馮燕波

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

高風溫、長壽命、節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代高爐熱風爐設計的目標。中冶京誠工程技術有限公司多年來從事熱風爐技術的研究工作，取得了一系列專利和專有技術成果。其開發(fā)的旋切頂燃式熱風爐技術，吸收了卡盧金式頂燃熱風爐、霍戈文式內燃熱風爐和新日鐵式外燃熱風爐的優(yōu)點，并克服了其不足，是一種集合了各家所長的熱風爐形式。本文結合某鋼廠1 780 m3高爐配套熱風爐系統(tǒng)的設計情況，詳細闡述了旋切頂燃式熱風爐的相關技術特點。

1 熱風爐設計概況

某鋼廠新建的兩座1 780 m3高爐，各配備了三座旋切頂燃式熱風爐。熱風爐系統(tǒng)按一列式布置，主要包括：熱風爐本體區(qū)域、棧橋管道區(qū)域、助燃風機及換熱器區(qū)域、液壓站及電氣室區(qū)域和煙囪。熱風爐系統(tǒng)的設計參數(shù)分別見表1所示。

2 旋切頂燃熱風爐技術特點

表1 熱風爐系統(tǒng)設計參數(shù)

2.1 高風溫技術特點

2.1.1 采用旋切頂燃式熱風爐燃燒器專利技術

設計采用旋切頂燃式熱風爐燃燒器,強化燃燒和換熱，提高了煤氣燃燒溫度[1]。燃燒器安裝在燃燒室的上部，由混合室及收縮口、煤氣入口及環(huán)道、助燃空氣入口及環(huán)道和空煤氣噴口組成?；旌鲜以O在環(huán)道的中央?yún)^(qū)域，內側設有噴口，外側設有入口和環(huán)道，混合室和燃燒室的交界處設有收縮口。煤氣與助燃空氣采用渦流噴射進入燃燒器，煤氣流與助燃空氣流在燃燒器內部形成旋流，從喉口噴出后進入燃燒室進行燃燒，實現(xiàn)高爐煤氣在進入格子磚以前能夠均勻、完全的燃燒。另外，燃燒產物的旋轉氣流保證在格子磚上表面均勻分布，氣流分布的不均勻度僅為3～5%。拱頂溫度與送風溫度的差值控制在80～100℃范圍內，從而在較低的拱頂溫度條件下得到1 250℃的送風溫度。燃燒器內氣體混合仿真模擬圖如圖1所示。

圖1 燃燒器氣體混合仿真模擬

2.1.2 采用三十七孔Φ28 mm格子磚專利技術

通過對國內諸多熱風爐格子磚的使用情況進行統(tǒng)計，并結合這些熱風爐的實際操作得出：熱風溫度達到1 250℃以上時，單位加熱風量的蓄熱面積達到45～50 m2/（Nm3·min），單位加熱風量的格子磚重在1.0～1.1 t/（Nm3·min）比較合適。采用三十七孔Ф28mm格子磚就能滿足上述條件，其單位加熱風量的格子磚重為1.03 t/（Nm3·min），單位加熱風量的蓄熱面積達到47.7 m2/（Nm3·min），所以適合高風溫熱風爐使用。三十七孔φ28 mm格子磚如圖2所示。

圖2 三十七孔φ28mm格子磚

2.1.3 采用帶橫梁設置有多種孔型的爐箅子專利技術

如圖3所示，熱風爐格子磚支撐裝置包括：爐柱子、橫梁、爐箅子及調節(jié)連接件，各部位受力均勻，結構穩(wěn)定，通孔率高，使用壽命長。爐箅子材質為QTRSi4Mo，能夠滿足熱風爐燒爐末期將廢氣溫度提高450℃以上的要求，有利于下部格子磚的蓄熱和整個蓄熱體熱效率的提高。另外，廢氣溫度的提高可以將助燃空氣和煤氣的預熱溫度提高，從而提高熱風爐理論燃燒溫度，進一步提高風溫。

2.1.4 采用分流板型冷風分配裝置

如圖4所示，在爐箅子板下部的爐柱子區(qū)域設置冷風分配裝置，保證冷風進入爐箅子板開孔和蓄熱體格孔的冷風分配均勻，從而提高格子磚的利用率。

2.1.5 采用板式換熱器對助燃空氣和煤氣進行預熱

為了有效回收煙氣中的熱量來加熱助燃空氣和煤氣，本工程采用相互獨立的兩臺板式換熱器分別對助燃空氣和煤氣進行預熱。為了避免煤氣和煙氣中的酸性介質結露而對換熱器產生腐蝕破壞，控制換熱后的煙氣排放溫度不小于145℃，且助燃空氣和煤氣可以預熱到200℃以上。

