高风温顶燃式热风炉

1 前言

目前提高高炉炼铁使用风温是当今世界炼铁技术发展的方向。本文着重探讨了为满足顶燃式热风炉高风温要求，热风炉本体结构、热风管道系统结构、耐火材料和冶金设备等工艺应采取的合理设计。其具体目标应为：（１）风温在1250℃以上；（２）寿命与两代高炉炉龄（30 年）同步。

2 合理的热风炉结构

2.1 本体砌体结构

顶燃式热风炉砌体结构，包括：热风炉炉体砌体结构和蓄热室格子砖砌体合理材质选择。

热风炉本体从上到下依次为预燃室、燃烧室和蓄热室三段。三段砌体采用脱开的迷宫式连接，各段砌体可以自由伸缩，避免各段砌体膨胀相互影响。热风炉的拱顶燃烧室耐火砖不支撑在蓄热室大墙的耐火砖上，而是在托圈板上。可防止大墙耐火砖在受热膨胀时，挤压拱顶耐火砖，从而导致拱顶砖的不稳定。预燃室与燃烧室墙体为半脱开式，三段连接处采用迷宫式结构。

顶燃式热风炉蓄热室格子砖从上到下依次采用硅砖、低蠕变高铝砖和低蠕变粘土砖结构。通常硅砖安全工作温度不低于800℃，而粘土砖安全工作温度不高于1000℃，其分界面理论上设置在900℃处，硅砖和粘土砖各有100℃的安全波动范围。若热风炉格子砖仅采用硅砖和粘土砖两种材质，热风炉适应大范围温度变动的能力较差，给热风炉寿命留下隐患。由于顶燃热风炉在燃烧和送风相互转化过程中，或由于操作原因，其蓄热室中部可能出现温度大幅度波动的情况。所以宜在中部采用一段安全温度更高的低蠕变高铝砖，可保证各种材质始终都保持在安全工作温度范围内，增加了热风炉的适应能力和安全性。

2.2 多层对流强混高效燃烧器

多层对流强混高效陶瓷燃烧器是中冶南方自主开发的适应高风温顶燃式热风炉的陶瓷燃烧器，整套装置包括混合预燃室、缩口段、接入口、环道、喷口。该燃烧器采用了对旋对撞混燃、多层混合方式，保证强混、快混、并混合均匀，具有火焰较短、快速燃尽和高效燃烧、节能等特点，可提高风温水平。燃烧器喷口采用双锁扣形式，喷口结构稳定，可提高燃烧器的使用寿命。由于本燃烧器气流为旋向流动，所需燃烧空间较小，可缩短燃烧室高度，节约工程投资。

3 高风温热风管道成套技术

随着风温水平的提高，越来越多的钢铁企业的热风管道出现炉壳发红、漏风甚至掉砖等情况，针对这种情况，通过研究形成了一套适应高风温的热风管道成套技术，以解决目前普遍存在的热风管系问题。

3.1 补偿器、盲端封头及均压管的合理设置

热风管系设计时，应充分考虑操作温度、工作压力及环境温度引起的管道位移，对热风炉管系的受力进行分析和计算。当管道内应力超过其管壳的极限应力时，管道会发生变形、接口处开裂等问题，进而破坏砖衬。合理的波纹补偿器的设置，可以吸收因温度和压力变化而引起的热风管道膨胀和收缩，还具有减震、抗冲击和进行位移补偿的作用。

合理设置不同结构的波纹补偿器。在热风总管端头设置波纹补偿器，以吸收拉杆的变化对管道的影响；在热风支管上设置复式补偿器，补偿支管轴向位移和由于热风炉炉壳上涨产生的径向位移。

