高炉总图之专业设计观与技术方法论

朱锐君

摘要：本文所称“高炉总图”乃高炉炼铁设计体系总图运输专业的规范化简称，本质内涵为总平面布置、竖向布置和运输设计。本文作者结合自身工程实践体会，尝试从高炉单元功能简介、高炉炼铁车间组成、高炉总图设计宗旨、总图专业设计观、總图技术方法论等方面诠释高炉炼铁工程的总图设计。

关键词：高炉总图;专业设计观;技术方法论

本文从以下几个方面简要分析总图专业在高炉工程设计中应秉持的设计理念和应掌握的技术方法，并总结为“专业设计观”和“技术方法论”，供同行参考。

一、高炉单元功能简介

在以“原料准备-铁-钢-轧”为总体工艺路径的钢铁冶金联合企业中，冶炼生铁是最重要的生产工序之一。就目前的“铁-钢”界面技术而言，炼钢所需生铁的形态仍以铁水为主，特别是在长流程炼钢工艺路线下，铁水更是不可或缺。生产铁水的装置有高炉和非高炉（COREX、HISMELT、FINEX等为代表）两类工艺设备，高炉铁水以其品质和冶炼工艺的成熟、可靠等优点，在诸多铁水制备方式中占据绝对主导地位。可以说，在规模以上钢铁联合企业中，高炉是生铁冶炼的“劳动模范”，在全厂经济运行中发挥着至关重要的作用。

高炉即为冶炼生铁而生，以提供炼钢工序所需合格铁水为生产导向。冶炼过程中，铁矿石中的含铁氧化物在炉内被焦炭中的碳元素还原成铁，熔化后变成铁水从高炉中流出，与此同时，矿石中的脉石和石灰石化合生成炉渣排出高炉。

二、高炉炼铁车间组成

1.主要工艺设施：

1）上料系统（矿焦槽及供返料、主皮带或斜桥上料系统等）;2）高炉本体（含炉顶）系统;3）出铁场系统;4）粗煤气除尘系统;5）热风炉系统;6）渣处理系统;7）燃料（煤粉或天然气）喷吹系统;8）生产控制中心;9）铸铁机及修罐库;10）碾泥机室。

2.主要公用辅助设施：

1）鼓风机站;2）煤气净化系统;3）通风除尘设施;4）高炉煤气调压阀组及TRT余压发电系统;5）水处理设施;6）供配电设施;7）空压站;8）检化验室;9）总图运输设施;10）区域综合管线;11）消防设施;12）生活辅助设施等;13）高炉煤气储配系统等。

三、高炉总图设计宗旨

钢铁企业设施庞杂，建构筑物星罗密布。高炉单元更是以其拥有的车间或设施子项繁多而成为“原料准备-铁-钢-轧”各工序中最零散的单元。万变不离其宗，高炉工程总图设计的核心理念却没有发生变化，依旧是做好物流系统的“承上启下”工作：细致梳理高炉来料接口关系，配合做好储运系统接口设计，科学紧凑的布置高炉工程各车间设施，并以最小温降、最快方式、最短路线为基本运输特征及目标，安全平稳的将铁水安全送抵炼钢车间。

四、高炉总图专业设计观

总图执业者应秉持一些基本的专业设计观，并且做到一以贯之、长期坚持。做到在任何工程条件和客观困难前，矢志不渝的坚持创造价值，成就专业品格。

（一）与时俱进。我国钢铁产能自1996年开始呈现井喷式增长。到2020年末，中国钢铁粗钢产量10.65亿吨，已达全球钢铁粗钢产量的56.7%，已然形成结构性过剩。于是，在新址新建的联合钢厂已不常见。特别是在国内，产品结构调整带来的技术更新迭代工程成为趋势。因此，新时代的工程设计需践行新的设计理念，也涌现了很多新的技术以及新的装备产品，特别是工程师离不开的技术规程、规范也在不断革新，安全、环保、卫生、消防、节能、生态、低碳等要求必须紧跟国家宏观政策。在这样的背景下，与时俱进成了总图设计者的根本遵循。当然，这一点和其他任何专业都不无相似，主要还是在强调总图专业设计要紧跟时代步伐，展现时代特点。