2.2 長壽命技術特點

圖3 帶橫梁的設置有多種孔型的爐箅子

圖4 分流板型冷風分配裝置

2.2.1 熱風爐本體

（1）優(yōu)化爐殼設計。熱風爐爐殼選用Q355C鋼板制作，主要變徑的地方均采用圓弧過度連接。拱頂高溫區(qū)域采用防酸性腐蝕的涂料及防酸耐火噴涂料進行保護。

（2）合理選擇耐火材料。根據(jù)熱風爐各部位不同的工作特點，熱風爐從上至下依次選用硅磚RG-95、低蠕變粘土磚DRN-120和粘土磚RN-42等不同的耐火材料進行砌筑?？紤]到燃燒器和燃燒室喉口部位在熱風爐工作過程中溫度變化劇烈的特點，燃燒器內墻選用堇青石莫來石磚RT-B，燃燒室喉口部位選用紅柱石磚RH。在爐殼內表面還依次設計有噴涂料、硅酸鋁纖維板和輕質隔熱磚，保證爐殼外表面的溫度≤100℃。

（3）采用分段式本體砌筑結構。熱風爐本體從下往上依次為蓄熱室、燃燒室和預混室。蓄熱室耐火材料直接坐落在爐底鋼梁上，燃燒室和預混室的耐火材料分別砌筑在爐殼內部的磚托上。各段砌體之間完全脫開，通過迷宮式的滑移縫連接，既保證相互之間不受熱膨脹影響，又保證具有良好的密封性。

（4）助燃空氣、煤氣噴口設計優(yōu)化。針對頂燃式熱風爐燃燒器噴口容易出現(xiàn)的一些問題，對旋切頂燃式熱風爐燃燒器的助燃空氣和煤氣噴口進行了優(yōu)化改進，避免燒爐時產生爆燃現(xiàn)象。噴口磚帶子母扣，避免噴口磚錯位移動。助燃空氣、煤氣進口部位砌磚加厚，增加進口組合磚的結構強度。

（5）采用互鎖式平砌結構，增加燃燒室的整體穩(wěn)定性。燃燒室拱頂采用組合磚整體砌筑技術（如圖5所示），拱頂角度加大到65°，采用互鎖式平砌結構，四面子母扣咬合砌筑，施工方便，提高了燃燒室的整體穩(wěn)定性。拱頂內襯砌筑時，分區(qū)域設置膨脹縫和滑移縫，保證耐火材料受熱膨脹時不被擠壞，結構更加穩(wěn)定。燃燒室拱頂磚示意圖見圖6。

圖5 燃燒室拱頂平砌結構示意圖圖

圖6 燃燒室拱頂磚示意圖

（6）采用多環(huán)互鎖防竄風熱風出口結構。熱風出口組合磚由3層砌磚結構組成：兩環(huán)帶凸臺的圓環(huán)磚、一環(huán)花瓣磚。熱風出口內環(huán)采用抗高溫蠕變、抗熱震性較好的大塊機制紅柱石磚RH，外環(huán)磚結構采用帶鉤頭的花瓣磚分散拱頂磚的壓力，雙內環(huán)磚帶子母扣互鎖，整體預組合，結構更加穩(wěn)定。

（7）采用逆送風系統(tǒng)。設置連接助燃空氣主管和各個熱風爐冷風支管的逆送風管道及閥門。當熱風爐爐箅子溫度過高時，開啟逆送風閥門，用助燃空氣對爐箅子進行冷卻，防止爐箅子溫度過高，保證爐箅子及支柱的使用壽命。

2.2.2 熱風管道

（1）合理選擇耐火材料。熱風支管內徑為Φ2 360 mm，熱風主管和熱風圍管內徑為Φ2 460 mm。根據(jù)1250℃的熱風溫度要求及管道傳熱計算的結果，管道內襯設計依次為200 mm低蠕變高鋁磚DRL-145、114 mm×2輕質隔熱磚LG140-0.8L和96 mm噴涂料。熱風出口設計為喇叭口形式，保溫層在熱風支管耐火材料砌筑厚度的基礎上再加厚114 mm。熱風管道內襯采用偏心砌筑方式，即：內襯砌筑中心線比管殼中心線向下偏移7mm，上部形成的空隙用耐火纖維棉填充，保證內襯受熱膨脹時可以自由上漲。工作襯采用“S”型磚砌筑，所有三岔口采用加強型組合磚砌筑，進風彎管處采用TCJ-1澆注料整體澆筑。聯(lián)絡管熱風進口對面的墻體加厚，防止吹損；所有開孔不在同一個水平面上。管殼外表面設計溫度≤120℃。

