来源：年全国高炉炼铁学术年会摘要集
汤清华
摘要本文结合鞍钢数十年来高炉热风炉技术改造的经验与教训，国内部分热风炉出现的共性问题，对顶燃式热风出口上部锥形段结构和与水平角度大小；预燃室结构与燃烧喷嘴；部分耐火材料材质；高温管道内的耐材与砌筑等方面一些认识，分享给同仁们，以其引起讨论和抛砖引玉的作用。
1前言
高炉顶燃式热风炉以其占地少、投资低的优势，近年来在很多新建高炉热风炉和内燃式热风炉的改造中配套选取了这一工艺设施。我国炼铁行业为此作出了巨大贡献，上世纪七十年代末开始的首钢顶燃式热风炉，年鞍钢与中科院合作开发的ACL顶燃式热风炉，小高炉球式热风炉都是我国较早的顶燃式热风炉，与此同时国内自行开发的有自主产权的顶燃式热风炉业绩也甚佳，如豫兴热风炉有余座在高炉上得到使用。这些技术为高炉高风温的应用取得了可喜成绩。最早引进俄罗斯卡鲁金式的热风炉是莱芜钢铁公司，于年9月在m3高炉率先投产，其后众多企业不断地引进，卡氏热风炉在我国最大已用到0m3级高炉，国内仿造类似的热风炉也越来越多。值得引起注意的是卡氏原装引进和仿造的技术仅十几年，这类热风炉出现了一些不同情况的问题，热风炉寿命与高炉两代炉役寿命相差甚远，时有事故困绕，特别是几座巨形高炉热风炉燃烧室，予燃室，热风出口，锥形段等开裂，坍塌等，有资料显示这类热风炉90%出现了不同程度的损坏。笔者回顾近些年鞍钢热风炉的改造实践和观察，有几点体会与同仁们分享。2卡氏炉热风出口上部锥形段结构及与水平夹角讨论
近年热风炉锥形段钢壳开裂、锥形段掉砖，予燃室坍塌时有发生，锥形段钢壳与水平夹角太小，支撑受力不佳等有关，它不同于外燃式的球形穹顶和内燃式的悬链式穹顶，这两种穹顶的砖衬是座落钢壳上后，再闭环连接的，就象拱桥能拱住靠得是砖与砖之间相挤的摩擦力，而卡氏炉的锥形段上部不是闭环的，砖衬是自由上涨的，要想稳住这一结构，其钢壳及耐材与水平夹角不能太小，当前这种60度左右，砖体稳定性差，建议应在65-70度之间。再者角度大一点高度有一定增加，带来燃烧空间增大，有利充分燃烧与烟气分布，当前这种预燃室煤气喷嘴在上，助燃空气喷嘴在下的结构，还不属于短焰或无焰燃烧，在格砖柱中还要产生燃烧，缩短火焰长度和适当扩大燃烧空间都极为重要的。这部位砖型结构不佳，应当采用保住直经不变和上下相挂不倾倒的结构，重质砖的砖型应采用双向双子母扣的砖型砌筑，靠热面中间的子母扣应沿圆周方向设置，保证每一环砖的直径不变，靠冷端的子母扣设置应为上下相扣，上一环压住下一环，相当于吊挂砖型。锥形段耐材重量不应座在热风炉的大墙上，当前这类热风炉燃烧室的锥形段砖衬重力都坐落在热风出口段的大墙上（见图1中a），热风炉大墙是随燃烧和送风周期性上下移动的，同样带动锥形段砖衬移动，该部位砖本身也是不受限制的上下膨胀，迭加起来很不稳定。同时影响热风出口处砖衬不稳定。是造成锥形段掉砖、开裂，热风出口串风和高温下壳体开裂主要原因。如果将锥形段炉壳外扩一些（再增加一个S段），用牛腿方式将这部分的重力支撑在钢壳上，再采用迷宫方式优化砌筑，这部分砌体就稳定了(见图1b)。3预燃室结构与燃烧喷嘴的讨论