（二）守正创新。守正，坚守正确的设计理念，比如从缩短高炉区域的三流（物质流、能量流、信息流）路由角度出发，高炉区域各车间设施布置的越紧凑越节能，越紧凑就越经济、越高效;创新，是要在守正的前提下创造新的方法。比方说，设施占地尺寸和可用地面积出现矛盾时，就得解放思想、放开手脚去考虑采取一些经济补偿措施，在技术守正的前提下向土地让步，比方说我们可以创造性的将一些设施（如吸水井、水泵房和电气室）由平面一字摊开变为立体上下叠拼，还可以适度影响或引导其他专业创新、立新、刷新，比如铁水运输方式，在厂外、厂内运输条件有限时，变铁路运输为汽车或电动平车运输也未尝不可。

（三）客观独立。虽说上下游各个专业都深知高炉工程设计要“以铁为纲”，但作为设计体系里最重要的辅助专业之一，总图设计必须恪守“各专业平等”，工艺专业与辅助专业均为工程智慧的提供者、贡献者，在各专业用地需求的满足上，总图要一视同仁，要清醒认识到微小的操作室、阀门间和高耸的高炉本体一样必不可少，相辅相成、缺一不可。总图设计成果是集体智慧的结晶，用地面前、人人平等，上下、左右、前后做好用地规划，切实当好土地的“矛盾调和者”。

（四）依法合规。要始终坚定不移的遵守《总平面设计规范》、《高炉炼铁工程设计规范》、《钢铁企业总图运输设计规范》、《钢铁冶金企业设计防火规范》、《工业企业铁路设计规范》、《建筑设计防火规范》、《炼铁安全生产规程》以及重要生态区域、重要江河水系的环境保护政策等国家标准、规程规范。

（五）价值导向。不同的自然气象条件、不同的炉料结构及矿石品位、不同的燃料条件都会导致焦比设计、高炉炉型设计、矿槽仓数、热风炉燃烧方式、鼓风机选型、出铁场面积、上料主皮带倾角及总长度等参数的不同，因此总图设计师要密切注意与工艺专业的沟通，始终坚持因地制宜，以为业主创造最大增量价值为目标导向。

（六）留有余地。主要是指的用发展的眼光看待当前条件下的炼铁工程，特别是高炉一代炉龄之后，工艺设施可能都会面临技术迭代和更新，为了不影响生产或减少停产天数，高炉采用整体换装技术、扩建炉后役泵房等，均需要充分考虑场地条件上的预留。

五、高炉总图设计方法论

一方面，宏观着眼，重点做好以下四点工作：

（一）高炉厂址选择

高炉在钢铁厂的总体位置以及与外部环境的相对关系要适当。从物料运输角度分析，高炉到底距离原料场、烧结厂、炼钢厂孰近孰远，可选思路很多。如是老厂改造，条件明确，基本高炉选址方案不会太多。但新建钢厂，几平方公里一张白纸，总体规划的想象空间太大，总体物流布局是一字型铺开、还是“L”型、“U”型，都直接影响高炉位置，也就需要科学的对多个厂址方案进行综合比选。我们要做到，首先新高炉的位置不得影响总体物流布局或不影响现有生产，其次要保证铁水运输作业顺畅合理、运输距离最短，再者要同时考虑外部环境对工厂布局的影响。方案论证既要做到无微不至，更要保证投产后运行良好，指标先进。且不能出现环境问题，按《钢铁企业总图运输设计规范》的有关要求，炼铁厂与居住区的卫生防护距离须在1000m以上。

（二）选定铁水运输方式

铁水运输方式直接决定高炉区域的布置型式。铁水运输技术发展至今，主要有以下三种可选方式：铁路、道路、过跨车。一般情况下，铁水运输主流方式还是铁路运输;在全厂用地较为紧张、炼铁车间与炼钢车间距离较近且有条件设置铁水运输专用道路的情况下，可采用道路运输铁水;当炼铁车间、炼钢车间较近且两个车间所处台阶高差较大不利于采用铁路或者道路运输时，应考虑采用过跨车运输。