（2）采用頂燃式熱風爐熱風輸送管道系統(tǒng)專利技術（如圖7所示）。根據(jù)熱風管道介質溫度高、內部有耐火材料砌體的特點，在熱風管道上分段設置固定支座及高溫波紋補償器，使各波紋補償器能夠獨立伸長或收縮，并在管道軸向方向設置通長的拉緊裝置。為了吸收拉緊裝置本身因受熱而產生的膨脹量，在管道末端設置補償器專門吸收該膨脹量，避免了拉緊裝置對熱風管道的推力和復式補償器膨脹縫位置砌磚的相互擠壓，解決了管道開裂、掉磚問題，延長了熱風管道的使用壽命。

圖7 熱風管道及拉緊裝置布置圖

（3）采用關節(jié)管及熱風閥兩側擋磚砌筑結構。在熱風支管和熱風主管復式補償器的部位設置有關節(jié)管組合磚（如圖8所示）。關節(jié)管組合磚通過其內部設置的兩條上下寬度不等的膨脹縫，既能滿足耐火材料內襯的軸向膨脹變形，又能滿足因熱風爐上漲而引起的熱風管道徑向變形。熱風閥兩側砌磚采用擋磚環(huán)結構（如圖9所示），在更換熱風閥時，管道磚能夠壓縮和拉伸回位，防止因不能回位造成串風使管殼過熱發(fā)紅。

2.3 節(jié)能環(huán)保技術特點

（1）“旋切式高風溫頂燃熱風爐節(jié)能技術”已被列入《國家重點節(jié)能技術推廣目錄》（第五批），2012年國家發(fā)改委發(fā)布第42號公告予以公布。

（2）旋切頂燃式熱風爐采用其特有的旋切頂燃式熱風爐燃燒器，使空煤氣混合更加充分，降低空氣的過剩系數(shù)，減少NOx的生成。同時，通過控制合理的空燃比，保證熱風爐廢氣中的O2含量≤0.25%，CO含量≤0.0012%。

圖8 關節(jié)管砌筑示意圖

圖9 擋磚環(huán)結構示意圖

（3）采用熱風爐自尋優(yōu)控制系統(tǒng)及燒爐模型。采用數(shù)學模型+專家系統(tǒng)的熱風爐自尋優(yōu)控制系統(tǒng)及燒爐模型，使熱風爐運行穩(wěn)定、適用性強。獨特的煤氣平衡算法，可以根據(jù)允許的煤氣總量以及燒爐實際過程，分配各熱風爐的煤氣量，達到煤氣既不超量，又可按時達到各爐燒爐目標?？蓪崿F(xiàn)無人工干預全自動燒爐，燒爐過程平穩(wěn)，減少勞動強度。

（4）助燃風機吸風口設置有進口消音器，助燃風機的機殼外表面包敷隔音棉進行降噪處理，確保助燃風機房區(qū)域的噪音降至85dB以下。

（5）每個熱風爐的排壓廢氣支管匯總到一個排壓廢氣總管上，由排壓廢氣總管直接送至煙囪入口，減少因排壓廢氣中氧含量升高導致煤粉制備設施的安全隱患。

3 結語

（1）該鋼廠兩座1 780 m3高爐分別于2011年12月和2012年3月投產，采用旋切頂燃式熱風爐專利技術設計的熱風爐系統(tǒng)各部位設施目前均運行良好，沒有出現(xiàn)任何坍塌損壞或高溫點。2019年4月8日該熱風爐系統(tǒng)在單燒高爐煤氣的條件下，送風溫度仍可達到1 251℃，在國內外處于領先地位。

（2）旋切頂燃式熱風爐工藝通過一系列專利技術和專有技術的運用，加以科學的設計、精細的施工管理，完全能夠達到高風溫、長壽命、節(jié)能環(huán)保等現(xiàn)代高爐熱風爐設計的目標。