众多卡氏顶燃式热风炉的预燃室都是煤气分配环道和喷嘴在顶部，助燃空气环道及喷嘴在其下方，也就是分层喷嘴布置，从实际运行的结果看这种燃烧器是长焰燃烧，空、煤气混合是不好的，时有燃烧脉动和爆震燃烧发生，极易损坏喷嘴，有资料指出几乎所有的此类煤气喷嘴都出现了损坏，同时这种燃烧产生的烟气中含氮氧化物也高，因其氧过剩系数高（1.1-1.2）。内燃和外燃式热风炉燃烧器，其空、煤气出口是在同一标高上，采用交叉喷嘴气流成一定的角度喷出，混合得好，与之不同的是火焰向上。河南预兴公司顶燃式的燃烧器和卡氏第一代燃烧器都是同环交差布置的喷嘴，如图2也有众多应用实践，值得借鉴。对于热风炉燃烧器的设计，每一座高炉都应先进行火力模型试验得出相关参数后再行设计。如当年宝钢本部1-3高炉热风炉燃烧器都是在鞍钢9号高炉热风炉傍的火力模型上先行半工业试验找出参数，再设计的，鞍钢的张万仲先生，辽宁科大的李文忠教授等都是试验团队的领军者。宝钢外燃式热风炉燃烧器是多环道在同一标高上，有助燃空气、高炉煤气、焦炉煤气，氧气4种气体，各气体在4个环形通道内流出，并在同一标高下以不同角度交叉混合燃烧，达到空、煤气快速混合稳定燃烧，降低空气过剩系数和氮氧化物的产生。4耐火材料材质和砌筑方式的几点讨论
4.1防晶间应力的酸性喷涂料
年欧洲某公司给鞍钢m3高炉内燃式热风炉设计，其选用的酸性喷涂料中要求含CaO达12%，当时我们反复与之沟通，认为碱性物质太高，热风炉燃烧烟气中有NOx，喷涂料中的CaO与烟气中的NOx发生反应：CaO+NOx→Ca(NO3)2，进而造成喷涂料体积膨胀或粉化，失去防止晶间应力的作用。后来鞍钢热风炉内的酸性喷涂料规定CaO0.5%，鲅鱼圈高炉引进PW公司地得式热风炉，拱顶及高温段是采用焊好锚固钉并喷砂除锈后，喷酸性油漆，再涂摸一定厚度的防酸耐火膏，当前我国对这一耐材指标仍是个模糊的概念。此外当前新建热风炉炉壳下部低温段为了省钱省事都不喷涂耐火料层，这也是不科学的，这样热风炉低温段的冷面钢壳内表面会积聚冷凝水，烟气中的NOx将加速钢壳的锈蚀，应引起重视。如鞍钢六高炉热风炉（我国第一座马琴式外燃式热风炉年投产）在使用30年后钢壳锈蚀得很严重，后期用焊条棍都能敲漏，而耐材甚好，从外面站在耐材上换钢壳。4.2重质硅砖及轻质硅砖
重质硅砖高温性能优良，生产工艺简单造价低，近年来使用量越来越多(我国第一座使用硅砖的热风炉是年鞍钢6高炉)，除球式炉外所有热风炉都用上了硅砖，但硅砖也有缺陷。1)两段温度区间存在晶格转变，2)体积密度低，热容量小，粘土质重质砖体密是2.5-2.6t/m3，而硅砖只有1.85t/m3，为保证热容量足够，建议硅质格子砖柱不能设置得太高，根据炉容大小不同选取6-10m砖柱高度为宜。3)热膨胀系数大也值得重视，欧洲对直径大于10m热风炉悬链式穹顶采用关节砖结构，以防止热胀冷缩掉砖的现象，国内众多内燃式热风炉的这一结构是比较稳定的。三段格砖柱砖与砖之间的膨胀缝，根据耐材膨胀系数不同，粘土砖段为4mm，高铝砖段为6mm，硅砖段为8mm，材料性质不同则有不同的应用方式，当前格砖柱不论什么砖质段都采用8mm膨胀缝，则下部砖柱是不稳定的。轻质硅砖或硅质隔热砖含SiO2在90%左右，(重质硅砖含SiO2在95%以上)，即轻质硅砖的性质基本与重质硅砖性质相近，但轻质硅砖砌在重质砖的冷面，经受的温度区间正处在其晶格转换的温度区间，易造成轻质硅砖粉化，热风炉不宜使用，改用轻质高铝砖和轻质粘土砖。上世纪九十年代曾有一级高炉热风炉大墙砖还是好的，但隔热层轻质硅砖粉化吹空了，炉壳温度升高，被迫一座座炉子更换耐材。4.3格子砖孔径
