摘  要  本文主要從湛江鋼鐵高爐熱風爐系統(tǒng)的高風溫的實際應用情況入手，從高風溫的工藝設計、關鍵設備選型、耐火材料配置進行了介紹，并列舉了幾項頂燃式熱風爐高風溫燃燒新技術，最后又結合高風溫熱風爐熱風管系設計理念對湛江鋼鐵頂燃式熱風爐混風管系和送風總管管系設計進行了簡要介紹。

關鍵詞  頂燃式熱風爐  耐火材料  高風溫  熱風管系

Application and Practice of top combustion stove high blast temperature technology in Baosteel Zhanjiang

Ao Aiguo  Su Wei  Zhang Yongxin

（Baosteel Zhanjiang Iron&Steel Co.,Ltd.）

Abstract  The practical application of top combustion stove high blast temperature in Zhanjiang Iron and Steel Company Limited is introduced in this paper. It begins with high temperature process design, key equipment selection and refractory material distribution. Several new technologies of combustion operation in high temperature top combustion hot stoves are listed as well. Finally, combined with the design concept of high temperature hot stove’s blast pipe system, the hot blast stove air duct system and air supply manifold pipe system design in Zhanjiang Iron and Steel Company Limited is introduced.

Keywords  Top Combustion hot stove, refractory, high blast temperature, hot blast pipe system

高爐冶煉中采用高風溫操作是近代高爐操作的主要發(fā)展方向之一。在焦煤緊張、市場競爭激烈的今天，高風溫的使用顯得尤為重要。湛江鋼鐵煉鐵廠在熱風爐設計選型階段就對各種爐型的熱風爐在國內外大型高爐的應用進行了充分的調研、比較，再結合湛江鋼鐵的實際需求進行了系統(tǒng)的論證與研究，選用了卡盧金頂燃式熱風爐。高風溫頂燃式熱風爐自20 世紀80 年代末投入運行以來，目前在世界上已有30 多座高爐采用頂燃式熱風爐，有的使用壽命已有20多年，運行狀況良好。熱風爐高風溫是一項綜合技術，而國內各廠家在采用卡盧金頂燃式熱風爐工藝的同時又進行了適當改進。本文主要從湛江鋼鐵熱風爐系統(tǒng)高風溫工藝設計、關鍵設備選型、耐火材料配置進行了介紹，列舉了幾項頂燃式熱風爐高風溫燃燒新技術，指出了頂燃式高風溫熱風爐混風管系和送風總管管系設計時需要注意之處。

1  湛江鋼鐵熱風爐系統(tǒng)高風溫工藝設計、耐材配置和設備選型

寶鋼湛江鋼鐵兩座高爐容積均為5050m3，各配置1套熱風爐系統(tǒng)。熱風爐系統(tǒng)本體區(qū)配置4座卡盧金頂燃式熱風爐，每座熱風爐配置一個混風室，采用兩燒兩送交錯并聯的送風制度。為適應湛江鋼鐵在不同階段煤氣平衡的變化，以全燒高爐煤氣為主要設計工況，同時也能適應短時間內摻燒高熱值煤氣（LDG）的設計工況。熱風爐送風溫度≥1300℃。熱風爐系統(tǒng)配置煙氣余熱回收裝置，預熱采用板式換熱器預熱助燃空氣和煤氣，并配置前置預熱爐對助燃空氣進行二級預熱，使空氣溫度到達550℃等新工藝、新技術。

1.1  熱風爐耐材的選用傾向有利于熱量傳遞的設計

    熱風爐爐內耐材選擇依據熱風爐不穩(wěn)態(tài)傳熱模擬計算確定。根據熱風爐各部位的工作溫度分別選擇不同的耐材配置。熱風爐拱頂與蓄熱室大墻砌體分開，形成各自獨立的結構，爐墻可獨立脹縮。湛江頂燃式熱風爐設計拱頂最高溫度為1450℃，送風溫度1300℃。為確保熱風管系能夠長期、安全、穩(wěn)定運行，熱風管系內部耐材按照其工況溫度，進行相應的配置。

    熱風爐出口聯絡管流體溫度設計為1400℃，工作磚襯采用低蠕變高鋁磚H21、隔熱磚襯分別為輕質高鋁磚D16和A13、輕質粘土磚A18，管殼內噴涂耐火噴涂料，管殼設計溫度小于150℃。

    混風室內流體溫度設計為1400℃，工作磚襯采用低蠕變高鋁磚H22和H23、隔熱磚襯分別為輕質高鋁磚D16、輕質粘土磚D14，管殼內噴涂耐火噴涂料，管殼設計溫度小于150℃。

    混風室后熱風支管工況較為復雜，流體溫度設計為1350℃，采用抗熱震更好的低蠕變高鋁磚H231、輕質高鋁磚D16、輕質粘土磚D14、管殼內噴涂耐火噴涂料，管殼設計溫度小于150℃。

