高炉炉顶系统设计        (blast furnace top system design)

将原、燃料按规定的料批和程序经炉顶往炉内装料、布料和对煤气进行密封的设施设计。设计内容主要包括装料设备能力确定，装料设备型式选择，以及高压炉顶、炉顶结构型式和炉顶附属设备设计。

简史        19世纪，高炉采用料斗、料钟组成的钟式装料设备。1907年，美国马基(MAKEE)公司发明了带旋转布料器的双钟式装料设备，得到广泛应用。20世纪60年代，随着高炉大型化和炉顶压力的提高，许多国家竞相研制新型装料设备，出现了以双室密封的三钟、四钟型装料设备和使用盘式阀减小密封面的钟阀式装料设备。1971年，卢森堡鲍尔渥斯(Paul Wurth)公司研制成功无料钟炉顶装料设备。1972年1月在联邦德国奥古斯特蒂森(August Thyssen)钢铁公司汉博恩(Hutte Hamborn)厂1445m³ 高炉上首先试用了并罐式无料钟装料设备。20世纪80年代又出现了串罐式无料钟装料设备。

20世纪70年代以前，中国高炉广泛采用双钟式装料设备。1979年中国首都钢铁公司1327m³ 高炉上采用了并罐式无料钟装料设备。1985年宝山钢铁总厂1号高炉采用了双钟四阀型钟阀式装料设备。1990年鞍山钢铁公司2580m³ 高炉采用了串罐式无料钟装料设备。

装料能力的确定          为缩短装料时间，装料设备一般都可以贮存最大一批炉料。对不同料批在规定时间内，按一定的程序，完成装料、布料、均压、放散等操作，以确定生产能力。

装料能力的计算以无料钟装料设备为例，如一批料由焦炭、矿石(C↓O↓)组成时，则一批料的装料总时间T=T₁+T₂+T₃+T₄。其中T₁为装完一批料各阀的动作时间(包括上料闸阀、上密封阀、料流调节阀、下密封阀和均排压阀，各阀位置见图4)，s；T₂ 为均压、排压时间，s，T₃ 为上料闸阀排料时间，s；T₄ 为料流调节阀排料时间，s。装料设备的最大装料批数M _max =(24×3600)／T(实际需要装料批数M见高炉上料系统设计)。装料设备作业率J=(M／M _max )×100％，必须与上料系统的作业率相匹配，设计中一般采用J=70％～75％，旧厂改造时不宜超过80％。

装料设备型式选择            按高炉容积、炉顶压力、上料方式等条件进行选择。要求达到工作可靠、布料灵活、煤气密封性好、使用寿命长、设备重量轻、总体高度低并易于维护检修。炉顶装料设备有钟式、钟阀式和无料钟式三种。(1)钟式装料设备。包括双钟、三钟、四钟三种类型(图1)。双钟式装料设备由大钟完成布料。大、小钟起密封作用，但当炉顶压力要求较高时，大钟易磨损，影响密封效果，这种形式适用于炉顶压力小于0．15MPa的中、小型高炉。三钟式装料设备，在炉顶高压操作的情况下，虽大钟寿命延长，但小钟寿命缩短，使用效果欠佳，已不再采用。四钟式装料设备满足高压操作的要求，效果较好，但设备复杂，结构庞大，除日本少数高炉采用外，未能得到广泛应用。(2)钟阀式装料设备。大钟主要起布料作用，由密封阀起密封作用，减小了密封面，因此可适用于炉顶压力约为0．25MPa的高炉，但设备重，结构庞大。(3)无料钟装料设备。取消了大小料钟．采用小直径的上、下密封阀密封煤气，用料罐贮料，用料流调节阀控制料速，用流槽布料，其结构简单，设备轻，密封性好，布料灵活，维修方便，投资省，适用于炉顶中、高压操作的高炉，但对原、燃料的整粒要求较严格。

钟式装料设备          多用双钟式，三钟、四钟式，由于结构复杂，很少采用。钟式装料设备由大钟、大料斗、煤气封盖、小钟、小料斗、布料器和受料斗组成一个完整系统(图1)。