在热风总管盲端补偿器的高炉侧设一个密闭腔体。从混风切断阀附近靠热风管道一侧的混风管上接一根均压管道至密闭腔体内，以保持盲端内的压力与热风总管内的压力平衡。这样巧妙的设计方式可以有效补偿热风管道拉杆的变形量；密闭腔体内不流通高温热风，工作环境改善，安全性高；腔体内的充压气体与热风管道内热风同气源，自动实现与热风管道同时等负荷充压。

3.2 拉杆及支座设置

管系设计中设置多个补偿器，增加了管系的柔性，因此必须在管道上设置约束构件，采用拉杆来约束是首选。目前，国内主要采用通常大拉杆加末端补偿器、中间设置固定支座的形式，如宝钢，沙钢、湘钢、新余、涟钢。国外工程公司（霍格文、PW）均采用此种形式。该模式的优点是热风支管及三岔口位置相对稳定，不容易产生热风支管补偿器破环、三岔口开裂、窜风等问题。

通长大拉杆的设计方式，一般设计为2段大拉杆，即混风室前、后热风总管段各一段大拉杆。拉杆承受的力包括管道盲板力、补偿器的弹性反力和管道的摩擦力。拉杆设计的安全系数为4倍，拉杆材质选用45#钢。

管道支座的设计方式有：热风支管上支座设计为弹簧支座，在支撑热风阀及管道的同时，垂直方向能有一定的位移。在热风总管上和每根热风支管相交的三岔口附近均配置1个导向支座，通过挡块来限制热风总管的轴向位移，但允许热风总管的径向可以有适当的位移，以吸收热风支管拉杆热胀冷缩的位移。其它支座设计为滑动支座，允许一定的轴向和径向位移。

这种热风管道结构简单而稳定，可以适应高风温以及长寿的要求，是一种低应力、定向膨胀的热风管道系统。

3.3 合理的热风管道砌筑结构

1）热风管道工作层和保温层，砖环与环之间采用咬合砌筑方式，

2）热风管道工作层圆周方向360度都采用带半圆形舌槽锁扣的耐火砖。该锁紧结构形式整体稳定性好。

3）热风管道三岔口部位为薄弱环节，采用“上半圆浇注料+下半圆组合砖”或者“整环组合砖”的形式，通过加强内衬砌体的整体性来强化该部位的稳定性。

4）根据砖的工作温度和膨胀系数选择膨胀缝的宽度，热风管道膨胀缝设置成与气流方向相反的“阶梯”形式，防止窜风。

5）工作层的膨胀缝正对的保温层要设置压缝砖，材质与工作层的重质砖相同。

6）在热风支管处，采用了更加合理的砌体结构，既可以通过热膨胀缝自身来吸收膨胀位移，也可以利用特殊的砌体结构及波纹管来方便的更换热风阀及波纹管。

4 采用合理的耐火材料

4.1 高温区使用硅砖

对于高风温热风炉来说，高温区全部采用低蠕变高铝砖是一种不合理的选择。硅砖和低蠕变高铝砖相比，硅砖具有高温性能稳定和价格便宜的优点。顶燃式热风炉在直筒段和拱顶段都采用硅砖，不仅能满足高温区工作条件的理化性能，同时又具有较好的经济性能。

在热风炉上部使用硅砖时应注意：

（1）高风温热风炉送风末期的硅砖温度不应低于600-650℃，在硅砖背面设测温孔，监测硅砖温度变化。

（2）当高炉大中修进行时间较短时，热风炉应保温，维持必要的温度水平。

4.2 组合砖

在高风温的条件下，热风炉系统接口孔洞部位的耐火内衬是易损部位。采用组合砖砌筑，能够保证砌体的牢固和稳定。组合砖是由几种简单几何体相贯而形成的复杂空间几何体，其内含数十种或数百种组合砖单体，这些组合砖相互紧锁，并相互传递应力，结构十分牢固。关键易损部位将组合砖加厚，能获得长寿效果。

