶技术为国内首创，而首创者就是当时的首钢设计院。首钢依靠自己的科研、设计及制造力量在国内首先成功研制开发高炉无料钟炉顶技术，开创了国内无料钟炉顶技术的先河。首套无料钟炉顶的研发经历了1:6.5模型试验研究、工艺参数确定、设备设计、设备制造等过程，历时3年时间，首钢第一代无料钟炉顶研制获得成功。当时，首钢无料钟炉顶在高炉上的应用仅比世界上第一套高炉无料钟炉顶的应用晚7年。到1990年，历经11年实际生产考验，其总体技术水平与当时国际先进水平相当。首钢型第一代无料钟炉顶获得国家科技进步一等奖。

1992年，首钢4号高炉扩容到2100立方米。为满足2000立方米以上大型高炉生产要求，首钢国际工程公司研发了首钢第二代并罐无料钟炉顶。首钢第二代无料钟炉顶比第一代无料钟炉顶在装料能力上有了大幅度提高，可满足2000立方米-3200立方米高炉的生产要求。第二代并罐无料钟炉顶的核心技术仍然沿用第一代并罐无料钟炉顶使用的由首钢国际工程公司自主研发的技术。在此基础上，首钢国际工程公司又自主开发了无料钟炉顶多环布料技术。这项技术的开发成功突破了国外某公司在世界范围内的技术垄断，结束了国产无料钟炉顶只能进行单环布料的历史，也使首钢无料钟炉顶技术的整体水平接近当时的国际先进水平。首钢国际工程公司自主开发的无料钟炉顶多环布料技术获得北京市科技进步一等奖。

20世纪80年代末，无料钟炉顶技术又出现了几项重大改进，气密箱（也称布料溜槽传动齿轮箱）由氮气冷却改为水冷却是其中重要内容。水冷气密箱技术的应用大大降低了氮气消耗量，降低了设备运行费用。同时降低了氮气对高炉煤气的贫化作用，有助于提高高炉煤气热值，提高热风炉风温。首钢国际工程公司及时跟踪了这一新技术的发展，于1994年自主开发设计了水冷气密箱。1998年至2001年这项新技术分别应用于唐钢和首钢共4座2500立方米高炉。之后又对设备的结构、使用方法、使用条件等进行了全面改进，研发成功用水膜式水冷板冷却的高效水冷气密箱。与传统盘管式水冷板的间接冷却方式不同，水膜式水冷板采用水与受热面直接接触和冷却水对受热面完全覆盖的冷却方式。因此水膜式水冷板的冷却效率比盘管式水冷板成倍提高。另外，水膜式水冷板有更宽的水流断面，因此过水能力、防漏防堵能力远高于盘管式水冷板。2004年首钢国际工程公司将高效水冷气密箱、布料溜槽锁紧装置、高耐磨性衬板、复合密封式行星差动减速机等多项创新成果集成后，开发出第三代首钢型无料钟炉顶设备并在首钢迁钢公司1号高炉(2650立方米)投入使用。五年来这套无料钟炉顶的各项技术指标均达到了国内外同类设备的先进水平，其中水冷气密箱的抗高温能力、布料溜槽和中心喉管耐磨衬板的使用寿命均达到了世界领先水平。首钢第三代无料钟炉顶技术获全国冶金行业技术进步三等奖。

首钢无料钟炉顶的核心技术始终与世界上该领域的先进技术同步发展并达到同等水平，有些关键技术已经超越世界先进水平。首钢国际工程公司先后为国内外十多座高炉提供无料钟炉顶成套技术，应用范围从600立方米高炉到5500立方米高炉，这标志着首钢国际工程公司在无料钟炉顶研发、设计、制造、设备成套等方面处于国内领先地位，达到了国际先进水平。

2首钢型并罐无料钟炉顶技术特点

2.1所有核心技术均为自主研发

1）无料钟炉顶设备计算分析技术，如：主要结构参数（溜槽长度、中心喉管直径等）计算方法，物料状态（速度、流量、轨迹）分析计算方法及仿真模型，布料溜槽传动系统运动学动力学分析计算，布料溜槽水冷齿轮箱冷却计算，关键零部件的三维模型设计及有限元计算。