大小料钟起着布料和密封煤气的作用。(1)大钟直径对炉料在炉喉处的布料状况有很大影响。可根据炉喉直径、大钟与炉喉的间隙或大钟直径与炉喉直径的比值合理选择，一般d₀ / d₁为0．67～0．80；d₁ - d₀为1．2～2．2m(d₁，d₀见高炉炉体系统设计)，炉喉的间隙随炉容增大而加大。大小钟之间的有效容积必须大于一个最大料批的总体积，对于用料车上料的高炉，该有效容积一般为料车容积的5倍。(2)大钟为整体铸成，倾斜角一般为53^。 ，在机械加工前，需进行高温退火和回火，以消除内部残余应力。大钟在安装前必须做静平衡试验并达到规定要求，同时，还应合理确定小钟与大料斗尺寸，以减少炉料对大钟面的冲击和磨损。小钟倾斜角为50～55^。 ，为便于更换，作成两个半体，用螺栓联接。更换小钟时，可由煤气封盖上椭圆形检修孔中放进或取出。(3)大小钟的开闭应保证大小钟沿直线运动。一般，强迫下降钟杆连接在刚性直线运动的连杆机构上，自由下降钟杆用链条挂在平衡杆一端的扇形板上，依靠沿切线方向的运动来实现。大小钟开闭的行程和时间要满足装料要求，大中型高炉大钟行程一般为600～750mm，小钟行程一般为650～900mm。大小钟的开启从受力方式上可以分为两种：靠钟的自重及料重就可以下降的称为自由下降，易于保证垂直升降，结构简单；靠给料钟一定压力开启料钟的称为强迫下降。大小钟的开闭按传动方式可以分为机械传动和液压传动两种，常用机械传动式，这种方式是大小钟分别经钟杆吊挂在各自的平衡杆上，用电动卷扬机通过绳轮操纵平衡杆来控制大小钟开闭。液压传动式主要有两种：一种是用油缸推动大小钟平衡杆来开钟，靠平衡锤来关钟；另一种是用油缸推动扁担梁来关钟，靠料重与钟的自重来开钟。液压传动式可减轻炉顶设备重量，降低炉顶高度并减少关钟时的冲击力。

布料器主要有马基式、快速旋转和空转定点布料器等形式。(1)马基式布料器。是双钟炉顶普遍采用的设备：它把承载着炉料的小料斗旋转起来，按规定角度把料堆尖分别送到圆周上的各个位置，带料旋转速度约为3r／min，布料器有效容积为料车有效容积的1．1倍。(2)快速旋转布料器。布料漏斗与小料斗脱开，装料时快速旋转布料漏斗，能将炉料连续、多层、均匀分布在小钟料斗内，旋转速度一般为10～20r／min。(3)空转定点布料器。其形状为单斜口的偏心旋转漏斗。每装一批料前，旋转漏斗单向慢速空转一定角度后受料。每次所转角度任意确定，可使在炉喉所形成的料堆尖叠加成螺旋状，故称为螺旋布料。布料器漏斗容积为料车容积的0．3～0．4倍，转速一般为2～4r／min。

钟阀式装料设备          在大小钟装料设备上部增设了密封阀，采用双室密封并减小密封面，主要有双钟双阀和双钟四阀两种型式(图2)。

图2a为双钟双阀式回转斗布料器。炉料经贮料斗用布料器布在小钟上方的密封室内，可以定点或连续布料。布料器通常采用回转斗式，其驱动装置放在密封室外。图2b为双钟四阀式旋转布料器，旋转布料器位于贮料斗上部，不用密封，易于维护检修，可以定点或连续布料。贮料斗下方均匀布置四个扇形节流阀和密封阀。布料性能好，大钟寿命长，可以使用一代炉役。

密封阀多采用盘式，一般用液压传动使阀盖做旋转运动。阀盖上装有耐热橡胶圈。可承受不高于250℃的温度。阀座上设有吹扫孔，在阀盖将要关闭时，通氮气吹去橡胶圈表面粘附的炉尘，是炉顶保证密封煤气的关键设备。

可调炉喉，是当炉喉直径增大到一定程度时，为克服钟阀式装料设备布料不均现象，在大钟之下的炉喉钢砖上方，所设置的一种活动的炉喉板：它可以做成可以调节内径的移动式、或改变锥度的摆动式装置。它可以改变炉料沿大钟表面向下落料的轨迹，在较大的范围内控制炉料的落下位置，达到比较理想的分布状态。

无料钟装料设备         有并罐和串罐两种型式。由受料斗、料罐、上下密封阀、料流调节阀、驱动装置、气密箱和布料流槽等部分组成。料罐有效容积按最大焦炭批重(见高炉上料系统设计)装在一罐内考虑。布料流槽可作圆周方向旋转。转速8r／min，又能在0^。～52^。 (常用35^。～45^。 )范围内改变倾角。

(1)并罐式无料钟装料设备。两个料罐并列于高炉中心线两侧，交替贮料(图3)。布料时从中心喉管卸出的料流偏向料罐所在位置的对面，当炉料通过旋转流槽落下时，其粒度和重量在高炉圆周方向上的分布不均匀。出现炉料偏析。

(2)串罐式无料钟装料设备。受料罐串接在料罐之上(图4)。由于料罐与高炉中心一致，从根本上解决了炉喉内的炉料偏析，但装料能力受到一定影响。在中心卸料式串罐无料钟装料设备内安装导料器能够有效地控制炉料偏析。

