张钢“改进型”顶燃式热风炉的设计与应用

李咏茹 王丽 张吉增

山东省淄博市张店钢铁总厂 255010

张钢“改进型”顶燃式热风炉的设计与应用

李咏茹 王丽 张吉增

山东省淄博市张店钢铁总厂 255010

热风炉作为高炉的主要配套设备，它的设计质量对高风温的提供和炼铁工序能耗的降低至关重要。本文重点对张钢1350m3高炉“改进型”热风炉的设计特点和使用情况进行了阐述。

热风管道；预燃室；耐火材料

前言

热风炉是炼铁生产过程中高炉的主要附属设备之一，其投资约占高炉的50%～60%，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产能耗的20%，它消耗的高炉煤气约占高炉产生煤气的50%。提高风温，不仅可以提高炉缸温度，使下部热量充沛，而且也不会影响高炉炉腹煤气量的变化，对顺行影响小，在1000℃～1100℃风温范围内，热风温度每提高100℃，可以降低焦比20kg/tFe，同时可增产3%～5%。还可增加喷吹煤粉40kg/t铁，相应地进一步降低焦比。随着国家对节能减排的重视及世界能源日趋紧张，石油、煤炭、天然气价格日益攀升，为保证热风炉的换热效率，更好地向高炉提供恒温、恒压的高温空气，热风炉的选型、结构参数的设计、耐火材料的配置等显得尤为重要。

1 热风炉的选型

目前国内外热风炉的结构型式有内燃式、外燃式、顶燃式等。由于内燃式热风炉隔墙的限制，蓄热室气流分布不均匀，内燃式热风炉在大型化方向上被外燃式热风炉所取代。而外燃式在结构上由于过于复杂，限制了风温的进一步提高。“改进型”顶燃式热风炉是山东冶金设计院在“卡卢金”顶燃式热风炉专利技术基础上，吸收其他形式的顶燃式热风炉技术优点研究开发的一种新型顶燃式热风炉，取消了燃烧室，将预燃室置于热风炉顶部，煤气和助燃空气环腔安置在预燃室内，煤气和助燃空气在预燃室内充分混合，在热风炉拱顶燃烧，这样可以节省热风炉的占地面积，热风炉高度及直径相对较小，耐火材料及钢结构用量相对较少。实践证明，在相同高炉容积条件下，“改进型”顶燃式热风炉比其它形式热风炉节约钢材30%，节约耐火材料15%，总投资可节约20%。经过全面分析，确定采用“改进型”顶燃式热风炉。

2 “改进型”顶燃式热风炉的主要设计参数

本次设计确定的主要参数如下:

热风炉数量:3座

热风炉全高:39.64米

炉壳内径: 10.28/9.43/8.84

送风制度: 两烧一送

送风周期:45分钟

格子砖高度:20.22米

格子砖截面积:48.1m2

单位m3格子砖加热面积:48m2

格子砖总加热面积:139635m2

单位炉容加热面积:99.31m2/m3

拱顶温度:1350℃～1400℃

废气温度（最大）:450℃

热风温度:1200℃

冷风流量:3200Nm3/min

空气耗量:118000Nm3/h

煤气耗量:115000Nm3/h

空气预热温度:180℃

煤气预热温度:180℃

热风炉效率:78.05%

3 设计的主要特点

3.1 预燃室结构特点

3.1.1 预燃室及拱顶背衬采用喷涂层、耐火纤维毯、轻质保温隔热砖到工作层，该结构可以吸收砌体膨胀，提高耐火材料隔热保温效果，降低炉壳温度，减少拱顶温度与送风温度的温差。

3.1.2 预燃室采用分别支撑与炉壳上的独立支撑结构，热风炉拱顶、炉墙、格子砖和炉壳均匀而且对称，拱顶只有一个热风出口，保证热风炉拱顶在高温高压下的稳定性。

3.1.3 预燃室是顶燃式热风炉的核心部位，预燃室结构参数正确与否，直接关系到煤气和助燃空气混合是否均匀、燃烧是否充分、烟气分布是否合理，也就决定了整个热风炉的送风能力和热效率。因此，预燃室结构参数的设计至关重要。

预燃室为煤气和助燃空气混合的部位，其中有煤气环腔和空气环腔。上层为煤气环腔，有两排煤气喷嘴，每排有喷嘴18个，喷嘴为矩形。两排喷嘴水平砌筑，煤气沿31°角切向喷入预燃室；下层为空气环腔，有两排助燃空气喷嘴，每排有喷嘴18个，呈矩形，水平砌筑，上层空气喷嘴将助燃空气沿13°角方向喷入预燃室；下层空气喷嘴将空气沿径向喷入预燃室中心。这种结构形式使煤气在预燃室内产生边缘强中心弱的旋流，与上层助燃空气产生的旋流混合并旋转向下运动，被下层助燃空气喷嘴沿径向喷入的空气充分搅拌切割，由喉口进入拱顶，速度迅速降低并在拱顶燃烧。控制好旋流强度就相当于控制了烟气在格子砖上表面边缘和中心的强度，达到烟气均匀合理的分布。因此喉口直径与预燃室直径的比例、喉口直径与拱顶内径的比例、煤气和空气喷嘴的角度及数目在设计中显得尤为重要。