    熱風主、圍管流體溫度設計≥1300℃，采用低蠕變高鋁磚H23、輕質高鋁磚A13、輕質粘土磚D14、管殼內噴涂耐火噴涂料，管殼設計溫度小于150℃。 

1.2  采用有利于送風管道穩(wěn)定的混風室配置

與傳統(tǒng)的卡盧金頂燃式熱風爐只有1座混風室不同，湛江鋼鐵頂燃式熱風爐結合了寶鋼外燃式熱風爐30年的成熟使用經驗，深入分析了頂燃式熱風爐熱風管系出現的常見問題，在4座熱風爐熱風出口各配置1座外燃式風格的混風室和熱風出口聯絡管，確保熱風主、支管均采用與圍管相同標高的管系設計。這種工藝設計能夠解決頂燃式熱風爐拱頂熱風出口短管因爐殼上漲、位移大而產生的耐材破壞和管殼發(fā)紅問題，同時能夠使整條熱風管道的流體溫度維持在一個平穩(wěn)的水平（1300～1350℃），與傳統(tǒng)頂燃式熱風爐熱風主、支管流體高達150℃的溫度波動不同，湛江的熱風主、支管流體溫度波動僅為50℃，最大限度減少流體溫度波動對管系造成的影響，能夠確保整條熱風管道在1270～1300℃風溫下長期、安全、穩(wěn)定運行，對熱風管系的壽命有著積極的影響。

　　為降低爐底的熱沖擊，采用鍋底形爐底過渡。為保證砌體結構的穩(wěn)定性，所有孔口全部采用組合磚設計。

1.3  增加熱均壓新工藝

熱風爐系統(tǒng)增加了一套熱均壓裝置，把前行送風爐的壓力在換爐燃燒前均壓到燃燒結束投運到送風的熱風爐爐內。該工藝使熱風爐充壓初期使用了送風前行熱風爐爐內壓力及高溫度的熱風，把前行熱風爐的溫度和余熱得到了再使用，并縮短了換爐時間和減少了風機的充風量。

1.4  采用高熱效應的余熱回收裝置----板式換熱器

煤氣預熱系統(tǒng)為一級預熱，采用整體板式換熱器預熱熱風爐和前置預熱爐燒爐所需的高爐煤氣，預熱溫度為180℃左右。

助燃空氣預熱系統(tǒng)為二級預熱：一級預熱系統(tǒng)采用整體板式換熱器進行預熱，預熱溫180℃左右；二次預熱系統(tǒng)采用2座前置預熱爐對一級預熱后的助燃空氣進行再次預熱，將熱風爐燒爐用的助燃空氣預熱至550℃左右。

1.5  熱風爐爐殼、熱風管道管殼溫度實時檢測

在高風溫操作條件下，熱風爐爐殼、熱風管道管殼易出現串風發(fā)紅現象，如未及時發(fā)現和察覺，易導致嚴重的后果。

為了確保熱風爐爐殼和管殼的安全，及時發(fā)現和預測爐殼和管殼溫度的異常狀況，設計時在熱風爐爐殼、前置預熱爐爐殼、熱風管道管殼等重要部位布置了貼片熱電偶。操作人員在中控室HMI畫面上即可實時監(jiān)視各部位爐殼溫度變化情況，及早發(fā)現、及早預防和處理，省時省力，避免人工檢查帶來的各種不便。

2  熱風爐高風溫燃燒新技術

2.1  單一煤氣管道和燒嘴工藝流程下的燃燒技術

湛江鋼鐵高爐熱風爐采用的是卡盧金頂燃式熱風爐，采用全燒低熱值高爐煤氣為設計工況。通過優(yōu)化燃燒參數合理燃燒把熱風爐的熱效率提高到最大。并針對使用單一低熱值高爐煤氣，通過實踐和不斷改進總結了一套低熱值煤氣下拱頂溫度控制技術（包括殘氧分析燃燒技術、單一煤氣下拱頂溫度控制等）。

2.2  精細化操作技術：增加殘氧自動控制技術

為了燃燒控制精細化、自動化，在原有把殘氧分析作為燒爐參考參數基礎上，增加了殘氧分析值自動控制程序，從工藝和燃燒原理的基礎上把熱風爐燒爐的殘氧控制作為輔助燃燒的一個重要手段，使空燃比的控制更合理，并提高了燃燒的自動化程度。

2.3  優(yōu)化和改進熱風爐熱均壓工藝和程控系統(tǒng)

     做為節(jié)能環(huán)保新技術，熱風爐的熱均壓工藝不僅有利于熱量的回收，而且對熱風爐的壽命和能源利用很有益處。該系統(tǒng)與熱風爐同步投入運行，通過在熱風爐系統(tǒng)安全和換爐控制穩(wěn)定等方面多次優(yōu)化工藝和程控，該系統(tǒng)在湛江熱風爐中運行率100%。

3  熱風爐送風管道系統(tǒng)長壽設計

熱風管道是熱風爐系統(tǒng)中非常重要的部分，穩(wěn)定和可靠的熱風管系是保持高風溫的保障。湛江鋼鐵結合工程實踐，對國內外典型的熱風管系設計形式進行對比，分析總結了影響熱風管系穩(wěn)定長壽的因素,應用了"低應力、有序約束、可控的位移、合理耐材設計"的設計理念。根據熱風管系的布置，采用熱風管系分析軟件，優(yōu)化波紋管、拉桿配置、并配置與管系相適應的耐材砌體結構，改善耐材砌體結構的工作環(huán)境，形成完善、配套的長壽型熱風管道系統(tǒng)。