铁路运输因其安全可靠目前已被各冶金企业普遍采用，但其最大的缺点是线路转弯半径大，重车运输纵坡小（特别是高温液体如铁水），相应占地面积较大，布置起来不够灵活;汽车运输最大的特点是机动灵活，铁水包转弯半径小（采用万向轮技术），占地面积小，但其可靠性在学界一直存有争议;过跨车运输采用电动平车与吊车的组合方式运输铁水，即：电动平车将铁水包送至炼钢车间加料跨外延跨，再由加料跨的吊车将铁水接力输送至炼钢车间。炼铁车间、炼钢车间最大程度地靠近，最大程度减少铁路占地，更能适应复杂地形和高差，但其固定资产投资最高，并且由于这种刚性连接带来的不可缓冲特点，对设备的可靠性提出了更高要求，目前，国内使用这种模式运输铁水的钢铁企业并不常见，但因其对一包到底界面技术的融合优势，当下正在逐步兴起。

（三）合理进行竖向设计

作为总图有别于其他专业的独具亮点和特色的工作内容，竖向设计的专业价值和精髓可以在高炉工程中得以大显身手。通常出于技术或管理需要，同一工序单元的不同车间或者同一厂房的不同设备会被布置在同一台阶之上，这样做的目的是：既便于不同车间的人员、物资、信息正向流动，又减少了处理边坡台阶带来的大量占地及高昂费用。最为直接的就是减少了对设计标高管理工作的冲击，最大程度降低了跨台阶设施标高非正常衔接的设计事故的产生概率。然而，从理论层面探讨土石方工程量的减量化，高炉工程恰恰是整个钢铁冶金企业中适应能力最强的工序单元。高炉工程适应地形主要体现在以下3个方面：

1.最大单体车间（如出铁场）的占地规模远小于原料准备、炼钢连铸、轧钢、冷轧等单元的主车间;

2.车间之间的联系方式主要为能源介质管道（廊）、沟槽、胶带机等，不受台阶式竖向布置的制约;

3.新型“铁-钢”界面技术及装备的不断涌现，如转弯半径更小的汽車型铁水包车，以及“电动平车+铸造吊车”组合过跨的铁水运输方式等。

此外，“智慧工厂”理念的不断推进和远程办公、会议等网络手段的广泛应用，坐在办公室即可远程诊断、开视频会议等，都为高炉工程竖向设计的灵活性赋予了全新动能，不同台阶之间没有实际物流运输需求的内部联系道路已经越来越少，甚至会逐步被取消，如此的确让高炉设施的布置更加适应地形，土石方工程量相应可以降到最低。

（四）做好多方案比选

在方法论上，总图方案优化的几大原则主要是工艺流程合理、物流顺畅短捷、布置紧凑合理、远近结合，留有发展余地，满足安全、卫生、防火以及施工要求等。和其它行业、工序的总图布置一样，在确定高炉的炉容、位置、运输方式之后，需要对高炉工程内部系统的布置经过多方案技术经济比选。参与比选的方案，或注重本期工程投资最省，或考虑预留发展条件最优，或二者兼而有之。总之，总图设计人要综合利弊、适度取舍，和盘托出、业主定夺。总图专业有个特点，就是谁都可以提出主观、客观意见。对旁人提出的意见，总图人要不断总结经验，强化辩证思维。既不能照单全收，更不要来者不拒。最正确的方式是“看图说话”。思路行不行？方案好不好？摆出来，全知道。更为宝贵的是，很多看似天方夜谭、不切实际的思路可能让你脑洞大开，思如泉涌，让你“心到、手到、鼠标到”。总图人，一定要有兼收并蓄精神，因为从哲学角度上看总图布置没有客观标准，永远唯一、永争第一，没有最好、只有更优。

另一方面，微观入手，重点掌握以下设计技巧：

（一）出铁场系统

因为高炉本体在出铁场范围以内，所以出铁场系统对炼铁厂的布置影响最大。出铁场定位时，应以高炉为定位目标，高炉确定位置后再相应调整出铁场的设置。不同的铁水容器（一般有铁水罐、鱼雷罐）、不同的出铁方式（采用固定罐位或摆动流嘴）以及不同的铁水运输方式均影响着出铁场的布置。在设计过程中，总图专业须根据不同的出铁方式和铁水运输方式选择最适合出铁场的布置方式和出铁场外部道路广场。另外，出铁场除尘系统因其风量和风管直径可观，为节省投资，宜尽量靠近出铁场布置。