(3)布料方式。由于流槽可以分别或同时进行旋转、摆角运动，因而能够实现多种布料方式。有环形、螺旋、扇形、定点四种基本方式(图5)。布料流槽控制方式有时间控制和质量控制两种(见高炉自动化系统功能设计)。

(4)气密箱。是无料钟装料设备的核心部分，内装布料流槽驱动装置。用两台电机通过行星差动减速机、齿轮等分别或共同使流槽旋转和摆动。气密箱一般用氮气进行气封和气冷，改进后采用水封和水冷。

高压炉顶       提高炉顶压力是高炉强化冶炼、增产的主要措施。1944年美国首先采用高压操作，1956年中国鞍山钢铁公司9号高炉较早采用。炉顶压力一般以大于0．03～0．04MPa为高压，20世纪80年代以来，设计炉顶压力已达到0．3MPa。高压炉顶的主要设计内容包括炉顶压力控制、均排压系统和排压煤气回收。

(1)炉顶压力控制。是在高炉煤气除尘设备之后，采用多个不同大小的蝶形调节阀组成减压阀组，或将减压阀组与高炉煤气余压透平发电机组的调速阀组成并联网路，进行炉顶压力的调节和控制。大型高炉设有多个放散阀，分别设定了各自开启的压力值，当炉顶压力超过设定值时，将自动打开(图6)。

(2)均排压系统。高压操作的高炉，须设均排压系统。该系统用于往贮料装置内充入与炉顶压力相当或略高的气体，使密封设备顺利开闭，炉料顺利装入炉内。排压系统用于排除贮料装置内的压力，使料车或上料胶带运输机顺利向贮料装置装料。均压介质，对于双钟装料设备，一般是用半净煤气引入大小钟之间；对于钟阀及无料钟式装料设备，有的除引入半净煤气进行一次均压外，必要时还引入加压煤气或氮气进行二次均压。半净煤气是通过重力除尘器、洗涤塔后或一级文氏管清洗后的高炉煤气，比炉顶压力稍低。

(3)排压煤气回收。大型高炉设置煤气回收装置，可以回收大部分或全部排压煤气，回收煤气量每吨铁为10～20m³ 。回收方法有自然回收和自然加强制回收两种：(1)自然回收。先进行一次排压，开煤气回收阀，使排放煤气经旋风除尘器进入煤气主管，当煤气回收管内压力达到一定压力值时关闭煤气回收阀，进行二次排压，打开排压阀放散剩余煤气。(2)自然加强制回收(图7)。先进行一次自然回收，然后引入半净煤气通过喷射器引射进行二次回收，采用后一种方式可以回收全部排压煤气。

炉顶结构型式         与炉顶装料设备、煤气导出管、上升管、上料系统的型式、布置以及各种荷载传递方式有关。应满足检修、设备更换方便、操作安全等要求。结构形式主要有梯型框架、门型框架及上升管支承式(图8)。

(1)梯型框架。布置紧凑、结构轻巧，但操作平台面积小。(2)门型框架。操作平台面积大，能承受较大垂直荷载，但钢材消耗量大。(3)上升管支承式。炉顶设备操作及检修平台通过上升管传递，结构简单、节省钢材。但上升管由高炉炉壳支撑，上升管和炉壳连接处会产生局部应力集中，容易开裂。仅适用于中小型高炉。

炉顶附属设备         主要有探尺、检修设备等。

(1)探尺。采用重锤或钢棒探测料面高度及下料速度。探测料面，可防止装料过满，下次开启大钟时顶弯大钟拉杆，或亏料时炉顶温度过高，烧坏炉顶设备。掌握下料速度是高炉操作及装料的重要依据。探尺成对称布置，从大钟和炉墙之间的间隙中穿过，一般为两个，大型高炉安装4个。探尺有两种工作制：一种是开大钟前提尺，关大钟后探尺随料面下降，称为连续工作制，是经常使用的一种；另一种是当需要探料时，将探尺下降到料面，然后立即上提，称为点测，是辅助工作制。一般当探尺达到规定料线深度时进行下一批料装料作业。探尺由卷扬机自动操纵。

(2)检修设施。大中型高炉大都设有炉顶检修起重机，其起重能力应满足起吊所检修设备的最大重量，以及在起吊中处于最不利位置时所应承受的拉力，起吊行程一般略大于从铁路或公路运入设备至炉顶安装就位所需的距离。无料钟装料设备的流槽、阀箱、密封阀的检修还应分别设置手动或电动可移动的小型起重设备，配合炉顶检修起重机进行快速检修。炉顶煤气放散阀、装料设备放散阀的检修设有起吊装置。