3.2 热风管道设计特点

热风管道系统的设计、安装和砌筑，往往因为对热风盲板力和管道热应力考虑不周到，限制了不少热风炉提供1250℃以上的高风温。由于顶燃式热风炉其热风总管与热风围管不在同一水平面上，需要有一段热风竖管过渡到热风直管，通过热风直管与热风围管相连，在这方面表现的更为突出。因此在设计中非常重视。热风围管被固定在高炉框架上，成为热风管道系统的固定件，送风时受盲板力和热应力的作用，与之相连的热风直管就沿着其中心线向围管相反方向膨胀，为此设计中采用了两段波纹管补偿器和管道支座；热风支管与热风总管的连接上，设置了波纹补偿器和拉杆组，在支管和总管中心线的交点设置管道支座，吸收因盲板力和热应力引起的横向位移和轴向位移；热风总管上设置了长拉杆、热风总管与热风竖管之间、热风总管端部设置了波纹管补偿器，以吸收管道的纵向膨胀位移和拉杆的弹性伸长；同时热风出口处的炉壳钢板采取了加厚措施，以防止因盲板力和热应力使热风出口处的炉壳变形，进而造成炉墙和管道耐火材料损坏，影响热风炉寿命。

3.3 耐火材料的配置

3.3.1 热风炉蓄热体:上部高温区采用耐火度高、蠕变率低的硅砖，设计中充分考虑了高温区和低温区的界面温度（包括热风炉本体内衬），设定硅砖高度为8.52m，防止硅砖温度频繁波动而引起硅砖粉化；中部有硅砖和黏土砖混合过渡段，硅砖4层（相当于黏土砖6层）；下部为采用热震稳定性强的黏土砖。

3.3.2 热风炉本体内衬

喉口:由炉壳到工作层依次采用支撑臂耐热混凝土、硅酸铝耐火纤维毯、高铝砖。

拱顶:由外到内依次采用喷涂层、硅酸铝耐火纤维毯、轻质保温黏土砖、轻质隔热硅砖，工作层用耐火度高、抗腐蚀性好、蠕变率低的硅砖。

上部高温区:由外到内依次采用硅酸铝耐火纤维板、轻质黏土砖、轻质硅砖、硅砖。

下部低温区:由外到内依次采用硅酸铝耐火纤维板、轻质黏土砖、黏土砖。

3.3.3 预燃室

预燃室球顶:由外到内依次采用喷涂层、硅酸铝耐火纤维毯、两层轻质黏土砖、红柱石砖。

预燃室:耐火材料由外到内依次采用喷涂层、硅酸铝耐火纤维毯、低铁莫来石砖、红柱石砖，煤气环道、空气环道及个喷嘴工作面均采用莫来石复合堇青石砖。

3.3.4 管道耐材

热风支管:由外到内依次采用硅酸铝耐火纤维板、低铁莫来石砖4层，充分考虑支管的保温、隔热及热膨胀，工作面采用蠕变率低、耐火度高、热震性能好的低蠕变高铝砖。

热风总管及热风直管:下部120°范围内喷涂72mm厚喷涂层，上部240°喷涂54mm厚喷涂层，下部120°范围内铺衬2mm油纸，上部240°铺衬20mm硅酸铝耐火纤维毯，向内依次采用两层低铁莫来石砖和一层低蠕变高铝砖。

各孔口、交叉口、三岔口:热风支管与热风总管、混风管、倒流休风管至热风总管、热风总管至热风竖管、热风竖管至热风直管、倒流休风管至倒流烟囱、热风竖管人孔、倒流休风烟囱、热风直管与热风围管及热风围管与鹅颈管等各孔口、三岔口、交叉口均使用低蠕变高铝质组合砖。

热风炉本体内衬、预燃室、拱顶、各管道等部位设计了膨胀缝，以吸收耐火材料的膨胀位移；炉墙与火帽子之间同时还设置滑动缝，以耐火纤维毯填充，使砌砖耐材局部或整体位移时不致损坏。

4 设计采用的其它新技术

4.1 热风炉烟气余热回收利用技术

热风炉废气中含有大量的热能，本次设计的指导思想就是充分利用热风炉废气余热，提高热风炉系统的热效率，降低燃料消耗。这是高炉炼铁技术发展的内在要求和必然趋势，是减少二氧化碳排放、降低污染和能耗、实现可持续发展、创建资源节约型企业的重要手段。

设计中采用了地上钢烟道，分体式煤气、助燃空气预热器，其主要工艺参数如下:

空气预热器:空气流量:89000Nm3/h空气进口压力:12kPa

预热前空气温度:20℃ 预热后空气温度:180℃

烟气流量:95000Nm3/h 烟气温度:300℃

煤气预热器:煤气流量:118000Nm3/h 煤气进口压力:8kPa

预热前煤气温度:80℃ 预热后煤气温度:180℃

烟气流量:95000Nm3/h 烟气温度300℃

经过预热器后的烟气，仍有部分显热，设计中在预热器后的烟道上预留接口，利用烟气剩余的热量，由引风机引至高炉喷煤系统的烟气发生炉，中和烟气发生炉的高温烟气后送往磨煤系统的中速磨，干燥煤粉，烟气预热得到更进一步的利用。

4.2 蓄热室格子砖采用了高发射率覆层技术

蓄热室上部高温区格子砖采用了新型辐射材料—微纳米高温远红外节能涂料。该材料发射率0.91～0.93；耐火度大于1800℃；附着力2级以上；抗热震性1200℃，室内10次以上无脱落；粒度25nm～78nm。使用该材料，可缩短升温时间，降低排烟温度，提高炉温及炉温均匀度，燃料燃烧充分，提高热效率，提高工效5%～15%，延长蓄热体寿命，节能5%～20%。

5 生产实践与应用

热风炉自投入使用至今已经两年多，没有出现任何操作及设备事故，在单烧高炉煤气的情况下，风温实送能力达1200℃以上。只是受高炉操作水平及原燃料条件的限制，有时风温利用水平较低。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.040