3.1  合理優(yōu)化卡盧金設計的熱風爐混風管系

原設計中，卡盧金熱風爐混風體系共用1個混風室和平行冷熱風進入，熱風閥外側單波紋管。湛江鋼鐵在設計初期就對該設計進行了優(yōu)化，采用4個熱風爐獨立的混風室上部進風+內側雙波紋管，使混風系統(tǒng)更加合理。

3.2  送風總管管系 

湛江鋼鐵頂燃式熱風爐的送風溫度設計可達到1300℃，送風管系作為熱風管系,又承受工作壓力達550Kpa的高壓。為保證高溫熱風的穩(wěn)定輸送，磚襯設計不僅要考慮結構的整體性，還要考慮各向膨脹位移所帶來的熱應力破損。因此，熱風管道在設計時根據管系的布置，采用熱風管系分析軟件，對管系膨脹位移和受力進行計算，應用了"低應力、有序約束、可控的位移、合理耐材設計"的設計理念，在熱風主管、熱風支管等處設置了波紋補償器，在熱風主管、支管上還設置了大拉桿，以消除盲板力及波紋補償器產生的反力，并配置與管系相適應的耐材砌體結構，改善耐材砌體結構的工作環(huán)境，形成完善、配套的長壽型熱風管道系統(tǒng)，實現了1300℃高風溫的穩(wěn)定輸送。

3.3  熱風管系波紋補償器

    熱風管系波紋補償器的波材質采用SUS316L不銹鋼。波紋管波采用單層結構，波紋管成型之后必須進行固溶處理。波紋補償器的波元件不允許有環(huán)焊縫，其縱焊縫只允許有一條，且必須采用自動氬弧焊焊接。波紋補償器元件與接管的環(huán)焊縫必須采用氬弧焊焊接，筒節(jié)不允許有環(huán)焊縫。波紋管膨脹節(jié)元件與接管的連接需緊密貼合。鎧裝環(huán)采用304不銹鋼棒材。補償器迷宮組件（包括擋圈組件）采用耐熱不銹鋼310S，厚度≥10mm。補償器膨脹縫迷宮隔熱層采用不銹鋼絲網包覆的無氯含鋯硅酸鋁纖維氈。補償器膨脹縫采用陶瓷纖維繩，不銹鋼絲網材質選用310S，壓條材質選用310S扁鋼。連接短管采用Q345B低碳合金鋼。

4  湛江鋼鐵頂燃式熱風爐高風溫應用實績

4.1  頂燃式熱風爐投產后運行穩(wěn)定

湛江鋼鐵頂燃式熱風爐投產后運行穩(wěn)定，沒有因為熱風爐設備問題而導致高爐休風的事故。從湛江投產至今該送風管系各點溫度都在正常范圍，混風系統(tǒng)等各關鍵部位的溫度也在正常范圍內（見下表1）。

4.2  高爐高風溫利用水平逐步提高，技術經濟指標持續(xù)改善

高爐投產后高風溫利用水平逐步提高，風溫目前維持在1270～1280℃左右。爐況穩(wěn)定順行，高爐煤比、燃料比、工序能耗等技術經濟指標持續(xù)優(yōu)化。高風溫對高爐爐況穩(wěn)定順行、經濟技術指標改善發(fā)揮了積極作用。

4.3  熱風爐高爐煤氣實際單耗低于設計值

通過優(yōu)化燃燒參數合理燃燒把熱風爐的熱效率提高到最大。針對使用單一低熱值高爐煤氣，通過實踐和不斷改進總結了一套低熱值煤氣下拱頂溫度控制技術。目前，高爐煤氣單耗逐步降低至580m3/t-p左右，低于設計值675.6m3/t-p。

5  結語

（1）熱風爐高風溫是一項綜合技術，與熱風爐的設計、耐火材料配置、關鍵設備選用及施工、操作和維護密切相關。

（2）高風溫頂燃式熱風爐每個環(huán)節(jié)的設計都必須運用現代科學的技術手段，進行科學理論的分析計算、仿真模擬、實驗室冷態(tài)試驗、熱態(tài)模擬試驗、現場測試和應用實績調研分析等，以確保高風溫頂燃式熱風爐設計的優(yōu)化。

（3）高風溫熱風爐的管路系統(tǒng)中，要重視關鍵部位的材料使用和結構設計。尤其是風溫超過1250℃以后，現有的熱風爐結構和管道系統(tǒng)已經達到極限，需要進一步研究熱風爐的溫度分布以及各部分耐火材料的適應性。

6  參考文獻

［1］國宏偉，張建良，楊天均．高爐高風溫技術進展[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2013：3-7．

［2］劉全興．高爐熱風爐的發(fā)展與耐火材料配置[J]．耐火材料，2013，47（增1）：27—32．