（首钢京唐钢铁厂5500m³高炉并罐无料钟炉顶设备三维效果图）

2）布料控制技术，如：多环布料技术，布料溜槽、料流调节阀位置控制技术、布料偏析控制和纠正技术。

3）设备可靠性技术，如：高效水冷气密箱，高效重载布料溜槽倾动减速机，行星差动减速机（也称上部减速机）及其复合密封，长寿命耐磨性衬板。

4）无料钟炉顶检修技术，如：布料溜槽机械化更换装置，用于更换上密封阀密封圈的快装平台，易损耐磨件快速更换和修补方法。

2.2关键设备和零部件国产化率达到100％

1）回转支承，用于首钢五座2500立方米高炉炉顶气密箱，最长的使用时间已经超过8年。

2）复合密封件，用于气密箱，使用寿命超过5年。

3）镶嵌硬质合金衬板用于布料溜槽，取得了过料600万t的优异成绩。

4）镶嵌硬质合金衬板用于2500立方米高炉并罐式无料钟炉顶的中心喉管使用时间超过4年。

5）新型水冷气密箱使用5年不漏水、不阻塞、冷却效率不降低。

2.3高标准的技术性能指标和可靠性

1）能实现高炉操作所需的任何形式布料（螺旋、单环、多环、扇形、定点、时间法、重量法）。

2）布料控制精度：α角（布料溜槽倾角）显示精度0.01°定位精度＜±0.2°；γ角（料流调节阀开度）显示精度0.01°定位精度＜±0.2°；料罐称重精度0.5％。

3）设备最大装料能力：满足5500立方米及以上高炉生产要求。

4）水冷气密箱（含布料溜槽倾动减速机、行星差动减速机）使用寿命：正常使用条件下8年。

5）气密箱适应高温能力：长期：炉顶平均温度200℃-250℃，炉喉十字测温中心点温度500℃-600℃；短期：炉顶平均温度300℃-400℃，炉喉十字测温中心点温度700℃-800℃。

6）对物料冲击区的保护：使用高耐磨性镶嵌硬质合金或镶嵌铸造硬质合金衬板，使用寿命比传统高铬铸铁衬板提高2-5倍。

3首钢型并罐无料钟炉顶技术经济效益和社会效益

首钢国际工程公司对首钢型无料钟炉顶技术拥有完全自主知识产权，除极少数传感器和小型轴承选用国外产品，所有设备均在国内制造，另外首钢型无料钟炉顶技术性能和可靠性与国外进口设备相当。因此首钢型无料钟炉顶比国外进口无料钟炉顶有巨大的价格优势和更高的性价比。首钢型无料钟炉顶的价格只相当同类国外进口设备的1/3。若考虑设备使用后备件使用成本，首钢型并罐无料钟炉顶的经济效益更为可观。

首钢国际工程公司为国内外高炉提供过18套无料钟炉顶设备，其中投产16套，在建2套。高炉应用范围：650立方米-5500立方米。首钢型无料钟炉顶在实际生产中已使用30年，经历了各种恶劣工况条件的考验，高炉生产指标一直位居全国前列，充分证明首钢型无料钟炉顶设备具有技术性能良好、运行可靠、耐用等特点。

（首钢京唐钢铁厂5500m³高炉并罐无料钟炉顶1：1仿真试验现场）

4首钢型并罐无料钟炉顶技术研发团队

从国内首创至今的三十多年，经过首钢国际工程公司几代技术专家们对无料钟炉顶技术孜孜以求的不懈努力，首钢无料钟炉顶技术始终紧跟国际先进水平。首钢国际工程公司的技术研发团队在具有二十多年丰富经验的首钢专家苏维、张建等教授高工的带领下，陈广生、蒋志浩、耿云梅、李俊青等高级工程师和闫树武、梁伟、戴建华、李欣等具有博士、硕士学位的技术研发团队采用三维建模、三维设计、运动动力学计算机仿真、有限元计算和流场分析等国际先进的三维数字化精准设计方法，已掌握了具有国际领先水平的无料钟综合技术，通过首钢京唐5500m³高炉的实践验证，实现了我国冶金关键装备技术的重大突破。

（撰稿人：苏维）