格子砖的孔径越小，其单位体积的换热面积越大，表1是鞍钢设计院计算了不同孔径格孔砖单位体积的加热面积，孔径?20mm的37孔格子砖与?60mm球体换热面积相当，如果保持高炉单位炉容的换热面积不变，用小孔径格孔砖可使热风炉的体积整体缩小，是这些年来热风炉越建越小的缘故，但蓄热体的热容量变小了，应保证单位炉容的换热体的总热容量足够大，按传统作法应在m2/m3左右，才能保证送风风温的稳定不摔尾，或者提高热风炉换炉的频率，给机械化、自动化速度带来更高的要求。有的学者也提出孔径过小会使上部辐射传热能力变小，同时孔道中气体流速增后加对流传热增强，但热风炉阻力也有所增加，助燃风机压力越选越高。因此孔径应在当前的基础上深入探讨和实践。4.4两环隔热轻质砖不宜合并成一环设置
近年来不少热风炉大墙或管道将传统采用两环轻质隔热砖合并成一环加厚了的轻质砖，制砖和砌筑都方便了，但效果很差，不宜合并。年鞍钢11高炉大修，将热风总管和围管的两环轻质隔热砖合并，由原来一环低铁高铝轻质砖（mm）和一环轻质粘土砖（mm）合并成一环低铁高铝轻质砖(mm厚)，加一环重质砖，砖衬厚度增加了，隔热砖导热率反而升高了，施工也简单了，但开炉后热风总管和围管表面温度反而升高至近℃，比国家规定外壳温度应小于℃高出近一倍。分析其原因是重质砖与单层隔热砖砌筑，两层砖砌筑则存在通缝，即窜风，也就是两环砖砌筑不管怎么排列都存在大量通缝，而三环砖错缝砌筑几乎不存在通缝，真正利用了迷宫技术的优势。5管系的优化耐材砌筑
5.1子母扣砖
管道上半圆砌筑子母扣砖至少应砌足度，不应采用度子母扣砖砌筑，带拱起碹建筑应计算水平推力最小的结构才稳定，如拱桥及燧道窑的砌筑。5.2热风管道和各三叉口是出问题最多的部位
1)各三叉口应采用了组合砖结构。2)管道三叉口相关线两钢壳管径差应≥mm才有条件稳住耐材砌筑，或者学欧洲人重质砖采用锣杆吊挂形式，或者采用国内的D形结构。3)组合砖或异型砖一定要严格捡查有没有内部层裂，有则不允许砌筑，如果是生产加工工艺上缺陷的产品，这类砖投产后会产生层层剥落，壳体温度高或发红变形，甚至撕裂。高质量异形组合无层裂的砖，是采用石膏成型分成各异形砖模，而后用”振动浇注成型”方式做成毛胚，再焙烧的制造工艺生产的，鞍钢数座高送风系统的组合砖采用这种工艺生产的组合砖己用20余年了，效果良好，再用30年也不会有问题。5.3管道系统的应力计算与相应的结构形式选择
盲板力计算与应用、不同材料受热膨胀系数不同，各环砖衬所在区间位置不同，温度不同其热变形量也不同，波纹膨胀器的选取和耐材膨胀缝的选取及配合，滑动支座，固定支座、弹簧支座的正确配置，各种的拉杆设置与科学应用等等，每一项都必须仔细分析和计算，科学选材配置和精心施工才能建造一座长寿命的热风炉，是一多学科系统工程的组合体。某持大型高炉，热风炉本体是引进的，但开炉几个月热风总管倒塌，被迫停产抢修，仅热风总管就砌筑了4次，历时了5年才将此管道稳定住，代价不低。这些经验和教训值得认真总结和借鉴。5.4热风出口的结构的优化