（二）高炉上料系统之矿（焦）槽

高炉矿（焦）槽主要供应含铁原料以及焦炭，通过斜桥式上料小车或者主皮带送至高炉炉顶。通常，中小型高炉的炉料输送主要采用上料小车（少数采用主皮带输送），大中型高炉则多采用主皮带上料。和上料小车相比，主皮带运输的工艺连续性、可靠性优势明显。而且，采用主皮带运输，高炉矿槽距离高炉较远，不同的倾角和平面转角使得矿槽布置的场地适应性较强。其中的主皮带倾角和平面转角是总图专业与炼铁工艺专业沟通的关键要点，设计时要熟稔于心，做到心中有数。如：（1）考虑到球团运输，主皮带倾角一般不大于12°，用倾角及炉顶高度反算主皮带长度是总图人需掌握的技巧;（2）高炉主皮带与高炉中心线的平面转角不能过大（一般不超过15°），否则易与炉顶框架或粗煤气上升管道发生碰撞;（3）高炉主皮带一般不与炉顶吊车布置在同一侧，否则主皮带会影响高炉炉顶的吊装作业;（4）主皮带中央转运站以及机械室的布置要合理，机械室一般不宜离中央转运站太远，以免机械室被抬得过高造成运行不稳定;（5）主皮带支腿支架要合理布置（跨度以45m～50m为宜），跨度过大易造成皮带通廊及支架的结构浪费。此外，矿槽除尘宜靠近矿焦槽主车间贴邻布置，间距以小为妙，以不影响矿槽和电气设备的检修为限。

（三）热风炉系统

在总图布置方面，热风主管进入出铁场的角度宜与出铁场平台天车运行平行，并应避开天车作业区域。当总图布置需要调整热风主管进入高炉本体的角度时，这里告诉大家，热风主管角度可按360/n（相邻风口相位角，n为风口数量，由炼铁工艺确定）的角度或其整数倍旋转，每旋转一个360/n，你会发现热风炉距离出铁场的距离也在发生位移，热风主管长度也在变化，或增加或缩短，按需旋转即可。可以说，这是热风炉工艺贡献给总图专业的最大自由度，必须灵活掌握。此外，高炉热风炉宜靠近高炉煤气清洗装置及TRT余压发电、煤气调压阀组等燃气专业设施布置，以便高炉煤气（热风炉燃料）管道的连接。

（四）渣处理系统

高炉渣处理有INBA法、嘉恒法、明特克法、（环保）底滤法等主流工艺。具体设備选型由厂方定夺，但是总图专业可以提前参与帮助决策。高炉渣量大，一座炉容为2500m³的高炉，每年产渣量约66～70万吨，需重点考虑水渣外运的方式及通道问题。水渣运输方式（铁路、道路、胶带机）的选择，运输路径的选择均应做好规划。如厂区内配建有矿渣微粉，建议处理好的水渣直接通过胶带机外运送往矿渣微粉车间。

（五）制粉喷吹车间

制粉喷吹车间的布置可因地制宜，喷吹管道是压力管道，布置比较灵活，有条件可靠近高炉布置。干煤棚的布置要以运输方便为考量因素。为适应场地条件可使用普通皮带机或者大倾角皮带机甚至垂直提升皮带机进行原煤运输。大倾角皮带机及垂直皮带机较普通皮带机比故障率高，检修维护复杂，总图应创造条件采用普通皮带机运输（具体倾角储运专业提供）。一般情况下喷吹电气室应与喷煤车间应脱开布置，也可以一面与喷煤车间贴邻布置，但按照《钢铁冶金企业设计防火规范》，封闭式喷煤制粉站和喷吹站属火宅危险性为乙类的建筑，敞开式或半敞开式喷煤制粉站和喷吹站属火宅危险性为丙类的建筑，所以贴邻一侧的墙面不应设置门窗孔洞，且墙体耐火等级要达到一定标准。

（六）铸铁机、修罐车间

在炼钢车间不能接收铁水的情况下，铁水被运到铸铁机车间进行铸铁。一般铸铁机车间还兼具修罐作业的功能。铸铁机车间一般应布置在铁水走行线上牵出方便的地段。修罐库以及走行检修车间应布置在炼铁、炼钢车间之间。此部分设计需重点关注的是铁路牵出线的合理设置。