4.3 耐酸喷涂料

高风温热风炉高温区采用耐酸喷涂料，防止炉壳晶间应力腐蚀。

在高温、高压的影响下，炉壳很容易造成晶间应力腐蚀。其主要原因由是烧炉过程中产生的氮氧化物的浓度随烟气温度的升高明显增加，如果在热风炉拱顶高温区部位的炉壳钢板凝聚，与炉壳上的冷凝水作用生成腐蚀性酸液，腐蚀液从炉壳存在应力的地方沿着晶格深部侵入、扩展而至炉壳破裂。热风炉工作时产生的脉冲应力和疲劳应力又会加速炉壳腐蚀破裂的进程。

热风炉高温区炉壳内表面涂抹耐酸漆或喷涂耐酸喷涂料、炉壳外保温使炉壳温度保持在150-250℃防止炉壳内表面结露等形式，均可以防止炉壳晶间应力腐蚀。

4.4 小孔格子砖的设计

顶燃式热风炉多采用19孔、31孔或37孔小孔格子砖。几种典型的小孔格子砖与传统的7孔格子砖的热工特性见表1。可以看出多孔、小孔格子砖与传统7孔格子砖相比，小孔砖换热面积和填充系数都较大，由此可见，采用小格孔直径的格子砖，可以强化气流与格子砖之间的换热，提高热风炉的热效率，提高耐火砖蓄热面积、换热效率和风温。另外热风炉格子砖表面还可以涂抹高辐射覆层，提高格子砖蓄热能力，从而以更少的投资获得了更好的使用效果。

表1 几种典型格子砖热工性能



格子砖类型
格孔直径

mm
换热面积

m2/m3
格子砖活面积

m2/m2
填充系数

m3/m3
当量厚度

mm

传统7孔砖
φ43
38.06
0.409
0.591
31.1

19孔砖
φ30
48.56
0.364
0.636
26.2

31孔砖
φ25
58.13
0.363
0.637
21.9

37孔砖
φ20
68.69
0.343
0.657
19.1




4.5 合理的耐火材料理化指标

热风管道工作层砖选用蠕变小、高温稳定性好、抗热震性强的刚玉莫来石复合砖、红柱石莫来石复合砖。除常规理化性能指标的要求外，其高温蠕变性能、抗热震性等指标更严格。要求热风管道耐火砖在1450℃， 压力0.2MPa的条件下， 20-50小时后，蠕变率≤0.2%。

隔热层采用“轻质高铝+轻质粘土+轻质喷涂料”，这种热风管道内衬的设计可以有效降低热损失，膨胀缝采用耐高温1450℃的多晶莫来石纤维毯，可以长期稳定地吸收耐火衬的膨胀。

顶燃式热风炉的燃烧器，在燃烧转送风的过程中，温差变化很大。这就要求燃烧器耐火砖的热震稳定性要高。燃烧器砖在加热到1100℃，水冷的条件下，热震稳定性≥100次。

5．冶金设备

5.1 预热设备

传统的热风炉预热设备是利用烟道约250-300℃的废气，通过热管式换热器预热助燃空气和煤气，从而回收烟气余热，提高风温水平。近几年出现了板式预热器，通过换热片来取代传统热管，由于不需要热媒，不容易积灰，换热效果更好，寿命更长。

提高煤气热值可以提高风温，但是由于目前很多钢厂缺少高热值煤气，同时随着焦比的降低，高炉煤气的热值也降低了。目前主要有四种预热模式，可以实现利用低热值煤气生产高风温。（1） 加两座高温预热炉和一座混风炉（即小型热风炉）；（2）增加一座热风炉，利用送风以后的温度预热助燃空气；（3）从热风炉拱顶引一根高温烟气管，将高温烟气与烟道管低温烟气混合后通过换热器预热煤气和空气；（4）燃烧炉加换热器，把空气温度最高能预热到400-600℃。采用第4种模式，对热风炉的生产操作影响比第2种、第3种模式小，投资成本比第1种、第2种低。建议采用第4种模式，其具体流程如图1。