热风出口区域的钢壳发红、开焊、跑风、撕裂、耐材坍塌等事故经常威协高炉生产和安全，尤其是发生在卡氏顶燃式热风炉现象居多。鞍钢新5高炉(m3)7年从卡鲁金公司引进热风炉本体设计，管道系统是鞍钢设计院配套设计，当时谈判时我们坚持了对卡鲁金先生几十项设计上的改进，开炉至今己10.5年热风炉系统没出现任何问题，实践证明是正确的。5.4.1热风开口处采取一定措施
5#高炉热风出口直段高度足够，开口不在上下弧段上，开口处没有采用加强圈的方式，而是整段炉壳采用70mm厚QC钢板，热风出口钢管与炉壳采用两面焊接。国内众多热风炉此部位采用薄炉壳开口，再补上加强钢圈的做法，几乎都开裂，因整段炉壳刚度不够，盲板力、送风期与燃烧期的高低压反复交替使用的疲劳应力、温度最高区域的热应力，因此该段区域钢壳应有足够的强度。采用薄炉壳开孔再增加补强附板来加强的结构，是不适宜的，加强圈与炉壳的焊接实际上在外环焊接，而内环焊不上，形成两层皮，强度就不够了。因此应整段采用厚炉壳，或圆周1/3-1/4区域采用厚钢板才适宜。5.4.2改变燃烧室的承载方式
燃烧室的耐材重量不应承载在热风出口段的大墙上，应改变方式让这部分耐材重量承载到热风炉壳上。如三种外燃式热风炉、悬链式内燃式的拱顶耐材都是坐落在炉壳上，如图3所示，值得借鉴。5.5晶间应力腐蚀
当今高炉冶炼炉内煤气利用率不断提高，煤气热值有所降低，但各企业又都提高了富氧率，入炉氮气减少，其单位生铁煤气产生量减少，煤气热值是升高了的，鞍钢高炉试验结果表明，每1%的富氧率煤气热值升高2.1%左右，加之较好的双予热，提高热风炉烧炉温度是不成问题的。烧炉过程中减少NOx产生是应加速研究，面对环保压力，提出热风炉烟气环保合格排放的问题，即使烟气经处理外排合格了，但对热风炉本身的晶间应力腐蚀仍燃存在。有测试资料显示，当前卡氏顶燃式热风炉烟气中含氮氧化物在-mg/m3，比其它几种类型的热风炉烟气的氮氧化物高出很多，比环保标准严重超标，国内两座0级巨型高炉热风炉上部炉壳开裂，与晶间应力腐蚀有关，测试资料还显示，好的热风炉烟气中含氮氧化物50mg/m3，符合环保标准。因此研发新的燃烧器结构，使之燃烧后烟气中含氮氧化物更低是迫在眉捷课题。宝钢热风炉高温区域采用外保温等系统防晶间应力腐蚀方法已30余年了，效果甚佳；鞍钢热风炉高温区域炉壳内采用容器钢→内表面焊接锚固钉→喷沙除锈→喷防酸油漆→喷酸性耐火材料50mm，工序较多，投产16年以来实际情况很好，无一异常，不过采用这一方式的热风炉是内燃式和外燃式，燃烧器与卡氏的不同，烟气中氮氧化物尚没进行测定，5#高炉投产10年尚待继续实践跟踪，这是鞍钢的作法，希望有更好更简便的防晶间应力的方法出现。6结束语
中国金属学会炼铁专业委员于年在秦皇岛召开的高炉高风温会议上提出，我国高炉实现℃高风温的目标，目前只有宝钢高炉数十年风温一直保持年均0℃以上，但离℃还有60-70℃差距。其他企业和全国平均风温水平就差得更远了，仅在℃左右。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