（七）鼓风机站及其配套辅助设施

按照工艺要求，鼓风机站宜尽量靠近热风炉布置，既可充分缩短冷风管道的长度降低造价，又可减少阻损降低风机功率。鼓风机站宜与热风炉布置在高炉同侧。鼓风机型式分为电动鼓风、汽动鼓风及高炉煤气余压鼓风（BPRT）。从占地规模上比较，BPRT系统和电动鼓风机系统用地较为集约，汽动鼓风机站因有锅炉系统及配套水系统而用地较大。鼓风机的具体型式选择应由热力工艺专业根据工厂的能源平衡状况来综合确定，但总图专业因为是土地的直接管理分配者，也应该充分参与到鼓风机选型决策活动中。

（八）煤气系统相关设施

高炉区域的煤气路径为：炉顶荒煤气→粗煤气除尘系统→煤气净化系统，然后TRT与调压阀组并联。粗煤气除尘系统由于连接的是来自炉顶下降管的高温、高压荒煤气，因此布置的位置需要满足煤气下降角度的要求，宜近不宜远，一般工艺对其中心与高炉中心的水平距离有明确要求。而且，安全起见，粗煤气除尘器宜与明火散发点（如环保底滤法的冲渣点）应保持足够的安全距离。粗煤气除尘器与高炉煤气净化装置之间连接管道为粗煤气管道，管道的磨损比较严重，参照高炉粗煤气管道高炉侧的考虑，有条件时也应尽量缩短布置。高炉煤气储配设施（煤气柜）在管网上的位置相对随意。煤气净化装置、TRT和煤气调压阀组布置时符合煤气流工艺即可，灵活多样。

（九）高炉中心循环水泵房、预留炉后役水泵房

高炉中心循环水泵房及预留炉后役水泵房宜靠近高炉布置。但循环水采用开路循环时，水泵房宜与高炉出铁场保持一定距离，避免冷却塔水蒸汽弥漫到出铁场造成腐蚀。高炉循环水管道较多，场地紧张时可采用架空通廊方式敷设或管沟方式布置。循环水管一般不在出铁场下方上跨铁路，以避免水管滴漏进入敞口铁水罐中而产生事故。

（十）高炉区域运输设施

除铁水运输本身采用道路运输外，炼铁车间内部运输以皮带运输、铁路运输为主，道路运输为辅。

1.道路设施。高炉区域内道路一般用作消防、参观或是运输一些零散货物。主干道宽度一般7 m即可满足要求。在高炉本体周围的道路需兼具消防及参观形象大道功能，应按主干道来考虑，宽度可适当加大。通常，中大型高炉还要求设置上出铁场高架引桥，主要用于参观及出铁场上使用的泥沙、炮泥、耐材等货物运输。高架引桥的等级可按支路或车间引道考虑，坡度一般不大于9%，有展坡条件应按缓于8%设置，长度按照出铁场平台与引桥起点高差计算配备，桥面净宽在5 m以上即可满足需要。

2.铁路设施。小型高炉出铁口常采用一列式布置，中大型高炉宜采用半岛式或岛式布置。铁水运输坡度要严格按规范设置，但出铁场下方铁路以及外侧一定长度（牵出有效长）范围的停车路段应为平坡。按《铁路运输安全规程》的要求，半岛式高炉出铁场下的铁路原则上不允许穿两个及以上摆动流嘴。在高炉接铁及运输作业中，为确保司机人生安全，接铁时机车须顶进空罐，牵出重罐，机车任何时刻须在出铁场外侧，禁止下穿流铁口;在进入炼钢车间配送铁水时，机车应能推进重罐，同时牵出空罐，避免机车先进入炼钢车间过多占用炼钢车间内部空间。如铁路运输线路坡度较大，还要考虑在机车和铁水罐车之间加设隔离车，如此一来，所有牵出线的长度均需重新校核。

总结

总图布置成果是所有专业集体智慧的结晶，是“工艺为龙头、各专业倾力配合”的集成体现。总图布局关乎长远发展，总图设计人一定要有今日总图、明日丰碑的追求，培养责任感、增强使命感，积极追求“物质流、能量流、信息流”的完美协同，缔造人、厂、环境和谐共生的美丽钢厂！

参考文献

[1]傅永新，彭学诗.钢铁厂总图运输设计手册.冶金工业出版社.1996.10。

[2]中国冶金建设协会.钢铁企业总图运输设计规范.中国计划出版社.2010。

[3]王耀华.高炉工程总图规划设计要点研究.中华建设科技.2013.2。

[4]中国冶金建设协会.钢铁冶金企业设计防火规范.中国计划出版社.2018。